Chỉ dẫn quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 14- Tự động hóa công tác quan trắc]

Bài 14   - Tự động hóa công tác quan trắc

Sự phát triển của công nghệ thông tin thay đổi rất nhanh chóng, điều này tạo điều kiện cho việc tự động hóa các dây chuyền sản xuất trong nhiều lĩnh vực trong đó có lĩnh vực quan trắc. Cho đến nay có nhiều lựa chọn và cách tiếp cận trong việc tự động hóa công tác quan trắc.

Mức độ tự động hóa đơn giản nhất là sử dụng bộ ghi dữ liệu (Data loggers) để đọc và lưu trữ dữ liệu cho một hoặc nhiều thiết bị trong một khu vực. Bộ ghi dữ liệu có một khả năng lưu trữ hữu hạn và dữ liệu quan trắc cần được giải phóng theo định kỳ. Dữ liệu được truy xuất theo cách thủ công định kỳ chuyển dữ liệu ở thiết bị ghi dữ liệu vào máy tính hay các ổ ghi di động. Giải pháp này là đơn giản nhất, rẻ tiền và không yêu cầu nguồn năng lượng lớn, hệ thống này là khá nhỏ gọn. Lựa chọn này này là thích hợp khi muốn đọc thường xuyên một hoặc nhiều thiết bị và không cần đánh giá dữ liệu theo thời gian thực. Hình 14-1 mô tả một thiết bị lưu trữ số liệu CR-1000, để mở rộng cho việc kết nối nhiều thiết bị ngường ta sẽ bổ sung thêm các bộ phần mở rộng kênh kết nối (Multiplexer). Từng nhóm thiết bị quan trắc được kết nối với bộ mở rộng kênh, các bộ mở rộng kênh được kết nối vào CR-1000 và cuối cùng vào PC.

Hình 14‑1 Mô tả tự động hoá công tác quan trắc bằng cách sử dụng bộ ghi dữ liệu CR-100

Mức độ cao hơn tiếp theo của công tác tự động hóa, là dữ liệu được đọc tự động tại một hoặc nhiều vị trí tại một khu đập, và sau đó được truyền đến một vị trí trung tâm thuận tiện tại khu vực công trình (khu vực của Ban quản lý công trình). Máy tính trung tâm thường là vị trí lưu trữ dữ liệu chính. Dữ liệu quan trắc của các khu vực được truyền đến máy tính trung tâm có thể bằng sóng vô tuyến hoặc bằng dây dẫn, hoặc bằng sự kết hợp của hai cách tiếp cận nêu trên. Lượng “trí tuệ” cư trú trong các đơn vị độc lập có thể khác nhau rất nhiều, từ các đơn vị “ít phức tạp hơn” chỉ đáp ứng “lệnh” từ máy tính trung tâm, đến các đơn vị “thông minh hơn” có quyết định độc lập khi nào các thực hiện công việc ghi đo số liệu và truyền dữ liệu về trung tâm, có lẽ tùy thuộc vào đặc điểm quy trình thực hiện công việc trong dây chuyền đã quy định. Tất nhiên, có sự cân bằng giữa các thiết bị kém tinh vi hơn có xu hướng nhỏ gọn hơn, ít tốn kém hơn và ít có nguy cơ trục trặc hơn và các thiết bị thông minh phức tạp hơn có khả năng sai sót cao hơn. Khi toàn bộ dữ liệu được nhập vào máy tính trung tâm (và các thiết bị từ xa), ở đây cho phép đánh giá dữ liệu theo thời gian thực.

Nhân viên tại máy tính trung tâm có thể nhìn thấy những giá trị bất thường so với giá trị giới hạn của các thông số quan trắc và thông tin trạng thái hệ thống, và từ máy tính trung tâm cũng có thể gửi thông báo về những thông tin đó bằng tin nhắn văn bản, email, đăng trang web, cuộc gọi điện thoại tự động, v.v.

Mức độ phức tạp cao nhất của tự động hóa đó là không chỉ thu thập và xử lý  dữ liệu ở vị trí trung tâm mà còn cung cấp dữ liệu cho bộ phận có liên quan ở các địa điểm xa hơn. Thông qua điện thoại di động một số người có trách nhiệm ở khoảng cách xa có thể liên hệ với máy tính trung tâm và tải dữ liệu xuống, hay can thiệp thay đổi tần số đọc, yêu cầu thực hiện các phép đọc tại thời điểm đó (nếu có thể, dựa trên cấu hình hệ thống), v.v. Giao tiếp qua điện thoại, mặc dù thuận tiện, nhưng có thể khá tốn kém; cũng có thể không thể liên lạc trong các tình huống khẩn cấp, chẳng hạn như trong trận lũ lụt hoặc sau động đất, khi các kết quả quan trắc cập nhật có thể được quan tâm nhất; và thường yêu cầu người dùng từ xa cần có sự liên lạc định kỳ (tức là không tự động). Một giải pháp thay thế thông tin liên lạc phổ biến khác là sử dụng vệ tinh. Giao tiếp như vậy là giao tiếp một chiều (từ trang web đến người dùng từ xa); do đó, người từ xa chỉ được cung cấp thông tin mà không thể can thiệp được vào hệ thống. Tuy nhiên, việc truyền dữ liệu định kỳ tới các hệ thống máy tính từ xa có thể được thực hiện mà không cần sự tham gia của người vận hành, không tốn kém và đáng tin cậy. Dữ liệu sau đó có thể được đưa lên các trang Web để truy cập rộng rãi, nếu điều này được cho phép. Cũng nên có cả hai phương tiện: liên lạc vệ tinh và điện thoại di động vì điều này cung cấp khả năng liên lạc dự phòng trong trường hợp có sự cố xảy ra. Phương thức này đã sử dụng tại hai công trình Thủy điện Sơn La và Lai Châu. Các thiết bị quan trắc được kết nối vào hệ thống thu thập số liệu quan trắc tự động (ADAS) với tần suất 1 giờ/lần. Toàn bộ các số liệu quan trắc của 02 công trình được theo dõi, quản lý trên phần mềm Vista Data Vision Version 2016 (VDV 2016) với các chức năng chính như hiển thị dữ liệu theo thời gian thực, tự động gửi cảnh báo (cảnh báo về hiện tượng mất tín hiệu cảm biến, vượt giới hạn …) và báo cáo tự động định kỳ đến nhân viên quản lý vận hành.

Các giới hạn của các thông số quan trắc có thể được nhập vào hệ thống, cho phép đánh giá dữ liệu theo thời gian thực đề xuất những cảnh báo, thông tin trạng thái hệ thống, v.v., có thể được truyền bằng tin nhắn văn bản, email, đăng trang web, cuộc gọi điện thoại tự động, v.v.

Việc thiết kế một hệ thống tự động hóa cần phải phù hợp với hoàn cảnh của tình huống. Các hệ thống phức tạp hơn vốn dĩ không phải là “tốt hơn”. Chúng có những khả năng lớn hơn, nhưng với cái giá là chi phí ban đầu lớn hơn, chi phí duy trì và bảo trì cũng lớn hơn, và thường thì độ tin cậy kém hơn. Nói chung, nên cố gắng tìm được một hệ thống đơn giản nhất có thể mà vẫn thực hiện được các yêu cầu công việc một cách hiệu quả. Một số vấn đề về thiết kế hệ thống tự động hóa công tác quan trắc khác được thảo luận dưới đây.

14.1     Nguồn điện cho thiết bị từ xa

Khi việc kết nối với lưới điện là không khả thi, nguồn điện thay thế là pin (ắc quy) cho thiết bị từ xa. Việc sạc lại pin có thể được thực hiện bằng cách đổi pin đã cạn nguồn sang pin đã sạc lại (bằng cách có một hoặc nhiều pin dự phòng tại khu vực bố trí thiết bị). Các tấm pin mặt trời có thể được sử dụng để sạc lại pin (bằng cách "sạc nhỏ giọt"), mặc dù có thể hệ thông pin mặt trời có thể bị phá hoại do con người hay bão, v.v., đôi khi có thể xảy. Thiết kế của hệ thống và thiết bị tự động hóa nên tìm cách giảm yêu cầu sử dụng nguồn điện xuống mức rất thấp nhất, giảm thiểu những khó khăn gặp phải cho các thiết bị ở vị trí xa xôi và hẻo lánh.

14.2     Phá hoại

Chủ đề về sự phá hoại do tác nhân khách quan vào là một vấn đề rất quan trọng cần được xem xét đối với dây chuyền tự động hóa công tác quan trắc. Tính kinh tế và lợi ích của tự động hóa nhanh chóng biến mất nếu hệ thống phải thường xuyên phải thay thế hay sửa chữa do phá hoại (hoặc các nguyên nhân khác). Việc đánh giá các mối đe dọa đối với thiết bị tự động hóa cần được dự tính và thực hiện  sớm trong quá trình thiết kế và tìm ra các giải pháp thích hợp. Nếu không có sẵn các giải pháp, quyết định tự động hóa có thể cần được xem xét lại. Vỏ bảo vệ và khóa bảo vệ cho các thiết bị tự động hóa đắt tiền cần phải đủ khả năng đề phòng được các mối đe dọa. Thiết bị tự động hóa có thể được đặt trong các hành lang kiểm tra của đập, trong nhà điều hành của công trình, nhà thiết bị, v.v., để hạn chế các tác nhân phá hoại. Các tấm pin mặt trời luôn phải phơi bên ngoài hầu như luôn có nguy cơ bị phá hoại bởi những kẻ phá hoại, vì vậy những nỗ lực che giấu hoặc cung cấp biện pháp bảo vệ cho các tấm pin mặt trời thường là rất đáng giá.

14.3     Chống sét

Đây là một vấn đề rất quan trọng đối với hệ thống thiết bị cho tự động hóa công tác quan trắc. Sét là một mối đe dọa thực sự đối với các thiết bị tự động hóa đắt tiền. Do đó, nếu là khả thi, thiết bị tự động hóa nên được che chắn khỏi các tia sét trực tiếp. Trong trường hợp không thể thực hiện được, thì biện pháp nối đất là hiệu quả nên sử dụng, nó có thể làm giảm khả năng hư hỏng thiết bị. Các đoạn cáp điện kết nối được chôn ở độ sâu nông thường là một phần của các nỗ lực tự động hóa thiết bị đo đạc, giải pháp này có nguy cơ gặp rủi ro do dòng điện tăng cao ở hai đầu kết nối trong quá trình vận hành. Các bộ chống sét và bảo vệ ở các đầu của các đường dây như vậy là rất quan trọng, cùng với các biện pháp được thực hiện trong việc đặt cáp như vậy trong các rãnh để giảm thiểu hiện tượng tăng của dòng điện có thể phát triển. Việc thay thế các đường cáp kết nối bằng liên lạc vô tuyến, ở mức độ khả thi, có thể làm giảm rủi ro do sét gây ra đối với hệ thống tự động hóa.

14.4     Các giao thức thông báo

Cần phải có quy định rõ ràng về đối tượng được cung cấp dữ liệu quan trắc, nhưng bất thường, trạng thái hệ thống quan trắc, v.v., cách họ sẽ được thông báo và thông báo đó xảy ra trong trường hợp nào. Các thông báo thường xuyên, tương đối không quan trọng có nguy cơ “làm tê liệt” những người nhận được thông tin và có thể dẫn đến tình huống các thông báo quan trọng sẽ không được chú ý hoặc được xác định là được chú ý giữa tất cả “ồn ào”.

Hầu hết các loại thiết bị quan trắc có thể được tự động hóa khá dễ dàng do chúng được hoạt động theo các nguyên lý điện trở hay dây rung (như piezometer, tấm đo áp lực, cảm biến đo độ lún, cảm biến đo biến dạng, cảm biến đo độ mở khe, giãn kế, v.v. Thiết bị hoạt động theo nguyên lý khí nén có thể được tự động hóa, mặc dù điều này là khá phức tạp vì thiết bị phải mô phỏng các bước thao tác khi thực hiện các phép đọc thủ công. Một số loại công cụ hoạt động theo nguyên lý cơ học phải đo thủ công khác có thể được tự động hóa, bao gồm những loại được liệt kê dưới đây:

·      Bổ sung thiết bị đo áp lực nước kiểu kín (piezometer) trong các giếng đo áp lực nước kiểu hở, cho phép áp dụng công nghệ đo tự động cho các thiết bị này. 

·      Thiết bị đo áp lực nước kiểu kín (piezometer) có thể được tích hợp vào các dòng chảy của hệ thống đo áp thủy lực.

·      Thiết bị đo áp lực nước kiểu kín (piezometer) có thể được sử dụng trong các tràn đo lưu lượng nước hay máng đo lưu lượng để đo mực nước, thay thế cho công tác đo thủ công.

·      Có thể sử dụng loại thiết bị đo chuyển vị theo các nguyên lý điện trở hay dây rung để thay thế cho các phép đo sự thay đổi khoảng cách của các khe hay vết nứt bê tông bằng thước đo hay thước cặp. 

·      Thiết bị đo độ dịch chuyển ngang theo độ sâu tại chỗ (in-place inclinometer) có thể cho phép tự động hóa với việc lắp đặt các đầu đo độ nghiêng trong ống dẫn hiện có.

Đối với các vấn đề liên quan đến động đất, hệ thống tự động hóa có thể điều chỉnh các ngưỡng dao động được phát  hiện liên quan đến động đất, sau đó thiết lập các giao thức thu thập dữ liệu đặc biệt để thu thập đối xử của đập sau động đất, có thể liên quan đến các kết quả đọc rất thường xuyên trong vài phút, vài giờ hoặc vài ngày. Các giao thức truyền dữ liệu đặc biệt cũng có thể được thiết kế cho ngưỡng động đất thích hợp.

Những ưu điểm liên quan đến việc tự động hóa các thiết bị bao gồm:

·      Có thể cung cấp dữ liệu theo thời gian thực cho nhiều người dùng cuối, kể cả thông qua trang Web (giả sử có thể đáp ứng các yêu cầu bảo mật máy tính của Chính phủ).

·      Đánh giá dữ liệu thời gian thực có thể được thực hiện tự động, với các thông báo tùy chỉnh cho dữ liệu thiết bị đo đạc bất thường.

·      Chất lượng dữ liệu có thể được cải thiện do các phương pháp đọc nhất quán và loại bỏ các lỗi của con người.

·      Dữ liệu có thể được thu thập với tần suất cao hơn nhiều so với phương pháp đọc thủ công. Trong một số trường hợp, bất kể chi phí là bao nhiêu, việc tự động hóa các công cụ có thể là cách duy nhất để giám sát tình huống một cách đầy đủ và an toàn.

·      Có thể giảm chi phí. Chi phí lắp đặt ban đầu của hệ thống tự động hóa, cộng với chi phí bảo trì và sửa chữa hệ thống, có thể được bù đắp bởi chi phí lao động đã được thay thế bằng tự động hóa việc công việc.

Một số nhược điểm liên quan đến công việc tự động hóa:

·      Điều đầu tiên chắc chắn là chi phí đầu tư phải tăng lên. Tiếp theo là các vấn đề chất lượng của thiết kế hệ thống không tốt dẫn đến hệ thống tự động hóa không đạt yêu cầu, các vấn đề bảo vệ chống  phá hoại và sét và những công việc hỗ trợ và bảo trì đắt tiền, v.v. có thể dẫn đến chi phí cho tự động hóa vượt xa mức cần thiết mà mục đích cuối cùng cũng chỉ đơn giản là có được các chỉ số cần thiết có thể thực hiện theo cách thủ công. Trong hầu hết các trường hợp, sẽ không khôn ngoan khi chỉ dựa vào chỉ số kinh tế để chọn cấu hình tự động hóa đơn giản vì cho rằng tiền sẽ được tiết kiệm, và kinh nghiệm thường cho thấy điều này không là như vậy.

·      Tự động hóa có thể làm giảm sự nhân lực cho công tác quan trắc, điều này có nghĩa là các tình huống bất lợi khác mà chỉ có thể được phát hiện bằng cách kiểm tra bằng mắt thường, ít có khả năng được phát hiện kịp thời.

·      Khi các hệ thống tự động hóa gặp sự cố, thường không có đủ nhân lực để có được tất cả các kết quả đọc theo cách thủ công trong thời gian tạm thời. Ngoài ra, các tệp dữ liệu có thể bị ô nhiễm bởi các dữ liệu xấu với số lượng đáng kể cho đến khi sự cố của hệ thống tự động được khắc phục.

·      Các nhà sản xuất hệ thống tự động hóa có thể ngừng kinh doanh hoặc ngừng sản xuất một số sản phẩm và phụ kiến thay thế nhất định, khiến việc sửa chữa và hỗ trợ hệ thống trong tương lai trở thành vấn đề.

·      Trong một số trường hợp, sự hiện diện của hệ thống tự động hóa thiết bị đo đạc tại một khu vực đập, và tất cả các hoạt động bảo trì và các hoạt động khác cần thiết để giữ cho nó hoạt động hoàn toàn, có thể chuyển hướng sự chú ý của nhân viên vận hành đập khỏi nhiệm vụ trọng tâm là chăm sóc sức khỏe của đập mà chỉ tập trung vào  nhiệm vụ chăm sóc hệ thống tự động hóa.

Tóm lại, một số điều cần tìm trong chương trình tự động hóa thiết bị là như sau:

·      Đánh giá thực tế về chi phí và lợi ích của việc đầu tư hệ thống tự động hóa.

·      Khả năng đọc thủ công (sao lưu) cho tất cả các thiết bị tự động, độc lập với hệ thống tự động hóa, trong trường hợp có sự cố xảy ra với hệ thống tự động hóa và cung cấp phương tiện để kiểm tra dữ liệu tự động bất thường.

·      Càn có mọi phương án chi tiết nhằm giải quyết các mối đe dọa đối với hệ thống cho tất cả các khả năng có thể xả ra. Sét và phá hoại thường là mối quan tâm lớn nhất, nhưng tất cả các mối đe dọa tiềm ẩn đối với hệ thống phải được xử lý thỏa đáng.

·      Cần có phương án dự phòng trong các liên kết thông tin liên lạc, sử dụng cả điện thoại và vệ tinh, liên kết với nơi mong muốn đánh giá dữ liệu từ xa theo thời gian thực.

·      Một hệ thống phù hợp với nhu cầu lấy và xử lý dữ liệu càng đơn giản càng tốt.

·      Phạm vi cho dự án tự động hóa càng hạn chế càng tốt. Các công cụ không nên được tự động hóa chỉ vì chúng có thể dễ dàng bị ràng buộc vào hệ thống. Chẳng bao lâu, một dự án nhỏ, đơn giản có thể trở thành một dự án lớn, quá phức tạp.

·      Phải có đánh giá kỹ năng lực kỹ thuật của các nhà cung cấp thiết bị hệ thống tự động hóa.

·      Xem xét cẩn thận các nhu cầu hỗ trợ và bảo trì trong tương lai của hệ thống tự động hóa

Các hệ thống tự động hóa thiết bị quan trắc có khả năng mang lại những lợi ích to lớn cho các nỗ lực giám sát an toàn đập. Tuy nhiên, những lợi ích mong đợi của hệ thống thường không được thực hiện đầy đủ, và chi phí về thời gian và tiền bạc để vận hành hệ thống thường là lớn hơn dự kiến. Kế hoạch này phải được xem xét trước khi đưa ra quyết định có nên bắt tay vào sử dụng hệ thống tự động hóa thiết bị quan trắc hay không. Việc đưa ra quyết định tự động hóa các thiết bị mà không có sự cân nhắc và phân tích cẩn thận, chỉ để tạo ra diện mạo của một hoạt động “hiện đại”, sẽ rất là đáng tiếc.

Một phương án tự động hóa điển hình cho thiết bị quan trắc của Dự án cải tạo và nâng cấp đập của Ấn Độ (DRIP) được mô tả trong Hình 14-3 đến Hình 14-5.

Hình 14‑3 Cấu hình điển hình hệ thống thu thập dữ liệu giám sát đập từ xa

Hình 14‑4 Hệ thống giám sát và đo đạc chung được đề xuất cho các đập DRIP

1- Dữ liệu động đất; 2- Dữ liệu địa kỹ thuật; 3- Dữ liệu thủy văn; 4- Dữ liệu trắc đạc

Hình 14‑5 Hệ thống giám sát và thiết bị tích hợp cho hệ thống cảnh báo tự động đập

Nguyễn Quốc Dũng biên soạn

Còn tiếp: Bài cuối [15/15]- Tổng kết