Luận văn thiết kế hệ thống BMS giám sát phòng chống nổ bụi tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Giải pháp thiết kế hệ thống BMS giám sát phòng chống nổ bụi công nghiệp. Phân tích chi tiết quy trình kiểm soát an toàn và tối ưu vận hành nhà máy.

• Tác giả: Đỗ Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trọng Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện và Điện tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống BMS giám sát hệ thống phòng ngừa cháy nổ bụi
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế hệ thống BMS giám sát chống nổ bụi tại HCMUTE

Nghiên cứu thiết kế hệ thống BMS giám sát chống nổ bụi tại HCMUTE năm 2025 đặt nền tảng quan trọng cho an toàn công nghiệp hiện đại. Các vụ nổ bụi công nghiệp xảy ra khi có đủ năm yếu tố của ngũ giác cháy nổ gồm nhiên liệu bụi, khí oxy, nguồn nhiệt, sự phân tán hạt và không gian kín. Do đó, việc ứng dụng hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) mang lại giải pháp kiểm soát toàn diện và tập trung. Kiến trúc BMS tiêu chuẩn phân chia thành ba cấp độ độc lập nhưng liên kết chặt chẽ gồm cấp quản trị, cấp điều khiển tự động và cấp thiết bị trường. Cấp quản trị cung cấp giao diện hiển thị đồ họa trực quan, ghi nhận dữ liệu lịch sử và thông báo sự cố tức thời. Cấp điều khiển sử dụng bộ điều khiển trực tiếp kỹ thuật số DDC để xử lý các thuật toán điều khiển thông minh. Cấp thiết bị trường thu thập tín hiệu liên tục từ các cảm biến áp suất, cảm biến bụi và công tắc dòng khí. Mô hình đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tích hợp đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn điện tử, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng thực tế tại nhà máy chế biến gỗ, lương thực và hóa chất.

1.1. Cơ chế hình thành cháy nổ bụi trong công nghiệp

Hiện tượng nổ bụi công nghiệp xảy ra khi các hạt bụi mịn lơ lửng tiếp xúc với oxy và mồi lửa trong không gian hạn chế. Quá trình bắt đầu từ vụ nổ sơ cấp tại khu vực chứa bụi kín như silo hoặc ống dẫn. Sóng áp suất ban đầu làm xáo trộn lớp bụi tĩnh xung quanh sàn nhà và bề mặt máy móc. Đám mây bụi thứ cấp hình thành ngay lập tức với nồng độ đậm đặc hơn nhiều lần. Nguồn lửa từ vụ nổ trước sẽ châm ngòi cho đám mây này, gây ra vụ nổ thứ cấp có sức tàn phá dữ dội. Do đó, việc xác định chính xác thời điểm tích tụ bụi đóng vai trò sống còn trong việc ngăn chặn thảm họa cháy nổ.

1.2. Cấu trúc ba cấp độ trong hệ thống quản lý tòa nhà BMS

Cấu trúc hệ thống BMS tiêu chuẩn bao gồm cấp quản lý, cấp điều khiển và cấp hiện trường. Cấp quản lý bao gồm máy chủ trung tâm và giao diện web server. Cấp độ này cho phép kỹ sư giám sát hình ảnh mô phỏng động, quản lý cấu hình và kiểm soát cảnh báo sự cố. Cấp điều khiển sử dụng các bộ DDC chuyên dụng để chạy chương trình logic tuần tự độc lập mà không cần phụ thuộc vào máy chủ. Cấp hiện trường bao gồm hệ thống cảm biến quang học, cảm biến áp suất chênh lệch và các cơ cấu chấp hành như quạt hút bụi hoặc van dập lửa. Dữ liệu giữa các tầng được trao đổi qua mạng truyền thông chuẩn công nghiệp, bảo đảm tốc độ truyền nhanh và tính bảo mật cao.

II. Phân tích rủi ro và hạn chế hệ thống BMS giám sát chống nổ bụi

Các nhà máy sản xuất hiện nay đối mặt với nhiều lỗ hổng an toàn trong việc phòng ngừa cháy nổ hạt bụi. Các phương pháp phòng vệ thụ động truyền thống như đĩa nổ, van xả áp suất hay vách ngăn chống cháy thường có độ trễ lớn và chỉ phát huy tác dụng khi vụ nổ đã hình thành. Khi vụ nổ đầu tiên xảy ra, áp suất tăng vọt phá hủy đường ống trước khi van cơ học kịp phản ứng hoàn toàn. Ngoài ra, việc vận hành rời rạc giữa hệ thống thông gió, quạt hút lọc bụi và hệ thống báo cháy khiến người quản lý thiếu cái nhìn đồng bộ. Dữ liệu nồng độ bụi tại các vị trí khuất thường không được cập nhật liên tục về trung tâm chỉ huy. Nhân viên vận hành khó phát hiện điểm nóng nhiệt độ bất thường hoặc nguy cơ phát sinh tia lửa điện do ma sát cơ khí. Khi sự cố xuất hiện, việc can thiệp thủ công diễn ra rất chậm chạp và tiềm ẩn rủi ro thương vong cao. Sự thiếu hụt một hạ tầng số hóa liên kết thời gian thực làm tăng nguy cơ tai nạn nghiêm trọng trong dây chuyền sản xuất công nghiệp.

2.1. Hạn chế của hệ thống bảo vệ chống nổ bụi thụ động

Hệ thống bảo vệ thụ động bao gồm van cách ly không quay trở lại, cửa xả áp và màng ngăn nổ. Thiết bị này hoạt động cơ học thuần túy dựa trên biến đổi áp suất đột ngột. Điểm hạn chế lớn nhất là không thể dự báo trước mầm mống cháy ngầm hoặc sự tích tụ nồng độ bụi quá mức an toàn. Khi tấm xả áp bung ra, luồng lửa và khói độc vẫn thoát ra không gian ngoài xưởng sản xuất. Nếu vị trí thoát hiểm hoặc khu vực làm việc gần cửa xả, công nhân sẽ gặp nguy hiểm tính mạng. Ngoài ra, việc phục hồi thiết bị sau khi kích hoạt đòi hỏi chi phí thay thế phụ tùng lớn và thời gian ngưng trệ dây chuyền kéo dài.

2.2. Khó khăn khi giám sát tập trung các thông số môi trường

Môi trường nhà xưởng có nhiều loại bụi như bụi gỗ, bụi sơn hoặc bột ngũ cốc. Mỗi loại hạt sở hữu kích thước, nhiệt độ bắt cháy và giới hạn nổ dưới riêng biệt. Việc thiếu hệ thống đo lường tập trung gây trở ngại lớn cho công tác phân tích rủi ro thời gian thực. Các cảm biến hiện trường đơn lẻ thường chỉ gửi tín hiệu về đồng hồ cục bộ mà không kết nối máy chủ chung. Người vận hành không thể phát hiện sự gia tăng nhiệt độ bất thường trong đường ống hút bụi ngầm. Khi luồng gió tắc nghẽn, nồng độ bụi vượt ngưỡng tới hạn nhưng không có tín hiệu báo động. Thiếu hụt hạ tầng dữ liệu tự động làm suy giảm khả năng ứng phó sớm trước thảm họa.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống BMS giám sát chống nổ bụi tại HCMUTE

Đề tài tốt nghiệp năm 2025 tại HCMUTE đã phát triển giải pháp thiết kế hệ thống BMS tích hợp phần cứng và phần mềm chuyên dụng nhằm xử lý triệt để nguy cơ nổ bụi. Trọng tâm của giải pháp là việc cấu hình bộ điều khiển số Eco DDC thông qua cổng giao tiếp mạng công nghiệp ổn định. Các kỹ sư thiết lập cổng vào đa năng Universal Input từ UI01 đến UI12 để thu thập chính xác tín hiệu dòng điện và điện áp thực từ cảm biến đo nồng độ bụi, nhiệt độ và áp suất khí động. Hệ thống phân chia các kênh độc lập theo từng phân xưởng nhằm tránh xung đột tín hiệu và thuận tiện cô lập khi xảy ra sự cố. Ngõ ra Digital Output từ DO01 đến DO12 đảm nhiệm vai trò kích hoạt trực tiếp các thiết bị phụ tải bao gồm quạt hút thông gió, vòi phun hóa chất dập lửa và còi báo động khẩn cấp. Bộ điều khiển DDC hoạt động linh hoạt theo hai chế độ cấu hình Tăng (INCREASE) hoặc Giảm (DECREASE) tùy thuộc vào giá trị đặt Set Point của từng loại bụi. Giao diện máy chủ web scada cung cấp bảng điều khiển trung tâm giúp giám sát mọi biến động kỹ thuật liên tục suốt 24 giờ mỗi ngày.

3.1. Cấu hình phần cứng bộ điều khiển Eco DDC và cảm biến

Phần cứng mô hình sử dụng bộ điều khiển Eco DDC kết nối với mạng lưới cảm biến công nghiệp. Bộ điều khiển hỗ trợ 12 ngõ vào Universal Input tương thích nhiều định dạng tín hiệu như tiếp điểm khô (Dry Contact), điện áp 0-10V và dòng điện 4-20mA. Mỗi cổng vào được hiệu chuẩn chính xác giữa giá trị điện áp cảm biến thu nhận và nồng độ bụi thực tế. Hệ thống phân bổ các cảm biến theo từng kênh riêng biệt tương ứng từng vị trí trong phân xưởng sản xuất. Cấu hình này giúp ngăn ngừa sự giao thoa tín hiệu và bảo đảm độ chuẩn xác cao. Mạch nguồn và các rơ le trung gian được bố trí khoa học trong tủ điện điều khiển trung tâm, bảo đảm khả năng chống nhiễu điện từ tối ưu.

3.2. Thuật toán điều khiển ngõ ra và giao diện giám sát web

Hệ thống phần mềm BMS vận hành với thuật toán điều khiển ngõ ra Digital Output theo hai chế độ chính là Tăng và Giảm. Trong chế độ Tăng, thiết bị dập lửa sẽ bật ngay khi nồng độ hạt bụi hoặc nhiệt độ đo được vượt ngưỡng Set Point cho trước. Ngược lại, chế độ Giảm được áp dụng để duy trì áp suất an toàn trong đường ống hút lọc. Toàn bộ thông số hoạt động được truyền tải lên nền tảng giao diện web server. Giao diện trực quan này hiển thị sơ đồ mặt bằng xưởng, trạng thái động cơ quạt hút và biểu đồ nhiệt độ thời gian thực. Người quản trị có thể thay đổi giá trị ngưỡng kích hoạt từ xa một cách nhanh chóng, bảo đảm an toàn tuyệt đối cho toàn bộ cơ sở.

IV. Hiệu quả và ứng dụng hệ thống BMS giám sát chống nổ bụi năm 2025

Kết quả nghiên cứu đề tài tốt nghiệp tại HCMUTE năm 2025 khẳng định tính khả thi vượt trội của mô hình BMS trong việc phòng chống cháy nổ bụi công nghiệp. Việc thử nghiệm thực tế chứng minh hệ thống phản hồi cực nhanh trước sự biến đổi nồng độ bụi và áp suất trong đường ống dẫn. Ngay khi phát hiện dấu hiệu bất thường, hệ thống tự động ngắt nguồn cấp nguyên liệu, kích hoạt quạt hút thông gió và phun bột chống cháy trong vài phần trăm giây. Thời gian can thiệp tức thì này ngăn chặn hoàn toàn khả năng hình thành vụ nổ thứ cấp nguy hiểm. Ngoài ra, giải pháp còn tiết kiệm đáng kể năng lượng vận hành nhờ khả năng tự động điều chỉnh công suất quạt theo mật độ bụi thực tế. Dữ liệu giám sát được lưu trữ chi tiết giúp các kỹ sư dễ dàng bảo trì phòng ngừa và lập báo cáo an toàn định kỳ. Mô hình có khả năng nhân rộng nhanh chóng cho các nhà máy chế biến dăm gỗ, xay xát lương thực, sản xuất dược phẩm và công nghiệp luyện kim hiện đại.

4.1. Khả năng tự động hóa và phản hồi tức thời của mô hình

Mô hình thử nghiệm chứng minh tốc độ phản ứng vượt bậc của hệ thống BMS khi phát hiện tia lửa hoặc nồng độ bụi tăng đột biến. Thuật toán điều khiển trực tiếp trên bộ DDC giúp loại bỏ độ trễ truyền thông qua mạng internet. Tín hiệu từ cảm biến quang học được phân tích trong thời gian mili giây trước khi kích hoạt van dập lửa tự động. Đồng thời, quạt hút lập tức chuyển sang chế độ công suất tối đa để phân tán đám mây bụi độc hại. Khả năng xử lý tự động này giảm thiểu tối đa sự phụ thuộc vào thao tác thủ công của con người trong các tình huống khẩn cấp, bảo vệ an toàn cho nhà xưởng.

4.2. Tiềm năng triển khai thực tế trong công nghiệp sản xuất

Thiết kế hệ thống BMS giám sát chống nổ bụi có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất hiện nay. Các nhà máy chế biến gỗ, chế biến thức ăn gia súc và sản xuất dược phẩm đều có mật độ bụi mịn rất cao. Kiến trúc module mở của bộ điều khiển DDC cho phép dễ dàng mở rộng thêm nhiều kênh cảm biến mới mà không cần thiết kế lại toàn bộ mạng lưới. Chi phí đầu tư cho hệ thống hoàn toàn tương xứng với lợi ích bảo vệ tài sản doanh nghiệp và tính mạng công nhân. Việc ứng dụng giải pháp công nghệ này đáp ứng nghiêm ngặt các quy chuẩn an toàn phòng cháy chữa cháy mới nhất của Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các phân xưởng và nhà máy thuộc các lĩnh vực công nghiệp chế biến thực phẩm, sản xuất đồ gỗ, khai thác khoáng sản, sản xuất dược phẩm và hóa chất, bụi dễ cháy tích tụ trong không gian kín là một trong những mối nguy cơ gây ra tai nạn thảm khốc. Nổ bụi công nghiệp xảy ra khi các hạt bụi mịn lơ lửng tiếp xúc với nguồn nhiệt, tạo ra sóng xung kích phá hủy cấu trúc nhà xưởng, gây tổn thất nghiêm trọng về thiết bị và đe dọa trực tiếp đến tính mạng con người.

Dữ liệu thống kê sự cố cháy nổ tại Hoa Kỳ, Canada và trên toàn thế giới giai đoạn 2017–2021 cho thấy Hoa Kỳ là quốc gia ghi nhận số lượng sự cố nổ bụi cao nhất, trong khi Canada có tỷ lệ tương đối thấp nhất. Đáng chú ý, các báo cáo thương vong năm 2021 chỉ ra rằng mặc dù các vụ cháy thông thường xảy ra với tần suất cao hơn, nhưng các sự cố nổ bụi lại dẫn đến số ca chấn thương và tử vong nghiêm trọng hơn đáng kể. Nguyên nhân chính bắt nguồn từ việc đa số các nhà máy công nghiệp hiện nay mới chỉ trang bị hệ thống phòng cháy chữa cháy cơ bản và tuân thủ các quy tắc an toàn cháy nổ thông thường mà chưa đầu tư thỏa đáng cho các hệ thống giám sát và triệt tiêu nguy cơ nổ bụi chuyên dụng.

Nhằm kiểm soát rủi ro và tuân thủ các chính sách an toàn lao động nghiêm ngặt như tiêu chuẩn NFPA 652 hay tiêu chuẩn quốc tế IECEx, việc nghiên cứu một giải pháp kỹ thuật tự động hóa giám sát tập trung là cấp thiết. Báo cáo đồ án tốt nghiệp xác định ba mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Phát hiện rủi ro và phát tín hiệu cảnh báo theo thời gian thực (Real-time risk detection and alarm generation): Tích hợp mạng lưới cảm biến vào hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) để nhận diện tức thì các dấu hiệu nguy hiểm ban đầu và thông báo trực quan cho người vận hành.
2. Tự động kích hoạt hệ thống dập tắt (Automatic activation of suppression systems): Tự động phát lệnh vận hành hệ thống phun sương nước áp lực cao, bình chứa chất triệt tiêu nổ hoặc cơ cấu van cách ly ngay khi các thông số vượt ngưỡng an toàn cho phép.
3. Chẩn đoán trạng thái và độ tin cậy của hệ thống (System diagnostics and health monitoring): Duy trì cơ chế tự kiểm tra định kỳ tình trạng kỹ thuật của từng thiết bị chấp hành và cảm biến, kịp thời phát hiện hư hỏng để thông báo cho đội ngũ bảo trì kỹ thuật.

Đồ án đặt ra nhiệm vụ đảm bảo khả năng tương thích và liên kết hoạt động giữa hệ thống giám sát dập nổ bụi với các hệ thống kỹ thuật sẵn có trong tòa nhà (như HVAC, PCCC) thông qua các giao thức truyền thông công nghiệp chuẩn hóa (Modbus, BACnet). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống dập nổ bụi chủ động sử dụng cảm biến phát hiện tia lửa, kết hợp bộ điều khiển kỹ thuật số DDC và khối điều khiển trung tâm BCU được kết nối máy chủ web phục vụ việc giám sát, cảnh báo và điều khiển can thiệp thủ công từ xa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, cơ chế hình thành vụ nổ bụi được mô tả thông qua mô hình Ngũ giác nổ bụi (Dust Explosion Pentagon), bao gồm năm yếu tố bắt buộc:

• Bụi dễ cháy (Combustible dust): Các hạt vật liệu mịn (gỗ, kim loại, ngũ cốc...) có khả năng bắt cháy nhanh khi lơ lửng trong không khí.
• Khí oxy (Oxygen): Có sẵn trong không khí khí quyển duy trì quá trình oxy hóa.
• Nguồn đánh lửa (Ignition source): Tia lửa cơ khí từ ma sát máy móc, bề mặt quá nhiệt, phóng điện tĩnh điện hoặc ngọn lửa hở.
• Sự phân tán (Dispersion): Bụi lắng đọng bị xáo trộn và phân tán thành đám mây bụi lơ lửng, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc phản ứng.
• Không gian kín (Confinement): Đám mây bụi bùng cháy bên trong các không gian hạn chế như đường ống dẫn, silo chứa, thùng lắng bụi, khiến áp suất tích tụ nhanh chóng biến đám cháy thành vụ nổ áp lực cực lớn.

Khi loại bỏ được tối thiểu một trong năm yếu tố trên, quá trình nổ bụi sẽ bị triệt tiêu. Về phân loại kỹ thuật an toàn, hệ thống phòng chống nổ bụi được chia làm hai nhánh:

• Hệ thống phòng ngừa bị động (Passive Dust Explosion Protection Systems): Gồm tấm xả áp (explosion release plate), cơ cấu xả áp không ngọn lửa và van cách ly đường ống. Hệ thống hoạt động hoàn toàn dựa vào áp lực cơ học sinh ra từ giai đoạn đầu của vụ nổ để phá vỡ màng xả. Phương pháp này có chi phí thấp nhưng nhược điểm là ngọn lửa vẫn có thể lan truyền qua đường ống nếu van cách ly không đóng kín và áp lực xả ra có thể đe dọa các khu vực làm việc lân cận.
• Hệ thống phòng ngừa chủ động (Active Dust Explosion Protection Systems): Sử dụng các đầu dò cảm biến (cảm biến hồng ngoại, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ) gửi tín hiệu điện về tủ điều khiển trung tâm để kích hoạt thiết bị dập lửa. Hệ thống chủ động được chia thành hai dạng: hệ thống triệt tiêu nổ (sử dụng bình phun khí CO2 hoặc hóa chất để dập ngọn lửa và hạ nhiệt độ) và hệ thống phát hiện tia lửa (spark detection system). Đồ án lựa chọn hệ thống phát hiện tia lửa chủ động sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại kết hợp vòi phun sương nước áp lực cao hình nón dập tắt mầm lửa ngay trong đường ống mà không làm gián đoạn dây chuyền sản xuất.

Về nền tảng tự động hóa tòa nhà, hệ thống BMS được thiết kế dựa trên cấu trúc phân cấp chuẩn gồm 3 cấp:

• Cấp quản lý (Management Level): Bao gồm máy tính trạm, máy chủ web và màn hình điều khiển HMI, nơi người quản lý theo dõi sơ đồ động, đồ thị vận hành, cấu hình setpoint và trích xuất báo cáo sự cố.
• Cấp tự động hóa (Automation Level): Trung tâm xử lý gồm bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp (Direct Digital Controller - DDC) và khối điều khiển tòa nhà (Building Control Unit - BCU), thực thi logic lập trình và truyền thông qua các giao thức BACnet, Modbus RS-485.
• Cấp thiết bị trường (Field Devices Level): Toàn bộ các thiết bị vật lý tiếp xúc trực tiếp với môi trường gồm cảm biến lửa hồng ngoại, công tắc áp suất, quạt ly tâm, máy bơm nước chữa cháy, biến tần, rơ-le trung gian và còi đèn báo động.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai là phương pháp thiết kế kỹ thuật kết hợp thực nghiệm mô hình vật lý. Tác giả vận dụng các công thức thủy khí động lực học tính toán đường ống vận chuyển khí động pha loãng (dilute phase pneumatic conveying), đường ống thủy lực chữa cháy theo tiêu chuẩn TCVN 13657-1:2023, tiến hành đấu nối tủ điện điều khiển công nghiệp và cấu hình phần mềm điều khiển DDC Configurator và BCU.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Tính toán động học và thủy lực mô hình

Hệ thống truyền tải bụi được thiết kế dựa trên nguyên lý vận chuyển khí động pha loãng trong ống kim loại tròn với các thông số tính toán cụ thể:

Thông số thiết kế	Ký hiệu	Giá trị tính toán / thực nghiệm	Đơn vị
Đường kính ống dẫn bụi	$D$	0,2	m
Chiều dài ống dẫn bụi	$L$	1,0	m
Vận tốc dòng khí thiết kế	$v$	20	m/s
Khối lượng riêng không khí	$\rho$	1,2	$\text{kg/m}^3$
Hệ số ma sát đường ống	$f$	0,02	-
Diện tích mặt cắt ngang ống	$A = \frac{\pi D^2}{4}$	0,0314	$\text{m}^2$
Lưu lượng dòng khí qua ống	$Q = A \times v$	0,628	$\text{m}^3\text{/s}$
Tổn thất áp suất do ma sát	$P_f$	30	Pa
Tổng tổn thất áp lực hệ thống	$P_{total}$	120	Pa

Để tạo lưu lượng khí $20\text{ m/s}$ qua đường ống dài $1\text{ m}$, tác giả lựa chọn quạt ly tâm 1 pha thương hiệu Sunfan, mã hiệu 130FLJ-5 với các thông số định mức: công suất danh định $P_n = 120\text{ W}$, lưu lượng gió $V_{fan} = 330\text{ m}^3\text{/h}$, tốc độ quay $N_{fan} = 2600\text{ vòng/phút}$, áp suất tạo ra $350\text{ Pa}$.

Đối với hệ thống cấp nước dập tắt tia lửa, tác giả lựa chọn ống thép không gỉ không hàn DN25 theo tiêu chuẩn TCVN 13657-1:2023 có đường kính ngoài $32\text{ mm}$, đường kính trong $d = 26\text{ mm}$, độ dày thành ống $3\text{ mm}$. Tổn thất áp lực trên mỗi mét chiều dài ống được xác định thông qua công thức Hazen-Williams với hệ số đường ống $C = 150$, cho kết quả tổn thất áp suất chỉ đạt $0,014\text{ bar/m}$. Đầu phun sương chữa cháy sử dụng loại tiêu chuẩn có hệ số lưu lượng $K = 5,6$, lưu lượng thiết kế $q = 5\text{ L/phút}$, áp lực làm việc $p = 0,9\text{ bar}$ ($0,09\text{ MPa}$), thời gian phun dập lửa từ 2 đến 5 giây.

Khoảng cách lắp đặt tối thiểu giữa cảm biến lửa và vòi phun được tính toán dựa trên tổng thời gian trễ phản ứng: $$D = V \times (T_{detect} + T_{activate} + T_{water_delay} + T_{effect})$$

Trong đó:

• Vận tốc dòng khí: $V = 20\text{ m/s}$.
• Thời gian cảm biến phát hiện tia lửa: $T_{detect} < 1\text{ ms}$ ($0,001\text{ s}$).
• Thời gian trễ đóng mạch điều khiển bơm và van: $T_{activate} \approx 30 - 50\text{ ms}$ ($0,05\text{ s}$).
• Thời gian nước di chuyển trong đường ống đến đầu phun: $T_{water_delay} \approx 10 - 50\text{ ms}$.
• Thời gian màn sương nước bao phủ toàn bộ tiết diện ống: $T_{effect} \approx 50 - 100\text{ ms}$.

Tổng thời gian đáp ứng của toàn bộ chuỗi tác động đạt xấp xỉ $0,15 - 0,2\text{ s}$. Khi nhân với vận tốc dòng khí $20\text{ m/s}$, khoảng cách lắp đặt tính toán thực tế giữa cảm biến và vòi phun nằm trong khoảng từ $3\text{ m}$ đến $4\text{ m}$.

Cấu hình phần cứng và tủ điện điều khiển

Tủ điện điều khiển có kích thước $400 \times 600 \times 180\text{ mm}$, mặt ngoài bố trí nút bấm nhả (release button) cùng hệ thống đèn báo màu xanh và màu đỏ thể hiện trạng thái hoạt động.

STT	Thiết bị phần cứng	Thông số kỹ thuật / Mã hiệu	Số lượng	Vai trò trong hệ thống
1	Bộ nguồn chuyển đổi	Adapter 220VAC / 24VDC - 15A	1	Cấp nguồn một chiều cho DDC, BCU và rơ-le
2	Cầu dao tự động 3 pha	LS BKN 3P C16A 6kA	1	Bảo vệ quá tải và ngắn mạch động cơ 3 pha
3	Cầu dao tự động 2 pha	Vanlock MCB 2P PS45N 16A	1	Bảo vệ ngắn mạch khối nguồn xoay chiều 220V
4	Cầu đấu dây (Terminal)	Khối đấu nối trung gian	2	Phân nhánh và gom dây nguồn 24VDC
5	Rơ-le trung gian	Power Relay Coil 24VDC	4	Cách ly tín hiệu bảo vệ ngõ ra DDC
6	Bộ điều khiển DDC	ECO C46 (PNTECH DDC)	1	Tiếp nhận ngõ vào, xử lý logic điều khiển
7	Bộ điều khiển trung tâm	BCU (Building Control Unit)	1	Giao tiếp Modbus/BACnet, máy chủ web
8	Biến tần điều khiển	LS iG5A	1	Khởi động mềm và điều tốc máy bơm nước
9	Bơm nước chữa cháy	ADELINO Model AJS37FT	1	Cung cấp nước áp lực cao cho vòi phun
10	Đầu dò ngọn lửa	HORING IR-0714-1	2	Cảm biến hồng ngoại phát hiện tia lửa/lửa
11	Công tắc áp suất	Danfoss KP2	1	Ngắt bơm bảo vệ ống khi áp suất vượt ngưỡng
12	Còi và đèn chớp báo động	Horing AH-03127-BS	1	Phát âm thanh và ánh sáng cảnh báo nguy hiểm
13	Quạt ly tâm 1 pha	Sunfan 130FLJ-5 (120W)	1	Tạo dòng khí thổi mô phỏng vận chuyển bụi
14	Máng cáp luồn dây	Cable Tray $25 \times 45\text{ mm}$	2	Cố định và bảo vệ dây dẫn điện trong tủ

Cấu hình phần mềm và giao tiếp truyền thông

Bộ điều khiển DDC ECO C46 được kết nối với máy tính qua cổng giao tiếp COM để cấu hình phần mềm Eco DDC Configurator:

• Cấu hình truyền thông: Thiết lập cổng Comport, tốc độ Baudrate, địa chỉ nhận dạng thiết bị (Device ID) và lựa chọn giao thức truyền thông Modbus 485 (mô hình Master-Slave trên đường truyền vật lý RS-485) kết hợp chuẩn mạng TCP/IP.
• Cấu hình ngõ vào vạn năng (Universal Input - UI): Phần mềm hỗ trợ cấu hình từ cổng UI 01 đến UI 12. Tác giả khai báo loại tín hiệu Drycontact (tiếp điểm khô) cho cảm biến ngọn lửa Horing IR-0714-1 và các tiếp điểm phản hồi trạng thái từ rơ-le quạt, rơ-le bơm nước. Cấu hình giải giá trị Min/Max đầu vào và Min/Max thực tế, phân chia kênh hoạt động (Channel) độc lập và cài đặt giá trị hiệu chuẩn (Calibration).
• Cấu hình ngõ ra số (Digital Output - DO): Khai báo từ cổng DO 01 đến DO 12, gán kênh đọc tín hiệu (Read channel) tương ứng từ ngõ vào, cài đặt giá trị ngưỡng Setpoint và chế độ điều khiển INCREASE/DECREASE. Tín hiệu DO được định tuyến qua rơ-le đệm để kích hoạt còi đèn báo động Horing AH-03127-BS và lệnh chạy của biến tần LS iG5A.

Khối điều khiển tòa nhà BCU kết nối truyền thông tín hiệu nối tiếp RS-485 với bộ DDC thông qua cặp dây từ chân A1+, B1- trên DDC sang chân A+, B- trên BCU. BCU cung cấp cổng mạng LAN/WAN kết nối đến máy tính máy chủ. Người dùng đăng nhập giao diện web BCU để cấu hình Smart building widget, bảng ánh xạ điểm tín hiệu (Point list configuration) và hiển thị trực quan trạng thái vận hành của toàn bộ thiết bị trường.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ các vụ tai nạn nổ bụi nghiêm trọng trong sản xuất công nghiệp và các yêu cầu khắt khe của tiêu chuẩn an toàn lao động quốc tế (NFPA 652, IECEx). Tác giả xác định ba mục tiêu chính của việc tích hợp hệ thống BMS: phát hiện nguy cơ theo thời gian thực, kích hoạt dập tắt tự động và chẩn đoán tình trạng hoạt động của hệ thống. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc xây dựng mô hình thực nghiệm, lập trình giao diện điều khiển và giám sát qua máy chủ web, ứng dụng các giao thức truyền thông Modbus và BACnet.

Chapter 2: Design for Model

Chương 2 trình bày cơ sở lý luận chi tiết về Ngũ giác nổ bụi và so sánh hai hướng tiếp cận phòng chống nổ bụi chủ động và bị động. Tác giả phân tích chi tiết cấu trúc 3 cấp của hệ thống BMS (Cấp quản lý, Cấp tự động hóa, Cấp thiết bị trường) và sự cần thiết của việc tích hợp BMS trong kiểm soát môi trường công nghiệp nguy hiểm. Chương này đưa ra toàn bộ các tính toán kỹ thuật: tính toán thủy khí động lực học cho đường ống vận chuyển bụi pha loãng đường kính $0,2\text{ m}$, chiều dài $1\text{ m}$, vận tốc $20\text{ m/s}$; tính chọn quạt ly tâm $120\text{ W}$; tính chọn ống chữa cháy thép không gỉ DN25 theo tiêu chuẩn TCVN 13657-1:2023 với lưu lượng $5\text{ L/phút}$, áp lực $0,9\text{ bar}$; và xác định khoảng cách tối ưu từ cảm biến tia lửa đến vòi phun dập tắt là $3\text{ đến }4\text{ m}$.

Chapter 3: Hardware Construction and Software Configuration

Chương 3 tập trung vào khâu hiện thực hóa mô hình vật lý và cấu hình phần mềm. Nội dung chương cung cấp danh mục chi tiết phần cứng tủ điện ($400 \times 600 \times 180\text{ mm}$) và phần cứng mô hình, sơ đồ nguyên lý mạch động lực và điều khiển cho động cơ quạt và máy bơm nước qua biến tần LS iG5A. Tác giả trình bày từng bước cài đặt thông số trên phần mềm Eco DDC Configurator (cấu hình cổng kết nối, Baudrate, địa chỉ trạm, cấu hình cổng Universal Input và Digital Output) và quy trình thiết lập giao diện giám sát BCU thông qua cổng mạng LAN/WAN.

Chapter 4: Operation and Performance of Model

Chương 4 mô tả lưu đồ thuật toán điều khiển (flowchart) và phân tích các kịch bản vận hành thực tế của mô hình:

• Trạng thái giám sát bình thường: Không có tương tác thiết bị, màn hình web hiển thị trạng thái hệ thống sẵn sàng.
• Trạng thái vận hành thông gió: Nhấn nút khởi động, quạt ly tâm hoạt động tạo luồng khí lưu thông trong ống dẫn bụi, đèn chỉ thị màu xanh sáng, rơ-le R3/R4 đóng, giao diện BMS cập nhật trạng thái quạt đang chạy.
• Trạng thái phát hiện ngọn lửa và dập tắt tự động: Khi xuất hiện nguồn lửa trong đường ống, cảm biến hồng ngoại Horing IR-0714-1 nhận diện bức xạ và kích hoạt tín hiệu gửi về ngõ vào UI của DDC ECO C46. Ngay lập tức, bộ điều khiển xuất lệnh DO đóng rơ-le kích hoạt còi đèn báo động Horing AH-03127-BS, đồng thời gửi tín hiệu lệnh chạy đến biến tần LS iG5A để khởi động bơm ADELINO Model AJS37FT. Nước áp lực cao được phun qua vòi tạo màng sương dập tắt ngọn lửa trong thời gian từ 3 đến 5 giây, trong khi quạt ly tâm vẫn tiếp tục duy trì hoạt động bình thường. Sau khi ngọn lửa bị dập tắt hoàn toàn, bơm nước tự động ngắt.
• Trạng thái bảo vệ quá áp: Công tắc áp suất Danfoss KP2 liên tục đo áp suất đường ống nước; khi áp suất chạm ngưỡng cực đại cài đặt, công tắc ngắt mạch điều khiển bơm để bảo vệ hệ thống đường ống khỏi nguy cơ nứt vỡ.

Chapter 5: Conclusion and Future Work

Chương 5 đúc kết các kết quả đạt được trong việc chế tạo thành công mô hình phần cứng kết hợp phần mềm BMS giám sát hệ thống phòng chống nổ bụi. Hệ thống phản ứng chính xác theo thuật toán đề ra, kích hoạt bơm dập lửa đúng thời gian trễ tính toán và cập nhật kịp thời trạng thái lên giao diện điều khiển. Tác giả cũng chỉ ra các định hướng hoàn thiện tiếp theo nhằm phát triển mô hình hướng tới khả năng ứng dụng thực tế trong công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Mô hình thực nghiệm đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Hoạt động dập tắt tự động: Cảm biến ngọn lửa HORING IR-0714-1 phát hiện chính xác nguồn lửa trong luồng khí thổi vận tốc $20\text{ m/s}$. Bộ điều khiển DDC ECO C46 và biến tần LS iG5A kích động cơ bơm nước ADELINO AJS37FT phun sương dập tắt hoàn toàn ngọn lửa trong khoảng thời gian từ 3 đến 5 giây.
• An toàn cơ điện: Công tắc áp suất Danfoss KP2 ngắt bơm thành công khi áp lực đạt ngưỡng giới hạn, đảm bảo an toàn cho hệ thống ống cấp nước DN25. Tủ điện $400 \times 600 \times 180\text{ mm}$ với 4 rơ-le trung gian 24VDC cách ly triệt để các xung điện áp ngược bảo vệ an toàn cho khối DDC.
• Giám sát trực quan từ xa: Khối BCU liên kết dữ liệu ổn định với DDC qua chuẩn RS-485 Modbus, cho phép hiển thị tức thời các trạng thái hoạt động của quạt, bơm, cảm biến và cảnh báo sự cố trên giao diện trình duyệt web máy tính.

Đóng góp của đề tài thể hiện ở việc tích hợp thành công kiến trúc BMS ba cấp tiêu chuẩn vào bài toán an toàn nổ bụi công nghiệp, kết hợp giữa tính toán lý thuyết động học dòng khí/thủy lực dập nổ theo quy chuẩn TCVN 13657-1:2023 với việc cấu hình thực tế trên các thiết bị điều khiển công nghiệp phổ biến (DDC, BCU, biến tần).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án nêu rõ các hạn chế mang tính kỹ thuật trong quá trình thực nghiệm:

• Bố trí cảm biến kiểm thử: Do quạt ly tâm tạo luồng gió mạnh có thể làm tạt tắt ngọn lửa từ bật lửa dùng để giả lập thử nghiệm, tác giả phải bố trí quạt ở phía ngoài và ngọn lửa thử nghiệm được đưa vào gần cảm biến bên trong đường ống để kiểm tra phản ứng của hệ thống. Mô hình chưa thực hiện đánh giá trực tiếp với bụi cháy thật trong điều kiện phát tán nổ thực tế do yêu cầu an toàn phòng thí nghiệm.
• Cấu hình cảm biến: Mô hình hiện mới tích hợp cảm biến phát hiện ngọn lửa/tia lửa hồng ngoại và công tắc áp suất, chưa triển khai đầy đủ các loại cảm biến đo nồng độ bụi lơ lửng, cảm biến nhiệt độ khí quyển và cảm biến khí gas dễ cháy như đã nêu trong phần phân tích nhu cầu tổng thể.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất bao gồm việc mở rộng tích hợp đa dạng các cảm biến trường (nồng độ bụi, nhiệt độ, áp suất buồng thu hồi bụi), hoàn thiện thuật toán kết nối chuyên sâu qua giao thức BACnet để đồng bộ hóa hoàn toàn với hệ thống BMS quản lý toàn bộ nhà máy quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Tòa nhà. Các nội dung mang tính thực tiễn cao bao gồm:

• Phương pháp tính toán cơ khí - thủy khí động học xác định công suất quạt hút bụi và tính toán khoảng cách phản ứng dập lửa an toàn giữa cảm biến và vòi phun theo tiêu chuẩn TCVN 13657-1:2023.
• Bản vẽ sơ đồ đấu nối nguyên lý tủ điện công nghiệp tích hợp bộ nguồn, cầu dao bảo vệ, biến tần và mạch bảo vệ cách ly cho bộ điều khiển DDC.
• Quy trình cài đặt thông số thực tế cho các cổng Universal Input và Digital Output trên phần mềm DDC Configurator và phương thức kết nối dữ liệu từ DDC lên bộ điều khiển trung tâm BCU phục vụ giám sát web.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống trong đồ án thuộc dạng phòng chống nổ bụi chủ động hay bị động?
Hệ thống thuộc dạng phòng chống nổ bụi chủ động (Active Dust Explosion Prevention System), cụ thể là hệ thống phát hiện tia lửa (spark detection system) sử dụng cảm biến bức xạ hồng ngoại kết hợp kích hoạt bơm nước áp lực cao dập tắt mầm lửa tự động.

Khoảng cách lắp đặt tính toán giữa cảm biến ngọn lửa và vòi phun sương là bao nhiêu?
Khoảng cách tối thiểu từ cảm biến đến vòi phun được tính toán là $3\text{ m}$ và khoảng cách tối đa là $4\text{ m}$, tương ứng với vận tốc dòng khí trong ống là $20\text{ m/s}$ và tổng thời gian trễ phản ứng của hệ thống (phát hiện, đóng rơ-le, nước chảy và màn sương lan tỏa) là từ $0,15\text{ đến }0,2\text{ s}$.

Hệ thống sử dụng các bộ điều khiển và giao thức truyền thông nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp ECO C46 (PNTECH DDC) ở cấp tự động hóa kết nối với bộ điều khiển tòa nhà BCU qua cổng truyền thông nối tiếp RS-485 sử dụng giao thức Modbus. Dữ liệu từ BCU được truyền lên máy tính trạm và máy chủ web qua giao thức mạng TCP/IP và BACnet.

Thời gian phun nước dập lửa của máy bơm khi phát hiện nguồn lửa là bao lâu?
Thời gian phun sương nước áp lực cao để dập tắt ngọn lửa diễn ra trong khoảng từ 3 đến 5 giây (hoặc từ 2 đến 5 giây theo thông số thiết kế vòi phun), sau đó máy bơm sẽ tự động dừng và hệ thống đường ống duy trì trạng thái lưu thông bình thường.

Công tắc áp suất Danfoss KP2 đóng vai trò gì trong hệ thống?
Công tắc áp suất Danfoss KP2 được lắp đặt trên đường ống cấp nước để đo áp lực làm việc; khi áp suất nước đạt tới ngưỡng cực đại cài đặt, tiếp điểm của công tắc sẽ tác động ngắt máy bơm nước để bảo vệ đường ống không bị nứt vỡ do quá áp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Đỗ Thanh Tùng và Lương Nguyễn Quỳnh Gia đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hệ thống BMS giám sát phòng chống nổ bụi chủ động trong đường ống công nghiệp. Bằng việc phối hợp giữa bộ điều khiển DDC ECO C46, khối điều khiển trung tâm BCU và cảm biến lửa hồng ngoại, hệ thống kích hoạt chính xác cơ cấu dập lửa bằng sương nước áp lực cao trong thời gian từ 3 đến 5 giây ngay khi phát hiện mầm cháy. Toàn bộ thông số thủy khí động học được tính toán chặt chẽ theo tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 13657-1:2023, mang lại giải pháp công nghệ khả thi và dữ liệu tham khảo tin cậy cho công tác tự động hóa an toàn trong các nhà máy sản xuất hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION  GRADUATION THESIS DESIGN OF BMS SYSTEM TO MONITOR DUST EXPLOSION PREVENTION SYSTEM Student: DO THANH TUNG Student ID: 21142487 Student: LUONG NGUYEN QUYNH GIA Student ID: 20142014 Major: ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING SUPERVISOR: LE TRONG NGHIA, Ph.D Ho Chi Minh city, July 2025 Graduation Thesis Le Trong Nghia, Ph.D ACKNOWLEDGEMENTS We would like to express our sincere gratitude to all individuals who provided assistance and guidance during the process of finalizing this report. This project could not have been brought to fruition without their invaluable support and encouragement. We are especially grateful to Professor Le Trong Nghia, who provided continuous guidance, insightful feedback, and expertise that greatly enhanced the quality of this report. His commitment and determination to foster learning have been truly inspiring.

Finally, a heartfelt appreciation goes to my peers and classmates for their encouragement, collaboration, and thoughtful discussions that contributed to refining various aspects of this project. This report is the result of collaborative efforts, and we are genuinely thankful for everyone who contributed to its successful completion. Do Thanh Tung - 21142487 i Luong Nguyen Quynh Gia - 20142014 Graduation Thesis Le Trong Nghia, Ph.D TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS .i TABLE OF CONTENTS. ii TABLE OF FIGURES.iv LIST OF TABLE.

vii LIST OF ABBREVIATIONS. viii CHAPTER 1: INTRODUCTION. Reasons for choosing the topic. The necessity and purpose of the report.

The targets and scope of research of the report. Theoretical basis and research methodology .3 CHAPTER 2: DESIGN FOR MODEL. Overview about dust explosion protection and BMS system .1 Dust explosion system .3 Application of BMS to dust explosion prevention system. 24 CHAPTER 3: HARDWARE CONSTRUSTION AND SOFTWARE CONFIGURATION.

Construction of model. Interface design controlling BMS software. Interface of website .48 Do Thanh Tung - 21142487 ii Luong Nguyen Quynh Gia - 20142014 Graduation Thesis Le Trong Nghia, Ph.D CHAPTER 4: OPERATION AND PERFORMANCE OF MODEL .53 CHAPTER 5: CONCLUSION AND FUTURE WORK .57 Do Thanh Tung - 21142487 iii Luong Nguyen Quynh Gia - 20142014 Graduation Thesis Le Trong Nghia, Ph.D TABLE OF FIGURES Figure 2.1: Five essential elements required for a dust explosion to occur .2: Fire and explosion incident data in the US, Canada and the world from 2017 to 2021 .3: Report of injury and death caused by fire and explosion in 2021 .4: Passive Dust Explosion Protection Systems .5: Passive Dust Explosion Protection Systems in real life .6: Active dust explosion system with explosion suppression .7: Active dust explosion system with spark detection .8: Diagram of BMS system .9: The different system that the BMS control and monitor .10: The three-level structure in BMS system .11: The electrical panel and web server monitor and control the dust explosion system .12: BMS dust explosion prevention design block diagram .13: Hardware design block diagram .14: 1-phase centrifugal fans for the model.15: Operating parameters of the sprinkler head.16: The three level of the BMS dust explosion prevention system .17: The model diagram .18: Software design block diagram .20: PNTECH DCC control diagram .22: General interface of BCU. 26 Do Thanh Tung - 21142487 iv Luong Nguyen Quynh Gia - 20142014 Graduation Thesis Le Trong Nghia, Ph.1: Diagram of the electrical panel .2: The outside electrical panel .3: Diagram of the electrical devices inside the panel .4: The electrical devices inside the panel .5: The three-phase terminal inside the panel .6: The connection diagram of the system.7: The connection diagram for the motor system .8: The model construction in real life.9: The model water pump.10: The inside of the metal pipe of the model .11: Setting for DCC connection .12: Setting for DCC Baudrate .13: Setting for DCC communication protocol .14: Setting for DCC Address .15 Eco DDC configurator for universal input .16: Eco DDC configurator for digital output .17: Input setting for flame sensor .18: Input setting for centrifugal fan .19: Input setting for water pump .20: Output setting for light and sound alarm .21: Output setting for water pump .22: Output result setting .23: BCU login interface .24: Smart building widget .