Thiết Kế Mô Đun Điều Khiển Máy Lọc Dầu Tích Hợp Chức Năng Giám Sát Từ Xa

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế mô đun điều khiển máy lọ dầu ủa máy biến áp lự tíh hợp hứ năng giám sát từ xa, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Trịnh Anh Quốc
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Sỹ Hồng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
• Đề tài: Thiết Kế Mô Đun Điều Khiển Máy Lọc Dầu Tích Hợp Giám Sát Từ Xa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MÁY LỌC DẦU
• 1.1. Khái quát về máy lọc dầu
• 1.2. Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu máy biến áp tiêu biểu
• 1.3. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY LỌC DẦU
• 2.1. Các thiết bị chính đang lắp trong máy lọc dầu
• 2.2. Lựa chọn thiết bị cho bộ điều khiển máy lọc dầu MAS 4000
• 2.3. Thiết kế phần cứng
• 2.4. Thiết kế phần mềm cho hệ thống
• 2.5. Truyền nhận dữ liệu đám mây MQTT CLOUD
• 2.6. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 3.1. Giao diện chọn chế độ
• 3.2. Giao diện hệ điều khiển máy lọc dầu máy biến áp lực
• 3.3. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mô Đun Điều Khiển Máy Lọc Dầu

Trong hệ thống truyền tải điện, máy biến áp đóng vai trò then chốt. Sự cố máy biến áp có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc cung cấp điện. Để đảm bảo hoạt động ổn định, việc duy trì chất lượng dầu cách điện là vô cùng quan trọng. Dầu cách điện không chỉ cách điện mà còn làm mát máy biến áp. Tuy nhiên, dầu dễ bị suy giảm chất lượng theo thời gian do nhiễm bẩn, hơi nước và khí hòa tan. Thay dầu mới tốn kém, vì vậy việc tái sử dụng dầu qua máy lọc dầu công nghiệp là giải pháp kinh tế và hiệu quả. Máy lọc dầu loại bỏ các tạp chất, khôi phục các thông số kỹ thuật, đảm bảo an toàn và hiệu suất cho máy biến áp. Theo tác giả Trịnh Anh Quốc, việc này giúp "tiết kiệm nhiều về chi phí và chất lượng dầu sau khi tái chế vẫn đáp ứng được các thông số an toàn và tiêu chuẩn kỹ thuật theo quy định."

1.1. Vai Trò Của Dầu Trong Máy Biến Áp và Sự Cần Thiết Lọc Dầu

Dầu trong máy biến áp đảm nhiệm hai chức năng chính: cách điện và làm mát. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, dầu có thể bị nhiễm bẩn, chứa hơi nước, khí hòa tan, và các tạp chất khác. Những tạp chất này làm giảm khả năng cách điện, giảm hiệu suất làm mát và thậm chí gây ra các sự cố nghiêm trọng. Do đó, việc điều khiển tự động máy lọc dầu định kỳ là vô cùng quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của máy biến áp. Theo tài liệu nghiên cứu, việc duy trì chất lượng dầu "ngăn ngừa sự xuống cấp của dầu cách điện và kéo dài tuổi thọ máy biến áp."

1.2. Máy Lọc Dầu Biến Áp và Các Tiêu Chuẩn Chất Lượng Dầu Sau Lọc

Máy lọc dầu là hệ thống xử lý dầu đã qua sử dụng, loại bỏ các tạp chất, hơi nước, và khí hòa tan. Sau khi lọc, dầu phải đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt về độ nhớt, điện áp đánh thủng, hàm lượng nước, và hàm lượng khí. Các tiêu chuẩn này được quy định rõ ràng để đảm bảo dầu đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn và hiệu quả. Ví dụ, điện áp đánh thủng sau khi lọc phải đạt từ 70kV trở lên. Việc đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng dầu sau lọc là yếu tố then chốt để máy biến áp hoạt động ổn định và bền bỉ.

II. Thách Thức Giám Sát và Điều Khiển Máy Lọc Dầu Từ Xa

Mặc dù máy lọc dầu hiện đại đã được trang bị nhiều tính năng tự động, việc giám sát từ xa máy lọc dầu và điều khiển thủ công vẫn còn nhiều hạn chế. Các hệ thống cũ thường thiếu khả năng kết nối, thu thập dữ liệu thời gian thực, và cảnh báo sự cố kịp thời. Điều này gây khó khăn cho việc quản lý, bảo trì, và tối ưu hóa hiệu suất lọc dầu. Do đó, việc phát triển một mô đun điều khiển máy lọc dầu tích hợp giám sát từ xa là vô cùng cần thiết để nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro. Tác giả Trịnh Anh Quốc nhấn mạnh rằng các hệ thống giám sát hiện tại "chưa có tính tự động hóa cao, chức năng giám sát quá trình lọc dầu còn lạc hậu."

2.1. Hạn Chế Của Hệ Thống Điều Khiển Máy Lọc Dầu Truyền Thống

Các hệ thống điều khiển máy lọc dầu truyền thống thường dựa trên các thiết bị cơ điện, PLC, và các cảm biến analog. Việc thu thập dữ liệu, giám sát, và điều khiển thường được thực hiện tại chỗ, gây khó khăn cho việc quản lý từ xa. Thiếu khả năng kết nối mạng, không có giao diện người dùng thân thiện, và khó tích hợp với các hệ thống quản lý năng lượng thông minh. Điều này làm giảm hiệu quả vận hành, tăng chi phí bảo trì, và hạn chế khả năng tối ưu hóa hiệu suất.

2.2. Yêu Cầu Về Hệ Thống Giám Sát Từ Xa Máy Lọc Dầu Hiện Đại

Một hệ thống giám sát từ xa máy lọc dầu hiện đại cần đáp ứng các yêu cầu sau: khả năng kết nối mạng (Wi-Fi, Ethernet, 4G/5G), thu thập và truyền dữ liệu thời gian thực, cảnh báo sự cố tức thời, giao diện người dùng trực quan, khả năng điều khiển từ xa, tích hợp với các hệ thống quản lý năng lượng thông minh, và khả năng bảo mật cao. Hệ thống cần cung cấp thông tin chi tiết về trạng thái hoạt động, hiệu suất lọc dầu, và các thông số kỹ thuật quan trọng. Từ đó, người vận hành có thể đưa ra các quyết định chính xác và kịp thời để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu rủi ro.

III. Giải Pháp Thiết Kế Mô Đun Điều Khiển Nhúng Tích Hợp IoT

Để giải quyết các thách thức trên, một giải pháp hiệu quả là thiết kế mô đun điều khiển nhúng nhỏ gọn, tích hợp IoT trong máy lọc dầu. Mô đun này sử dụng vi điều khiển (MCU), cảm biến thông minh, và module truyền thông (Wi-Fi) để thu thập dữ liệu, điều khiển các thiết bị, và kết nối với phần mềm giám sát máy lọc dầu trên nền tảng đám mây. Giải pháp này cho phép điều khiển máy lọc dầu từ xa, giám sát trạng thái hoạt động thời gian thực, và nhận cảnh báo sự cố tức thời. Tác giả Trịnh Anh Quốc đã cải tiến "một hệ thống điều khiển quá trình khép kín: có các cảm biến để giám sát quá trình hoạt động, có các van đóng cắt cũng như điều chỉnh lưu lượng dầu để quá trình hoạt động được tốt ưu nhất."

3.1. Lựa Chọn Linh Kiện Cho Mô Đun Điều Khiển Máy Lọc Dầu

Việc lựa chọn linh kiện phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của mô đun điều khiển. Cần chọn MCU có hiệu năng cao, bộ nhớ đủ lớn, và các giao tiếp ngoại vi cần thiết (UART, SPI, I2C). Các cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, và mức dầu cần có độ chính xác cao, độ ổn định tốt, và khả năng chống nhiễu. Module truyền thông Wi-Fi cần có khả năng kết nối ổn định, tốc độ truyền dữ liệu nhanh, và bảo mật cao. Các linh kiện này cần được lựa chọn dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật, yêu cầu ứng dụng, và ngân sách cho phép.

3.2. Thiết Kế Phần Cứng và Phần Mềm Điều Khiển Máy Lọc Dầu

Phần cứng của mô đun điều khiển bao gồm mạch nguồn, mạch MCU, mạch cảm biến, mạch truyền thông, và các mạch bảo vệ. Mạch cần được thiết kế sao cho nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, và dễ dàng lắp đặt. Phần mềm điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình C/C++ hoặc Python, bao gồm các module thu thập dữ liệu, điều khiển thiết bị, truyền thông, và giao diện người dùng. Phần mềm cần được thiết kế theo cấu trúc module hóa, dễ dàng mở rộng và bảo trì. Theo luận văn, việc thiết kế phải "bám sát thực tế vận hành của hệ thống hiện hữu và mô phỏng lại để thực hiện điều chỉnh tối ưu."

IV. Ứng Dụng Thực Tế Giám Sát Từ Xa và Bảo Trì Máy Lọc Dầu

Mô đun điều khiển nhúng tích hợp giám sát từ xa có thể được ứng dụng rộng rãi trong các trạm biến áp, nhà máy điện, và các cơ sở công nghiệp sử dụng máy biến áp. Hệ thống cho phép người vận hành theo dõi trạng thái hoạt động của máy lọc dầu, nhận cảnh báo sự cố, và điều khiển từ xa các thiết bị. Dữ liệu thu thập được có thể được sử dụng để phân tích hiệu suất, dự đoán bảo trì, và tối ưu hóa quy trình vận hành. Bảo trì máy lọc dầu từ xa trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và chi phí bảo trì.

4.1. Giao Diện Người Dùng và Phần Mềm Giám Sát Máy Lọc Dầu

Giao diện người dùng (HMI) cần được thiết kế trực quan, dễ sử dụng, và cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết. Phần mềm giám sát có thể được triển khai trên nền tảng web hoặc ứng dụng di động, cho phép người vận hành truy cập từ mọi nơi, mọi lúc. Phần mềm cần cung cấp các chức năng sau: hiển thị trạng thái hoạt động, biểu đồ xu hướng, cảnh báo sự cố, điều khiển thiết bị, báo cáo hiệu suất, và quản lý người dùng. Theo luận văn, giao diện cần "bám sát thực tế vận hành của hệ thống hiện hữu."

4.2. Truyền Thông Đám Mây MQTT và Truyền Dữ Liệu Máy Lọc Dầu

Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức truyền thông nhẹ, hiệu quả, và phù hợp cho các ứng dụng IoT. Dữ liệu thu thập được từ mô đun điều khiển được truyền lên đám mây thông qua giao thức MQTT, cho phép lưu trữ, xử lý, và phân tích dữ liệu trên quy mô lớn. Các nền tảng đám mây như AWS IoT, Azure IoT Hub, và Google Cloud IoT cung cấp các dịch vụ hỗ trợ MQTT, giúp đơn giản hóa việc triển khai và quản lý hệ thống. Nhờ đó việc giám sát hiệu suất máy lọc dầu trở nên dễ dàng.

V. Kết Luận Tương Lai Của Điều Khiển Máy Lọc Dầu Thông Minh

Việc thiết kế mô đun điều khiển máy lọc dầu tích hợp giám sát từ xa là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì máy biến áp. Giải pháp này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm: giảm chi phí bảo trì, tăng tuổi thọ máy biến áp, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động, và cải thiện an toàn vận hành. Trong tương lai, các hệ thống điều khiển máy lọc dầu thông minh sẽ ngày càng trở nên phổ biến, đóng góp vào việc xây dựng một hệ thống điện thông minh và bền vững. Học viên kết luận rằng "việc ứng dụng công nghệ và áp dụng cho hệ thống máy lọc dầu máy biến áp là hoàn toàn khả thi, mang lại giá trị kinh tế và hiệu quả kĩ thuật cao."

5.1. Hướng Phát Triển Của Hệ Thống Điều Khiển Máy Lọc Dầu

Trong tương lai, hệ thống điều khiển máy lọc dầu có thể được tích hợp thêm các tính năng như: phân tích dầu trực tuyến, dự đoán bảo trì dựa trên AI, tối ưu hóa quy trình lọc dầu bằng thuật toán, và tích hợp với các hệ thống quản lý năng lượng thông minh. Các công nghệ mới như 5G, blockchain, và edge computing cũng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các hệ thống điều khiển máy lọc dầu thông minh hơn, an toàn hơn, và hiệu quả hơn. Do đó việc nghiên cứu điều khiển tự động máy lọc dầu là cần thiết.

5.2. Lợi Ích Kinh Tế Và Kỹ Thuật Của Mô Đun Điều Khiển Máy Lọc Dầu

Việc triển khai mô đun điều khiển máy lọc dầu tích hợp giám sát từ xa mang lại nhiều lợi ích kinh tế và kỹ thuật. Giảm chi phí bảo trì do dự đoán bảo trì chính xác hơn, tăng tuổi thọ máy biến áp do duy trì chất lượng dầu tốt hơn, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động do phát hiện sự cố sớm hơn, và cải thiện hiệu suất vận hành do tối ưu hóa quy trình lọc dầu. Những lợi ích này không chỉ giúp các doanh nghiệp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao tính cạnh tranh. "Phương pháp điều khiển giám sát tự động và từ xa mang lại hiệu suất cao và an toàn hơn rất nhiều so với vận hành thủ công."

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Máy biến áp là thiết bị thiết yếu trong hệ thống truyền tải điện, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện ổn định cho các khu vực. Dầu cách điện trong máy biến áp không chỉ giúp cách điện mà còn hỗ trợ làm mát các cuộn dây, góp phần kéo dài tuổi thọ thiết bị. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành lâu dài, dầu dễ bị nhiễm bẩn, chứa nước và khí hòa tan, làm giảm hiệu suất và an toàn của máy biến áp. Việc thay dầu mới tốn kém và không phải là giải pháp tối ưu, do đó tái sử dụng dầu sau khi lọc sạch là phương án hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế mô đun điều khiển nhúng nhỏ gọn, tích hợp chức năng giám sát từ xa cho hệ thống máy lọc dầu máy biến áp tại các trạm điện ở Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào cải tiến hệ thống điều khiển máy lọc dầu MAS 4000, nâng cao tính tự động hóa và khả năng giám sát qua giao diện người-máy từ xa, giúp người vận hành dễ dàng kiểm soát và điều khiển thiết bị, giảm thiểu nhân lực và tăng cường an toàn vận hành.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế phần cứng và phần mềm cho mô đun điều khiển, tích hợp các cảm biến nhiệt độ, lưu lượng, mức dầu, cảm biến bọt khí, cùng với mô đun truyền thông Wi-Fi để kết nối với hệ thống giám sát đám mây MQTT Cloud. Thời gian nghiên cứu tập trung vào năm 2018-2020, tại các trạm biến áp sử dụng máy lọc dầu MAS 4000 phổ biến ở Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao hiệu quả vận hành máy biến áp, giảm thiểu sự cố do dầu cách điện kém chất lượng, đồng thời góp phần hiện đại hóa công tác bảo trì, giám sát thiết bị điện lực theo xu hướng công nghệ 4.0.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết về dầu cách điện máy biến áp: Dầu cách điện có vai trò cách điện và làm mát, các thông số kỹ thuật như hàm lượng nước, khí hòa tan, điện áp đánh thủng là tiêu chí quan trọng đánh giá chất lượng dầu. Tiêu chuẩn IEC 60296 được áp dụng làm chuẩn chất lượng dầu sau lọc.

• Mô hình điều khiển tự động và giám sát từ xa: Sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp cảm biến PT100, cảm biến lưu lượng, cảm biến mức và cảm biến bọt khí để thu thập dữ liệu vận hành. Mô đun Wi-Fi ESP8266 12E được tích hợp để truyền dữ liệu lên nền tảng đám mây MQTT Cloud, cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua giao diện HMI.

• Khái niệm về truyền thông không dây và IoT: Ứng dụng giao thức MQTT Cloud và công nghệ SmartConfig giúp cấu hình mạng Wi-Fi dễ dàng, đảm bảo kết nối ổn định và bảo mật trong môi trường công nghiệp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển nhúng kết hợp truyền thông không dây, bao gồm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thực tế từ máy lọc dầu MAS 4000 tại các trạm biến áp, tài liệu kỹ thuật của các thiết bị cảm biến và mô đun truyền thông, cùng các quy trình vận hành thực tế.

• Phương pháp phân tích: Thiết kế phần cứng mạch điều khiển với các thành phần cảm biến và vi điều khiển, lập trình phần mềm nhúng cho MCU và mô đun Wi-Fi, xây dựng giao diện HMI trên nền tảng Windows Forms kết nối với MQTT Cloud để giám sát và điều khiển.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống được thử nghiệm trên mô hình máy lọc dầu MAS 4000, một thiết bị phổ biến với công suất lọc lên đến 4000 lít/giờ, phù hợp với quy mô các trạm biến áp tại Việt Nam.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu và phát triển kéo dài trong khoảng 2 năm (2018-2020), bao gồm giai đoạn khảo sát, thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm, thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế mô đun điều khiển nhúng nhỏ gọn và kinh tế: Mô đun sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 với đầy đủ các tín hiệu đầu vào từ cảm biến PT100, cảm biến lưu lượng, cảm biến mức và cảm biến bọt khí, cùng các tín hiệu đầu ra điều khiển bơm dầu, bơm chân không, bộ gia nhiệt và van điện từ. Mô đun có kích thước nhỏ gọn, giảm chi phí sản xuất so với hệ thống điều khiển PLC truyền thống.

2. Tích hợp chức năng giám sát và điều khiển từ xa qua Wi-Fi: Mô đun ESP8266 12E được lập trình để kết nối với mạng Wi-Fi và truyền dữ liệu lên MQTT Cloud. Người vận hành có thể giám sát trạng thái máy lọc dầu và điều khiển thiết bị từ xa qua giao diện HMI trên máy tính hoặc điện thoại thông minh. Tính năng này giúp giảm nhân lực giám sát trực tiếp, tiết kiệm chi phí vận hành.

3. Hiệu quả vận hành được cải thiện rõ rệt: Hệ thống điều khiển tự động theo quy trình vận hành thực tế, với các chế độ Manual và Auto, đảm bảo bơm dầu, bơm chân không và bộ gia nhiệt hoạt động tối ưu theo lưu lượng dầu. Ví dụ, khi lưu lượng dầu dưới 2000 lít/giờ, chỉ một bộ gia nhiệt hoạt động; khi lưu lượng lớn hơn, cả hai bộ gia nhiệt được kích hoạt để đảm bảo nhiệt độ dầu đạt chuẩn. Điều này giúp nâng cao chất lượng dầu sau lọc, tăng điện áp đánh thủng từ mức 35 kV lên trên 70 kV.

4. Tăng cường an toàn và độ tin cậy: Hệ thống có các cảnh báo mức dầu cao, quá nhiệt, và thay phin lọc, giúp người vận hành kịp thời xử lý sự cố. Vi điều khiển được trang bị watchdog chống treo, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định liên tục.

Thảo luận kết quả

Việc thiết kế mô đun điều khiển nhúng thay thế cho PLC truyền thống đã giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu, đồng thời tăng tính linh hoạt trong mở rộng và bảo trì hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng PLC S7-1200, mô đun nhúng cho phép tích hợp dễ dàng các cảm biến và mô đun truyền thông không dây, phù hợp với xu hướng công nghiệp 4.0.

Chức năng giám sát từ xa qua MQTT Cloud và giao diện HMI giúp người vận hành có thể theo dõi và điều khiển máy lọc dầu mọi lúc mọi nơi, đặc biệt hữu ích trong điều kiện thời tiết xấu hoặc các trạm biến áp không có người trực. Điều này phù hợp với định hướng chuyển đổi các trạm biến áp không người trực của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN).

Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thực về nhiệt độ dầu, lưu lượng, mức dầu và trạng thái các thiết bị, giúp phân tích hiệu suất vận hành và phát hiện sớm các bất thường. So sánh với các máy lọc dầu hiện đại của các hãng như MAXEI, KATO, Globecore, hệ thống cải tiến này đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chất lượng dầu và an toàn vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi mô đun điều khiển nhúng cho các máy lọc dầu tại các trạm biến áp: Đề xuất EVN và các đơn vị quản lý điện lực áp dụng mô đun điều khiển này để nâng cao hiệu quả vận hành, giảm chi phí bảo trì và nhân lực giám sát trong vòng 1-2 năm tới.

2. Phát triển thêm các tính năng phân tích dữ liệu và cảnh báo thông minh: Tích hợp trí tuệ nhân tạo để phân tích dữ liệu thu thập từ cảm biến, dự báo sự cố và đề xuất bảo dưỡng kịp thời, nâng cao độ tin cậy hệ thống trong 3 năm tiếp theo.

3. Mở rộng giao diện giám sát trên nền tảng di động và web: Phát triển ứng dụng di động và giao diện web thân thiện, giúp người vận hành dễ dàng truy cập và điều khiển máy lọc dầu mọi lúc mọi nơi, dự kiến hoàn thành trong 1 năm.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành hệ thống điều khiển tự động và giám sát từ xa, đảm bảo nhân viên có kỹ năng sử dụng hiệu quả công nghệ mới, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu các giải pháp điều khiển nhúng và truyền thông không dây trong công nghiệp, áp dụng vào các hệ thống tương tự.

2. Nhân viên vận hành và bảo trì trạm biến áp: Hiểu rõ quy trình vận hành máy lọc dầu hiện đại, nâng cao kỹ năng giám sát và xử lý sự cố qua hệ thống điều khiển tự động và giám sát từ xa.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành điện lực: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc ứng dụng công nghệ mới trong bảo trì thiết bị điện, từ đó xây dựng kế hoạch đầu tư phù hợp.

4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện, điện tử và tự động hóa: Tham khảo mô hình nghiên cứu thực tiễn, phương pháp thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển nhúng, cũng như ứng dụng IoT trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô đun điều khiển nhúng có ưu điểm gì so với PLC truyền thống?
   Mô đun nhúng có kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp hơn, dễ dàng tích hợp các cảm biến và mô đun truyền thông không dây, phù hợp với các ứng dụng cần tính linh hoạt và mở rộng. Ví dụ, mô đun sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 giúp giảm chi phí so với PLC S7-1200.

2. Chức năng giám sát từ xa hoạt động như thế nào?
   Dữ liệu từ các cảm biến được vi điều khiển thu thập và gửi qua mô đun Wi-Fi ESP8266 lên nền tảng MQTT Cloud. Người vận hành có thể truy cập giao diện HMI trên máy tính hoặc điện thoại để theo dõi trạng thái và điều khiển thiết bị từ xa, giúp giảm nhân lực giám sát trực tiếp.

3. Hệ thống có đảm bảo an toàn khi vận hành tự động không?
   Hệ thống được trang bị các cảm biến cảnh báo mức dầu cao, quá nhiệt, thay phin lọc và có watchdog chống treo vi điều khiển, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn. Các cảnh báo được hiển thị trên giao diện HMI để người vận hành kịp thời xử lý.

4. Phạm vi ứng dụng của mô đun điều khiển này là gì?
   Mô đun được thiết kế cho máy lọc dầu máy biến áp công suất lớn tại các trạm biến áp, có thể mở rộng cho các loại máy lọc dầu khác như dầu thủy lực, dầu bôi trơn trong công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả và tự động hóa quy trình lọc dầu.

5. Làm thế nào để cấu hình mạng Wi-Fi cho mô đun ESP8266?
   Hệ thống sử dụng tính năng SmartConfig kết hợp giao thức ESP-Touch, cho phép cấu hình SSID và mật khẩu Wi-Fi qua ứng dụng trên điện thoại thông minh mà không cần lập trình lại firmware, giúp việc cài đặt nhanh chóng và thuận tiện.

Kết luận

• Đã thiết kế thành công mô đun điều khiển nhúng nhỏ gọn, tích hợp đầy đủ các cảm biến và chức năng điều khiển cho máy lọc dầu máy biến áp MAS 4000.
• Tích hợp thành công mô đun Wi-Fi ESP8266 12E, cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua nền tảng MQTT Cloud, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí nhân lực.
• Hệ thống vận hành ổn định với hai chế độ Manual và Auto, đảm bảo chất lượng dầu sau lọc đạt tiêu chuẩn kỹ thuật IEC 60296, tăng điện áp đánh thủng từ 35 kV lên trên 70 kV.
• Giải pháp phù hợp với xu hướng công nghiệp 4.0 và định hướng phát triển trạm biến áp không người trực của EVN.
• Đề xuất triển khai rộng rãi và phát triển thêm các tính năng phân tích dữ liệu thông minh, mở rộng giao diện giám sát trên nền tảng di động trong các bước tiếp theo.

Mời quý độc giả và các đơn vị liên quan nghiên cứu, áp dụng và phát triển tiếp tục để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống máy lọc dầu máy biến áp trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY LỌC DẦU 1.1 Khái quát về máy lọc dầu Trong hệ thống truyền tải điện, máy biến áp là một thiết bị rất quan trọng (hình. Khi xảy ra sự cố có thể ảnh hưởng đến việc sử dụng điện của cả một khu vực. Vì vậy, việc đảm bảo trạng thái làm việc ổn định của máy biến áp là vô vùng quan trọng.

Môi trường dầu bên trong máy biến áp đóng vai trò quan trọng vừa làm tăng độ bền cách điện, vừa hỗ trợ làm mát các cuộn dây. Nhưng đi kèm với đó, thì dầu bên trong máy biến áp lại rất dễ bị mất và giảm thông số tiêu chuẩn an toàn khi sử dụng trong thời gian dài. Lúc này, việc thay hoàn toàn dầu trong máy biến áp tốn rất nhiều chi phí và nếu liên tục sử dụng thì đây cũng không phải một giải pháp tối ưu.1 Máy biến áp dầu trong thực tế Giải pháp hiệu quả hơn là tái sử dụng lại dầu máy biến áp đã qua sử dụng sau khi được loại bỏ cặn bẩn, hơi nước và các khí hoà tan, giúp tiết kiệm nhiều về chi phí và chất lượng dầu sau khi tái chế vẫn đáp ứng được các thông số an toàn và tiêu chuẩn kỹ thuật theo quy định. Máy lọc dầu là một hệ thống thực hiện quá trình lọc những thành phần không cần thiết ảnh hưởng tới chất lượng của dầu, đạt được những tiêu chuẩn cần thiết cho dầu (hình 1.

Cơ cấu về các sản phẩm dầu phải đáp ứng được nhu cầu của thị trường, đảm bảo về chất lượng của dầu theo tiêu chuẩn chất lượng đã quy định để sử dụng cho các thiết bị trong các nhà máy, khu công nghiệp như: máy biến áp, turbin, …. Mục đích của máy lọc dầu là loại bỏ các tạp chất như nước, các cặn bẩn, khí hòa tan, …có trong dầu để đảm bảo quá trình vận hành tốt nhất cho thiết bị.2 Công tác lọc dầu thực tế tại trạm biến áp [2] Các tính chất của dầu trước khi được xử lý, lọc: - Dầu trước khi lọc có chứa nhiều các cặn bẩn, không đạt tiêu chuẩn về độ nhớt và điện áp đánh thủng. - Trong dầu có chứa hàm lượng nước và các khí hòa tan gây ảnh hưởng nhất định đến chất lượng của dầu làm cho quá trình hoạt động của các thiết bị không được an toàn, không hoạt động được với công suất tốt nhất. - Trong dầu chưa được xử lý có thể chứa các hợp chất lưu (như H2S,.

Những hợp chất lưu huỳnh này sẽ tác dụng với kim loại có trong dầu đặc biệt đối với đồng (Cu) gây ra sự ăn mòn. Quy trình của một máy lọc dầu cơ bản (hình 1.3 Quy trình lọc dầu cơ bản Dầu được hút từ máy biến áp rồi đưa đến bộ gia nhiệt (làm nóng dầu). Trong bộ gia nhiệt dầu được làm nóng lên đến nhiệt độ quy định từ 500C đến 700C (tùy từng loại máy, hãng sản xuất). Sau đó được đưa vào bình chân không bằng đầu phun sương (hoặc các yếu tố phân tán) để tạo tối đa sự tiếp xúc của dầu 2 với chân không trong bình.

Nước trong dầu sẽ bốc hơi và được hút vào bình ngưng để chuyển đổi nước từ thể hơi sang thể lỏng rồi được bơm vào bình chứa. Dầu sau khi được khử nước sẽ được đưa ra bằng bơm xả. Dầu sẽ được đưa qua bộ lọc hạt có hiệu suất cao và được đưa trở lại hệ thống cần sử dụng. Có thể phân loại máy lọc dầu theo chức năng hoặc theo đối tượng ứng dụng trong đó theo chức năng có: Máy lọc dầu ly tâm: lọc cặn; Phin lọc: lọc cặn; Hấp thụ nước: làm lượng nước có trong dầu giảm, theo đối tượng có: Máy lọc dầu máy biến áp; Máy lọc dầu Turbin.

[1] Trong nghiên cứu này học viên sẽ nghiên cứu về máy lọc dầu theo đối tượng: máy lọc dầu cho máy biến áp lực. Tại sao phải lọc dầu cho máy biến áp? - Dầu trước khi lọc có chứa hàm lượng cao các chất khí hòa tan như: H 2, CO, CO2 , O2, N2, CH4, CH 2, C2H2, C2H6. Trong quá trình hoạt động của máy biến áp, các chất này có trong dầu sẽ tạo ra phản ứng hóa học dẫn đến sự cố nghiêm trọng trong máy biến áp (phóng điện cục bộ, hồ quang và tăng nhiệt cục bộ). - Đo hàm lượng nước, acid, độ nhiễm bẩn và cường độ điện trường đánh thủng của dầu, để đưa ra tình trạng tổng quan của dầu và các bộ phận của máy biến áp bên trong dầu.

Chất lượng của dầu đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự xuống cấp của dầu cách điện và kéo dài tuổi thọ máy biến áp. - Dầu sử dụng trong máy biến áp thường là dầu khoáng. Trong dầu có thể chứa các hợp chất của S (lưu huỳnh), phần lớn sẽ bị loại bỏ trong quá trình tinh chế. Tuy nhiên vẫn còn sót lại lượng rất nhỏ.

Những hợp chất lưu huỳnh này sẽ tác dụng với kim loại có trong dầu đặc biệt đối với đồng, gây ra sự ăn mòn giấy cách điện và ăn mòn thanh đồng (cuộn dây) trong máy biến áp. Dầu sử dụng cho máy biến áp phải đáp ứng được những yêu cầu sau: Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của dầu cách điện máy biến áp STT Hạng mục Đơn vị Yêu cầu 1 Tiêu chuẩn áp dụng IEC 60296 2 Độ nhớt, ở 400 C mm2 <= 9,2 3 Quan sát bên ngoài Trong, sáng không có nước và tạp chất 4 Điểm chớp cháy 0 + Cốc hở C >= 148 + Cốc kín 0C >= 144 5 Hàm lượng nước ppm <= 30 3 6 Điện thế đánh thủng + Trước khi lọc kV >= 35 + Sau khi lọc kV >= 70 - Dầu cho máy biến áp thường có thời gian sử dụng kéo dài nhờ khả năng chống oxi hóa, chống lại sự hình thành cặn, độ ổn định nhiệt độ tốt giúp cho dầu tăng khả năng chịu tải trọng nhiệt cao giúp tiết kiệm chi phí bảo dưỡng. - Có tính cách điện cao. - Độ nhớt thấp giúp giải nhiệt tốt.

- Khả năng chống oxy hóa tốt -> kéo dài tuổi thọ dầu. - Điểm chớp cháy cao nên tránh được nguy cơ cháy nổ. - Khả năng tách nhũ tốt, đảm bảo tách nước hoàn toàn trong trường hợp dầu bị nhiễm nước. - Hoàn toàn không lẫn tạp chất như khí hòa tan, nước hoặc chất rắn dạng huyền phù.

Với những tiêu chuẩn và quy định về chất lượng của dầu cho máy biến áp nêu trên thì máy lọc dầu máy biến áp sẽ cho ra sản phẩm dầu đúng với quy định về chất lượng cũng như độ an toàn của dầu khi sử dụng cho máy biến áp. Cùng với hàng loạt các quy trình, công nghệ lọc và xử lý dầu hiện đại để cho ra một sản phẩm dầu tốt nhất. Mô hình máy lọc dầu kết nối trực tiếp với máy biến áp như hình 1. Quá trình lọc được lặp đi lặp lại cho đến khi dầu đạt được tiêu chuẩn sử dụng trong máy biến áp.

Để đạt được thông số theo yêu cầu của dầu sử dụng cho máy biến áp, máy lọc dầu phải được nối với máy biến áp và lọc theo hình thức đối lưu.4 Mô hình máy lọc dầu kết nối với máy biến áp [3] Ví dụ: Máy lọc dầu online MAS4000 – TEC: - Tính năng: Lọc dầu khi máy biến áp vẫn hoạt động bình thường. 4 - Thông số kỹ thuật: + Công nghệ TEC + Lưu lượng có thể thay đổi từ 2000 – 4000 l/giờ lọc online và từ 1000 – 4000 l/giờ offline. + Công suất gia nhiệt: 64 kW Hình 1.5 Máy lọc dầu MAS4000-TEC + Tốc độ tăng nhiệt ở lưu lượng biểu kiến: 270C + Công suất tổng: 74kW + Phin lọc: Luôn đạt 95 % + Đo áp suất chân không bằng cảm biến pirani + Lưu lượng bơm chân không 180 m3/giờ. + Có hệ thống ống nối với máy biến áp, hệ thống van, các cảm biến đo lường, điều khiển, cảnh báo, kiểu ống nối Guillemin DN40.

+ Một bình khử khí an toàn để bảo vệ máy biến áp. + Ba van cách ly (cao, thấp và truyền qua) và phụ kiện nối với MBA. + Kiểm soát liên tục nhiệt độ của dầu vào trước khử khí. + Kiểm soát liên tục việc quá áp trong hệ thống đường ống bởi bộ điều khiển áp suất, van giảm áp.

+ Đo lưu lượng dầu vào kết hợp với van tỷ lệ trước khi dầu đi vào bình khử khí để đảm bảo dầu vào một cách liên tục điều khiển bằng PLC. + Liên tục giám sát mức dầu trong bình chứa của máy biến áp để bảo vệ máy biến áp. + Tự động điều chỉnh bọt khí trong bình tách khí. 5 + Điều khiển từ xa của các bộ lọc khi bị tắc nghẽn với cảm biến chênh áp.

+ Triệt tiêu hoàn toàn khí tự do và bọt khí tại đầu ra của máy lọc dầu. + Kiểm soát chân không với bộ đo chân không và áp kế. + Có máy khí nén độc lập. + Có kính để giám sát dòng chảy dầu tại đầu ra máy.

+ Khởi động tuần tự và tự khởi động lại quá trình lọc. + Có bình tách hơi nước và khí. + Có bình tách khí độc lập nhằm bỏ khí còn lại trong dầu trước khi đưa vào máy biến áp.2 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu máy biến áp tiêu biểu Hiện nay trên thế giới đã có các hãng sản xuất máy lọc dầu cho máy biến áp như MAXEI (Pháp), KATO (Nhật), Globecore (Ukaine) đều có bán trên thị trường. Mỗi hãng đều có các đặc điểm và công nghệ khác nhau nhưng đều theo một quy trình lọc dầu nhất định.

 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu Maxei Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu Maxei như hình 1.6 và hình ảnh thực tế của máy lọc dầu Maxei hình 1.6 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu MAXEI [4] Dầu sẽ được tách các cặn bẩn bởi các phin lọc thô và phin lọc tình, mắt lọc càng bé thì chất lượng dầu càng tốt, tuy nhiên nó sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng của dầu. Thông thường bộ lọc thô là các lưới lọc, và bộ lọc tinh với kích thước mắt lọc 1µm. 6 Để tách khí và hơi nước trong dầu, ta dùng công nghệ chân không, dầu sẽ được gia nhiệt, theo các nghiên cứu và thực tiễn thì nhiệt độ gia nhiệt nên ở 700C. Nếu nhiệt độ tăng thêm thì việc tách nước và khí hòa tan trong dầu nhanh hơn, tuy nhiên dầu dễ bị lão hóa.

Nếu nhiệt độ thấp thì việc tách nước và khí hòa sẽ chậm hơn, dầu khó đạt được các thông số yêu cầu. Dầu được làm nóng sẽ được dẫn vào buồng chân không dưới dạng đầu phun sương.