Thiết bị đo mực nước tự động BHH-H01 tạo đột phá trong quan trắc thủy lợi

Hàng ngày, số liệu quan trắc mực nước trong hệ thống thủy lợi rất quan trọng, là căn cứ để ra quyết định vận hành công trình phục vụ sản xuất nông nghiệp, dân sinh, nuôi trồng thủy sản và đặc biệt là giám sát mực nước hồ đập, sông trong mùa mưa lũ phục vụ phòng chống thiên tai.

Việc quan trắc mực nước bằng thủ công truyền thống, người công nhân đến giờ đo, ra vị trí đã đặt hệ thống mốc thủy trí, dùng thước đo độ ngập thủy trí đạng cột rồi tính ra mực nước, hoặc đọc trực tiếp từ thủy trí dạng thước, cách này tốn nhiều thời gian công sức với vị trí đo đạc xa nơi quản lý và không kịp thời liên tục được, gặp nhiều  khó khăn trong điều kiện làm việc vào buổi tối, ngày trời mưa, gió rét, nơi ở nơi xa trung tâm là rất vất vả cho người công nhân, dễ xảy ra sai số do chủ quan của người thực hiện, một thực tế cho thấy khi xảy ra mưa to, lũ lớn là lúc cần biết mực nước nhất thì công đo đạc bằng thủ công không thể đáp ứng liên tục được. Đối với thủy trí dạng cột phải lội xuống ven sông đo trực tiếp,rất nguy hiểm trong điều kiện thời tiết mưa bão, lũ lụt.

Do vậy, việc sử dụng các thiết bị đo tự động để theo dõi giám sát mực nước liên tục là rất cần thiết, trong những năm qua Nhà nước đã đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để lắp đặt các hệ thống thu thập số liệu tự động (SCADA) cho các hệ thống thủy lợi trong toàn quốc, đáp ứng yêu cầu của thực tiễn cũng như từng bước hiện đại thóa thủy lợi, áp dụng SCADA nâng cao hiệu quả phục vụ sản xuất như các nước tiên tiến trên thế giới.

Căn cứ vào báo cáo tại hội thảo của CPO về SCADA trong các hệ thống thủy lợi ngày 08/10/2011, và báo cáo khảo sát hiện trạng các hệ thống  SCADA tại một số hệ thống thủy lợi ở Việt Nam do tư vấn quốc tế dự án ADB5 thực hiện tháng 11/2014, thì các thiết bị đo mực nước tự động đã lắp đặt theo các dự án  hầu như không phát huy hiệu quả.  Sau một thời gian đưa vào khai thác sử dụng các hệ thống SCADA đã bộc lộ nhiều hạn chế, trong đó nguyên nhân chính là do các đầu đo mực nước tự động không phù hợp cụ thể :

- Các thiết bị sử dụng 2 loại cảm biến (sensor) áp suất hoặc siêu âm còn nhiều bất cập chưa phù hợp với điều kiện thực tế  ở Việt Nam :

+ Với loại dùng sensor áp suất (ngâm trong nước, để đo cột nước): Chất lượng nước ảnh hưởng đến hoạt động đầu đo , đặc biệt là phù sa dẫn đến sai số không kiểm soát được.

+ Với loại dùng sensor siêu âm (đặt trên mặt nước, đo khoảng cách từ thiết bị đến mặt nước): Điều kiện thời tiết, ánh sáng, mưa, lồm, bèo rác… trên mặt nước làm sai lệch kết quả;  

Bên cạnh đó là chất lượng nguồn điện, sấm sét ở Việt Nam nhiều cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị đo.

- Giá thành các thiết bị loại này rất đắt, bình quân trên 50-70 triệu đồng cho 1 điểm đo;

- Đầu tư cho hệ thống phần mềm với đầy đủ chức năng của một hệ thống SCADA, chi phí lớn, trong khi chỉ sử dụng một số ít chức năng cho hệ thống thủy lợi; hơn nữa là việc cải tiến phần mềm có sẵn để đạt các yêu cầu riêng là rất khó khăn hoặc phải thuê chuyên gia rất tốn kém.

- Các thiết bị SCADA đã lắp đặt thường được các đươn vị thương mại nhập khẩu và tích hợp với các thiết bị xử lý, truyền dẫn, thể hiện (RTU) ..., chính vì vậy chúng ta không chủ động về công nghệ phụ thuộc hoàn toàn vào đơn vị cung cấp từ nước ngoài, điều này gây khó khăn cho việc duy trì, phát triển hệ thống:

+ Rất khó khăn khi cần thay thế thiết bị hư hỏng, phục thuộc vào đơn vị cung cấp

+ Thiết bị nhập khẩu đặc chủng không có sẵn trên thị trường thời gian thay thế rất lâu, do phải chờ mua từ nước ngoài về.

+ Duy tu bảo dưỡng phức tạp và kinh phí duy tu bảo dưỡng rất lớn là trở ngại cho việc duy trì hệ thống đối với các đơn vị được giao quản lý.

Ngay tại hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải, năm 2000 đã được đầu tư lắp đặt hệ thống SCADA sử dụng thiết bị đo sensor áp suất  đắt tiền, sau thời gian ngắn chỉ 3 tháng các thiết bị đo đã có sai số lớn, qua nhiều lần sửa chữa khắc phục phức tạp vẫn không hoạt động được và chuyển thành dự án thí điểm, không phát huy được hiệu quả mong muốn.

Gần đây nhất là tháng 5/2014, Chính phủ Hàn Quốc tài chợ theo chương trình hợp tác của Bộ Nông nghiệp và PTNT lắp 2 trạm đo mực nước cho hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải tại cống An Thổ - Tứ Kỳ - Hải Dương (dùng sensor áp suất) và công trình đầu mối Xuân Quan –  Châu Giang - Hưng Yên (dùng sensor siêu âm) chi phí khoảng 20.000USD/trạm do chính chuyên gia Hàn Quốc lắp đặt, các thiết bị chỉ hoạt động chính xác trong thời gian 3 tháng, sau đó bị sai số vượt mức cho phép và không sử dụng được, chuyên gia đã hiệu chỉnh song chỉ sau thời gian ngắn lại sai số, hiện các thiết bị vẫn đặt tại hiện trường song không hoạt động được.

Từ thực tiễn nêu trên, công ty Bắc Hưng Hải đã nghiên cứu chế tạo thiết bị đo mực nước tự động, với tiêu chí là bền bỉ ít chịu tác động của môi trường, độ chính xác cao và giá thành rẻ, dễ thi công, phù hợp với các vùng miền ở Việt Nam, lựa chọn công nghệ truyền dẫn tiên tiến để có thể đo ở những nơi ở vùng sâu vùng xa.

 Nguyên lý thiết kế, chế tạo: Sử dụng động cơ điện giảm tốc để thả phao xuống, khi xuống đến mặt nước nhờ vào lực đẩy Acsimet của nước kết hợp với kết cấu cơ khí , công tắc hành trình để ngắt điện dừng động cơ, sử dụng Encoder tự chế đếm số vòng dây được thả ra, từ đó xác định được khoảng cách (h) từ vị trí đặt máy đến mặt nước, căn cứ vào cao độ đặt máy H0 sẽ xác định được cao độ mực nước tại thời điểm đo (H=H0-h). Sử dụng vi điều khiển AVR để vận hành các tiến trình đo, tính toán và truyền thông (truyền số liệu về máy chủ).

Thiết bị được bố trí một cánh tay đòn ngang, một bên treo quả phao nước (nặng khoảng 300g) và bên kia treo vật đối trọng có trọng lượng tương đương quả phao (tức khoảng 300g). Do hai bên lực cân bằng nên cánh tay đòn nằm ngang. Tiếp theo sử dụng động cơ điện giảm tốc 12-24v thả dây để cho phao di chuyển xuống, khi phao chạm vào mặt nước quả phao bị lực acsimet đẩy lên làm cánh tay đòn mất cân bằng lực và có xu thế lệch về bên treo đối trọng. Như vậy khi cánh tay đòn bị mất thăng bằng chính là thời điểm quả phao đến mặt nước (vị trí cần đo). Tính toán khoảng cách phao đi từ lúc di chuyển ban đầu đến khi cánh tay đòn mất thăng bằng sẽ xác định được cao trình mực nước H=H0-h (m;cm).

Điều khiển các tiến trình đo bằng vi điều khiển AVR kết hợp đảo triều dòng điện bằng role điện thế thấp, nên cho kết quả thực hiện chính xác và an toàn, không bị nhiễu bởi các sóng điện từ hoặc nguồn gây nhiễu khác. Ngoài ra, bảng điện tử còn sử dụng công nghệ SIM900A truyền tin bằng sóng GPRS và giao thức TCP/IP nên kết quả ổn định. 

            Ông Đặng Duy Hiển (ngồi) kiểm tra mực nước trước khi lắp đặt vào công trình.

Vật liệu sử dụng để sản xuất máy gồm fomex và mica, đây là các loại vật liệu thông dụng, không bị biến dạng hoặc hư hỏng khi nắng nóng lớn hoặc mưa ẩm và đặc biệt không làm ảnh hưởng đến môi trường (nước, không khí, máy hoạt động không gây tiếng ồn). Kết cấu máy đơn giản, dễ dàng lắp đặt, không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp nên phạm vi giải quyết việc làm lớn.

Có thể áp dụng để đo được trong mọi nguồn nước (nước sạch, nước bùn, nước thải, nước biển...), không bị ảnh hưởng bởi vật cản (bèo, túi bóng, nilong, cây cối...) và áp dụng đo đối với nhiều loại hình công trình (hồ chứa, đập dâng, trạm bơm, cống, giếng khoan, giếng đào, ao chứa nước sinh hoạt...)

* Kết quả đo đạc được thể hiện đa dạng:

+ Thể bằng LED ngay tại nhà trạm phục vụ theo dõi tại chỗ;

+ Qua website đã được lập trình tổng thể, thu thập quản lý thông tin đo đạc theo ID của thiết bị, sử dụng website để cung cấp thông tin cho người dùng các thông tin đo đạc theo yêu cầu và  như vậy ở nơi nào có kế nối internet và bất kỳ thời điểm nào chỉ cần có điện thoại, máy tính bảng, PC… duyệt được web là ta cũng biết được diễn biến mực nước tại các điểm đo. Quản lý số liệu đo đạc bằng cơ sở dữ liệu SQL tập trung phục vụ bất kỳ yêu cầu nào khai thác về thống kê, truy xuất, cảnh báo…

+ Trường hợp không có internet, sử dụng tin nhắn, nhắn tin theo cú pháp đến số phone của máy, tùy theo cú pháp sẽ nhận được các thông tin tương ứng.

*. Chi phí thấp, phù hợp với các đơn vị quản lý khai thác công trình thủy lợi trên phạm vi cả nước.

Máy đo có chi phí sản xuất thấp, vật liệu sản xuất có tính năng chịu nhiệt độ, độ ẩm và không bị tác động khi thời tiết, thiên nhiên biến động. Phù hợp với điều kiện khí hậu của Việt Nam;

+ Giá thành sản xuất một sản phẩm 1.800.000 đồng (vật liệu, cấu kiện: 800.000đ; điện tử điều khiển đo: 300.000đ; truyền tin máy chủ     : 300.000đ; máy và nhân công lắp ráp: 400.000đ)

+ Chi phí cước viễn thông 3G truyền dữ liệu về máy chủ chỉ 30.000 đồng cho một tháng, được đánh giá là tối ưu giảm bớt chi phí vận hành.

  Hiện tại máy đo mực nước đã được lắp đặt và đưa vào sử dụng tại các công trình:

+  40 điểm trên các kênh trục chính hệ thống thủy lợi Bắc Hưng Hải;

+ 4 điểm đơn vị chuyên ngành thủy văn gồm: 03 điểm cho Đài khí tượng thủy văn (KTTV) Hải Dương, và 01 cho đài KTTV Trung Ương tại cầu Long Biên trên sông Hồng;

+ 02 điểm cho Hồ Thủy Lợi Cấm Sơn – Bắc Giang

+ 11 điểm trên sông Hồng phục vụ xả nước các hồ thượng lưu đổ ải chiêm xuân 2017 …

Hiện có nhiều  đơn vị KTCTTL trên toàn quốc như Liễn Sơn (Vĩnh Phúc), Sông Đáy, Phù Sa (Hà Nội),  Tiền Giang, Bình Định, Long An, Huế… đã làm việc với công ty Bắc Hưng Hải để lắp đặt.

Theo số liệu điều tra, toàn quốc có khoảng 20.000 công trình thủy lợi cần đầu tư hệ thống giám sát mực nước để phục vụ công tác chỉ đạo, điều hành. Nếu đầu tư lắp đặt mỗi công trình tiết kiệm 60 triệu đồng (so với thiết bị nhập ngoại), thì có thể tiết kiệm được hàng ngàn tỷ đồng cho ngân sách quốc gia.

Phục vụ phát triển kinh tế xã hội phòng chống thiên tai: Khi lắp đặt trên diện rộng, các dữ liệu được lưu trữ đồng bộ, làm tài liệu chung cho việc khai thác hàng ngày vận hành phục vụ sản xuất của các công trình thủy lợi, thống kê đánh giá điều chỉnh qui hoạch vùng và đặc biệt làm số liệu đầu vào cho các mô hình tính toán thủy lực, thủy văn tính toán dự báo lũ, phòng chống thiên tai sẽ rất kịp thời và hiệu quả.

Đặng Duy Hiển