CÔNG NGH SCADA - GI I PHÁP HI N Đ I HOÁ CÔNG TÁC QU N LÝ, ĐI U HÀNH T I TIÊU Ở VI T NAM KS. Nguyễn Quốc Hiệp - PGĐ - Trung tâm Công nghệ Phần mềm TL - Viện Khoa học Thuỷ lợi cùng các cộng sự; KS. Nguyễn Đăng Hà - PGĐ Ban Quản lý và Đầu tư xây dựng Thuỷ lợi 3. Tóm tắt n i dung: Hiện nay hiệu quả khai thác của các công trình thuỷ lợi rất thấp. Công nghệ SCADA (Superisory Control And Data Acquisition) là công nghệ rất phù hợp để nâng cao hiệu quả khai thác công trình thuỷ lợi. Tuy nhiên việc triển khai ứng dụng rộng rãi công nghệ này trên các hệ thống thuỷ nông gặp rất nhiều khó khăn. Giải pháp chính để đưa công nghệ SCADA áp dụng rộng rãi trên các hệ thống thuỷ nông mà Trung tâm công nghệ Phần mềm Thuỷ lợi đưa ra là: Nghiên cứu sản xuất các thiết bị chính trong hệ thống SCADA, xây dựng phần mềm giám sát hệ thống thuỷ nông để giảm giá thành, chủ động trong việc bảo hành, bảo trì hệ thống. Nếu thiết bị hỏng có thể sửa chữa được với kinh phí chỉ bằng 5-10% so với kinh phí phải mua mới. 1. Gi i thi u h thống SCADA Hệ thống SCADA gồm 2 phần chính: Phần mềm giám sát hệ thống thuỷ nông và các thiết bị phần cứng theo hình 1. 1.1. Phần mềm giám sát hệ thống thuỷ nông Phần mềm giám sát hệ thống thuỷ nông được xây dựng với mục đích cung c p thông tin kịp thời về tình trạng phân phối nước trên hệ thống thuỷ nông để giúp cán bộ qu n lý điều hành phân phối nước hợp lý nhằm cung c p nước đủ và đồng đều trên các khu vực của hệ thống và phát hiện những vị trí l y nhiều hoặc thừa nước. Như vậy, phần mềm giám sát Hệ thống thuỷ nông là một công cụ tiện ích đối với các công ty Khai thác công trình thuỷ lợi để từng bước hiện đại hoá và nâng cao hiệu qu khai thác các hệ thống thuỷ nông, gi m chi phí vận hành. Khi sử dụng, phần mềm được cài đặt tại trụ sở công ty Khai thác công trình thuỷ lợi và tuỳ điều kiện cơ sở vật ch t sẵn có, phần mềm sẽ tự động kết nối và nhận số liệu từ ngoài hiện trường về Trung tâm (nếu có hệ thống thiết bị đầu đo tự động) hoặc ph i nhập bằng bàn phím các số liệu báo về từ hiện trường (nếu chưa có thiết bị mà ph i đo đạc bằng thủ công- bằng cọc thuỷ chí). Nếu hệ thống giám sát bằng các thiết bị tự động thì người qu n lý có thể điều khiển giám sát hệ thống thủy nông tại b t cứ máy tính nào được cài đặt phần mềm và có kh năng kết nối qua đường điện thoại. Giao diện của phần mềm được xây dựng trên nền t ng đối tượng b n đồ (Map Objects) của hãng ESRI. Như vậy, phần mềm làm việc với một đối tượng b n đồ địa lý (đã được số hoá) với đầy đủ các tính năng qu n lý về mặt địa lý. Nó vừa giúp cho người sử dụng dễ dàng điều hành hệ thống quan trắc, đồng thời có thể hình dung cụ thể về hệ thống thuỷ nông đang điều hành. Trong báo cáo này xin giới thiệu chi tiết về phần mềm trong điều kiện sử dụng đồng bộ với hệ thống thiết bị đo nước tự đông, từ xa. Hình 1 - Mô hình hệ thống SCADA phục vụ hiện đại hoá điều hành tưới, tiêu Tính năng của phần mềm giám sát hệ thống thuỷ nông: - Thu thập dữ liệu tức thời: Phần mềm cho phép người sử dụng có thể quan sát số liệu ở các trạm ở b t kỳ thời điểm nào bằng cách quay số cưỡng bức tới trạm. Ví dụ tại một thời điểm nào đó cán bộ qu n lý muốn biết mực nước, độ mở cống và lưu lượng tại các điểm trên hệ thống, có thể chuyển chế độ đo đạc và ghi vào tệp dữ liệu theo chu kỳ (hang giờ hay hàng vài giờ..) sang chế độ giám sát tức thời. - Thu thập theo chu kỳ: Sau khi đã định chu kỳ thu thập dữ liệu cho phần mềm, máy tính sẽ tự động quay số xuống các trạm, thu thập số liệu quan trắc và ghi vào cơ sở dữ liệu. Tuỳ theo mức độ chính xác mà người qu n lý muốn, có thể cài đặt quan trắc số liệu theo từng giờ hay mỗi ngày 4 lần như chế độ quan trắc khí tượng thuỷ văn hoặc có thể theo phút. - Tính toán lưu lượng, lượng nước (m3) theo ngày, theo đợt tưới hoặc c vụ qua công trình đo nước từ các số liệu đo. - Hiển thị dữ liệu: Các số liệu thu thập, lưu lượng, lượng nước qua công trình đo nước được hiển thị dưới dạng b ng, dạng đồ thị theo thời gian và theo yêu cầu của người sử dụng. - Điều khiển từ xa: ở chế độ quay số cưỡng bức, phần mềm cho phép vận hành đóng mở cửa cống (nếu cống vận hành bằng động cơ) hoặc tắt mở máy bơm. Điều khiển giám sát tại nhiều nơi: Người sử dụng có thể cài đặt phần mềm tại nhà, tại máy tính xách tay và kết nối tới các trạm đo qua đường điện thoại, như vậy, có thể điều khiển giám sát hệ thống thủy nông của họ tại b t cứ nơi nào trên thế giới miễn là ở đó có điều kiện kết nối với mạng điện thoại công cộng. - Quản lý thời gian lưu giữ số liệu của các RTU tại các trạm: Đối với mỗi trạm đo người sử dụng có thể thay đổi thời gian cập nhật số liệu của RTU tại các trạm tuỳ theo yêu cầu cụ thể. - Tính mở của hệ thống: Phần mềm có phép người sử dụng có thể thêm, bớt hay thay đổi thông tin của các trạm đo trên phần mềm để phù hợp với điều kiện thực tế. 1.2. Các thiết bị phần cứng và nguyên lý hoạt động của thiết bị. 1.2.1 Các thiết bị phần cứng: Hệ thống SCADA áp dụng trong công tác điều hành tưới tiêu bao gồm các thiết bị chính sau: + Thiết bị ngoài hiện trường (tại các điểm đo): - Thiết bị thu thập số liệu (RTU); - Thiết bị đo mực nước; - Thiết bị đo độ mở cống; Động cơ đóng mở cống ; - Thiết bị đo mưa; - Modem điện thoại (hoặc modem vô tuyến trong trường hợp thu phát bằng vô tuyến); - Thuê bao đường điện thoại hoặc thiết bị thu phát vô tuyến; - Thiết bị chống sét. + Thiết bị tại Trung tâm điều hành: - Máy tính; Thuê bao đường điện thoại hoặc thiết bị thu phát vô tuyến; - Modem điện thoại (hoặc modem vô tuyến trong trường hợp thu phát bằng vô tuyến); - Chống sét đường điện thoại hoặc vô tuyến. 1.2.2 Nguyên lý hoạt động của các thiết bị: Các tín hiệu của các thiết bị đo mực nước, độ mở cống, đo mưa được đưa đến hộp kỹ thuật, trong đó có thiết bị RTU (Remote Terminal Unit) đặt tại hiện trường. Mục đích hộp kỹ thuật là chuyển đổi, chuẩn hóa các tín hiệu điện từ các thiết bị đo ra các thông tin đo đạc mực nước, độ mở cống, lượng mưa dưới dạng số để cán bộ qu n lý sử dụng cho mục đích qu n lý điều hành công trình. Thiết bị RTU còn có chức năng lưu trữ số liệu, hiển thị số liệu tại chỗ, có thể giao tiếp và truyền thông tin với các máy tính ở kho ng cách không giới hạn qua đường điện thọai công cộng hoặc thiết bị truyền vô tuyến thông qua phần mềm giám sát hệ thống thuỷ nông đã trình bày ở trên. 2- Sự cần thi t ph i ứng dụng công ngh scada để hi n đ i hoá công tác đi u hành t i, tiêu - Theo đánh giá gần đây thì tổng giá trị tài s n hiện có của ngành Thuỷ lợi ước kho ng gần 100.000 tỷ đồng. Các công trình chính gồm kho ng 800 hồ chứa vừa và lớn, 2000 trạm bơm điện tưới tiêu với 10.000 máy bơm các loại... Đây là tài s n lớn của Quốc gia, thể hiện sự quan tâm của Đ ng và Nhà nước đối với công tác thuỷ lợi. Trên thực tế nhờ có các công trình Thuỷ lợi, Nông nghiệp Việt Nam đã không ngừng phát triển, không những đáp ứng yêu cầu Quốc gia về an ninh lương thực mà còn tạo nhiều hàng hoá phục vụ xu t khẩu. Tuy nhiên, cũng theo số liệu thống kê cho th y hiệu qu khai của các công trình Thuỷ Lợi hiện nay còn th p, bình quân c nước đạt 50-60% so với thiết kế ban đầu. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến hiệu qu khai thác công trình thuỷ lợi còn th p là do công tác qu n lý, khai thác công trình còn nhiều hạn chế, công nghệ, phương tiện qu n lý vừa thiếu vừa lạc hậu. Theo quy định của nhà nước, các công ty KTCTTL chỉ qu n lý kênh chính, các kênh c p 1 và cống đầu các kênh c p 2, còn các kênh c p 2 trở xuống thì các hợp tác xã ph i qu n lý điều hành tưới. Tuy nhiên do không có công cụ để xác định lượng nước l y qua các cống đầu kênh c p 2, nên hiện tượng các hợp tác xã l y thừa nước rồi ch y xuống kênh tiêu là khá phổ biến. Việc này cũng tương tự như việc vào những năm 90, các hộ nông dân ở nông thôn không có đồng đo điện, việc thu tiền điện l y bình quân theo tháng nên các hộ cứ dùng điện tho i mái cho các mục đích khác nhau như đun cám lợn, đun nước tắm, thắp sáng bừa bãi,... nhưng ngày nay khi các hộ được lắp công tơ đo điện thì mọi việc đã khác, mọi người dân đều đã có ý thức dùng điện tiết kiệm; hay như việc tại các thành phố, trước đây chưa lắp đồng hồ đo nước sinh hoạt thì người dân dùng nước r t lãng phí, nước ch y lênh láng ra c ngoài đường, nhưng khi lắp đồng hồ đo nước thì mọi người dân đều đã sử dụng tiết kiệm, không có hiện tượng vặn vòi nước ch y suốt ngày đêm như trước nữa. Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ SCADA để kiểm soát mực nước, lượng nước c p qua đầu các kênh là r t cần thiết. Việc này sẽ giúp cán bộ của các công ty KTCTTL ph i thường xuyên kiểm tra hiện trạng các kênh do mình phụ trách để tránh rò rỉ, đóng các cống đã l y đủ nước, mở các cống cần l y nước để nâng cao ch t lượng phục vụ của các công ty KTCTTL; Các hợp tác xã ph i quan tâm đến việc điều hành phân phối nước trên các kênh mặt ruộng, tránh hiện tượng nước l y thừa, ch y xuống kênh tiêu gây lãng phí. 3- Những khó khăn khi triển khai áp dụng công ngh scada để hi n đ i hoá công tác đi u hành t i, tiêu trên các h thống thuỷ nông toàn quốc Mặc dù công nghệ SCADA đã được Bộ quan tâm từ lâu, nhưng đến nay vẫn chỉ được đầu tư mang tính ch t thí điểm như hồ Suối Dầu, hồ Cam Ranh tỉnh Khánh Hoà, hồ EaSoup Hạ, hồ Buôn Joong tỉnh ĐăkLăk, hồ Tràng Vinh tỉnh Qu ng Ninh chỉ được đầu tư lắp đặt tại công trình đầu mối; Hệ thống Nam Thái Bình chỉ được lắp đặt tại Cống Lân; Hệ thống p Bắc - Nam Hồng đang được đầu tư lắp đặt 4 điểm trên hệ thống. Việc không thể triển khai rộng rãi trên các hệ thống thuỷ nông là do các nguyên nhân chính sau: + Các thiết bị chủ yếu là nhập ngoại, nên giá thành cho một trạm đo tương đối đắt (kho ng từ 150 đến 300 triệu tuỳ thuộc vào đo trên hệ thống kênh hay đầu mối hồ chứa). Nếu một hệ thống thuỷ nông có 20 điểm cần đo thì kinh phí m t kho ng 3 tỷ đồng. Đây là một v n đề lớn r t khó gi i quyết; + Các thiết bị khi bị hỏng là ph i thay thế hoàn toàn không thể sửa được. Đây sẽ là gánh nặng r t lớn cho các công ty KTCTTL trong quá trình sử dụng hệ thống, hiện tại khó có công ty nào có thể gi i quyết được; + Các hệ thống được đầu tư trước đây như hệ thống Bắc Hưng H i, Bắc Nghệ An, Sông Chu,...đã không chú ý đến v n đề chống sét lan truyền qua đường điện thoại, đường điện và tín hiệu từ đầu đo mà chỉ quan tâm đến chống sét trực tiếp. Vì vậy các hệ thống chỉ hoạt động trong thời gian ngắn là hỏng không hoạt động được. Việc này đã làm cho lãnh đạo Bộ, ngân hàng ADB cho rằng việc đầu tư công nghệ SCADA trên các hệ thống thuỷ nông là không hiệu qu . + Nhà nước chưa có chính sách khuyến khích rõ ràng để các công ty KTCTTL nâng cao hiệu qu công tác qu n lý điều hành tưới, tiêu; + Các công ty KTCTTL và các hộ dùng nước chưa có khái niệm c p nước theo m3. Hiện tại các công ty KTCTTL và các hộ dùng nước ký hợp đồng c p nước theo ha, các hộ dùng nước yêu cầu tưới là công ty KTCTTL ph i đáp ứng. 4- Những gi i pháp triển khai áp dụng công ngh scada để hi n đ i hoá công tác đi u hành t i, tiêu trên các h thống thuỷ nông toàn quốc Việc làm thế nào để công nghệ SCADA được phổ biến rộng rãi trên t t c các hệ thống thuỷ nông c nước đã và đang là v n đề trăn trở của Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thuỷ lợi - Viện Khoa học Thuỷ lợi. Từ năm 2001 đến nay Trung tâm đã từng bước nghiên cứu các gi i pháp để công nghệ này đi vào thực tế. Các gi i pháp chính gồm: 4.1. Giải pháp về công nghệ, thiết bị: Trung tâm đã nghiên cứu tự s n xu t các thiết bị chính trong hệ thống SCADA, bao gồm: Thiết bị thu thập số liệu (RTU), thiết bị đo độ mở cống, thiết bị đo mực nước nhằm gi m giá thành (gi m từ 20-30% so với thiết bị nhập ngoại), chủ động trong việc b o hành, b o trì s n phẩm, các thiết bị bị hỏng không cần thay mới, mà chỉ cần thay thế hoặc sửa chữa các linh kiện bên trong, chi phí r t th p (chỉ bằng 5-10% so với thay mới), cụ thể như sau: + Thiết bị thu thập số liệu (RTU): Trong khuôn khổ đề tài c p Bộ “Nghiên cứu từng bước hiện đại hoá công tác qu n lý Hệ thống thuỷ nông p Bắc – Nam Hồng, Đông Anh, Hà Nội" do Trung tâm Công nghệ Phần mềm thuỷ lợi thực hiện năm 2001-2003, Trung tâm đã nghiên cứu tự chế tạo lắp ráp Thiết bị thu thập số liệu RTU bằng vi xử lý. S n phẩm của đề tài đã được áp dụng lắp cho 5 dự án: Dự án Cống Lân, tỉnh Thái Bình; dự án hồ chứa nước Tràng Vinh tỉnh Qu ng Ninh; dự án Bắc Sông Mã tỉnh Thanh Hóa; dự án Suối Dầu - Cam Ranh tỉnh Khánh Hóa; + Thiết bị đo độ mở cống: Trong khuôn khổ đề tài c p Bộ “Nghiên cứu các gi i pháp công nghệ, thiết bị trong hệ thống Thuỷ lợi nhằm phân phối về số lượng nước hiệu qu cao” được thực hiện từ năm 2006 đến năm 2007 do Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam chủ trì. Trong đó có nội dung nghiên cứu s n xu t thiết bị đo độ mở cửa cống phẳng do Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thuỷ lợi thực hiện. Đến nay Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thủy lợi đã thực hiện xong nội dung này và s n phẩm của đề tài đã được áp dụng tại các dự án: Cống Hiệp Thuận - Thuộc dự án Đập Đáy Hà Tây; dự án hồ chứa nước EaSoup Hạ tỉnh ĐăkLăk; + Thiết bị đo mực nước: Trong khuôn khổ đề tài c p Bộ "Nghiên cứu chế tạo một số thiết bị đo nước trong hệ thống kênh tưới" do Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thuỷ lợi thực hiện từ năm 2007 đến 2009. Đến nay Trung tâm đã nghiên cứu s n xu t thành công thiết bị đo mực nước tự ghi kiểu phao điện từ tương ứng các d i đo 0-1m, 0-1.5, theo kế hoạch sẽ nghiên cứu s n xu t thiết bị đo mực nước tương ứng với các d i đo 0-2m, 0-2.5m, 03m vào năm 2008. 4.2. Giải pháp về tổ chức triển khai áp dụng: * Đối với các hệ thống tưới: Việc triển khai ứng dụng công nghệ SCADA trong công tác điều hành tưới cần ph i được chia làm 2 giai đoạn: + Giai đoạn 1: Cần xây dựng các đồng đo nước (thiết bị này do Trung tâm Công nghệ Phần mềm Thuỷ lợi nghiên cứu s n xu t) tại các cống phân phối nước. Đồng hồ đo nước bao gồm 2 bộ phận chính: Thiết bị đo nước tự ghi kiểu phao điện từ và công trình đo nước. Sau mỗi đợt tưới, cán bộ qu n lý chỉ cần mang thiết bị lưu trữ (tương tự như USB) về cắm vào máy tính là phần mềm sẽ truyền số liệu từ thiết bị lưu trữ sang máy tính và hiển thị mực nước trong ngày, lưu lượng, lượng nước (m3) l y trong ngày, trong đợt tưới, vụ tưới; Các công ty KTCTTL sau khi được xây dựng các đồng hồ đo nước cần ph i ký hợp đồng cung c p nước cho các hộ dùng nước theo m3. Sau mỗi đợt tưới công ty KTCTTL và hộ dùng nước lập biên b n nghiệm thu m3 (tương tự như cán bộ Công ty c p nước sạch xem chỉ số đồng hồ đo nước của từng hộ dân hàng tháng). + Giai đoạn 2: Sau khi các công ty KTCTTL đã quen với việc c p nước theo m3 thì có thể nâng c p các đồng hồ đo nước để trở thành hệ thống SCADA. Lúc này tại trung tâm điều hành của công ty, cán bộ qu n lý có thể biết được toàn bộ các thông số hiện trạng của hệ thống như mực nước; độ mở cống; lưu lượng; lượng nước đã l y qua công trình đến thời điểm nào đó trong ngày,... và có thể điều khiển công trình tại trung tâm điều hành theo yêu cầu thực tế. * Đối với các công trình đầu mối (đặc biệt là hồ chứa) nên lắp đặt hệ thống SCADA. Vì tại các điểm này các công ty KTCTTL ph i kiểm tra mực nước, hiện trạng công trình thường xuyên. Hơn nữa việc này sẽ giúp cho các công ty KTCTTL sớm tiếp cận được công nghệ để có định hướng nâng c p các đồng hồ đo nước trên hệ thống kênh tưới thành hệ thống SCADA. 5- K t luận và ki n nghị 1. Tại các nước phát triển như Nhật, Úc, Hàn Quốc,... việc ứng dụng công nghệ SCADA trong công tác qu n lý khai thác các công trình thuỷ lợi là khá phổ biến. Tuy nhiên ở nước ta việc ứng dụng công nghệ này để hiện đại hoá công tác điều hành tưới tiêu còn r t hạn chế. 2. Để công nghệ SCADA có thể áp dụng rộng rãi trên các hệ thống thuỷ nông thì các nhà khoa học ph i có nhiệm vụ nghiên cứu làm thế nào để công nghệ SCADA có thể phù hợp với điều kiện khí hậu, trình độ qu n lý, kinh tế của Việt Nam. Song song với nhiệm vụ của các nhà khoa học thì Nhà nước cũng cần có chủ trương rõ ràng về việc ứng dụng công nghệ SCADA để hiện đại hoá công tác điều hành tưới tiêu nhằm nâng cao hiệu qu qu n lý khai thác các công trình thuỷ lợi, có các cơ chế chính sách rõ ràng để khuyến khích các công ty KTCTTL áp dụng các gi i pháp mới nhằm tưới tiết kiệm, nâng cao ch t lượng dịch vụ tưới, gi m chi phí điều hành tưới. 3. Cần ph i nghiên cứu xác định hiệu qu tưới trên các kênh c p 1, c p 2 của các công ty KTCTTL để các Công ty có cơ sở tính toán lượng nước cần cung c p tại đầu các cống phân phối nước từ lượng nước yêu cầu tưới trên mặt ruộng. Đây sẽ là cơ sở để các Công ty KTCTTL tính toán điều hành tưới chính xác và hiệu qu .