Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa và phát triển công nghiệp, số lượng nhà máy, xí nghiệp cùng các hộ gia đình gia tăng nhanh chóng, dẫn đến nhu cầu tiêu thụ nước sạch cho sinh hoạt và sản xuất tăng cao. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao hiệu quả quản lý và độ ổn định trong quá trình vận hành mạng lưới cấp nước. Trong hệ thống phân phối nước, trạm bơm tăng áp giữ vai trò trọng yếu trong việc duy trì áp suất đường ống luôn ổn định ở mức mong muốn, hạn chế tối đa các hiện tượng biến thiên áp lực đột ngột gây nứt vỡ đường ống, hư hại van khóa hoặc gây mất an toàn cho thiết bị và người sử dụng.

Tuy nhiên, trong thực tế tại nhiều trạm bơm và nhà máy xử lý nước quy mô vừa và nhỏ, phương thức vận hành thủ công hoặc bán tự động vẫn còn phổ biến. Phương thức này bộc lộ nhiều điểm hạn chế: khả năng giám sát tập trung yếu, thiếu tính liên kết mạng truyền thông, và khả năng phản ứng chậm trước các sự cố rò rỉ, mất áp cục bộ hay biến động lưu lượng tức thời. Để khắc phục các nhược điểm trên, việc hiện đại hóa trạm bơm bằng giải pháp tự động hóa hoàn toàn thông qua bộ điều khiển lập trình PLC kết hợp hệ thống giám sát SCADA và giao diện HMI là xu hướng kỹ thuật tất yếu. Giải pháp này cho phép thu thập dữ liệu áp suất theo thời gian thực, điều khiển biến tần thay đổi tốc độ động cơ theo giải thuật hồi tiếp, ghi nhận cảnh báo sự cố và luân phiên tải làm việc giữa các máy bơm nhằm kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Từ yêu cầu kỹ thuật thực tiễn nêu trên, đồ án tốt nghiệp với đề tài "Điều khiển và giám sát hệ thống bơm tăng áp chạy luân phiên" được thực hiện nhằm nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một mô hình hệ thống điều áp tự động quy mô nhỏ nhưng tích hợp đầy đủ tính năng công nghiệp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu khảo sát nguyên lý làm việc của hệ thống bơm điều áp, tổng hợp cơ sở lý thuyết thủy lực về tính toán tổn thất áp suất, cột áp và lưu lượng.
  2. Thiết kế kết cấu cơ khí và mạng lưới đường ống cho mô hình thử nghiệm bằng phần mềm SolidWorks.
  3. Lựa chọn thiết bị công nghiệp phù hợp, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển và thi công tủ điện thực tế.
  4. Xây dựng chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal cho bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, tích hợp thuật toán điều khiển PID vòng kín để ổn định áp suất đường ống thông qua biến tần.
  5. Lập trình các thuật toán vận hành hệ thống: chế độ thủ công (Manual), chế độ tự động (Auto) bao gồm chạy ưu tiên, luân phiên theo thời gian trong giờ thấp điểm, gọi thêm bơm phụ trong giờ cao điểm và tự động chuyển sang bơm dự phòng khi xảy ra sự cố quá tải.
  6. Thiết kế giao diện HMI/SCADA trên phần mềm WinCC để giám sát thông số áp suất, trạng thái hoạt động của bơm, quản lý lỗi và cài đặt tham số vận hành.
  7. Vận hành thử nghiệm mô hình thực tế, đo đạc dữ liệu áp suất khi thay đổi phụ tải (mở từ 1 đến 4 van xả) và đánh giá chất lượng đáp ứng của bộ điều khiển PID.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bơm tăng áp tự động chạy luân phiên ứng dụng biến tần, bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 và giao diện giám sát HMI.
  • Phạm vi không gian và quy mô: Mô hình thực nghiệm quy mô vừa và nhỏ được chế tạo tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Chiều dài và độ cao của tuyến ống dẫn trong mô hình dưới 2 mét; mạng lưới phân phối gồm 02 máy bơm nước một pha, 01 cảm biến áp suất đo tại đường ống chính và 04 van xả bằng tay dùng để mô phỏng tải tiêu thụ.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai và hoàn thành trong Học kỳ 2, năm học 2024–2025 (nghiệm thu vào tháng 06/2025).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các khối kiến thức chuyên ngành về cơ học thủy lực, khí cụ điện, điều khiển tự động và truyền thông công nghiệp:

  • Lý thuyết thủy lực cơ bản: Nghiên cứu áp dụng các đại lượng chất lỏng với khối lượng riêng của nước ở 4 °C là $\rho \approx 1000\text{ kg/m}^3$, trọng lượng riêng $\gamma = \rho \cdot g$, và độ nhớt động lực học $\mu$ của nước ở 20 °C xấp xỉ $1{,}0\text{ mPa}\cdot\text{s}$ ($1\text{ cP}$), giảm còn $0{,}65\text{ mPa}\cdot\text{s}$ ở 40 °C. Áp suất chất lưu chuyển động được xác định bằng tổng áp suất tĩnh và áp suất động theo công thức: $$p = p_t + p_d = p_t + \frac{\rho v^2}{2}$$ Trong mô hình, áp suất được đo thông qua cảm biến áp suất tương đối gắn màng biến dạng tiếp xúc trực tiếp với lưu chất.
  • Thuật toán điều khiển PID: Sử dụng cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín ba thành phần (Tỉ lệ - Tích phân - Vi phân). Hàm truyền đạt lý thuyết của bộ điều khiển có dạng: $$W(p) = K_P \left(1 + \frac{1}{T_I p} + T_D p\right) = K_P + \frac{K_I}{p} + K_D p$$ Khi tích hợp vào bộ điều khiển PLC S7-1200, thuật toán được rời rạc hóa theo chu kỳ lấy mẫu để tính toán giá trị ngõ ra điều khiển tốc độ động cơ thông qua biến tần. Tác động của các khâu tham số lên hệ thống kín được tổng hợp tại bảng sau:
Thông số hiệu chỉnh Thời gian lên Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập
$K_P$ (Tăng) Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm
$K_I$ (Tăng) Giảm Tăng Tăng Giảm triệt để
$K_D$ (Tăng) Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ
  • Công nghệ tự động hóa và khí cụ phần cứng:
    • Khối xử lý trung tâm PLC SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC) hoạt động theo nguyên lý quét vòng tuần tự ngõ vào, xử lý chương trình logic và cập nhật ngõ ra.
    • Biến tần (VFD) hoạt động theo nguyên lý chỉnh lưu cầu diode kết hợp tụ lọc tạo điện áp một chiều trung gian, sau đó nghịch lưu bằng giàn IGBT điều chế độ rộng xung (PWM) để cấp điện áp có tần số thay đổi cho động cơ.
    • Hệ thống khí cụ bảo vệ và chấp hành gồm: MCB đóng cắt ngắn mạch, Contactor đóng cắt nguồn động lực, Relay nhiệt bảo vệ quá tải dựa trên độ giãn nở nhiệt khác nhau của thanh lưỡng kim, Relay trung gian cách ly và khuếch đại tín hiệu điều khiển 24VDC sang tải 220VAC.
  • Công nghệ phần mềm và giám sát: Nền tảng TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) của Siemens quản lý cơ sở dữ liệu tập trung thông qua bảng tag đồng nhất. Phần mềm WinCC Runtime được ứng dụng để thiết kế giao diện HMI/SCADA với các trang chức năng điều khiển, cài đặt tham số, quản lý sự kiện cảnh báo và ghi nhận đồ thị thời gian thực.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Tác giả kết hợp năm phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

  1. Phương pháp mô hình hóa: Thiết lập sơ đồ khối, lưu đồ thuật toán điều khiển và bản vẽ 3D trên phần mềm SolidWorks nhằm định lượng không gian lắp đặt thiết bị.
  2. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích nguyên lý làm việc của trạm bơm, so sánh hiệu quả giữa công nghệ điều khiển dùng relay cổ điển và công nghệ tự động hóa dùng PLC/biến tần.
  3. Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất động cơ bơm, tính chọn dải đo cảm biến áp suất, chọn tiết diện dây dẫn, công suất biến tần và dung lượng bộ điều khiển.
  4. Phương pháp thực nghiệm: Đấu nối phần cứng, nạp chương trình điều khiển, chạy thử nghiệm hệ thống trong các kịch bản phụ tải khác nhau và tinh chỉnh bộ tham số PID.
  5. Phương pháp xử lý và đánh giá dữ liệu: Thu thập dữ liệu áp suất từ cảm biến ES-P300, xuất đồ thị đáp ứng thực nghiệm trên HMI để đánh giá sai số xác lập và độ ổn định của áp suất đường ống.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm:

  • Thông số kỹ thuật của nhà sản xuất: Siemens (PLC S7-1200), Inovance (Biến tần MD200S1), Panasonic (Máy bơm GP-200JXK), LS Electric (Contactor MC-9b, Relay nhiệt MT-32), Chint (MCB NXB-63), Omron (Relay LY2N-J).
  • Tài liệu học thuật tham khảo: Giáo trình "Tự Động Hóa PLC S7 – 1200 Với TIA Portal" (Trần Văn Hiếu, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2019).
  • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm thu thập trực tiếp từ cảm biến áp suất ES-P300 trong các điều kiện mở van phụ tải khác nhau.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và thiết bị

Hệ thống được xây dựng trên bộ khung nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$, nâng đỡ đường ống dẫn nước bằng nhựa PVC khép kín nối với bồn chứa. Tủ điện công nghiệp được bố trí gọn gàng, tách biệt giữa mặt ngoài (chứa nút nhấn điều khiển, đèn báo trạng thái, công tắc xoay) và mặt trong (chứa thanh ray gắn PLC, biến tần, contactor, relay nhiệt, relay trung gian và bộ nguồn tổ ong).

Bảng thông số kỹ thuật của các thiết bị chính được lựa chọn cho mô hình:

Thiết bị Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Máy bơm nước Panasonic GP-200JXK Động cơ 1 pha, tụ vĩnh cửu, công suất 200 W Bơm cấp áp lực nước cho đường ống
Khối điều khiển PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC Nguồn 24VDC; tích hợp 14 DI, 10 DO, 2 AI (0–10V) Xử lý trung tâm, chạy giải thuật PID
Biến tần (VFD) Inovance MD200S1 Vào 1 pha 220VAC, điều khiển tần số PWM, hỗ trợ RS485 Điều chỉnh tốc độ động cơ máy bơm
Cảm biến áp suất Pressure Sensor ES-P300 Đo áp suất tương đối, ngõ ra analog đưa về PLC Cung cấp tín hiệu phản hồi áp suất thực
Khởi động từ LS MC-9b Dòng định mức 9A, tiếp điểm chính và phụ tích hợp Đóng ngắt nguồn điện cho động cơ
Relay nhiệt LS MT-32 Dải chỉnh dòng bảo vệ phù hợp động cơ bơm Bảo vệ quá tải cho từng động cơ bơm
Relay trung gian Omron LY2N-J Nguồn kích cuộn hút 24VDC, tiếp điểm tải 5A Đệm tín hiệu giữa ngõ ra PLC và khí cụ
Át-tô-mát (MCB) Chint NXB-63 Dòng cắt định mức, bảo vệ ngắn mạch và quá dòng Đóng cắt và bảo vệ nguồn tổng tủ điện
Bộ nguồn một chiều Nguồn tổ ong 24VDC Điện áp vào 220VAC, điện áp ra 24VDC ổn định Cấp nguồn nuôi cho PLC, cảm biến và relay
Nút nhấn / Đèn báo IDEC YW1B-M1E10G Tiếp điểm NO/NC, đèn hiển thị LED chuẩn 24VDC Thao tác điều khiển tại chỗ và báo trạng thái

Thiết kế phần mềm và giải thuật điều khiển

Hệ thống phần mềm được xây dựng trên môi trường TIA Portal, tổ chức thành các khối hàm thực thi theo các chế độ:

  • Chế độ thủ công (Manual Mode): Cho phép người vận hành cưỡng bức chạy/dừng từng máy bơm độc lập bằng nút nhấn trên tủ điện hoặc nút bấm trên màn hình HMI, động cơ được cấp nguồn lưới trực tiếp thông qua contactor mà không qua điều khiển tốc độ của biến tần.
  • Chế độ tự động (Auto Mode): Áp dụng thuật toán PID để điều khiển tần số biến tần, giữ áp suất đường ống bám theo giá trị đặt (Setpoint). Các kịch bản vận hành cụ thể gồm:
    1. Chế độ ưu tiên: Người vận hành chỉ định bơm A hoặc bơm B làm bơm chạy chính qua biến tần để duy trì áp suất.
    2. Chế độ luân phiên (Giờ thấp điểm): Hai máy bơm tự động hoán đổi vai trò chạy/nghỉ theo khoảng thời gian được thiết lập trước trên màn hình SETTING, giúp cân bằng thời gian hoạt động và chống mòn cơ khí lệch pha giữa hai máy.
    3. Chế độ gọi bơm (Giờ cao điểm): Khi nhu cầu sử dụng nước tăng cao (nhiều van xả cùng mở), biến tần tăng tần số lên mức tối đa nhưng áp suất thực tế vẫn không đạt giá trị cài đặt sau một khoảng trễ, PLC sẽ tự động kích hoạt cấp nguồn đóng contactor cho máy bơm thứ hai chạy trực tiếp từ lưới điện để hỗ trợ bù áp.
    4. Chế độ bơm dự phòng (Bảo vệ sự cố): Khi một trong hai bơm bị quá tải làm nhảy tiếp điểm relay nhiệt (MT-32), PLC lập tức ngắt lệnh điều khiển bơm đó, đồng thời tự động kích hoạt máy bơm còn lại khởi động để duy trì áp suất hệ thống mà không làm gián đoạn dòng nước.

Thiết kế giao diện giám sát HMI (WinCC)

Giao diện điều khiển giám sát được thiết kế đồng bộ trên WinCC với 7 màn hình chức năng chuyên biệt:

  1. HOME SCREEN: Màn hình tổng quan giới thiệu tên đề tài, thông tin sinh viên thực hiện, nút chuyển hướng và các thông báo trạng thái chính.
  2. MANUAL SCREEN: Giao diện điều khiển thủ công bật/tắt từng bơm, kiểm tra chiều quay và thử nghiệm từng thiết bị chấp hành.
  3. AUTO SCREEN: Giao diện vận hành tự động, hiển thị đồ thị áp suất thực tế so với áp suất đặt, cho phép chọn chế độ luân phiên hoặc ưu tiên.
  4. SETTING SCREEN: Cài đặt các thông số vận hành như: giá trị áp suất mục tiêu, thời gian chu kỳ chuyển đổi luân phiên, các hệ số của bộ điều khiển PID ($K_P, T_I, T_D$) và ngưỡng thời gian kích hoạt gọi bơm.
  5. MONITOR SCREEN: Màn hình theo dõi chi tiết các thông số đo lường theo thời gian thực (áp suất đường ống, tần số xuất từ biến tần, trạng thái đóng ngắt của từng contactor).
  6. I/O SCREEN: Hiển thị trực quan trạng thái logic mức '0' hoặc '1' của toàn bộ các ngõ vào số (DI), ngõ ra số (DO) và giá trị nguyên từ ngõ vào tương tự (AI) của PLC S7-1200, hỗ trợ kiểm tra chẩn đoán lỗi phần cứng.
  7. ALARM SCREEN: Trang quản lý và lưu vết cảnh báo hệ thống, hiển thị thời gian phát sinh sự cố, loại sự cố (như bơm A quá tải, bơm B quá tải, mất áp suất nguồn cấp) và cảnh báo người vận hành bằng chỉ báo đồ họa.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu cấp bách về hiện đại hóa mạng lưới cấp nước sạch và xử lý nước thải. Tác giả chỉ ra các yếu điểm của hệ thống vận hành thủ công, nêu rõ mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình bơm điều áp ứng dụng PLC S7-1200 và SCADA/HMI. Nội dung nghiên cứu được chia thành các bước từ khảo sát, tính toán cơ học thủy lực, vẽ mô hình 3D trên SolidWorks, gia công cơ khí, lắp ráp tủ điện, lập trình giải thuật trên TIA Portal cho đến đo kiểm thực nghiệm. Chương này cũng xác định rõ giới hạn nghiên cứu: hệ thống sử dụng 02 bơm một pha, 01 cảm biến áp suất, chiều dài và độ cao tuyến ống dưới 2 mét (tổn thất áp lực do ma sát và trọng lực được coi là không đáng kể).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết toàn diện phục vụ thiết kế:

  • Trình bày tổng quan về hệ thống bơm điều áp, cấu trúc tổng thể và so sánh ưu nhược điểm giữa công nghệ điều khiển bằng relay truyền thống với công nghệ tự động hóa dùng PLC/biến tần.
  • Trình bày lý thuyết phần cứng: nguyên lý hoạt động, cấu tạo vi xử lý CPU, các vùng nhớ (RAM, ROM, EPROM) và module I/O của bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 1214C; cấu tạo và nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) của biến tần; định nghĩa áp suất, phương pháp đo áp suất tĩnh, áp suất động và cảm biến áp suất màng; cấu tạo, nguyên lý làm việc của Contactor, Relay nhiệt lưỡng kim và Relay trung gian.
  • Trình bày cơ sở phần mềm: kiến trúc quản lý dữ liệu tập trung trong TIA Portal, phân loại các phiên bản WinCC (Basic, Comfort, Advanced, Professional); hàm truyền đạt và bảng đặc tính tác động của bộ điều khiển PID liên tục và PID rời rạc.
  • Trình bày lý thuyết thủy lực cơ bản về khối lượng riêng, độ nhớt động lực học, áp suất dòng chảy, tổn thất cột áp và phân tích sự khác nhau giữa HMI và SCADA.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung vào công tác tính toán và thiết kế kỹ thuật:

  • Xây dựng bản vẽ kết cấu khung đỡ và mạng lưới đường ống trên phần mềm SolidWorks (chi tiết các mặt trước, mặt sau, mặt bên và vị trí tủ điện).
  • Thiết lập sơ đồ khối chức năng của toàn hệ thống, sơ đồ mạch động lực cấp nguồn 220VAC cho máy bơm qua biến tần và contactor, sơ đồ mạch điều khiển 24VDC, sơ đồ đấu nối ngõ vào/ra cho PLC S7-1200 và sơ đồ truyền thông RS485 với biến tần.
  • Lựa chọn thiết bị cụ thể dựa trên tính toán kỹ thuật: máy bơm Panasonic GP-200JXK, PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC, biến tần Inovance MD200S1, cảm biến áp suất ES-P300, contactor LS MC-9b, relay nhiệt MT-32, relay Omron LY2N-J, MCB Chint NXB-63.
  • Xây dựng bảng phân công địa chỉ ngõ vào/ra (I/O) chi tiết cho PLC nhằm phục vụ lập trình điều khiển.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả chi tiết quy trình chế tạo và tích hợp hệ thống:

  • Thiết lập các lưu đồ thuật toán điều khiển: Lưu đồ tổng quát hệ thống, Lưu đồ chế độ thủ công, Lưu đồ chế độ chạy luân phiên (giờ thấp điểm), Lưu đồ chế độ gọi bơm (giờ cao điểm).
  • Quy trình thi công phần cứng cơ khí: lắp ghép khung nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$, gia công đường ống dẫn nước PVC, bố trí bồn nước, gắn cố định máy bơm và cảm biến áp suất.
  • Quy trình lắp ráp tủ điện: bố trí thiết bị trên ray nhôm, đi máng cáp, đấu nối dây động lực và dây tín hiệu theo đúng sơ đồ nguyên lý đã thiết kế.
  • Lập trình phần mềm trên TIA Portal: cấu hình khối PID Compact, viết chương trình xử lý tín hiệu analog đầu vào từ cảm biến áp suất, lập trình logic chuyển mạch các chế độ; thiết kế đồ họa chi tiết cho 7 màn hình HMI trên WinCC (HOME, MANUAL, AUTO, SETTING, MONITOR, I/O, ALARM).

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thử nghiệm vận hành mô hình phần cứng thực tế:

  • Kiểm tra các chức năng cơ bản trên giao diện HMI: chạy thử chế độ thủ công độc lập từng bơm, chạy chế độ ưu tiên bơm A hoặc bơm B, chế độ luân phiên theo thời gian định sẵn.
  • Thực nghiệm kịch bản giờ cao điểm: kiểm chứng thuật toán tự động gọi bơm thứ hai hoạt động song song khi hệ thống bị sụt áp do mở đồng thời nhiều van xả.
  • Thực nghiệm chế độ bảo vệ: kích hoạt ngắt relay nhiệt của bơm đang chạy, ghi nhận hệ thống phát tín hiệu cảnh báo trên màn hình ALARM SCREEN và tự động kích hoạt bơm dự phòng vào làm việc.
  • Đo đạc và kiểm chứng chất lượng điều khiển áp suất: ghi nhận đồ thị đáp ứng của hệ thống trong 8 trường hợp phụ tải (mở từ 1 đến 4 van khi chạy 1 bơm qua biến tần, và mở từ 1 đến 4 van khi chạy kết hợp 2 bơm). Ghi nhận các đồ thị đáp ứng của bộ điều khiển PID ứng với các giá trị áp suất đặt khác nhau, từ đó rút ra bộ thông số tối ưu cho hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành của đề tài: chế tạo thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh, viết chương trình điều khiển PLC ổn định, tích hợp thành công giải thuật PID và giao diện giám sát HMI. Đồng thời, chương này chỉ ra các giới hạn của mô hình và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng hệ thống trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  1. Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm: Xây dựng thành công mô hình hệ thống bơm tăng áp khép kín quy mô nhỏ với khung nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$, đường ống nhựa PVC, 02 máy bơm Panasonic GP-200JXK, 01 cảm biến áp suất ES-P300, 04 van xả mô phỏng phụ tải và tủ điện điều khiển công nghiệp đồng bộ.
  2. Hiện thực hóa đa dạng các kịch bản vận hành:
    • Vận hành tin cậy ở chế độ Manual (chạy/dừng tại chỗ hoặc qua HMI).
    • Vận hành chính xác ở chế độ Auto: thực hiện thành công việc luân phiên hoán đổi bơm làm việc theo chu kỳ thời gian cài đặt trên HMI trong giờ thấp điểm, giúp thiết bị mòn đều cơ khí.
    • Cơ chế tự động gọi bơm hoạt động chính xác trong giờ cao điểm: khi mở từ 3 đến 4 van xả, một bơm đơn lẻ không thể bù áp (dù biến tần đã đạt tần số cực đại), PLC đã tự động đóng contactor đóng nguồn cho bơm thứ hai tham gia cấp nước song song, đưa áp suất trở lại giá trị đặt.
    • Cơ chế dự phòng sự cố vận hành hiệu quả: khi xảy ra quá tải trên một bơm (tác động tiếp điểm relay nhiệt LS MT-32), hệ thống lập tức xuất tín hiệu cảnh báo ra còi/đèn và trang ALARM SCREEN, đồng thời tự động đóng điện cho bơm phụ khởi động thay thế mà không gây gián đoạn dòng chảy.
  3. Đánh giá thực nghiệm bộ điều khiển PID: Ghi nhận và phân tích đầy đủ các đường cong đáp ứng áp suất thực nghiệm qua các trường hợp mở 1, 2, 3 và 4 van xả cho cả hai trường hợp chạy 1 bơm và phối hợp 2 bơm. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh giải thuật PID tích hợp trên PLC S7-1200 triệt tiêu được sai số xác lập, kiểm soát tốt thời gian đáp ứng và ổn định áp lực nước trong ống dẫn.

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật của tác giả

  • Ứng dụng giải pháp điều khiển biến tần kết hợp PLC để thay thế phương pháp đóng cắt bằng relay cơ học truyền thống. Giải pháp này giúp khởi động và dừng động cơ êm ái, loại bỏ hiện tượng sụt áp lưới khi khởi động trực tiếp và giảm thiểu nguy cơ búa nước gây phá hủy đường ống.
  • Ứng dụng phần mềm SCADA/HMI phân cấp màn hình khoa học (đặc biệt là trang I/O SCREEN và ALARM SCREEN), giúp nhân viên vận hành chẩn đoán nhanh lỗi phần cứng, theo dõi trực quan áp suất đường ống mà không cần can thiệp trực tiếp vào tủ điện.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

So với các mô hình điều áp relay đơn giản hoặc đồ án lý thuyết thuần túy, đề tài mang lại đóng góp cụ thể:

  • Hiện thực hóa thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa cơ khí thủy lực, tủ điện phân phối công nghiệp, thiết bị đo lường áp suất và hệ thống điều khiển số.
  • Xây dựng giải thuật điều khiển tự động linh hoạt, kết hợp hài hòa giữa điều khiển liên tục (vòng kín PID biến tần) và điều khiển rời rạc (logic luân phiên theo thời gian, gọi bơm theo ngưỡng áp suất, chuyển mạch dự phòng khi sự cố).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Căn cứ theo nội dung báo cáo, tác giả đã chỉ rõ các giới hạn kỹ thuật của mô hình:

  • Quy mô hệ thống: Số lượng máy bơm chỉ giới hạn ở 02 máy bơm, chưa mô phỏng được các trạm bơm cấp nước đô thị có từ 3 đến 5 bơm phối hợp đa cấp.
  • Điểm đo lường áp suất: Mô hình chỉ lắp đặt duy nhất 01 cảm biến áp suất tại đường ống chính, do đó khả năng giám sát phân vùng mạng lưới còn thấp, chưa đo lường và bù áp được cho các nhánh ống tiêu thụ xa trạm.
  • Quy mô đường ống: Toàn bộ tuyến ống có chiều dài và độ cao dưới 2 mét, cấu trúc ống thẳng tương đối đơn giản; tổn thất áp suất do ma sát đường ống và tổn thất do cột áp trọng lực gần như triệt tiêu, chưa phản ánh đầy đủ đặc tính thủy lực phức tạp của mạng lưới cấp nước thực tế với các đoạn uốn cong, van giảm áp và chênh lệch cao độ lớn.
  • Động cơ máy bơm: Hệ thống sử dụng động cơ xoay chiều một pha có tụ vĩnh cửu (Panasonic GP-200JXK). Loại động cơ này có dải tần số làm việc an toàn với biến tần tương đối hẹp so với động cơ không đồng bộ ba pha công nghiệp, hạn chế khả năng điều chỉnh dải lưu lượng rộng.

Hướng nghiên cứu mở rộng

Từ các hạn chế trên, hướng phát triển tiếp theo của đề tài được định hướng:

  • Mở rộng quy mô trạm bơm lên 3 hoặc 4 máy bơm công suất lớn hơn, sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha để biến tần điều khiển tốc độ linh hoạt và đạt hiệu suất năng lượng cao hơn.
  • Bố trí thêm nhiều cảm biến áp suất và cảm biến lưu lượng tại các điểm nút trên mạng lưới phân phối nhằm thực hiện bài toán điều khiển áp suất phân vùng.
  • Thiết kế mạng lưới đường ống phức tạp hơn với các độ cao khác nhau để khảo sát và tính toán thực tế các hệ số tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường.
  • Nâng cấp hệ thống SCADA kết nối mạng Internet công nghiệp (Industrial IoT), hỗ trợ truyền thông từ xa, lưu trữ dữ liệu lớn (SQL/ODBC Database) và phân tích hiệu suất năng lượng của hệ thống bơm.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật cho:

  • Sinh viên và học viên: Các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện – Điện tử, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cấp thoát nước đang thực hiện các đồ án chuyên ngành, đồ án tốt nghiệp liên quan đến điều khiển trạm bơm, ứng dụng biến tần hoặc lập trình PLC.
  • Kỹ sư vận hành và thiết kế hệ thống cấp nước: Tham khảo phương án tích hợp hệ thống điều áp quy mô vừa và nhỏ, quy trình thiết kế tủ điện điều khiển và các giải thuật dự phòng tự động.

Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu trong tài liệu bao gồm:

  1. Bản vẽ thiết kế sơ đồ nối dây chi tiết giữa PLC S7-1200, biến tần Inovance qua chuẩn truyền thông công nghiệp và hệ thống khí cụ đóng cắt (Contactor, Relay nhiệt, Relay trung gian).
  2. Quy trình cấu hình và tích hợp khối hàm điều khiển PID Compact trên nền tảng phần mềm TIA Portal để ổn định áp suất vòng kín.
  3. Cấu trúc lưu đồ thuật toán điều khiển phối hợp nhiều chế độ: thủ công, luân phiên theo thời gian, gọi thêm bơm giờ cao điểm và chuyển mạch bơm dự phòng khi xảy ra sự cố.
  4. Phương pháp thiết kế hệ thống giao diện HMI chuẩn công nghiệp (gồm 7 màn hình chức năng) hỗ trợ giám sát toàn diện từ tham số vận hành, sơ đồ logic I/O cho đến quản lý cảnh báo lỗi.

Câu hỏi thường gặp

Câu 1: Đề tài sử dụng những thiết bị phần cứng chính nào để thực hiện việc điều khiển và đo lường áp suất?
Trả lời: Hệ thống sử dụng khối xử lý trung tâm là PLC Siemens SIMATIC S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC), biến tần Inovance MD200S1 điều khiển tốc độ động cơ, cảm biến áp suất Pressure Sensor ES-P300 đo áp suất đường ống trả về ngõ vào analog, cùng 02 máy bơm nước một pha Panasonic GP-200JXK.

Câu 2: Nguyên lý chuyển đổi giữa hai chế độ giờ thấp điểm và giờ cao điểm trong hệ thống được thiết lập như thế nào?
Trả lời: Trong giờ thấp điểm (nhu cầu dùng nước ít), hệ thống chạy chế độ luân phiên: hai máy bơm tự động hoán đổi thời gian hoạt động thông qua biến tần theo chu kỳ đặt trước trên HMI để mòn đều cơ khí. Trong giờ cao điểm (mở nhiều van xả), nếu một bơm chạy hết công suất tần số biến tần mà áp suất thực tế vẫn thấp hơn giá trị đặt sau thời gian trễ, PLC sẽ tự động kích hoạt gọi thêm máy bơm thứ hai đóng trực tiếp vào lưới điện để hỗ trợ bù áp.

Câu 3: Bộ điều khiển PID trong đồ án có vai trò gì và hàm truyền đạt lý thuyết của nó được định nghĩa ra sao?
Trả lời: Bộ điều khiển PID có vai trò tính toán sai lệch giữa áp suất đặt trên HMI và áp suất thực tế từ cảm biến ES-P300, từ đó tính toán tín hiệu điều khiển tần số xuất sang biến tần nhằm triệt tiêu sai số và ổn định áp lực nước. Hàm truyền đạt lý thuyết được sử dụng là:
$$W(p) = K_P \left(1 + \frac{1}{T_I p} + T_D p\right) = K_P + \frac{K_I}{p} + K_D p$$

Câu 4: Vì sao việc điều khiển tốc độ máy bơm trong mô hình lại gặp giới hạn về dải tần số của biến tần?
Trả lời: Do mô hình thực nghiệm sử dụng động cơ một pha có tụ vĩnh cửu của máy bơm Panasonic GP-200JXK. Đặc tính của loại động cơ này chỉ cho phép làm việc an toàn trong một dải tần số tương đối hẹp khi cấp nguồn qua biến tần, không mở rộng dải tần số linh hoạt như động cơ không đồng bộ ba pha công nghiệp.

Câu 5: Giao diện HMI trên WinCC được thiết kế bao gồm những màn hình chức năng nào?
Trả lời: Giao diện HMI bao gồm 7 màn hình: HOME SCREEN (trang chủ tổng quan), MANUAL SCREEN (điều khiển thủ công), AUTO SCREEN (vận hành tự động), SETTING SCREEN (cài đặt tham số áp suất, thời gian, hệ số PID), MONITOR SCREEN (giám sát tham số đo), I/O SCREEN (kiểm tra trạng thái ngõ vào/ra PLC) và ALARM SCREEN (quản lý cảnh báo lỗi).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát hệ thống bơm tăng áp chạy luân phiên" của tác giả Hoàng Anh Sơn và Nguyễn Viết Trường đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa trạm bơm điều áp quy mô vừa và nhỏ. Bằng việc ứng dụng đồng bộ bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, biến tần Inovance, giải thuật PID vòng kín và giao diện HMI WinCC, hệ thống đảm bảo duy trì áp suất ổn định, vận hành luân phiên linh hoạt và tự động xử lý các tình huống quá tải, mất áp. Mặc dù còn một số giới hạn về quy mô tuyến ống và chủng loại động cơ một pha, công trình đã xây dựng được mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, có độ tin cậy kỹ thuật cao và cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho các nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong lĩnh vực cấp thoát nước.