Thiết kế xây dựng hệ thống giám sát điều khiển tập trung trạm biến áp phòng nổ dùng trong hầm mỏ

TÓM TẮT:

Bài báo trình bày về giải pháp thiết kế hệ thống giám sát điều khiển tập trung trạm biến áp phòng nổ dùng trong hầm mỏ. Ưu điểm của giải pháp là cấu trúc hệ thống được thiết kế tổng quát và cho phép tích hợp được với các hệ thống tự động hóa khác của mỏ. Phần cứng các thiết bị được thiết kế dựa trên công nghệ PLC, hoạt động bền bỉ trong môi trường công nghiệp mỏ. Phần mềm hệ thống được xây dựng với những giao diện theo hướng trực quan hóa dữ liệu và phân tích được nhiều thông số. Theo đó, giúp các công ty khai thác than có thể theo dõi, vận hành và quản lý hiệu quả các trạm biến áp phòng nổ hầm mỏ.

Từ khóa: giám sát điều khiển, trực quan hóa dữ liệu, mạng vòng Ethernet.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, hệ thống cung cấp điện của các đơn vị khai thác mỏ bao gồm các cấp điện áp 35kV, 22kV, 6kV và hạ áp 0,69kV, 0,4kV được bao phủ trên một diện tích rộng với địa hình phức tạp cả trên mặt bằng và trong hầm mỏ. Không giống như trên mặt bằng, hệ thống cung cấp điện hầm mỏ có những nét đặc trưng riêng, trong đó các phụ tải ở khu vực khai thác mỏ phân tán trên một phạm vi rộng và ở các độ sâu khác nhau dẫn đến các trạm biến áp phòng nổ (TBAPN) cũng được biên chế phù hợp, một TBAPN có nhiệm vụ cung cấp điện cho một nhóm các phụ tải trong một khu vực nhất định. Mỏ hầm lò là phụ tải đặc biệt, không được mất điện trong thời gian dài, trong khi với sự phân bố phức tạp của hệ thống TBAPN thì công tác vận hành thủ công hiện nay của các mỏ không đáp ứng được yêu cầu sản xuất, khi có sự cố gây mất điện, việc xác định nguyên nhân cũng như tìm các vị trí gây sự cố để khắc phục gặp rất nhiều khó khăn. Công tác quản lý các thông số trạm, mạng điện trong lò, các sự cố,... đang thực hiện thủ công bằng cách ghi chép sổ nhật ký. Vì vậy, ứng dụng hệ thống giám sát điều khiển tập trung trạm điện của các công ty khai thác than là một trong những nội dung quan trọng và có nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả, an toàn cho công tác vận hành, bảo trì, đồng thời là nguồn cung cấp thông tin kịp thời phục vụ cho các bài toán quản lý, điều hành sản xuất của mỏ.

2. Thiết kế xây dựng hệ thống

2.1. Cơ sở thiết kế

Thực trạng các trạm biến áp phòng nổ và công tác vận hành quản lý: Theo khảo sát, các trạm biến áp phòng nổ đang sử dụng trong các mỏ hầu hết xuất xứ từ Liên Xô (cũ), Ba Lan, Trung Quốc và có cả của Việt Nam. Mỗi TBAPN có nhiệm vụ cung cấp cho một nhóm phụ tải trong lò. Công suất danh định trạm biến áp từ 50 ÷ 4.000 kVA, điện áp sơ cấp 6.000 VAC, điện áp thứ cấp 690 VAC. Các TBAPN được lắp đặt chỗ khô ráo, được thông gió, có hàng rào bảo vệ và được bố trí dưới hầm lò theo khu vực, rải rác trong hầm lò, cách xa nhau [1-3]. Về mặt vận hành và quản lý, các mỏ giao cho phân xưởng vận hành - quản lý, mỗi phân xưởng trung bình khoảng 5 trạm. (Hình 1)

Hình 1: Trạm biến áp phòng nổ 6/0.69 kV đang sử dụng trong ngành mỏ

Yêu cầu thực tế của các đơn vị ứng dụng sản phẩm: Qua khảo sát trạm biến áp chính và trạm biến áp dưới mỏ hầm lò của 3 công ty khai thác than mỏ hầm lò (Khe Chàm, Nam Mẫu, Hòn Gai) và trao đổi với Ban kỹ thuật TKV, chúng tôi tổng hợp các yêu cầu từ các công ty than và TKV để làm căn cứ thiết kế hệ thống. Theo đó, các công ty than không chỉ muốn giám sát điều khiển tập trung riêng trạm biến áp mà còn muốn tích hợp hệ thống giám sát điều khiển tập trung trạm biến áp phòng nổ với các hệ thống khác trong phạm vi công ty như: Hệ thống các trạm phân phối điện trung áp và hạ áp; Hệ thống giám sát khí mỏ hầm lò; Hệ thống giám sát điều khiển tự động cửa gió mỏ hầm lò; Hệ thống giám sát hình ảnh;…

Hệ thống giám sát điều khiển tập trung hầm mỏ trên thế giới: Hệ thống giám sát điều khiển tập trung trạm điện hầm mỏ KJ1062 của Tập đoàn Wantai - Trung Quốc được thiết kế với chức năng giám sát trạm 10kV/6kV, 35kV, các trạm điện hầm lò [4]. Các tủ giám sát điều khiển khu vực kết nối với nhau và hệ thống máy tính trung tâm, cùng với các hệ thống tự động hóa khác thông qua mạng vòng Ethernet công nghiệp. Sơ đồ cấu trúc hệ thống được trình bày như Hình 2. Tủ KJ1062-F giám sát, xử lý thông tin thu thập được, sau đó truyền thông tin qua mạng vòng Ethernet công nghiệp về máy chủ của hệ thống, máy chủ của hệ thống hiển thị thông số, điều khiển từ xa, cảnh báo và các chức năng khác.

Hình 2: Hệ thống giám sát điện hầm mỏ KJ1062 [4]

Hệ thống mạng vòng Ethernet công nghiệp hiện đang được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong ngành khai thác than hầm mỏ vì có nhiều ưu điểm như tốc độ cao, khoảng cách truyền xa, có tính dự phòng nóng. Dựa trên công nghệ này có thể tích hợp được nhiều hệ thống như: hệ thống giám sát môi trường mỏ [5], hệ thống giám sát trạm điện hầm mỏ [6], hệ thống giám sát hình ảnh camera IP phòng nổ [7],... do đó được lựa chọn để nhóm tác giả thiết kế cấu trúc hệ thống.

2.2. Thiết kế cấu trúc hệ thống

Dựa trên kết quả khảo sát thực tế các TBAPN tại các mỏ, yêu cầu thực tế của các đơn vị và phân tích công nghệ hệ thống của nước ngoài, thiết kế cấu trúc hệ thống được đề xuất như Hình 3. Đây là một cấu trúc với giải pháp tổng quát áp dụng cho nhiều công ty khai thác than, có thể tích hợp nhiều hệ thống tự động hóa khác trong phạm vi của mỏ để tạo thành một hệ thống giám sát điều khiển tập trung toàn diện. Giải pháp truyền tin trong hệ thống được xây dựng trên nền tảng hệ thống mạng vòng Ethernet tốc độ cao với các Thiết bị mạng vòng phòng nổ VIELINA-WS do VIELINA chế tạo tích hợp. Trong thiết kế cấu trúc hệ thống, tại mỗi TBAPN có một tủ khu vực phòng nổ (VIELINA-GSDK.PN) để đo lường các thông số (dòng điện, điện áp, công suất, nhiệt độ, hình ảnh,...) và điều khiển trạm, các tủ VIELINA-GSDK.PN được kết nối với tủ giám sát điều khiển trạm biến áp VIELINA-SCS1.2 được đặt trên phòng điều hành trung tâm của mỏ thông qua mạng vòng Ethernet cáp quang với giao thức Profinet nhằm đáp ứng tính năng thời gian thực [8]. Tại máy tính trên phòng điều hành trung tâm, người sử dụng có thể giám sát vận hành các TBAPN dưới hầm lò. 

Hình 3: Hệ thống giám sát điều khiển tập trung trạm biến áp phòng nổ

2.3. Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng tủ giám sát điều khiển trạm biến áp VIELINA-SCS1.2: Nhiệm vụ của tủ giám sát điều khiển trạm biến áp 6/0,69kV VIELINA-SCS1.2 là giám sát điều khiển được 10 trạm biến áp phòng nổ/1 tủ. Các chức năng gồm: Hiển thị sơ đồ một sợi của các TBAPN; Thu thập dữ liệu thời gian thực; Hiển thị thông số đo lường như dòng điện, điện áp, nhiệt độ; Vận hành từ xa trạm biến áp phòng nổ; Cảnh báo hệ thống; Cài đặt thông số; Lưu trữ dữ liệu số liệu; Kết nối số liệu với máy tính chủ. Từ đó, nhóm tác giả đề xuất thiết kế sơ đồ khối của tủ VIELINA-SCS1.2 như được trình bày trên Hình 4.

Hình 4: Sơ đồ khối tủ giám sát điều khiển VIELINA-SCS1.2

Thiết kế phần cứng tủ giám sát điều khiển phòng nổ VIELINA-GSĐK.PN: Các TBAPN có vị trí xa nhau, do đó để giám sát điều khiển từ xa, cần thiết kế mỗi trạm biến áp một tủ phòng nổ VIELINA-GSĐK.PN. Tủ này có nhiệm vụ đo lường các thông số của trạm biến áp và truyền kết quả về tủ VIELINA-SC1.2 cũng như máy tính chủ thông qua mạng vòng Ethernet cáp quang. Chức năng chi tiết của tủ phòng nổ gồm: Giám sát hiển thị các thông số: U, I, Cosɸ, P,… của trạm biến áp; Giám sát hiển thị nhiệt độ trạm biến áp; Giám sát độ rung trạm biến áp; Nhận lệnh điều khiển đóng/cắt từ xa để điều khiển trạm biến áp; Điều khiển đóng/cắt trạm biến áp tại chỗ; Kết nối với tủ VIELINA-SCS1.2 và máy tính chủ qua mạng Ethernet cáp quang. Trên cơ sở các chức năng đó, nhóm tác giả thiết kế sơ đồ khối của tủ VIELINA-GSĐK.PN như được trình bày trên Hình 5.

Hình 5: Sơ đồ khối tủ phòng nổ VIELINA-GSĐK.PN

Thiết bị đặt dưới hầm lò, nên vỏ tủ giám sát điều khiển VIELINA-GSĐK.PN được thiết kế cần đảm bảo tiêu chuẩn phòng nổ TCVN-7079 [9], Hình 6.

Hình 6: Vỏ tủ phòng nổ VIELINA- GSĐK.PN

2.4. Thiết kế xây dựng phần mềm

Có nhiều lựa chọn phần mềm nền tảng để xây dựng phần mềm Scada cho máy tính giám sát trên mặt bằng của hệ thống, như: Movicon.Netx 4.0, ATSCADA, WinCC Professional,… Những phần mềm này đều có những chức năng cần thiết cho phát triển sản phẩm. Tuy nhiên, WinCC Professional được tích hợp sẵn trong Tia Portal, nên thuận lợi trong quá trình xây dựng dự án gồm cả phần mềm PLC và phần mềm giao diện người dùng trên máy tính (WinScada), do đó được lựa chọn để phát triển. Dựa trên Tia Portal V17, phần mềm hệ thống WinScada được xây dựng bởi nhóm tác giả có các module chức năng chính: Module phần mềm kết nối, hiển thị số liệu và cảnh báo, điều khiển từ xa các TBAPN, giao diện phần mềm được trình bày trên Hình 7; Module phần mềm cài đặt ngưỡng, giao diện phần mềm được trình bày trên Hình 8; Module phần mềm lưu trữ số liệu đo, giao diện phần mềm được trình bày trên Hình 9.

Hình 7: Phần mềm WinScada - Giao diện phần mềm hiển thị, cảnh báo, điều khiển từ xa

Hình 8: Phần mềm WinScada - Giao diện cài đặt ngưỡng

Hình 9: Phần mềm WinScada - Giao diện xem số liệu cũ

Bên cạnh phần mềm WinScada trên máy tính, nhóm tác giả còn xây dựng phát triển phần mềm WebScada với những giao diện trực quan hóa dữ liệu, giúp người sử dụng dễ dàng giám sát các TBAPN từ các thiết bị di động. Các giao diện chính của phần mềm WebScada được trình bày trên Hình 10, Hình 11, Hình 12.

Hình 10: Phần mềm WebScada - Giao diện chính

Hình 11: Phần mềm WebScada - Giao diện thông số chi tiết từng trạm biến áp

Hình 2: Sử dụng phần mềm WebScada trên điện thoại di động

3. Kết luận

Kết quả của quá trình nghiên cứu là một giải pháp thiết kế xây dựng hệ thống giám sát điều khiển tập trung trạm biến áp phòng nổ dùng trong hầm lò với kiến trúc hệ thống tổng quát, nên áp dụng được cho các đơn vị khai thác than trong nước mà không cần thiết kế lại về cấu trúc. Được thiết kế xây dựng trên cơ sở kết hợp giữa: khảo sát thực tế, tổng hợp những yêu cầu của các đơn vị sử dụng sản phẩm, tham khảo công nghệ hệ thống tương tự của nước ngoài, áp dụng công nghệ phần cứng hiện đại hoạt động bền bỉ trong công nghiệp mỏ, phần mềm được xây dựng với khả năng thu thập thời gian thực, trực quan hóa dữ liệu và phân tích đa thông số nên hệ thống giúp người vận hành dễ dàng giám sát các thông số của TBAPN, điều khiển đóng/cắt các TBAPN từ xa. Hệ thống đưa vào thực tế ứng dụng sẽ giúp các đơn vị khai thác than nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện hầm lò, nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý, điều hành và sản xuất của mỏ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Công ty Than Khe Chàm (2020). Quy định lắp đặt, vận hành, kiểm tra và sửa chữa các trạm biến áp 6/0,69(0,4) kV trong và ngoài lò. Quảng Ninh.
2. Công ty Than Hòn Gai (2020). Quy định lắp đặt, vận hành, kiểm tra và sửa chữa các trạm biến áp 6/0,69(0,4) kV trong và ngoài lò. Quảng Ninh.
3. Công ty Than Nam Mẫu (2020). Quy định lắp đặt, vận hành, kiểm tra và sửa chữa các trạm biến áp 6/0,69(0,4) kV trong và ngoài lò. Quảng Ninh.
4. Huainan Wantai Electric Co., Ltd, Technical solutions (2019). Coal Mine Underground Substation Power monitoring system. [Online] Availabile at https://www.wantaiglobal.com/coal-mine-underground-substation-power-monitoring-system_n5
5. Gao Dan, Li Weiwei, Dai Kun (2016). Design of Coal Mine Intelligent Monitoring System based on ZigBee Wireless Sensor Network. [Online] Availabile at https://doi.org/10.2991/icmmse-16.2016.31.
6. Lei Shi, Guo Jin, Jun Xu (2016). Design of Coal Mine Power Supply Monitoring System. [Online] Availabile at https://doi.org/10.2991/icence-16.2016.25.
7. Long Ma, Qing Chen (2021). Design and Application of Intelligent Monitoring and Identification System in Coal Mine. IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 651(3), 032107.
8. Neumann, Peter & Pöschmann, Axel. (2005). Ethernet-based real-time communications with PROFINET IO. [Online] Availabile at https://www.researchgate.net/publication/241909069
9. Bộ Công Thương (2019). QCVN 03:2019/BCT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn trạm biến áp phòng nổ sử dụng trong mỏ hầm lò.

DESIGNING THE CENTRALIZED MONITORING

AND CONTROL SYSTEM

FOR MINING EXPLOSION-PROOF SUBSTATIONS 

• NGUYEN THE TRUYEN¹

• NGUYEN THE VINH¹

• NGUYEN XUAN DONG¹

• NGUYEN LE THUY DUONG¹

• NGUYEN PHAN QUYEN¹

¹Vietnam Research Institute of Electronics, Informatics and Automation

ABSTRACT:

This paper presents a solution to design a centralized monitoring and control system for mining explosion-proof substations. One of this solution’s advantages is that the system’s general structural design enables it to be integrated with other automation systems in mines. The system’s hardware is designed based on PLC technology and it is reliable and usable in the mining industry environment. The system’s software has data visualization interfaces with analyzed parameters. This system can help coal mining companies effectively monitor, operate and manage mining explosion-proof substations.

Keywords: monitoring and controlling, data visualization, Ethernet.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 1, tháng 1 năm 2023]