Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các công trình nhà cao tầng và khu đô thị hiện đại, hệ thống cung cấp nước sinh hoạt đóng vai trò hạ tầng thiết yếu. Hiện tượng sụt giảm áp lực nước vào các khung giờ cao điểm thường xuyên xảy ra, gây gián đoạn sinh hoạt của cư dân và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vận hành tòa nhà. Bên cạnh đó, các trạm bơm truyền thống thường sử dụng phương thức truyền động đóng cắt trực tiếp hoặc điều khiển thụ động, dẫn đến tổn thất năng lượng lớn. Theo thống kê thực tế, chi phí điện năng tiêu thụ cho động cơ bơm nước chiếm tới 30% đến 35% tổng chi phí vận hành hệ thống cấp nước. Việc ứng dụng công nghệ biến đổi tần số kết hợp với bộ điều khiển lập trình khả trình (PLC) mang lại giải pháp điều chỉnh tốc độ động cơ linh hoạt, duy trì ổn định áp suất và rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư.

Đồ án học phần tự động của tác giả Phạm Hồ Duy Mỹ, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Thủy Đăng Thanh tại Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng (tháng 10 năm 2022), tập trung giải quyết bài toán điều khiển tự động trạm bơm tăng áp cho tòa nhà 52 tầng.

Nhiệm vụ nghiên cứu và yêu cầu kỹ thuật của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế hệ thống cấp nước sinh hoạt cho tòa nhà 52 tầng, đảm bảo cung cấp tổng lưu lượng $Q = 59\text{ m}^3/\text{h}$ và duy trì áp suất ổn định trên đường ống là $7\text{ bar}$.
  2. Xây dựng cấu hình trạm bơm gồm 3 động cơ ba pha: hai bơm chính (bơm 1 và bơm 2) được điều khiển tốc độ qua biến tần và hoạt động luân phiên theo chu kỳ 24 giờ; một bơm phụ (bơm 3) khởi động trực tiếp qua khởi động từ để hỗ trợ khi áp suất thiếu hụt.
  3. Thu thập tín hiệu phản hồi từ cảm biến áp suất đường ống (dải đo $0 - 10\text{ bar}$, tín hiệu $0 - 10\text{ VDC}$) đưa về PLC xử lý và xuất tín hiệu điều khiển tương tự (analog) đến biến tần.
  4. Lập trình logic điều khiển hoàn chỉnh cho cả hai chế độ Vận hành bằng tay (MAN) và Tự động (AUTO), tích hợp các thuật toán xử lý sự cố quá tải từng bơm, quá tải toàn bộ hệ thống và dừng khẩn cấp (EMERGENCY).
  5. Tính toán, lựa chọn toàn bộ thiết bị phần cứng, khí cụ điện đóng cắt - bảo vệ, xây dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ bố trí tủ điện và thiết lập các thông số cài đặt cho biến tần.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều khiển tự động trạm bơm nước 3 cấp sử dụng PLC Siemens S7-1200 và biến tần Mitsubishi. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán thông số kỹ thuật, thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển, lập trình trên phần mềm TIA Portal và xây dựng cấu hình tham số cho dòng biến tần công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ ứng dụng

Đề tài dựa trên các nền tảng lý thuyết điều khiển tự động và truyền động điện công nghiệp:

  • Bộ điều khiển lập trình PLC SIMATIC S7-1200: Dòng vi điều khiển công nghiệp của hãng Siemens với cấu trúc mô-đun, tích hợp cổng truyền thông Profinet/Ethernet và xử lý mạnh mẽ các tác vụ logic cũng như hàm số thực. Hệ thống sử dụng phần mềm TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) phiên bản V16 để lập trình tập lệnh dạng Ladder Logic (LAD). Cùng với đó là mô-đun mở rộng tín hiệu tương tự SM 1234 (mã 6ES7234-4HE32-0XB0) hỗ trợ các ngõ vào/ra analog (AI/AO).
  • Công nghệ biến tần bán dẫn: Thiết bị biến đổi nguồn điện xoay chiều tần số cố định ($50\text{ Hz}$) thành nguồn điện có điện áp và tần số biến thiên cấp cho động cơ không đồng bộ ba pha. Tác giả khảo sát các dòng biến tần của Mitsubishi Electric gồm FR-A800, FR-F800, FR-A700, FR-E700, FR-F700, FR-D700, trong đó dòng FR-A700 được chọn lựa nhờ khả năng điều khiển vector và đáp ứng tải công nghiệp mạnh mẽ.
  • Cảm biến áp suất màng: Thiết bị đo áp suất sử dụng màng biến dạng bằng thép không gỉ tích hợp mạch khuếch đại điện tử, chuyển đổi áp lực môi chất thành tín hiệu điện áp tuyến tính $0 - 10\text{ VDC}$ tương ứng với dải áp suất $0 - 10\text{ bar}$.
  • Máy bơm ly tâm trục đứng đa tầng cánh: Dòng bơm cao áp chuyên dụng cho nhà cao tầng, hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi động năng thủy động lực học nhờ lực ly tâm qua nhiều tầng cánh cánh hở để tạo cột áp đẩy nước lên cao.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán thủy lực và phụ tải điện: Tính toán cột áp tổn thất ($H = H_1 + H_2 + H_3$), công suất định mức động cơ bơm, dòng điện làm việc định mức ($I_{\text{đm}}$), dòng tính toán chọn khí cụ bảo vệ ($I_{\text{OL}}$, $I_{\text{contactor}}$, $I_{\text{CB}}$) và mật độ dòng điện cho phép để xác định tiết diện cáp dẫn động lực.
  • Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển logic: Xây dựng giản đồ trạng thái Grafcet, bảng phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O) và viết code điều khiển tuần tự, xử lý tín hiệu analog tuyến tính trên TIA Portal.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật chuẩn từ tài liệu hướng dẫn (datasheet) của các nhà sản xuất Siemens, Mitsubishi Electric, Pentax, Danfoss, LS Industrial Systems và Cadivi.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ nguyên lý

Hệ thống cấp nước được thiết kế theo sơ đồ cấp nước trực tiếp từ bể chứa ngầm lên mạng lưới phân phối của tòa nhà 52 tầng thông qua cụm 3 máy bơm đấu song song:

  • Khối cấp nguồn: Lưới điện ba pha $U_d = 380\text{ V}$, $50\text{ Hz}$ và bộ nguồn phụ trợ $24\text{ VDC}$ cho mạch điều khiển PLC, cảm biến.
  • Khối xử lý trung tâm: PLC Siemens CPU 1214C DC/DC/DC kết hợp mô-đun analog SM 1234.
  • Khối điều khiển truyền động: Biến tần Mitsubishi FR-A740-15K điều khiển tốc độ quay của Bơm 1 và Bơm 2.
  • Khối chấp hành: Ba động cơ bơm ly tâm ba pha công suất $15\text{ HP}$ ($11\text{ kW}$), hệ thống contactor đóng cắt nguồn và rơ le nhiệt bảo vệ.
  • Khối đo lường và giao diện vận hành: Cảm biến áp suất Danfoss MBS 3000 gắn trên đường ống gom; bảng điều khiển tủ điện gồm các công tắc chọn chế độ (SW1, SW2, SW3), nút nhấn thao tác (START, STOP, EMER, RESET) và cụm đèn báo trạng thái (RUN-L, STOP-L, ERR-L).

Tính toán và lựa chọn thiết bị

STT Thiết bị / Khí cụ điện Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Số lượng
1 Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 14 DI (24VDC), 10 DO (Transistor), 2 AI (0-10V) 01 bộ
2 Mô-đun mở rộng Analog Siemens SM 1234 (6ES7234-4HE32-0XB0) 4 Ngõ vào Analog (AI), 2 Ngõ ra Analog (AO) 01 bộ
3 Biến tần công nghiệp Mitsubishi FR-A740-15K Công suất $15\text{ kW}$, điện áp 3 pha $380 - 480\text{ VAC}$ 02 bộ
4 Động cơ bơm ly tâm trục đứng Pentax MSVA 6/11 Công suất $15\text{ HP}$ ($11\text{ kW}$), $Q = 21\text{ m}^3/\text{h}$, Cột áp $H = 179\text{ m}$ 03 bộ
5 Cảm biến áp suất Danfoss MBS 3000 (MBS 3000-2015-A1AB04-0) Dải đo $0 - 10\text{ bar}$, tín hiệu ngõ ra $0 - 10\text{ VDC}$ 02 cái
6 Rơ le nhiệt bảo vệ quá tải LS MT-32 Dải chỉnh dòng định mức $28 - 40\text{ A}$ 01 cái
7 Khởi động từ (Contactor) LS MC-40a Dòng định mức $40\text{ A}$, điện áp cuộn hút AC 01 cái
8 Aptomat khối (MCCB tổng) LS ABN103c 3 Pha, dòng định mức $100\text{ A}$, dòng cắt $22\text{ kA}$ 01 cái
9 Dây cáp điện động lực Cadivi CV 6 Tiết diện ruột đồng $6\text{ mm}^2$, cách điện $0.6/1\text{ kV}$ 01 cuộn
10 Vỏ tủ điện công nghiệp Sơn tĩnh điện Kích thước $1354 \times 625 \times 300\text{ mm}$ 01 tủ

Ghi chú tính toán kỹ thuật:

  • Chiều cao hình học tòa nhà: $h = 52 \times 3\text{ m} = 156\text{ m}$. Cột áp yêu cầu tính toán: $H = H_1 + H_2 + H_3 = 156 + 6 + 15.6 = 177.6\text{ m}$ (chọn bơm có $H = 179\text{ m}$).
  • Dòng điện định mức của động cơ bơm $15\text{ HP}$: $I_{\text{đm}} = 21.7\text{ A}$.
  • Dòng tác động rơ le nhiệt: $I_{\text{OL}} = 1.3 \times I_{\text{đm}} = 1.3 \times 21.7 = 28.2\text{ A}$ (chọn dải $28 - 40\text{ A}$).
  • Dòng chọn contactor: $I_{\text{contactor}} \ge 1.5 \times I_{\text{đm}} = 32.5\text{ A}$ (chọn loại $40\text{ A}$).
  • Dòng định mức CB tổng cho trạm 3 bơm: $I_{\text{CB}} \ge 84.63\text{ A}$ (chọn MCCB 100A).
  • Tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng điện $J = 5\text{ A/mm}^2$: $S = 21.7 / 5 = 4.34\text{ mm}^2$ (chọn cáp Cadivi $6\text{ mm}^2$).

Bảng phân bổ địa chỉ I/O trên PLC S7-1200

Địa chỉ PLC Ký hiệu Tên thiết bị / Chức năng Địa chỉ PLC Ký hiệu Tên thiết bị / Chức năng
I0.1 SW1 Công tắc gạt điều khiển Bơm 1 Q0.0 RUN INV1 Lệnh chạy biến tần Bơm 1
I0.2 SW2 Công tắc gạt điều khiển Bơm 2 Q0.1 RUN INV2 Lệnh chạy biến tần Bơm 2
I0.3 SW3 Công tắc gạt điều khiển Bơm 3 Q0.3 ERR-L Đèn báo lỗi hệ thống
I0.6 ERROR 1 Tiếp điểm rơ le báo lỗi Biến tần 1 Q0.4 RUN-L Đèn báo hệ thống đang chạy
I0.7 ERROR 2 Tiếp điểm rơ le báo lỗi Biến tần 2 Q0.5 STOP-L Đèn báo hệ thống dừng
I1.0 OL3 Tiếp điểm phụ Rơ le nhiệt Bơm 3 AQ.0 INV 1 Tín hiệu áp Analog xuất cho Biến tần 1
AI0 SENSOR 1 Cảm biến áp suất đường ống 1 AQ.1 INV 2 Tín hiệu áp Analog xuất cho Biến tần 2

Quy trình điều khiển và thuật toán vận hành

  1. Trạng thái ban đầu: Cấp nguồn hệ thống, đèn báo pha và đèn STOP-L sáng.
  2. Chế độ MAN:
    • Bật SW1: PLC kích biến tần chạy Bơm 1 ở tốc độ định mức; tắt SW1 thì dừng Bơm 1.
    • Bật SW2: PLC kích biến tần chạy Bơm 2 ở tốc độ định mức; tắt SW2 thì dừng Bơm 2.
    • Bật SW3: PLC kích contactor đóng điện cho Bơm 3; tắt SW3 thì dừng Bơm 3.
  3. Chế độ AUTO:
    • Nhấn START: Đèn RUN-L sáng, STOP-L tắt. PLC đọc tín hiệu cảm biến áp suất ($0 - 10\text{ VDC}$), thực hiện chuyển đổi tuyến tính sang dải điện áp ngõ ra ($0 - 10\text{ VDC}$) cấp cho biến tần: khi áp suất đường ống bằng $0\text{ bar}$ (tín hiệu vào $0\text{ V}$), ngõ ra PLC xuất $10\text{ VDC}$ để biến tần chạy tối đa công suất; khi áp suất $\ge 7\text{ bar}$, ngõ ra PLC giảm về $0\text{ VDC}$.
    • Khởi động Bơm 1 chạy trước. Sau chu kỳ $24\text{ giờ}$, PLC tự động chuyển đổi sang Bơm 2 và dừng Bơm 1, thực hiện luân phiên liên tục theo ngày.
    • Nếu Bơm 1 hoặc Bơm 2 hoạt động liên tục trong $30\text{ phút}$ mà áp suất đường ống vẫn chưa đạt $7\text{ bar}$, PLC sẽ kích contactor đóng nguồn cho Bơm phụ 3 chạy trực tiếp cùng lúc. Trong suốt thời gian Bơm 3 chạy, biến tần vẫn điều tiết tốc độ bơm chính để ổn định áp suất ở mức $7\text{ bar}$.
    • Khi áp suất đường ống vượt quá $7\text{ bar}$, PLC tự động ngắt Bơm 3, chỉ duy trì 1 bơm chính hoạt động dưới sự điều khiển của biến tần.
    • Nhấn STOP: Hệ thống dừng toàn bộ, đèn RUN-L tắt, STOP-L sáng.
  4. Xử lý sự cố và trạng thái khẩn cấp:
    • Quá tải Bơm 1: Dừng Bơm 1, bật đèn ERR-L và RUN-L, PLC tự động chuyển mạch kích hoạt Bơm 2 chạy thay thế.
    • Quá tải Bơm 2: Dừng Bơm 2, bật đèn ERR-L và RUN-L, PLC tự động chuyển mạch kích hoạt Bơm 1.
    • Quá tải Bơm 3: Dừng Bơm 3, bật đèn ERR-L và RUN-L, bơm chính (Bơm 1 hoặc 2) tiếp tục hoạt động theo tín hiệu áp suất.
    • Cả 3 bơm cùng quá tải: Dừng toàn bộ hệ thống, đèn ERR-L và STOP-L sáng, RUN-L tắt.
    • Nhấn nút Dừng khẩn cấp EMER: Toàn bộ trạm bơm lập tức ngừng hoạt động, đèn STOP-L và ERR-L sáng. Sau khi nhả nút EMER, người vận hành bắt buộc phải nhấn nút RESET để đưa hệ thống về trạng thái ban đầu.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa trạm bơm cấp nước trong các tòa nhà cao tầng và các ngành công nghiệp. Tác giả phân tích cơ cấu giá thành sản xuất nước sạch, trong đó chi phí điện năng chiếm tỷ trọng lớn ($30 - 35%$), từ đó khẳng định việc thay thế phương thức truyền động truyền thống bằng hệ thống biến tần điều khiển tốc độ theo áp suất thực tế là giải pháp tiết kiệm năng lượng tối ưu và có thời gian thu hồi vốn nhanh. Chương này cũng xác định rõ các mục tiêu nghiên cứu cụ thể, ý nghĩa khoa học và giới hạn phạm vi mô hình hóa đồ án.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tác giả hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết nền tảng cho việc thiết kế:

  • Phân tích cấu trúc phần cứng, bộ nhớ (Work memory, Load memory, Retentive memory), tốc độ xử lý phép toán Boolean ($0.08\text{ }\mu\text{s}/\text{lệnh}$) và khả năng mở rộng của các dòng CPU PLC S7-1200 (từ 1211C đến 1215C).
  • Giới thiệu môi trường phần mềm TIA Portal V16, các ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn (LAD, STL, FBD, GRAPH) và thông số mô-đun analog SM 1234.
  • Trình bày cấu tạo màng thép không gỉ, bộ khuếch đại và nguyên lý chuyển đổi biến dạng cơ khí thành tín hiệu dòng/áp của cảm biến áp suất Danfoss.
  • Khảo sát nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu biến tần và tính năng của các dòng biến tần Mitsubishi Electric (FR-A800, FR-F800, FR-A700, FR-E700, FR-F700, FR-D700).
  • Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính thủy lực của máy bơm ly tâm trục đứng đa tầng cánh.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ

Nội dung chương 3 tập trung vào các bước tính toán công nghệ và thiết kế mạch điện:

  • Xây dựng sơ đồ bố trí mạng cấp nước trực tiếp và sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển.
  • Tính toán cột áp thủy lực tổng thể $H = 177.6\text{ m}$ cho tòa nhà 52 tầng và lựa chọn dòng máy bơm Pentax MSVA 6/11 ($15\text{ HP}$, $Q = 21\text{ m}^3/\text{h}$, $H = 179\text{ m}$).
  • Tính chọn các khí cụ điện mạch động lực và điều khiển gồm: PLC S7-1200 CPU 1214C, cảm biến Danfoss MBS 3000, Rơ le nhiệt LS MT-32, Contactor LS MC-40a, MCCB LS ABN103c-100A, cáp Cadivi $6\text{ mm}^2$ và biến tần Mitsubishi FR-A740-15K.
  • Vẽ sơ đồ bố trí không gian thiết bị trong tủ điện công nghiệp kích thước $1354 \times 625 \times 300\text{ mm}$ và lập bảng dự toán chi phí tổng hợp cho hệ thống (ước tính $365.9$ triệu đồng).

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 mô tả chi tiết logic điều khiển của hệ thống thông qua:

  • Bản quy trình công nghệ 18 bước chi tiết quy định hoạt động ở trạng thái cấp nguồn ban đầu, chế độ vận hành bằng tay qua công tắc SW, chế độ tự động duy trì áp suất $7\text{ bar}$ với chu kỳ luân phiên 24 giờ và kích hoạt bơm phụ sau 30 phút thiếu áp.
  • Bảng phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O).
  • Xây dựng giản đồ trạng thái Grafcet cho toàn bộ các chế độ hoạt động bình thường, các kịch bản quá tải từng bơm và chế độ dừng khẩn cấp EMERGENCY kèm khâu RESET phục hồi.
  • Cấu trúc chương trình điều khiển dạng Ladder Logic trên phần mềm TIA Portal V16.

CHƯƠNG 5: CÀI ĐẶT BIẾN TẦN

Tác giả hướng dẫn chi tiết quy trình thiết lập tham số cho biến tần Mitsubishi dòng FR-A700:

  • Giới thiệu cấu trúc panel vận hành và phương pháp truy cập tham số.
  • Thiết lập các thông số cơ bản của biến tần và động cơ bơm (điện áp định mức, dòng điện định mức, tần số cực đại/cực tiểu).
  • Cài đặt thời gian tăng tốc (Pr.7) và thời gian giảm tốc (Pr.8) nhằm tránh hiện tượng búa nước trong đường ống khi khởi động/dừng bơm; thiết lập moment khởi động (Pr.0).
  • Cấu hình các chức năng bảo vệ quá tải, quá dòng, mất pha.
  • Cài đặt chế độ điều khiển tần số thông qua ngõ vào analog điện áp $0 - 10\text{ VDC}$ từ PLC kết nối vào chân 2 và chân 5 của biến tần.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương tổng kết đánh giá các kết quả đạt được về mặt tính toán thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển tự động và cài đặt thiết bị truyền động. Tác giả chỉ ra các điểm còn hạn chế của đề tài và đề xuất các định hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện tính toán và cấu hình phần cứng: Đồ án đã tính toán đầy đủ các thông số kỹ thuật thủy lực và điện năng cho hệ thống cấp nước sinh hoạt tòa nhà 52 tầng, đáp ứng lưu lượng $Q = 59\text{ m}^3/\text{h}$ và cột áp $H = 177.6\text{ m}$. Toàn bộ danh mục thiết bị đóng cắt, bảo vệ và dây dẫn đã được lựa chọn chính xác theo tiêu chuẩn công nghiệp.
  2. Xây dựng giải pháp điều khiển luân phiên và bù áp tối ưu: Thiết lập thành công thuật toán điều khiển tự động cho phép 2 bơm chính chạy luân phiên theo chu kỳ 24 giờ để cân bằng thời gian vận hành cơ khí giữa các máy bơm; tự động kích hoạt bơm phụ thứ 3 sau 30 phút nếu áp suất không đạt $7\text{ bar}$ và tự động ngắt bơm phụ khi áp suất vượt ngưỡng.
  3. Hoàn chỉnh logic an toàn và xử lý sự cố: Thiết lập cơ chế tự động chuyển đổi bơm khi phát hiện sự cố quá tải tại bất kỳ vị trí bơm nào, bảo vệ toàn diện trạm bơm khi xảy ra quá tải đồng thời và đáp ứng tiêu chuẩn an toàn công nghiệp với nút dừng khẩn cấp EMER.
  4. Tài liệu hóa quy trình cài đặt biến tần: Xây dựng bảng thông số cài đặt cụ thể cho biến tần Mitsubishi FR-A700 nhận tín hiệu điều khiển analog từ PLC.

Đóng góp thực tiễn

Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực/mạch điều khiển, bố trí mặt bằng tủ điện cho đến chương trình lập trình điều khiển PLC và cấu hình biến tần. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tế cao, giúp các đơn vị quản lý vận hành tòa nhà tiết kiệm điện năng tiêu thụ và duy trì ổn định chất lượng dịch vụ cấp nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Điểm còn hạn chế

  • Đồ án chủ yếu dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ kỹ thuật và mô phỏng chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal, chưa có điều kiện thi công mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh do giới hạn về kinh phí và thời gian.
  • Thuật toán điều khiển áp suất sử dụng phương pháp chuyển đổi tuyến tính analog trực tiếp, chưa tích hợp thuật toán điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID Closed-Loop Control) hoàn chỉnh trong PLC để tối ưu hóa thời gian đáp ứng và triệt tiêu sai số xác lập của áp suất đường ống.
  • Hệ thống chưa được xây dựng giao diện điều khiển và giám sát thu thập dữ liệu (HMI/SCADA) để phục vụ công tác theo dõi từ xa và lưu trữ dữ liệu vận hành.

Hướng phát triển

  • Tích hợp khối hàm công nghệ PID (PID Compact) trên PLC S7-1200 để nâng cao độ chính xác và tính ổn định khi điều khiển áp suất động cơ biến tần.
  • Thiết kế giao diện HMI cảm ứng tại mặt tủ điện và phát triển hệ thống SCADA kết nối qua mạng truyền thông công nghiệp (Profinet/Modbus TCP) để giám sát trạng thái trạm bơm từ trung tâm điều hành tòa nhà.
  • Mở rộng phạm vi áp dụng giải pháp điều khiển vòng kín cho các hệ thống công nghiệp tương tự như điều khiển nhiệt độ lò nung hoặc hệ thống thông gió - điều hòa không khí trung tâm (HVAC).

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện công nghiệp, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán khí cụ điện, kỹ năng lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal, xây dựng lưu đồ Grafcet và phương pháp ghép nối truyền thông analog với biến tần công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E) và kỹ thuật viên vận hành tòa nhà: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho quy trình tính chọn thiết bị trạm bơm tăng áp cao tầng, sơ đồ đấu nối tủ điện động lực và bảng thông số cấu hình biến tần Mitsubishi FR-A700.

Câu hỏi thường gặp

1. Áp suất và lưu lượng yêu cầu của hệ thống cấp nước trong đồ án là bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế để cấp nước sinh hoạt cho tòa nhà cao 52 tầng với yêu cầu duy trì áp suất ổn định trên đường ống là $7\text{ bar}$ và cung cấp tổng lưu lượng nước là $Q = 59\text{ m}^3/\text{h}$.

2. Quy luật vận hành luân phiên và kích hoạt bơm phụ (Bơm 3) trong chế độ AUTO được thiết kế như thế nào?

Trong chế độ AUTO, PLC kích hoạt Bơm 1 hoạt động trước dưới sự điều chỉnh tốc độ của biến tần. Sau chu kỳ $24\text{ giờ}$, PLC tự động ngắt Bơm 1 và chuyển quyền điều khiển sang Bơm 2; quy trình luân phiên này lặp lại liên tục theo ngày. Nếu trong quá trình chạy, Bơm 1 hoặc Bơm 2 vận hành liên tục $30\text{ phút}$ mà áp suất đường ống vẫn chưa đạt $7\text{ bar}$, PLC sẽ kích contactor đóng điện cho Bơm phụ 3 chạy trực tiếp để bù áp. Khi áp suất đường ống vượt qua $7\text{ bar}$, PLC sẽ lập tức cắt nguồn Bơm 3.

3. Tín hiệu analog từ cảm biến áp suất được chuyển đổi và đưa vào biến tần theo nguyên lý nào?

Cảm biến áp suất Danfoss MBS 3000 đo áp suất đường ống ($0 - 10\text{ bar}$) và xuất tín hiệu điện áp $0 - 10\text{ VDC}$ về chân ngõ vào analog của PLC. PLC thực hiện chuyển đổi tuyến tính: nếu áp suất ngõ vào là $0\text{ bar}$ ($0\text{ VDC}$), PLC xuất tín hiệu analog $10\text{ VDC}$ đưa vào ngõ nhận analog của biến tần để chạy tối đa tốc độ; nếu áp suất đạt $\ge 7\text{ bar}$, PLC xuất tín hiệu analog $0\text{ VDC}$ để giảm tốc độ biến tần.

4. Hệ thống xử lý như thế nào khi xảy ra sự cố quá tải ở các máy bơm và trường hợp khẩn cấp?

Khi Bơm 1 quá tải, hệ thống dừng Bơm 1, bật đèn ERR-L và RUN-L, PLC tự động chuyển sang Bơm 2. Khi Bơm 2 quá tải, hệ thống chuyển sang Bơm 1. Khi Bơm 3 quá tải, Bơm 3 dừng và bơm chính vẫn chạy bình thường. Nếu cả 3 bơm đều quá tải, toàn bộ hệ thống sẽ dừng, bật đèn ERR-L và STOP-L. Trong trường hợp nhấn nút khẩn cấp EMER, toàn bộ hệ thống ngừng tức thì; khi nhả nút EMER, người vận hành bắt buộc phải nhấn nút RESET thì hệ thống mới có thể tái khởi động.

Kết luận

Đồ án "Điều khiển bơm nước tự động dùng PLC và biến tần Mitsubishi" của tác giả Phạm Hồ Duy Mỹ đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế trạm bơm tăng áp cấp nước cho tòa nhà cao 52 tầng. Nghiên cứu cung cấp cơ sở tính toán thủy lực và điện động lực chuẩn xác, lựa chọn đồng bộ các thiết bị công nghiệp gồm PLC Siemens S7-1200, biến tần Mitsubishi FR-A740-15K, bơm ly tâm trục đứng Pentax và cảm biến Danfoss. Logic điều khiển tự động được xây dựng khoa học, đáp ứng tốt yêu cầu luân phiên vận hành, bù áp linh hoạt và bảo vệ an toàn đa cấp, tạo tiền đề thực tiễn cho việc triển khai các hệ thống điều khiển tự động hóa trong hạ tầng công trình hiện đại.