Tài liệu Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động hóa trong điều khiển tưới tiêu thủy lợi với giải pháp thu thập dữ liệu từ xa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN QUỐC HƯNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TIÊU THỦY LỢI VỚI GIẢI PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VŨ MINH QUANG HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Hưng i LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Vũ Minh Quang, Tổ trưởng tổ Điện – Khoa Năng lượng - Trường Đại học Thủy lợi, thầy đã dành nhiều thời gian tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu đề tài. Thầy là người đã định hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu trong quá trình em thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong khoa Năng lượng - Trường Đại học Thủy lợi đã dạy bảo tận tình, trang bị cho em những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em học tập và nghiên cứu tại trường. Em cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm. Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả quý thầy cô, quý đồng nghiệp cùng toàn thể gia đình và bạn bè. Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................x 1. Tính cấp thiết của Đề tài:.........................................................................................x 2. Mục đích của Đề tài: ...............................................................................................xi 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:............................................................xi 4. Kết quả dự kiến đạt được: ......................................................................................xi CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI ............................. 1 1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi ................................................................ 1 1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới - tiêu thủy lợi .......................................................... 1 1.1.2 Phân loại trạm bơm tiêu: ................................................................................1 1.1.3 Đặc điểm trạm bơm tiêu: ................................................................................1 1.2 Sơ đồ phổ biến của một hệ thống tưới – tiêu thủy lợi ...........................................2 1.2.1 Nguồn nước ....................................................................................................2 1.2.2 Bể hút và nguồn hút ........................................................................................3 1.2.3 Trạm bơm .......................................................................................................3 1.2.4 Máy bơm.........................................................................................................4 1.2.5 Đặc điểm của máy bơm nước .........................................................................6 1.2.6 Bể xả ...............................................................................................................7 1.2.7 Ruộng .............................................................................................................7 1.3 Vai trò của hệ thống tưới – tiêu thủy lợi ............................................................... 7 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI TIÊU THỦY LỢI ĐIỂN HÌNH ...........................................................................................................10 2.1 Khái niệm về hiện đại hóa hệ thống tưới............................................................. 10 2.2 Hệ thống tưới truyền thống và hệ thống tưới được hiện đại hóa......................... 12 2.2.1 Hệ thống tưới truyền thống ..........................................................................12 2.2.2 Hệ thống tưới hiện đại ..................................................................................14 2.3 Vai trò hiện đại hóa hệ thống tưới .......................................................................16 iii 2.4 Lựa chọn giải pháp điều khiển hệ thống bơm tưới tiêu thủy lợi ......................... 17 2.5 Sơ đồ hệ thống tưới cho nhiều đồng ruộng ......................................................... 22 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PLC S7 – 1200 TRONG TỰ ĐỘNG HÓA TƯỚI TIÊU THỦY LỢI ....................................................................................................................26 3.1 Tổng quan thiết bị ................................................................................................ 26 3.2 Cấu trúc................................................................................................................30 3.3 Ngôn ngữ lập trình ............................................................................................... 31 3.4 Lựa chọn cấu hình PLC S7 – 1200 ......................................................................35 3.5 Lập trình ứng dụng .............................................................................................. 36 3.5.1 Sơ đồ chức năng ........................................................................................... 36 3.5.2 Khai báo biến ngõ Vào/Ra của bài toán .......................................................41 3.5.3 Viết chương trình .......................................................................................... 45 CHƯƠNG 4 GIẢI PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU TỪ XA VỀ PLC S7 - 1200 .............46 4.1 Khái quát..............................................................................................................46 4.2 Tổng quan mạng truyền thông MODBUS .......................................................... 47 4.2.1 Tầm quan trọng của mạng MODBUS .......................................................... 47 4.2.2 Các dạng MODBUS phổ biến hiện nay .......................................................48 4.2.3 Truyền thông RS485.....................................................................................50 4.3 Profibus ................................................................................................................53 4.4 Profinet ................................................................................................................56 4.3.1 Lớp thời gian thực ........................................................................................ 56 4.3.2 Các chế độ PROFINET ................................................................................57 4.5 Module truyền thông GPRS/GSM CP1242-7 PLC S7 – 1200/1500 ..................59 4.5.1. Ứng dụng Telecontrol..................................................................................59 4.5.2 Cấu hình và chế độ làm việc.........................................................................60 CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT .....................65 5.1 Tổng quan về giao diện giám sát HMI ................................................................ 65 5.2 Giới thiệu về WinCC Professional: .....................................................................69 5.3 Thiết kế giao diện HMI .......................................................................................70 5.3.1 Gán biến........................................................................................................70 5.3.2 Thiết kế giao diện ......................................................................................... 72 CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.......................................................82 iv 6.1 Giới thiệu về chương trình mô phỏng PLCSIM ..................................................82 6.2 Mô phỏng chương trình hệ thống ........................................................................84 6.3 Mô phỏng giao diện HMI ....................................................................................86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................89 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 91 PHỤ LỤC ......................................................................................................................92 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu thủy lợi .....................................................................4 Hình 2.1: Hệ thống ĐK & GS .......................................................................................18 Hình 2.2: Hệ thống SCADA .......................................................................................... 19 Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu ................................................................................22 Hình 3.1: CPU PLC S7-1200 ........................................................................................ 26 Hình 3.2: Vị trí các module mở rộng.............................................................................29 Hình 3.3: Sơ đồ kết nối của PLC S7-1200, CPU 1214C-DC/DC/Relay.......................30 Hình 3.4: Cấu trúc cơ bản PLC S7-1200 .......................................................................31 Hình 3.5: Giao diện chương trình ..................................................................................32 Hình 3.6: Đặt tên dự án .................................................................................................33 Hình 3.7: Chọn chương trình làm việc ..........................................................................33 Hình 3.8: Chọn cấu hình PLC .......................................................................................34 Hình 3.9: CPU của PLC S7-1200 đã chọn ....................................................................35 Hình 3.10: Cấu hình PLC S7 - 1200..............................................................................35 Hình 3.11: Sơ đồ chức năng của hệ thống tưới tiêu thủy lợi.........................................36 Hình 3.12: Sơ đồ tưới ....................................................................................................38 Hình 3.13: Sơ đồ tiêu .....................................................................................................40 Hình 4.1: PLC S7-1200 kết nối với các module mở rộng .............................................48 Hình 4.2: Mạng MODBUS RTU...................................................................................48 Hình 4.3: Kết nối Modbus ............................................................................................. 49 Hình 4.4: ASCII .............................................................................................................49 Hình 4.5: Truyền dữ liệu ............................................................................................... 50 Hình 4.6: Mudbus TCP/IP ADU ...................................................................................50 Hình 4.7: Chuẩn giao tiếp RS485 ..................................................................................51 Hình 4.8: Kết nối RS485 ............................................................................................... 52 Hình 4.9: Hệ thống mạng dùng PROFIBUS DP ........................................................... 54 Hình 4.10: Mạng truyền thông PROFIBUS-PA ............................................................ 55 Hình 4.11: Hệ thống truyền thông Ethernet và Profibus ...............................................56 Hình 4.12: Profinet I/O ..................................................................................................57 Hình 4.13: Hệ thống Profinet ........................................................................................ 58 Hình 4.14: Mạng truyền thông không dây kết nối PLC với PC ....................................59 Hình 4.15: Ứng dụng Telecontrol .................................................................................60 Hình 4.16: Sơ đồ trình bày các thành phần quan trọng module truyền thông PRS/GSM CP1242-7 ...............................................................................................................61 Hình 4.17: Quy trình làm việc của module CP1242-7 ..................................................61 Hình 4.18: Kết nối MODBUS chủ - tớ ..........................................................................64 Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống SCADA ............................................................................67 Hình 5.2: Chọn màn hình HMI......................................................................................73 Hình 5.3: Chọn Graphics ............................................................................................... 73 vi Hình 5.4: Đổi màu Graphics .......................................................................................... 74 Hình 5.5: Chọn các graphics trong Categories .............................................................. 74 Hình 5.6: Tạo nút nhấn và hiển thị mức nước ............................................................... 75 Hình 5.7: Màn hình HMI hoàn chỉnh ............................................................................75 Hình 6.1: Cửa sổ chương trình PLCSIM .......................................................................82 Hình 6.2: Kết nối PLCSIM ............................................................................................ 83 Hình 6.3: Tải chương trình vào PLC .............................................................................83 Hình 6.4: Ví dụ thêm biến mô phỏng ............................................................................84 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Mô hình công nghệ SCADA ........................................................................20 Bảng 3.1: So sánh các dòng CPU của S7-1200 ............................................................. 27 Bảng 3.2: Các Module mở rộng ....................................................................................28 Bảng 3.3: Khai báo biến ngõ vào/ra ..............................................................................41 Bảng 4.1: So sánh RS422 với RS485 ............................................................................51 Bảng 5.1: Gán biến ngõ vào/ra của bài toán ..................................................................70 Bảng 5.2: Thêm một số biến.......................................................................................... 72 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASCII: American Standard Code for Information Interchange BPT: Bơm pít tông BXCT: Bánh xe công tác CNH và HĐH: Công nghiệp hóa và hiện đại hóa CPU: Computer Processer Unit CM: Communication module GPRS: General Packet Radio Service GSM: Global System for Mobile Communications HMI: Human Machine Interface Modbus: Module bus MPI: Multi Point Interface OPC: OLE (object Linking Embedded) for Process Control PLC: Programmable Logic Controlle PPI: Point to Point Interface IP: Internet Protocol RS: Remote Signalling RTU: Remote Terminal Unit SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition SMS: Short Message Services TCP: Transmission Control Protocol WinCC: Windows Control Center ix MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài: Thủy lợi là một thuật ngữ, tên gọi truyền thống của việc nghiên cứu khoa học công nghệ, đánh giá, khai thác sử dụng, bảo vệ nguồn tài nguyên nước và môi trường, phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai. Cụ thể, thủy lợi là việc sử dụng nước để tưới cho các vùng đất khô nhằm hỗ trợ cho cây trồng phát triển hoặc cung cấp nước tưới cho cây trồng vào những thời điểm có lượng mưa không đủ cung cấp. Ngoài ra, thủy lợi cũng có một vài ứng dụng khác trong sản xuất cây trồng, trong đó bao gồm bảo vệ thực vật tránh được sương giá, khống chế cỏ dại phát triển trên các cánh đồng lúa và giúp chống lại sự cố kết đất. Thủy lợi thường được nghiên cứu cùng với hệ thống tiêu thoát nước, hệ thống này có thể là tự nhiên hay nhân tạo để thoát nước mặt hoặc nước dưới đất của một khu vực cụ thể. Nước là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Trong sản xuất nông nghiệp, nước trên đồng ruộng luôn thay đổi. Nếu chúng ta nắm vững quy luật biến đổi của chế độ nước và sử dụng hợp lý các nguồn nước ở từng vùng thì độ phì của đất ngày càng tang lên hoặc hạn chế đến mức thấp nhất sự phát triển xấu của đất đai và ngược lại. Trong tự nhiên nước phân bố không đồng đều cả về không gian và thời gian, không phù hợp nhu cầu nước của cây trồng. Lượng nước đến (mưa; nước ngầm) quá nhiều hay quá ít so với lượng nước tiêu hao thì cây trồng bị úng hoặc bị hạn. Vì vậy, điều tiết chế độ nước của đất phù với nhu cầu nước của cây trồng là một biện pháp kỹ thuật quan trọng đối với tăng vụ, tăng năng suất cây trồng và nâng cao độ phì nhiêu của đất. Hiện nay, hệ thống tưới rất nhiều loại như: tưới phun, nhỏ giọt, ngầm, tưới tràn, vv….chúng ta phải chọn giải pháp điều khiển như thế nào cho phù hợp, trong đó vai trò điều khiển theo mức nước rất quan trọng. Vấn đề, cánh đồng lúa qui mô lớn, nhiều kênh mương dài dẫn đến khoảng cách điều khiển xa nên chọn giải pháp truyền tín hiệu đo mức nước tại cửa van, lưu lượng tại kênh nhằm cung cấp dữ liệu, thông tin cho bộ điều khiển. x 2. Mục đích của Đề tài: - Nghiên cứu mạng truyền thông công nghiệp, thu thập dữ liệu từ xa với Modbus RTU; module GPRS 1242-7 của Siemens - Xây dựng chương trình Điều khiển và giám sát SCADA hệ thống tưới tiêu thủy lợi theo mức. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết về kết nối Profibus, Profinet và thu thập dữ liệu từ xa, nghiên cứu giải pháp điều khiển dùng PLC S7-1200 của Siemens; thực nghiệm mô phỏng hệ thống tự động hóa. 4. Kết quả dự kiến đạt được: - Chương trình lập trình điều khiển và giám sát hệ thống tự động hóa trong tưới tiêu thủy lợi. - Kết nối hệ thống thu thập dữ liệu từ xa bằng cảm biến kết nối với các module của PLC S7-1200 của Siemens. - Mạng truyền thông trong công nghiệp. xi CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU THỦY LỢI 1.1 Khái niệm hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 1.1.1 Khái niệm hệ thống tưới - tiêu thủy lợi “Hệ thống tưới – tiêu” là một công trình nhân tạo, sử dụng chủ yếu cho nông nghiệp, nhằm mục đích giúp cho con người chủ động cung cấp nước đầy đủ theo nhu cầu phát triển của cây trồng; đồng thời hệ thống cũng giúp cho việc tiêu thoát nước hợp lý giúp cho cây trồng không bị nguy hại do ngập úng. Hệ thống tưới – tiêu là một trong những cơ sở vật chất hạ tầng của nông nghiệp và nông thôn. Hệ thống giúp cho mùa màng phát triển ổn định, hạn chế những sự thất thường của thời tiết và điều kiện tự nhiên liên quan đến nguồn nước, đất và cây trồng. Hệ thống tưới nước là một tổng thể các bộ phận, các công trình và thiết bị làm nhiệm vụ lấy nước từ nguồn chuyển và phân phồi nước tới từng khoảnh ruộng cần tưới, đồng thời khi cần thiết có thể tháo đi lượng nước thừa từ mặt ruộng đến nơi quy định. 1.1.2 Phân loại trạm bơm tiêu: Trạm bơm tiêu được phân loại như sau: - Trạm bơm tiêu nước mặt. - Trạm bơm tiêu nước ngầm. - Trạm bơm tiêu kết hợp cả nước mặt và nước ngầm. Thời gian làm việc của các trạm bơm tiêu cũng khác nhau: các trạm bơm tiêu nước lũ và nước mưa rào làm việc có tính chu kỳ, thời gian ngắn trong năm, còn bơm nước ngầm thông thường làm việc quanh năm. Ở nước ta hiện nay chủ yếu là tiêu nước mặt cho cây trồng. 1.1.3 Đặc điểm trạm bơm tiêu: Trạm bơm tiêu có những đặc điểm sau: - Lưu lượng nước không đều và rất lớn. Mức độ không đều tùy thuộc vào sự giao động của nước mặt và nước ngầm. 1 - Làm việc gián đoạn, thời gian trạm không làm việc phụ thuộc vào sức chứa của dung tích điều tiết và thời gian ngập cho phép của khu vực. Thời gian trạm bơm tiêu làm việc trong năm tuy ít nhưng rất căng thẳng. - Cột nước cần bơm thấp nhưng thay đổi liên tục. - Lưu lượng tính toán của các máy bơm chính trong trạm bơm tiêu được chọn cần phải tính đến ngập cục bộ có thể xảy ra trong thời gian ngắn. Bởi vì vậy phần trên của kết cấu dưới nước nhà máy và sàn phần trên nhà máy cần phải đặt cao hơi từ >0,5m so với cao trình nền hoặc mực nước tính toán lớn nhất khi có sóng dâng. - Khi cột nước trạm tương đối nhỏ (đến 5m) và với việc dùng máy bơm lớn, nhà máy bơm có thể kết họp với công trình tháo. Thường dùng dường ống dẫn để đưa nước cần tiêu đến nhà máy bơm. Khi đường ống làm chức năng kênh vận chuyển chính vận chuyển nước thì trạm bơm được thiết kế như trạm bơm nâng cấp II thông thường, còn nếu như đường ống làm việc với chế độ thường xuyên không đầy, thì trước nhà máy đặt một bể điều tiết lấy mực nước lớn nhất trong bể thấp hơn tâm đường ống. 1.2 Sơ đồ phổ biến của một hệ thống tưới – tiêu thủy lợi 1.2.1 Nguồn nước Đối với nguồn nước phục vụ tưới – tiêu cần lưu ý đến hai vấn đề là nguồn nước của trạm bơm và đặc điểm về cấp nước cho khu tưới. Về nguồn nước thiên nhiên của trạm bơm có thể chia thành bốn loại là nguồn nước sông thiên nhiên, nguồn nước hồ nhân tạo, nguồn nước hồ thiên nhiên và nguồn nước ngầm. Sông và hồ nhân tạo là hai loại nguồn nước phục vụ nông nghiệp phổ biến nhất hiện nay. Chúng có đặc điểm chung là mực nước nguồn dao động khá lớn trong năm làm cho mực nước tại bể hút cũng dao dộng lớn, do đó máy bơm cần phải lựa chọn loại có chiều sâu hút phù hợp, đồng thời cao trình đặt máy bơm cũng cần phải được thiết kế để đảm bảo không sinh hiện tượng khí thực. Ngoài ra chất lượng nước nguồn cũng thay đổi trong năm theo mùa lũ hay mùa cạn. Hơn nữa loại nguồn này còn phải lưu ý tới việc hạn chế hoặc loại bỏ rác rưởi, vật nổi kéo vào bể hút. 2 Với nguồn nước là hồ thiên nhiên và nước ngầm, mực nước nguồn khá ổn định, chất lượng nước cũng ít biến đổi, đồng thời vấn đề chắn và vớt rác cũng được giảm nhẹ so với hai loại nguồn nêu trên. 1.2.2 Bể hút và nguồn hút Bể hút đóng vai trò quan trọng quyết định nhiều đến chất lượng thủy lực của buồng hút và do đó ảnh hưởng nhiều đến độ bền và chất lượng làm việc của máy bơm. Cho đến nay hầu hết các trạm bơm lớn vấn đề bể hút và buồng hút vẫn chưa được cải thiện nhiều, đa số các trạm bơm lớn khi hoạt động hai máy hai đầu vẫn bị thiếu nước, bị xoáy, máy rung nhiều và chóng hỏng. Buồng hút có kết cấu khác nhau tùy thuộc vào loại máy khác nhau. Buồng hút của các loại bơm có lưu lượng lớn phải được đặc biệt chú ý đến chất lượng thủy lực. Người ta thường bố chí các chóp dẫn dòng ở buồng hút hoặc các vách dấn dòng ở phía cuối buồng hút để làm nhiệm vụ dẫn dòng và tránh phát sinh hiện tượng xoáy. 1.2.3 Trạm bơm Máy bơm giữ vai trò chính trong quá trình vận hành khai thác. Mỗi loại bơm thích ứng với một loại đặc điểm địa hình và có những ưu điểm phù hợp với điều kiện tự nhiên nếu chọn nhầm sẽ gây tốn kém và không phát huy được hiệu quả. Đối với một hệ thống tưới – tiêu số máy bơm trong trạm lớn hay nhỏ sẽ làm thay đổi đáng kể đến chi phí xây dựng, quản lí, vận hành và khai thác. Theo khuyến cáo số máy bơm trong một trạm ít nhất là từ 4-6 máy. Tuy nhiên điều này chỉ dựa trên kinh ngiệm, dựa trên thực tế trước đây khi sự phát triển, tiến bộ khoa học chưa thực sự phát triển. Việc thiết kế một máy bơm còn phải được xem xét dựa vào khả năng đáp ứng các loại máy bơm của nơi cung cấp. 3 Kênh tưới dài 1 – 2 Km, ▼ + 1m Cửa van tưới A1 Cửa van tiêu B Ruộng rau A, mạng sensor không dây V-55 V-6 V-9 V-12 V-13 V-15 Van tưới A2 Nguồn nước ▼ -5m Van tiêu Van tưới 1 V-7 V-10 V-11 V-14 Trạm bơm đầu nguồn V-16 Ruộng nho B Bể hút trạm bơm V-51 Bể xả ▼ +1m V-19 V-20 V-26 V-22 V-27 Cửa van nguồn E-1 Van tiêu V-24 V-17 V-23 V-21 V-18 Ruộng cây hoa màu C V-30 V-33 V-35 V-28 V-38 V-29 V-37 V-31 V-36 V-52 Van tiêu Van tưới 3 Ruộng cây măng tây D V-44 V-45 V-47 V-41 V-39 V-43 V-42 V-40 V-49 V-46 Kênh tiêu ▼ -0.5m V-32 Van tiêu A1 Van tưới 2 V-53 Van tiêu Van tưới 4 Kênh tiêu ▼ -0.5m V-54 Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống tưới tiêu thủy lợi 1.2.4 Máy bơm Là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài (cơ năng, điện năng, thủy năng.v.v) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống. Người ta chia máy bơm ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như: nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạy máy bơm, kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm. 4 Hình 1.2: Máy bơm thủy lợi Phân loại: Theo nguyên lí tác động của cánh bơm vào dòng nước, máy bơm được chia theo làm hai nhóm: bơm động học và bơm thể tích. + Bơm động học: Trong buồng công tác của máy bơm nước động học, chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của bơm. Loại máy bơm này gồm có những bơm sau: Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh BXCT của máy bơm sẽ nhận được năng lượng để tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra BXCT. Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm, tiêu nước, cứu hỏa... Bơm cánh quạt (gồm máy bơm nước li tâm, hướng trục, cánh chéo): Trong loại máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác (BXCT) sẽ truyền trực tiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển. Loại bơm này thường có lưu lượng lớn, cột áp thấp (trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước) và hiệu suất tương đối cao, do vậy thường được dùng trong nông nghiệp và các ngành cấp nước khác Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động năng lớn phun vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng. Loại máy bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng để hút nước giếng và dùng trong thi công. 5 Bơm rung: Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van giao động qua lại với tầng số cao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩy chất lỏng. Loại bơm này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng và giếng mỏ. Bơm khí ép: Loạị máy bơm nước này nhờ tạo hỗn hợp khí và nước có trọng lượng riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước để dâng nước cần bơm lên cao. Loại bơm này thường dùng để hút nước b n hoặc nước giếng Bơm nước va (bơm Taran): Lợi dụng hiện tượng nước va thủy lực để đưa nước lên cao. Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng cấp nưóc cho vùng nông thôn, miền núi. + Bơm thể tích: Nguyên lý làm việc của loại máy bơm này là thay đổi có chu kỳ thể tích của buồng công tác truyền áp lực hút đẩy chất lỏng. Máy bơm nước thể tích có những loại sau: Bơm pít tông (BPT): bơm thể tích có pít tông chuyển động tịnh tiến qua lại trong xi lanh và truyền cho chất lỏng (hoặc khí) một áp suất dư. Đặc điểm của BPT là lưu lượng không đều. Để giảm xung động, dùng loại máy bơm nước này yêu cầu nhiều xi lanh hoặc có bộ đệm thuỷ lực - khí nén. Phân biệt hai loại BPT: BPT chuyển động thẳng và BPT rôto (quay). Trong kĩ thuật, ở những hệ thống dầu ép cao áp (như trong động cơ điêzen, trong máy thuỷ lực... áp suất tới 68,6 MPa) chủ yếu dùng BPT rôto. Bơm pit tông rôto phân thành: BPT hướng tâm và BPT chiều trục. BPT có thể chế tạo với lưu lượng cố định hoặc lưu lượng điều chỉnh. Các cụm chủ yếu của các loại BPT rôto là cơ cấu kéo, cụm phân phối chất lỏng và đối với loại bơm có lưu lượng điều chỉnh còn có thêm cơ cấu điều chỉnh. Cơ cấu kéo của BPT (tay quay - thanh truyền, culit, vv.) bảo đảm chuyển động tịnh tiến qua lại của pít tông. Cơ cấu phân phối bảo đảm đưa dầu vào xi lanh trong hành trình hút và đẩy dầu vào đường ống nén trong hành trình công tác. Cụm điều chỉnh để thay đổi lưu lượng và hướng dòng chảy của chất lỏng. 1.2.5 Đặc điểm của máy bơm nước Khi hạt nước bị lực ly tâm đẩy từ tâm cánh bơm ra phía mép bơm, sẽ xuất hiện khoảng trống tại tâm cánh bơm. Áp suất tại khoảng trống này có thể nhỏ hơn áp suất khí trời 6 và thậm trí có lúc đạt gần tới độ chân không tuyệt đối. Bơm ly tâm hút được nước ở độ sâu từ 3 - 8m tùy loại bơm. Lực ly tâm tỷ lệ thuận với trọng lượng của vật. Vì thế không khí nhẹ hơn 1000 lần so với nước nên thiếu khí lọt vào tâm cánh bơm, lực ly tâm sẽ tác dụng nhỏ hơn 1000 lần và không đủ sức kéo khối khí đó ra khỏi máy bơm, tạo chân không cho lượng chất lỏng kế tiếp tràn vào. Cánh bơm vẫn quay mà nước thì không bơm được. đây là hiện tượng lọt khí vào ống hút máy bơm ly tâm đang hoạt động. Vì lí do này, người ta dùng bơm ly tâm chỉ ở những nơi có điều kiện lắp đặt cố định và ống hút của bơm ly tâm lúc nào cũng phải đầy nước. 1.2.6 Bể xả Sau trạm bơm là bể xả. Bể xả được nối với trạm bơm theo hai hình thức: bể xả liền nhà máy hoặc bể xả tách rời nhà máy, hai hình thức bố trí này thì hình thức bể xả liền có khối lượng và giá thành rẻ hơn. Bể xả xây liền nhà máy chỉ hợp lí khi máy bơm có cột nước thấp. Trường hợp máy bơm có cột nước cao, mực nước lớn nhất ở bể xả cao hơn nhiều sàn đặt động cơ thì phải xây dựng bể xả xa nhà máy nối tiếp nhau bằng đường ống xả với máy bơm. 1.2.7 Ruộng Là nơi chúng ta phải thiết kế hệ thống trạm bơm tưới tiêu sao cho hợp lí và phải đảm bảo được những tiêu chí đề ra cho vụ mùa đó cây trồng có đủ nước để phát triển, không để cây bị ngập úng cũng không để cây trồng bị thiếu nước. Thiết kế hệ thống có cao trình cao hơn ruộng để khi xả nước tưới và tiêu dễ dàng. 1.3 Vai trò của hệ thống tưới – tiêu thủy lợi Tự động hóa là xu thế tất yếu trong bối cảnh kinh tế hội nhập. Các hệ thống tự động hóa trong lĩnh vực Thủy lợi - Thủy điện có vai trò và tỉ trọng đầu tư tăng liên tục trong những thập niên gần đây trên quy mô toàn thế giới. Các nước tiên tiến đều đã dày công đầu tư phát triển hệ thống điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu (SCADA) để hỗ trợ đắc lực cho: 7