Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung, kết nối và giám sát điều khiển tự động

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ – NĂM 2008



Tên đề tài:
“ Nghiªn cøu thiÕt kÕ VÀ chÕ t¹o THIÕT BÞ §O §é Më
VAN CUNG, KÕT NèI Vµ GI¸M S¸T §IÒU KHIÓN Tù §éNG”
Mã số: 243.08.RD/HĐ-KHCN


Cơ quan chủ quản: Bộ Công Thương
Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí

Chủ nhiệm đề tài: Vũ Văn Điệp

7464
28/7/2009

Hà Nội -2008

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ – NĂM 2007







Tên đề tài:
“ Nghiªn cøu thiÕt kÕ Vµ chÕ t¹o THIÕT BÞ §O §é Më
VAN CUNG, KÕT NèI Vµ GI¸M S¸T §IÒU KHIÓN Tù §éNG”
Mã số: 243.08.RD/HĐ-KHCN



THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI






Phan Thạch Hổ Vũ Văn Điệp

Hà nội - 2008
MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA 1
LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ VAN CUNG VÀ THIẾT BỊ ĐO ĐỘ MỞ VAN CUNG 3

1.1. Tổng quan về van cung và thiết bị đo độ mở van cung. 4
1.2.Tình hình nghiên cứu thiết kế ở nước ngoài 8

1.3. Tình hình nghiên cứu thiết kế ở trong nước. 10
1.4. Đối tượng, phạm vi, mục tiêu và nội dung nghiên cứu. 11
1.5. Kết luận. 11
Chương 2
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐỘ MỞ VAN CUNG VÀ ĐIỀU KHIỂN.
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị đo độ mở van
cung 12
2.2. Tính toán độ mở cửa van cung 14
2.3. Lựa chọn phương án lập trình điều khiển 23
2.4. Kết luận chương 2 23
Chương 3 24

NGHIÊN CỨU PHẦN MỀM HIỂN THỊ ĐỘ MỞ VAN CUNG, KẾT NỐI VÀ
GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

3.1. Lựa chọn thiết bị điều khiển. 24
3.2. Chương trình tính toán đo độ mở van cung 25
3.3. Kết luận 29
Chương 4 30
KHẢO NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 30
4.1. Quy trình khảo nghiệm 30
4.2. Đánh giá kết quả khảo nghiệm 35
Chương 5 36
CÁC KẾT LUẬN 36
- Các kết quả chính của đề tài 36
CÁC PHỤ LỤC


- Tài liệu tham khảo
- Phần mềm điều khiển
- Bản vẽ thiết kế
- Biên bản họp hội đồng KHCN


1
DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA

TT Họ và tên
Học hàm, học vị,
chuyên môn
Cơ quan công tác
1
Vũ Văn Điệp Kỹ sư
Viện NARIME

2
PhạmVăn Đa Thạc sĩ
Viện NARIME
3
Dương Tiến Diễn Kỹ sư
Viện NARIME
4
Trần Đình Thuận Kỹ sư
Viện NARIME
5
Nguyễn Văn Minh Kỹ sư
Viện NARIME
6 Đoàn Dũng Biên Kỹ sư Viện NARIME
7 Nguyễn Tiến Dũng Kỹ sư Viện NARIME


2
LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng điện có vai trò vô cùng to lớn trong sự phát triển văn hoá và
đời sống. Nhu cầu điện năng tăng trưởng ngày càng mạnh hoà nhịp với tốc độ
tăng trưởng của nền kinh tế và vì vậy sản lượng điện năng ngày càng phát triển
mạnh. Ở nước ta thuỷ điện chiếm tỷ trọng khoảng 60% công suất của hệ thố
ng
điện Việt Nam hiện nay và trong thập kỷ đầu của thế kỷ 21, khi nhu cầu phát
triển kinh tế tăng cao đòi hỏi nhiều điện năng thì thuỷ điện là nguồn năng lượng
rẻ tiền nhất cần khai thác triệt để. Công trình thuỷ điện không những đóng vai
trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng mà còn là công trình tổng hợp
phòng chống thiên tai. Vì vậy xây dựng các công trình thuỷ
điện lợi dụng tổng
hợp chống lũ và cấp nước cho hạ lưu sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục

tiêu quan trọng trong công cuộc phát triển đất nước.
Một xu hướng quan trọng trong kế hoạch điện khí hoá là đẩy nhanh việc
xây dựng các công trình thuỷ điện, trong đó việc nội địa hoá các hạng mục trong
công trình mà trước đây chúng ta phải nhập khẩu hoặc ph
ải thuê chuyên gia
nước ngoài thiết kế chế tạo. Đặc biệt là hạng mục có phân thiết bị cơ khí thuỷ
công chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng khối lượng công trình thuỷ điện. Hơn
nữa hiện nay các nhà máy cơ khí trong nước có khả năng chế tạo và lắp ráp các
kết cấu có khối lượng lớn và kích thước lớn được minh chứng qua các công
trình mà chúng ta chế tạo thuê cho các nhà thầu nước ngoài. V
ấn đề đặt ra cho
các kỹ sư là nắm bắt và làm chủ được công nghệ thiết kế chế tạo các hạng mục
thiết bị. Trong mấy năm qua Viện nghiên cứu Cơ khí đã được chính phủ giao
cho việc tư vấn thiết kế thiết bị cơ khí thuỷ công các công trình thuỷ điện như
Pleikrong, A.Vương, BuônKuop… những thiết bị quan trọng chúng ta vẫn phải
thuê thiết kế, nh
ập khẩu nước ngoài với kinh phí lớn.
Như chúng ta đã biết trong các thiết bị cơ khí thuỷ công thì thiết bị van
cung tại đập tràn là một hạng mục quan trọng vì một sai sót nhỏ trong quá trình
vận hành là có thể làm ảnh hưởng đến cuộc sống của hàng triệu người dân phía
Hạ lưu và độ an toàn của công trình. Để vận hành van cung được chính xác và
an toàn thì việc đo và nhận chỉ thị độ mở van cung là quan trọng. Do đó c
ần xác
lập mối quan hệ giữa độ mở của van cung với yêu cầu các tín hiệu lấy từ
Encorder cần được biểu diễn đơn giản để tăng cường độ chính xác của tính toán.
Đứng trước các vấn đề trên nhóm nghiên cứu đã đề xuất đề tài ”Nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung kết nối giám sát và điều
khiển t
ự động”. Đề tài xây dựng một phương pháp rất có hiệu quả cho việc tính
toán độ mở van cung. Từ đó tính toán, thiết kế chế tạo thiết bị đo độ mở van

cung đồng thời xây dựng được một phần mềm tiện lợi chuyên dụng để tính toán
hiển thị độ mở van cung theo sai số cần thiết khống chế giúp cho việc điều khiển
dễ dàng chuẩ
n xác việc đóng mở tự động các van cung các công trình thuỷ điện.


3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VAN CUNG VÀ THIẾT BỊ ĐO
ĐỘ MỞ VAN CUNG
1.1. Tổng quan về van cung và thiết bị đo độ mở van cung.
1.1.1. Tổng quan về van cung:
Cửa van hình cung là loại cửa van có bản chắn nước cong mặt trụ. Sau
tấm chắn nước là hệ thống dầm tựa vào càng, chân càng tựa vào trục quay gắn
vào trụ. Chuyển động khi nâng hoặc hạ cửa van là loại chuyển động quay.
Khi trục quay của cửa van trùng với tâm vòng tròn của tấm chắn, áp lực nước sẽ
truyền qua càng
đến trục quay. Nếu tâm quay nằm thấp hơn tâm cung mặt chắn
thì lực mở sẽ giảm, khi tâm quay nằm trên tâm cung mặt chắn thì áp lực nước có
tác dụng ép cửa van xuống ngưỡng đáy làm cho đáy khít hơn, ít rò gỉ. Song
nhược điểm của các trường hợp này là dễ gây hiện tượng rung động khi mở cửa.
Vì vậy thường bố trí trục quay trùng với tâm vòng tròn của tấm chắn.
Ưu điểm c
ủa cửa van hình cung là lực mở nhỏ, mở nhanh và dễ dàng,
điều tiết lưu lượng khá tốt, trụ có thể làm mỏng so với van phẳng vì khe van
nông. Tuy nhiên trụ phải làm dài để có đủ kích thước đặt càng van, áp lực nước
tác dụng tập trung lên trụ (qua càng van) làm cho ứng suất phát sinh trong trụ và
việc bố trí cốt thép chịu lực phức tạp, nhất là những nơi van làm việc trong điều
kiện chịu lực hai chiề
u. Về cấu tạo và lắp ráp van cung cũng khó khăn, phức tạp
hơn van phẳng.

Cửa van cung là loại được áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa tháo có
nhịp lớn hay những nơi cần tháo nước nhanh. Vật liệu làm cửa van thường bằng
thép, khi cửa van không lớn thì có thể làm bằng gỗ.
1.1.2. Các loại van cung:




a)
f)
Hình 1.1: Các loại cửa van cung
a)
b)
c)
f)
e)
d)

4


Hình 1.2: Hình ảnh van cung lắp đặt tại thuỷ điện Sê San 4

Cửa van cung là cửa van mà mặt cắt ngang của kết cấu phần động có dạng
hình cung và được liên kết với hai càng. Khi đóng mở cửa van quay xung quanh
trục nằm ngang.
Cửa van hình cung được dùng trong các công trình như đập, cống, âu
thuyền Cửa van cung không dùng trong các trường hợp sau: cửa dẫn nước vào
buồng tuabin trong các nhà máy thuỷ điện trên sông, cửa của các bể áp lực, các
ố

ng có áp dẫn nước vào nhà máy thuỷ điện.
Cửa van cung chỉ dùng làm cửa van chính.
Cửa van cung được phân loại như sau:
Theo mực nước thượng lưu, được chia thành hai loại: loại van trên mặt
(hình 1.1: a, b, c, d, e) và loại cửa van dưới sâu (hình 1.1: f).
Theo kết cấu cửa van: cửa van đơn, cửa van có cửa phụ (hình 1b), cửa van
kép (hình 1.1: c, d).
1.1.3. Một số nguyên tắc bố trí và cấu tạo:
Cửa van hình cung bao gồm cửa chắn nước, hệ thống dầ
m, càng đỡ và gối
quay. Hệ thống dầm cũng bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt chịu lực như
nhau, các dầm chính chịu lực như nhau để tiện thi công và tận dụng khả năng
chịu lực.
Đối với hệ thống càng van, chịu áp lực nước từ dầm và dầm biên truyền
tới, tính toán theo nguyên tắc giàn, gối quay là nơi càng tựa lên và quay khi

5
đóng mở cửa. Trường hợp bán kính van cung R=(1,2-1,5)h
1
, (trong đó h
1
là
chiều sâu nước thượng lưu) thì gối quay đặt thấp hơn mực nước thượng lưu. Gối
thường đặt cao hơn mực nước lớn nhất ở hạ lưu để tránh bị han gỉ.
Loại gối cầu có cấu tạo tương đối phức tạp nhưng có thể chuyển động được theo
các chiều khác nhau. Do đó khi các trụ lún không đều trong chừng mực nhất
định v
ẫn không ảnh hưởng tới việc đóng mở cửa.
1.1.4. Thông số kỹ thuật cửa van cung-Công trình thuỷ điện Sê San 4
- Chiều rộng cửa van B: 15,0m

- Chiều cao cửa van H: 15,6m
- Bán kính bản mặt: 16,5m
- Số lượng cửa van: 08
Yêu cầu vận hành với cửa van
- Điều khiển vận hành được cả hai chế độ tự động và bằng tay
- Liên tục hiển thị độ mở
* kế
t cấu chính cửa van cung:
- Bố trí kết cấu khung chính (gồm cả dầm chính và khung càng)
Khung chính được đặt theo phương bán kính của bản mặt. Chiều cao của
khung chính lấy bằng bán kính bản mặt, bán kính của bản mặt phụ thuộc vào
chiều cao h
0
và bề rộng l
0
của lỗ cống, thường chọn R= (1,2-1,5) h
0
. Ngoài ra
cần phải chọn tỷ số r/l
0
càng lớn khi nhịp càng nhỏ.
Các khung chính thường được bố trí theo nguyên tắc chịu tải trọng bằng
nhau.
Cấu tạo của dầm khung chính phụ thuộc vào kích thước của cửa van
(chiều cao và chiều rộng), loại van (trên mặt hay dưới sâu), chế độ khai thác,
điều kiện lắp ghép, chuyên chở và vật liệu dùng chế tạo.

Hình 1.3: Kết cấu cửa van cung
1. khung chính; 2. dầm đứng; 3. dầm biên; 4. gối quay
- Bố trí kết cấu dầm đứng

Dầm đứng là bộ phận quan trọng của kết cấu cửa van hình cung, dầm
chính có tác dụng đỡ áp lực nước từ bản mặt và chuyển đến dầm khung chính,

6
phân đều tải trọng lên khung chính và chịu các lực ngẫu nhiên không nằm trong
mặt phẳng của khung chính.
Dầm đứng được tạo bởi thanh đứng và bản mặt, kích thước hình học của
dầm đứng phụ thuộc vào chiều cao cửa van, bán kính và vị trí tâm bản mặt, phụ
thuộc vào chiều cao của dầm chính.
- Bố trí kết cấu dầm biên:
Dầm biên được bố trí ở hai đầu cửa van cung dùng để g
ắn bánh xe bên,
vật chắn nước, cũng như các chi tiết khác. Dầm biên được đặt thao toàn bộ chiều
cao cửa van.
- Bộ phận gối quay cửa van cung:
Áp lực thuỷ tĩnh và trọng lượng kết cấu van cung truyền lên mố của công
trình qua gối quay, gối quay cần phải đảm bảo chuyển động quay của cửa van.
Tuỳ theo kích thước của cửa van, tải trọng tác dụng lên van và kết cấu của
khung càng mà s
ử dụng gối quay có trục ngang hoặc gối quay có trục ngang và
trục dọc. Loại thứ nhất thường dùng cho cửa van hình cung có nhịp dưới 8m,
loại thứ hai dùng cho các cửa van có nhịp trung bình và lớn.
Gối quay gồm có hai bộ phận, bộ phận động được liên kết cứng với khung
càng, bộ phận cố định được gắn chặt lên côngxon bê tông của trụ pin.
Liên kết bộ phận phần động của gối quay v
ới khung càng thường dùng
bulông lúc này lực ngang được đỡ bằng gờ bao quanh bản đế ở đầu khung càng.
Có thể dùng bulông tinh để liên kết lúc này bu lông chuyển được lực
ngang lên gối không cần dùng gờ để chịu lực ngang do đó thi công sẽ đơn giản
hơn.

1.1.5. Thiết bị đo độ mở van cung:
Thiết bị đo và chỉ thị độ mở cửa van cung theo phương pháp thẳng đứng
dùng để đo và chỉ th
ị độ mở cửa van cung gián tiếp thông qua hệ truyền động
cáp, ròng rọc giữa cửa van cung và cột chỉ thị độ mở đặt trên trụ pin.
Trên cột chỉ thị kiểu cơ khí lắp đặt kim và thước đo chỉ thị trực tiếp.
Ngoài ra, trên tang quấn hoặc trên kim cơ khí còn đặt thiết bị đo và chỉ thị điện
để đưa tín hiệu điện về tủ
điều khiển thông qua đó có thể hiện thị vị trí, điều
khiển cửa van cung bằng bộ điều khiển khả trình PLC. Như vậy cột đo và chỉ thị
độ mở cửa van cung ngoài việc chỉ thị trực tiếp độ mở bằng thước đo cơ khí, nó
còn có khả năng chỉ thị độ mở thông qua bộ hiển thị tại các tủ đ
iều khiển tại chỗ
và từ xa.

7
Dưới đây là kết cấu của cửa van cung và cơ cấu chỉ thị độ mở cửa van
q
h
O
1

Hình 1.4: Bố trí thiết bị đo độ mở van cung
Trong đó:
O : tâm quay của cửa van cung
O1: tâm quay của xy lanh
M: tâm quay của tang quấn của cơ cấu chỉ thị độ mở
h: độ mở tức thời của cửa van cung so với phương nằm ngang tại cao
trình ngưỡng đáy tính theo độ cao.
α: độ mở tức thời của cửa van cung mở so với phương ngang tính theo

góc mở.
- Cấu tạo c
ột đo và chỉ thị độ mở
Cột đo và chỉ thị độ mở được cấu tạo gồm các cụm cơ bản sau:
+ Thân cột chỉ thị: Cấu tạo từ kết cấu hàn, bao gồm khoang chứa quả đối
trọng, thước và kim chỉ thị độ mở cơ khí.
+ Cơ cấu tang quay đo và đếm: Cấu tạo từ 02 tang quay cùng trục, bao
gồm tang nh
ận tín hiệu độ mở thông qua cáp treo và tang nối với đối trọng quay
đồng trục với tang kia.
+ Cơ cấu đo và chỉ thị: Bao gồm thiết bị đo và chỉ thị độ mở cơ khí và
thiết bị đo và thiết bị đo lường điện. Thiết bị đo lường điện sử dụng một encoder
(bộ mã hoá vòng quay) gắn với trục của tang quay lớ
n hoặc tang quay nhỏ. Khi
cửa van cung vận hành thì số xung mà encoder đếm được sẽ tỷ lệ số vòng quay
của tang.

8
+ Hệ đối trọng: Giải quyết quá trình thu và nhả dây cáp treo trong quá
trình đóng mở cửa van cung, đối trọng luôn tạo một thế năng cho tang quay theo
chiều cuốn cáp
+ Hệ thống cáp, ròng rọc: Hệ thống này có chức năng truyền tải tín hiệu
độ mở cửa van cung tới cơ cấu tang quay
1.2.Tình hình nghiên cứu thiết kế ở nước ngoài
Ngành công nghiệp thuỷ điện là ngành đã phát triển từ lâu trên th
ế giới.
Tuy nhiên đến nay, cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học
kỹ thuật trong đó có ngành cơ khí - tự động hoá, các trang thiết bị thuỷ điện nói
chung và cơ khí thuỷ công nói riêng cũng liên tục được hoàn thiện. Các Công ty
chuyên cung cấp các thiết bị cơ khí thuỷ công như Nhật Bản, Trung Quốc, Nga,

Ukaina…thường cung cấp các thiết bị đo độ mở van cung đã tích hợp sẵn không
theo tiêu chuẩn chung cả về
kết cấu lẫn phần mềm điều khiển, điều này gây rất
nhiều khó khăn, tốn kém cho việc đào tạo đội ngũ vận hành, bảo dưỡng và sửa
chữa thiết bị tại các nhà máy thuỷ điện.
Dưới đây là một số hình ảnh nguyên lý mà các nhà cung cấp nước ngoài
cung cấp cho thiết bị đo độ mở van cung.
Thiết bị đo độ mở
van cung dựa trên nguyên lý cơ bản như: quang học, chất
lỏng điện phân, hoặc công nghệ 3D MEMS.
1.2.1. Cảm biến đo góc loại quang học: Nguyên lý đo giống encoder giá
trị tuyệt đối. Cảm biến bao gồm một đĩa quang có vạch mã quay nhanh một bộ
đọc quang. Các giá trị vạch là loại giá trị tuyệt đối, loại này có độ phân giải đến
12bit.


Hình 1.5: Cảm biến đo góc loại quang học

9

1.2.2. Cảm biến đo góc sử dụng chất lỏng điện ly: Có nguyên lý cầu
cân bằng. Điện trở của chất lỏng được đo giữa các cực đặt trên một bán cầu khi
quay sẽ cho các trị số tỷ lệ với góc cần đo. Một mạch điện tử chuyển tín hiệu
thành dòng điện 4 20mA.

Hình 1.6: Cảm biến đo góc sử dụng chất lỏng


Hình 1.7: Cảm biến đo góc sử dụng cảm biến chất lỏng do NARIME tích hợp

1.2.3. Cảm biến đo góc công nghệ 3D MEMS: Sử dụng phần tử cảm
biến là một thanh bán dẫn có đối trọng nhỏ. Phía trên mặt thanh có màng điện
trở tenzo, dưới tác dụng của trọng trường thanh bán dẫn biến dạng làm màng
điện trở thay đổi giá trị tỷ lệ với góc cần đ
o. Với công nghệ MEMS có thể chế
tạo cả phần cảm biến và xử lý tín hiệu trên cùng một phiến bán dẫn

10

Hình 1.8: Cảm biến đo góc 3D

1.3. Tình hình nghiên cứu thiết kế ở trong nước
Do cách thức sản xuất và phân phối các thiết bị cơ khí thuỷ công của các
công ty nước ngoài như đã đề cập ở trên, nên các nhà máy thuỷ điện ở nước ta
gặp rất nhiều khó khăn trong việc vận hành, bảo dưỡng cũng như mua sắm thiết
bị dự phòng. Từ đó, một nhu cầu hi
ển nhiên và bức thiết đặt ra là phải đồng
nhất, thống nhất thiết bị đo độ mở van cung theo một thiết kế chuẩn.
Nhằm nghiên cứu chuyên sâu và phát triển một hệ thiết bị đo độ mở van cung
phục vụ cho ngành thuỷ điện trong nước, nhóm đề tài đề xuất nghiên cứu, thiết
kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung kết nố
i và giám sát điều khiển tự động
cho các nhà máy thuỷ điện trong nước.
Trong nước chủ động hơn trong việc chế tạo các thiết bị đòi hỏi hàm
lượng khoa học công nghệ cao, phù hợp với chương trình trọng điểm quốc gia
về chế tạo các thiết bị cơ khí thuỷ công của Chính phủ.
Đề tài góp phần giảm chi phí ngoại tệ do phải nhập thiết bị tương tự từ
nước ngoài.

11

1.4. Đối tượng, phạm vi, mục tiêu và nội dung nghiên cứu.
1.4.1. Đối tượng, phạm vi:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo độ mở van cung - Đập tràn của
nhà máy thuỷ điện Sê San 4.
1.4.2. Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ mở van cung kết nối và
giám sát điều khiển tự động.
- Chế
tạo thiết bị điều đo độ mở van cung trên cơ sở máy móc và thiết bị
trong nước.
- Áp dụng chạy khảo nghiệm và hoàn thiện các thiết kế.
1.4.3. Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu tình hình sử dụng các thiết bị đo và giám sát độ mở van
cung.
- Nghiên cứu giải pháp, phần mềm kết nối và giám sát thiết bị đo độ mở
van cung từ đó đưa ra bộ bản v
ẽ chế tạo kèm theo các chương trình phần mềm
điều khiển.
- Thiết kế, chế tạo 01 loại bộ thiết bị đo độ mở van cung với sai số độ mở
cửa van ≤0,3%.
- Chạy khảo nghiệm đề tài tại các nhà máy thuỷ điện Sê San 4.
- Báo cáo đánh giá kết quả thực tiễn và tổng kết đề tài.
1.5. Kết luận chương 1.
Trong chuyên đề này nhóm đề tài đã giải quyết được các vấn đề sau:
- Tìm hiểu tình hình nghiên cứu thiết kế ứng dụng c¸c thiÕt bÞ ®o vµ ®iÒu
khiÓn cho c¸c lo¹i van cung trªn thÕ giíi vµ trong n−íc.
- Xây dựng lý thuyết tổng quan về van cung và thiết bị hiển thị đo độ mở
van cung.
- Đưa ra nội dung, phạm vị nghiên cứu và mục tiêu của đề tài.

12
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO
ĐỘ MỞ VAN CUNG VÀ PHƯƠNG ÁN LẬP CHƯƠNG TRÌNH
ĐIỀU KHIỂN

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị đo dộ mở van cung:
Ø100
Ø30k6
400 15
400
1355100
224
48
42
140
42
1071248100
101 130 120

Hình 2.1: Cấu tạo thiết bị đo độ mở van cung:
1.Cụm puly dẫn hướng 1; 2. Tủ bao che; 3. Cụm khung; 4.Cụm đối trọng;
5.Cụm tang quấn cáp; 6.Gối đỡ SY30 TF/VA201; 7. Encoder E6B2; 8.Khớp nối
RC8; 9. Cụm puly dẫn hướng 2; 10.Cụm puly dẫn hướng 3; R

13
TF
Hình 2.2: Hình ảnh thiết bị đo độ mở van cung:

Hình 2.3 : Sơ đồ đầu nối cáp
Khi van cung chuyển động lên xuống làm đĩa tròn Ф900 gắn trên gối
quay quay theo. Qua hệ thống cáp và puly dẫn hướng làm Tang cuấn cáp quay
theo, đồng thời cũng làm đối trọng chuyển động lên xuống.
Tại đầu trục tang có gắn 01 Encoder phát xung, tín hiệu ra được nối với
thiết bị xử lý tại t
ủ điều khiển trung tâm nhà máy. Sau khi xử lý bằng các phần
mềm chuyên dùng, bộ xử lý đưa ra màn hình hiển thị độ mở của van cung.
Ø60
Ø60
Ø100
Ø900

14
Trên cụm đối trọng có gắn cơ cấu tác động vào công tắc hạn vị trên và
hạn vị dưới, chức năng của hạn vị là giới hạn độ mở của van cung.
2.2. Tính toán độ mở cửa van cung
2.2.1. Phân tích mối quan hệ giữa các thông số
Dựa trên hình 2.3 ta có:
Chiều dài tức thời của dây cáp được quấn vào tang là :

q = f
1
(N) (1)
Trong đó:
- q: Chiều dài tức thời của dây cáp được quấn vào tang
- N: Số vòng quay của tang.
Do đường kính của dây không đáng kể so với đường kính của tang và số
lớp vòng dây quấn trên tang là nhỏ nên có thể coi đường kính ngoài của tang là
không thay đổi trong suốt quá trình vận hành. Do đó, một cách gần đúng có thể
coi chiều dài dây được quấn vào tang sẽ là một hàm tuyết tính với số vòng quay
của tang N. Ta có phương trình:
q = k
1
*N (2)
Trong đó:
- k
1
: Hằng số tỷ lệ, phụ thuộc vào thông số kết cấu cơ khí.
Mặt khác số vòng quay của tang N tỷ lệ với số vòng quay của encoder
đồng nghĩa với việc số vòng quay của tang N tỷ lệ với số xung đếm được từ
encoder, cho nên chiều dài dây cáp được quấn vào tang q sẽ là một hàm tỷ lệ với
đối số xung đếm được từ encoder:
q = k
2
*Z (3)
Trong đó:
- k
2
: Hằng số tỷ lệ, phụ thuộc vào thông số kết cấu cơ khí.
- Z : Số xung đếm được từ encoder

Như vậy, chiều dài dây cáp được quấn vào tang q hoàn toàn xác định
được thông qua giá trị số xung Z của encoder. Biết được số xung của encoder sẽ
suy ra được chiều dài cáp được quấn vào tang tương ứng.
Cũng theo hình 2.3 ta có: Độ mở cửa van cung tính theo độ cao h hay tính
theo góc mở α sẽ là một hàm chỉ phụ
thuộc vào chiều dài cáp tính từ đầu đĩa
quay gắn trên gối quay van cung đến tang quấn q’, hay phụ thuộc vào chiều dài
cáp được quấn vào tang q. Khi đó ta có:
h = f
2
(q) (4)
hay a = f
2
'
(q) (4’)

15
(vì dễ dàng có thể tính được mối liên hệ giữa a và h: h = Ho-R*sin(ao- a) (5)
Trong đó:
- Ho, R, ao: Thông số xác định kết cấu của van
Trong đó, hàm f
2
và f
2
'
là các hàm phi tuyến và có thể tìm được thông qua
việc giải bài toán hình học lập ra dựa trên kết cấu của hệ thống. Tuy nhiên, việc
giải để tìm ra các hàm số này chính xác đôi khi cũng rất khó khăn và mất nhiều
công sức đối với hệ có kết cấu cơ khí hình học phức tạp. Việc làm này còn đòi
hỏi phải xác định được các thông số của hệ thống một cách chính xác, trong một

số trường hợ
p công việc này là không khả thi và đem lại kết quả không đáng tin
cậy. Ngoài ra, còn một khó khăn nữa mà khi chúng ta áp dụng phương pháp này
có thể gặp phải là khi chúng ta đã tìm được kết quả chính xác của hàm nhưng đó
là các biểu thức toán học rất phức tạp, cồng kềnh gây khó khăn cho quá trình
tính toán đặc biệt khi mà các bộ điều khiển của chúng ta đa số là bộ điều khiển
khả trình PLC còn rất nhiều hạn chế trong việc hỗ trợ các hàm tính toán và khả
năng đáp ứng thời gian thực của nó trong quá trình tính toán. Do đó, trong
những trường hợp như vậy thì việc tính toán gần đúng được xem là một giải
pháp đơn giản, tương đối tin cậy và có thể mang lại kết quả khả thi nhất. Có rất
nhiều phương pháp tính toán gần đúng, ở đây nhóm đề tài đưa ra hai phương án:
phương pháp nội suy tuyế
n tính và phương pháp tìm đa thức nội suy sử dụng
phần mềm Matlab dựa trên bảng giá trị các điểm lấy mẫu trên cơ sở thực
nghiệm.
2.2.2. Phương pháp nội suy tuyến tính
Giả sử có hàm F(x) và đạo hàm của nó liên trục trong đoạn [a,b] đủ nhỏ và đạo
hàm cấp 1 và cấp 2 của nó không đổi dấu trong đoạn đó thì khi đó với một giá
trị bất kỳ c∈[a,b] ta có th
ể tính gần đúng giá trị của hàm F tại điểm c bằng công
thức:
F(c) ≈ F(a) + (c-a)*(F(b)-F(a))/(b-a) (6)
Công thức (6) có thể minh họa dưới đồ thị hình 2 dưới đây:
Phương pháp nội suy tuyến tính coi gần đúng đường a1b trùng với đường
thẳng ab. Độ chính xác của phương pháp càng cao khi đoạn [a,b] chia càng nhỏ.


16

2.2.3. Tính toán độ mở cửa van cung theo phương pháp nội suy tuyến
tính
Theo bản kết cấu cửa van cung và cơ cấu chỉ thị độ mở cửa van thì biên
độ chuyển động quay của cửa van cung xung quay gối quay O là 53
o
, giá trị góc
mở a biến thiên từ -8
o
÷ 45
o
. Thực hiện phép xoay theo chiều thuận chiều kim
đồng hồ quanh điểm tâm là tâm của gối xoay với bước xoay là 3
o
ta sẽ có 18
điểm giá trị lấy mẫu, và hiệu giá của 2 điểm liền kề là 3
o
.Trong khoảng 3
o
thì
có thể coi xấp xỉ dây cung trùng với cung và có thể áp dụng phương pháp nội
suy tuyến tính. Theo lý thuyết của phương pháp nội suy tuyến tính thì điểm chia
càng nhiều thì kết quả tính toán càng chính xác, nhưng kéo theo nó là khối
lượng tính toán sẽ lớn hơn. Do đó, để thỏa mãn giữa độ chính xác của phép tính
và khả năng đáp ứng của bộ điều khiển ta lấy 18 điểm chia. Tiến hành lấy kết
quả th
ực nghiệm thu được trong từng phép quay ta được bảng giá trị các thông
số dưới đây:
Bảng 2.1: Bảng giá trị các thông số hệ thống nội suy tuyên tính
i q[i](mm) q’[i](mm) a[i](degree) h[i](mm)
1 0 8790 -8 0

2 184 8606 -5 612
3 369 8421 -2 1379
4 557 8233 1 2163
5 745 8045 4 2814
H×nh 2.4: Minh häa ph−¬ng ph¸p néi suy tuyÕn tÝnh

17
6 937 7853 7 3473
7 1129 7661 10 4137
8 1322 7468 13 4805
9 1517 7273 16 5475
10 1713 7077 19 6145
11 1912 6878 22 6813
12 2110 6680 25 7478
13 2307 6483 28 8137
14 2505 6285 31 8789
15 2703 6087 34 9432
16 2899 5891 37 10064
17 3097 5693 40 10683
18 3293 5497 43 11288
Trong đó:
- i : Chỉ số thứ tự lần lấy mẫu
- q’[i]: Độ dài của dây cáp tính từ đầu xy lanh đến tang
quay, giá trị này được lấy bằng cách đo thực nghiệm trên bản vẽ ở lần quay thứ i
của cửa van cung quanh gối quay của + q[i] - độ dài của dây cáp được quấn vào
tang, giá trị này được tính thông qua giá trị q’[i] theo công thức :
q[i] = q’[1]-q[i] (7)
Trong đó:
- h[i]: Độ mở cửa van tính theo chiều cao so với phương nằm
ngang ở cao trình 199,92, giá trị này được xác định thông bằng cách đo thực

nghiệm trên bản vẽ ở lần quay thứ i của cửa van cung.
Khi đó, ứng với một giá trị q tại một thời điểm bất kỳ t
0
nào đó (giá trị này
hoàn toàn xác định được tại một thời điểm bất kỳ theo phương trình(3)) trong đó
q(t
0
)∈[ q[i],q[i+1]] thì theo phương pháp nội suy tuyến tính ta sẽ tính được giá
trị độ mở cửa h(t
0
) theo công thức:
h(t
0
) = h[i]+(q(t
0
)-q[i])*(h[i+1]-h[i])/(q[i+1]-q[i]) (8)
2.2.4. Tính toán độ mở cửa van cung theo phương pháp lập đa thức
nội suy
Dựa trên các số liệu thực nghiệm về mối quan hệ của q và h ta lập được
mà ta thu được qua phép quay van cung quanh trục 0 với góc quay là 1
0
ta được
bảng dữ liệu sau đây:
Bảng 2.1: Bảng giá trị các thông số hệ thống đa thức nội suy
i q[i](mm) q’[i](mm) a[i](degree) h[i](mm)
0 0 8790 -8 0

18
1 61 8729 -7 203
2 123 8667 -6 407

3 184 8606 -5 612
4 246 8544 -4 820
5 308 8482 -3 1028
6 369 8421 -2 1379
7 431 8359 -1 1591
8 494 8296 0 1804
9 557 8233 1 2163
10 619 8171 2 2379
11 682 8108 3 2596
12 745 8045 4 2814
13 809 7981 5 3033
14 873 7917 6 3253
15 937 7853 7 3473
16 1001 7789 8 3694
17 1064 7726 9 3915
18 1129 7661 10 4137
19 1193 7597 11 4360
20 1258 7532 12 4582
21 1322 7468 13 4805
22 1387 7403 14 5029
23 1452 7338 15 5252
24 1517 7273 16 5475
25 1582 7208 17 5699
26 1647 7143 18 5922
27 1713 7077 19 6145
28 1780 7010 20 6368
29 1847 6943 21 6591
30 1912 6878 22 6813
31 1978 6812 23 7035
32 2044 6746 24 7257

33 2110 6680 25 7478
34 2176 6614 26 7698
35 2241 6549 27 7918
36 2307 6483 28 8137
37 2373 6417 29 8355
38 2439 6351 30 8572
39 2505 6285 31 8789
40 2571 6219 32 9004
41 2636 6154 33 9218
42 2703 6087 34 9432

19
43 2768 6022 35 9643
44 2833 5957 36 9854
45 2899 5891 37 10064
46 2965 5825 38 10272
47 3031 5759 39 10478
48 3097 5693 40 10683
49 3162 5628 41 10887
50 3228 5562 42 11088
51 3293 5497 43 11288
52 3358 5432 44 11487
53 3423 5367 45 11683
Dựa vào bảng giá trị trên ta lập được đa thức nội suy biểu diễn mối quan
hệ giữa q và h nhờ sự hỗ trợ của phần mềm Matlab. Dưới đây là kết quả thu
được từ phần mềm này:


20
2.2.5. Tính toán độ mở van cung theo khai triển Taylor:

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán

Độ mở van cung được tính theo công thức:

)
2
sin(.
α
β
+= ah ; )
2
sin(.2
α
Ra =
Trong đó:
h: Độ mở van cung [m]
α: Góc mở của van cung [độ]
β: Góc nghiêng của càng van cung tại vị trí van đóng hết [độ]
O: khoảng cách từ tâm gối quay đến ngưỡng đáy [m]
R: Bán kính cong của van cung [m]
Giải quyết bài toán
Bài toán đặt ra là xây dựng biểu thức thiết lập quan hệ giữa độ mở van
cung h (mét) và góc α (radian). Để làm điều này ta xây dựng mô hình tính toán
như hình 2.6:


21
α
0

β
α






Hình 2.6: Mô hình tính toán
h = L-Rcos(β+α); β (radian) (2-1)
Ta xấp xỉ hàm cosinus nhờ khai triển Taylor (xem thí dụ [1]). Ở đây
xem α là biến và h làm hàm.
Như đã biết công thức khai triển Taylor của hàm f(x) tại một giá trị của
biến x, ví dụ tại x = x
0
sẽ có dạng.
(1)
21
00 0
00 0 0
'( ) ''( ) ( )
() ( ) ( ) ( ) ( ) ()
1! 2! ( 1)!
n
n
n
fx fx f x
f
xfx xx xx xx Rx
n

−
−
=+ −+ −+ −+
−
(2-2)
Trong đó :

()
0
()
() ( )
!
n
n
n
f
R
xxx
n
ξ
=− (2-3)
Trong đó ξ làm điểm nằm giữa x và x
0
, còn R
n
(x) được gọi là số dư, nó
có thể được viết dưới dạng sau:

()
00

0
(())
() ( )
!
n
n
n
fx xx
R
xxx
n
θ
+−
=−
(0<
θ
<1) (2-4)
Số dư trong công thức Taylor cũng có thể viết trong Peano, khi chú ý
rằng:

() ()
00 0
(()) ()()
nn
f
xxxfxax
θ
+− = + (2-5)
Trong đó: α(x) → 0 khi x →x
0

. Do đó số dư dạng Peano trong khai triển
Taylor có thể viết như sau:

() ()
00
000
() () ()
()
() () () ()
!!!
nn
nnn
n
fxax fx
ax
R
xxxxxxx
nnn
+
=−=−+− (2-6)
Trong đó : α(x) → 0 khi x →x
0

Áp dụng công thức (2-2) biểu thức tính độ mở van cung (2-1) được viết
dưới dạng sau:

2
0
11
() os( )

2! 2
k
k
ha H R c k a
k
βπ
∞
=
=− +
∑
(2-7)
Từ công thức trên ta có thể xây dựng công thức tính toán độ mở van cung
theo góc mở van cung với một xấp xỉ tuỳ ý. Với r là số hạng đầu ta có:

22

2
1
1
() os( )
2! 2
r
k
k
ha H R c k a
k
π
β
=
=− +

∑
(2-8)
Công thức trên có thể được viết trong dạng khai triển sau:

(2) (1)
(2 1) 2
12
01
(2 1)!
() (1) ] [ (1) ]
(2 1)! (2 )!
pp
pp
pp
pp
ap a
ha L O
p
p
++
+
==
+
=− + −
+
∑∑
(2-9)
Trong đó p1=0,5(r-1) nếu r lẻ, p2= 0,5 (r=1) (2-10)
p1= 0,5r-1 nếu r chẵn , p2 = 0,5r (2-11)
Công thức tính xấp xỉ (2-9) ứng với sai số là:

(1)
1
(1)!
rr
RR
r
α
+
=≤
+
(2-12)
Biểu thức (2-9) có thể được viết trong dạng sau:

(1) (2)
2(21)
111
11
() [ (1) ] [ (1) ]
(2 )! (2 1)!
pp
pp
pp
r
pp
aa
hLO L
pp
αα
++

+
+
==
=+ − + −
+
∑∑
(2-13)
Trong đó: 2p1+1=r
Dựa vào công thức (2-13) có thể nhận được công thức tính sai số chính
xác hơn.
Trong trường hợp r lẻ thì công thức (2-13) được tính đến số hạng thứ hai
và sai số được tính dựa vào số hạng tiếp theo. Đó là:
(2 1 3)
() (12)
(1)
(2 1 3)!
p
rp
RL
p
α
+
+
=−
+
(2-14)
Trong trường hợp r chẵn thì trong công thức (2-13) tính đến số hạng thứ
ba. Do đó đó sai số được tính theo số hạng tiếp theo của (2-14), tức
(2 1 1)
() (12)

(1)
(2 1 1)!
p
rp
RO
p
α
+
+
=−
+
(2-15)
Để minh hoạ sẽ khảo sát các thí dụ cụ thể sau:
Thí dụ 1: hãy tính độ mở van cung với mười số hạng đầu, tức r=10. Trong
trường hợp này r chắn, ta dùng (2-11) nó cho ta.
p1=0,5r-1 =5-1=4, p2=5.
Từ đây công thức (2-14) ta tính được:
11
(10)
11!
RL
α
=−
3579 246810
(10)
()( )
3! 5! 7! 9! 2! 4! 6! 8! 10!
hL O
α
ααα ααααα

α
=−+−++ −+−+
Thí dụ 2: