Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa nông nghiệp tại Việt Nam, phần lớn hoạt động canh tác tại các nông hộ và trang trại vẫn phụ thuộc chủ yếu vào phương thức tưới tiêu thủ công. Cách tiếp cận truyền thống này đòi hỏi nguồn nhân công lớn, tiêu hao nhiều thời gian, khó mở rộng quy mô sản xuất và gây lãng phí nghiêm trọng nguồn tài nguyên nước tưới. Dưới tác động tiêu cực của hiện tượng biến đổi khí hậu và hiện tượng khô hạn kéo dài trong mùa khô, việc không kiểm soát kịp thời độ ẩm đất canh tác trực tiếp làm suy giảm sức sống cây trồng, dẫn đến nguy cơ mất mùa trên diện rộng.

Độ ẩm đất là chỉ số sinh học - nông học cốt lõi quyết định trực tiếp đến quá trình trao đổi chất và năng suất sinh trưởng của cây trồng. Việc tự động hóa giám sát và điều khiển chế độ tưới dựa trên các thông số đo đạc thời gian thực từ cảm biến là giải pháp kỹ thuật cấp thiết. Đồ án học phần "Điều khiển và giám sát hệ thống tưới tiêu" được thực hiện tại Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng nhằm giải quyết bài toán tự động hóa trạm tưới nông nghiệp quy mô vừa và nhỏ thông qua bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 kết hợp giao diện phần mềm WinCC.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật của đề tài được xác định gồm 4 nội dung chính:

  1. Tính toán, lựa chọn các thiết bị động lực, khí cụ đóng cắt - bảo vệ và bố trí tủ điện điều khiển công nghiệp cho trạm bơm tưới tiêu 3 pha.
  2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực, sơ đồ đấu nối liên kết giữa bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 với các thiết bị vào/ra (cảm biến, khí cụ điều khiển, cơ cấu chấp hành).
  3. Xây dựng thuật toán và lập trình chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal, thực hiện chế độ tự động điều khiển bơm và độ mở van tuyến tính theo độ ẩm đất, áp suất đường ống và thời gian định trước, tích hợp cơ chế bảo vệ sự cố.
  4. Thiết kế giao diện người - máy HMI/SCADA trên nền tảng WinCC RT Professional nhằm phục vụ công tác giám sát tham số công nghệ và điều khiển vận hành từ máy tính trung tâm.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống tự động điều khiển trạm bơm ly tâm 3 pha kết hợp van bướm điều khiển điện tuyến tính, duy trì áp suất đường ống từ 5 đến 7 bar và điều tiết độ ẩm đất canh tác. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình điều khiển tự động hóa trạm tưới đơn kênh sử dụng lưới điện 3 pha $U_d = 380\text{ V}$, áp suất tĩnh khi dừng hệ thống là $1\text{ bar}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và thiết bị công nghệ

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa quá trình công nghiệp và kỹ thuật điện - khí cụ điện, khai thác các công nghệ phần cứng và phần mềm chuyên dụng:

  • Bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Dòng điều khiển SIMATIC S7-1200 của hãng Siemens, tích hợp cổng truyền thông công nghiệp PROFINET (Ethernet), hỗ trợ tập lệnh mạnh mẽ cho xử lý số học, xử lý tín hiệu analog và các khối hàm logic logic tuần tự.
  • Cảm biến đo độ ẩm đất: Thiết bị đo chuyên dụng hoạt động trên nguyên lý cảm biến điện dung hoặc điện trở, chuyển đổi mức độ hấp thụ hơi nước trong đất thành tín hiệu điện áp tiêu chuẩn $0 - 10\text{ VDC}$ tương ứng dải đo $0 - 100%$.
  • Cảm biến áp suất đường ống: Cảm biến áp suất màng kim loại bằng thép không gỉ, chuyển đổi độ biến dạng của màng dưới tác động lực thủy tĩnh sang tín hiệu điện áp $0 - 10\text{ VDC}$ (hoặc dòng điện $4 - 20\text{ mA}$) cho dải đo $0 - 10\text{ bar}$.
  • Cơ cấu chấp hành: Máy bơm nước ly tâm trục ngang truyền động bằng động cơ không đồng bộ 3 pha; van bướm điều khiển điện tuyến tính nhận tín hiệu điều khiển analog $0 - 10\text{ V}$ để xoay góc mở theo yêu cầu lưu lượng, hạn chế hiện tượng sốc áp và rung giật đường ống.
  • Hệ thống phần mềm: Nền tảng TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) phiên bản V15 tích hợp môi trường lập trình Step 7 Basic và hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu WinCC (Graphics Designer, Alarm Logging, Tag Logging, Report Designer).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật điện: Vận dụng các công thức tính toán dòng điện định mức, dòng định mức bảo vệ của rơ le nhiệt, chọn dòng cắt định mức của khí cụ đóng cắt (MCCB, Contactor) và tính chọn tiết diện dây dẫn theo mật độ dòng điện kinh tế.
  • Phương pháp phân tích giải thuật điều khiển: Xây dựng lưu đồ công nghệ và giản đồ Grafcet phân định rõ các trạng thái vận hành bình thường, chế độ hoạt động tự động theo độ ẩm/thời gian, trạng thái dừng khẩn cấp (EMERGENCY) và quy trình xử lý lỗi hệ thống.
  • Phương pháp lập trình và mô phỏng tích hợp: Cấu hình phần cứng trên TIA Portal, lập trình chu kỳ xử lý tín hiệu analog ($0.1\text{ s}$), gán tag và thiết kế giao diện đồ họa tương tác HMI trên WinCC RT Professional.
  • Nguồn dữ liệu tham khảo: Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính hãng của Siemens (S7-1200 Programmable Controller System Manual), bảng tra thông số kỹ thuật khí cụ điện của hãng LS Electric, thông số kỹ thuật bơm ly tâm Pentax và các catalog thiết bị cảm biến công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc hệ thống và sơ đồ khối điều khiển

Hệ thống điều khiển và giám sát được tổ chức thành 7 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện động lực 3 pha $380\text{ VAC}$ cho máy bơm và nguồn điều khiển $220\text{ VAC} / 24\text{ VDC}$ cho PLC, cảm biến và rơ le trung gian.
  2. Khối tín hiệu vào: Gồm các nút nhấn vận hành (START, STOP, RESET, EMER), tiếp điểm phụ báo lỗi của rơ le nhiệt, tín hiệu analog từ cảm biến độ ẩm đất và cảm biến áp suất đường ống.
  3. Khối xử lý trung tâm (PLC): PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RL đảm nhận việc xử lý tín hiệu logic, giải thuật điều khiển analog và truyền thông giám sát.
  4. Khối trung gian: Các rơ le trung gian nhận lệnh xuất từ ngõ ra số (DO) của PLC để cách ly và đóng cắt cuộn hút của Contactor cùng hệ thống đèn báo.
  5. Khối van tuyến tính: Nhận tín hiệu điều khiển analog $0 - 10\text{ VDC}$ từ module ngõ ra analog (AO) của PLC để điều chỉnh tỷ lệ góc mở van ($0%, 25%, 50%, 100%$).
  6. Khối cơ cấu chấp hành: Gồm Contactor điều khiển động cơ máy bơm ly tâm 3 pha và các đèn chỉ thị trạng thái (STOP-L, RUN-L, ERR-L, đèn báo nguồn 3 pha).
  7. Khối giao diện giám sát, điều khiển: Máy tính cài đặt WinCC RT Professional kết nối với PLC qua cáp mạng Profinet/Ethernet.
Loại cổng Tên thiết bị Ký hiệu / Mã địa chỉ Thông số kỹ thuật / Chức năng
Ngõ vào số (DI) Nút nhấn START I0.4 Nút nhấn nhả mở máy hệ thống
Nút nhấn STOP Địa chỉ DI phần cứng Nút nhấn nhả dừng hệ thống về trạng thái chờ
Nút nhấn RESET Địa chỉ DI phần cứng Nút xóa trạng thái lỗi sau khắc phục
Nút nhấn EMER Địa chỉ DI phần cứng Nút dừng khẩn cấp dạng duy trì trạng thái
Tiếp điểm Rơ le nhiệt Địa chỉ DI phần cứng Tiếp điểm thường đóng/hở báo sự cố quá tải
Ngõ vào tương tự (AI) Cảm biến độ ẩm đất IW64 Cảm biến ES-SM-TH-01, tín hiệu $0 - 10\text{ VDC}$
Cảm biến áp suất nước IW66 Model PT21-10-B50, tín hiệu $0 - 10\text{ VDC}$
Ngõ ra số (DO) Cuộn hút Contactor bơm Q0.0 Điều khiển đóng cắt động cơ bơm 3 pha
Đèn chỉ thị RUN-L Q0.3 Báo hiệu hệ thống đang trong trạng thái chạy
Đèn STOP-L / ERR-L Địa chỉ DO phần cứng Báo trạng thái dừng (Vàng) / Báo sự cố (Đỏ)
Ngõ ra tương tự (AO) Van bướm điều khiển điện QW96 Tín hiệu $0 - 10\text{ VDC}$ điều khiển độ mở tuyến tính

Tính toán và lựa chọn thiết bị công nghiệp

Căn cứ vào lưu lượng nước yêu cầu là $225\text{ m}^3/\text{h}$, đồ án lựa chọn máy bơm ly tâm trục ngang Pentax model CM80-160A với công suất định mức $P_{đm} = 22\text{ kW}$ ($22.000\text{ W}$), điện áp dây $U_{đm} = 380\text{ V}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0.9$ và hiệu suất động cơ $\eta = 0.92$.

Dòng điện định mức của động cơ bơm được xác định theo công thức: $$I_{đm} = \frac{P_{đm}}{\sqrt{3} \cdot U_{đm} \cdot \eta \cdot \cos\varphi} = \frac{22000}{\sqrt{3} \cdot 380 \cdot 0.92 \cdot 0.9} \approx 40.36\text{ A}$$

Từ giá trị dòng định mức tính toán, các khí cụ điện và dây dẫn được tính chọn theo hệ số an toàn quy chuẩn:

  • Rơ le nhiệt (Thermal Overload Relay): Chọn hệ số quá tải $k = 1.3$, dòng tác động định mức: $$I_{RN} = k \cdot I_{đm} = 1.3 \cdot 40.36 = 52.468\text{ A}$$ Tra bảng mã rơ le nhiệt hãng LS Electric, chọn model MT-63 (dải chỉnh dòng $45 - 65\text{ A}$).
  • Khởi động từ (Contactor): Chọn hệ số an toàn $k = 1.4$, dòng định mức Contactor: $$I_{Contactor} \ge k \cdot I_{đm} = 1.4 \cdot 40.36 = 56.504\text{ A}$$ Chọn Contactor 3 cực cuộn hút AC của hãng LS mã MC-65a (dòng định mức $65\text{ A}$, tương thích với rơ le nhiệt MT-63).
  • Aptomat khối cho máy bơm (MCCB nhánh): Chọn hệ số dòng định mức $k = 1.4$, dòng bảo vệ: $$I_{CB} = 1.4 \cdot 40.36 = 56.504\text{ A}$$ Chọn MCCB 3 pha hãng LS mã ABN103c - 60A (dòng định mức $60\text{ A}$).
  • Aptomat tổng (MCCB tổng): Chọn MCCB 3 pha hãng LS mã ABN103c - 75A (dòng định mức $75\text{ A}$) nhằm đảm bảo tính chọn lọc khi phối hợp bảo vệ.
  • Dây dẫn mạch động lực: Với mật độ dòng điện cho phép của dây đồng $J = 5\text{ A/mm}^2$, tiết diện ruột dẫn yêu cầu: $$S = \frac{I_{đm}}{J} = \frac{40.36}{5} = 8.072\text{ mm}^2$$ Quy chuẩn chọn cáp đồng có tiết diện danh định là $10\text{ mm}^2$.
STT Tên thiết bị Mã hiệu / Quy cách Số lượng Nhà sản xuất / Đơn vị tham khảo
1 Bộ điều khiển PLC SIMATIC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RL 01 Siemens
2 Cảm biến độ ẩm đất ES-SM-TH-01 (ngõ ra áp $0 - 10\text{ VDC}$) 01 EPCB
3 Cảm biến áp suất nước PT21-10-B50-0/10 BAR (ngõ ra $0 - 10\text{ VDC}$) 01 Sensors.vn
4 Máy bơm ly tâm trục ngang CM80-160A (Công suất $22\text{ kW}$, $72 - 225\text{ m}^3/\text{h}$) 01 Pentax
5 Van bướm điều khiển điện DN80/80A (Lưu lượng $290\text{ m}^3/\text{h}$, ngõ vào $0 - 10\text{ V}$) 01 PGTech
6 Rơ le nhiệt bảo vệ MT-63 (Dải tác động $45 - 65\text{ A}$) 01 LS Electric
7 Khởi động từ (Contactor) MC-65a (Dòng định mức $65\text{ A}$) 01 LS Electric
8 Cầu dao tự động nhánh MCCB ABN103c - 60A 01 LS Electric
9 Cầu dao tự động tổng MCCB ABN103c - 75A 01 LS Electric
10 Nút nhấn nhả điều khiển CR-251-1 (Nút START, STOP, RESET) 03 Hanyoung Nux
11 Nút dừng khẩn cấp CR-257R (Dạng nấm xoay giữ) 01 Hanyoung Nux
12 Đèn báo pha / chỉ thị CR-252 (Đỏ, Vàng, Xanh) 03 Hanyoung Nux
13 Vỏ tủ điện công nghiệp Kích thước $900 \times 600 \times 300\text{ mm}$ 01 Chế tạo tiêu chuẩn

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu phân tích thực trạng tưới tiêu nông nghiệp tại Việt Nam, nêu bật tính cấp thiết của việc áp dụng giải pháp điều khiển tự động hóa bằng PLC để duy trì độ ẩm ổn định, tiết kiệm nguồn nước và nâng cao năng suất canh tác thích ứng với biến đổi khí hậu. Đồ án xác lập mục tiêu nghiên cứu, trình bày phương pháp thực hiện từ khâu khảo sát, tính chọn khí cụ điện, thiết kế bản vẽ sơ đồ đấu nối, xây dựng thuật toán điều khiển trên S7-1200 đến thiết kế giao diện SCADA trên WinCC, đồng thời khái quát cấu trúc 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 trình bày tổng quan cấu trúc phần cứng của dòng PLC Siemens S7-1200, so sánh chi tiết thông số kỹ thuật (bộ nhớ làm việc Work Memory, Load Memory, cấu hình I/O tích hợp, khả năng mở rộng module truyền thông và module tín hiệu) của các dòng CPU từ 1211C, 1212C, 1214C đến 1215C. Chương này làm rõ cấu tạo và nguyên lý đo của cảm biến độ ẩm đất (cảm biến điện dung/điện trở), cảm biến áp suất màng kim loại, van bướm điều khiển điện tuyến tính và máy bơm ly tâm trục ngang. Bên cạnh đó, tác giả giới thiệu môi trường kỹ thuật tích hợp TIA Portal V15 và các phân hệ chức năng chuyên dụng của phần mềm SCADA WinCC (Graphics Designer, Alarm Logging, Tag Logging, Report Designer).

Chương 3: Thiết kế hệ thống và tính chọn thiết bị

Chương 3 là phần trọng tâm về thiết kế phần cứng, cung cấp sơ đồ bố trí tổng thể trạm bơm, sơ đồ khối điều khiển hệ thống, sơ đồ kết nối I/O của PLC S7-1200 và sơ đồ đấu dây mạch động lực trạm bơm 3 pha qua Contactor, Rơ le nhiệt. Tác giả trình bày phương pháp tính toán dòng điện định mức phụ tải ($I_{đm} = 40.36\text{ A}$), từ đó đưa ra cơ sở lựa chọn PLC CPU 1212C AC/DC/RL, bơm Pentax $22\text{ kW}$, van bướm DN80/80A, cảm biến độ ẩm ES-SM-TH-01, cảm biến áp suất PT21-10-B50, rơ le nhiệt LS MT-63, Contactor LS MC-65a, MCCB nhánh ABN103c-60A, MCCB tổng ABN103c-75A, dây dẫn đồng $10\text{ mm}^2$ và bố cục lắp đặt thiết bị bên trong vỏ tủ điện $900 \times 600 \times 300\text{ mm}$ kèm bảng tổng hợp giá thành thiết bị.

Chương 4: Chương trình điều khiển

Chương này mô tả chi tiết quy trình công nghệ điều khiển hệ thống tưới tiêu và mô hình hóa giải thuật thông qua giản đồ trạng thái Grafcet cho 3 tình huống: vận hành bình thường, vận hành khi phát sinh lỗi và vận hành khi nhấn nút dừng khẩn cấp (EMERGENCY). Chương trình điều khiển được viết trên TIA Portal gồm:

  • Đoạn chương trình lấy mẫu và chuẩn hóa tín hiệu analog định kỳ $0.1\text{ s}$ từ cảm biến độ ẩm và cảm biến áp suất.
  • Logic điều khiển tự động theo độ ẩm đất (W) phân tầng theo 4 mức:
    • $30% \le W < 50%$: Bật bơm, mở $100%$ van tưới.
    • $50% \le W < 60%$: Bật bơm, mở $50%$ van tưới ($1/2$).
    • $60% \le W < 70%$: Bật bơm, mở $25%$ van tưới ($1/4$).
    • $W \ge 70%$: Dừng bơm, đóng van hoàn toàn.
  • Logic điều khiển tự động theo thời gian cài đặt: Bơm chạy và mở van khi đến giờ hẹn và $W < 60%$; bơm dừng và đóng van khi hết thời gian hẹn hoặc độ ẩm đạt $W > 70%$.
  • Chương trình giám sát và xử lý lỗi: Tự động ngắt bơm và kích hoạt đèn cảnh báo ERR-L khi rơ le nhiệt nhảy, khi van kẹt làm áp suất vượt ngưỡng $p > 7\text{ bar}$, hoặc khi độ ẩm bất thường ($W < 30%$ hoặc $W \ge 80%$). Chương trình tích hợp chức năng ghi nhớ trạng thái lỗi khi mất điện và yêu cầu thao tác nút RESET để tái lập hệ thống về trạng thái ban đầu.

Chương 5: Thiết kế giao diện giám sát và kết nối giao diện với PLC

Chương 5 hướng dẫn chi tiết quy trình thiết kế giao diện vận hành trực quan trên WinCC RT Professional. Giao diện được cấu trúc chuẩn hóa thành 3 phân vùng chính trên nền trắng: Bảng điều khiển, Quy trình công nghệ và Bảng trạng thái. Tác giả trình bày kỹ thuật gán tag truyền thông, tạo thuộc tính động (Animation) thay đổi trạng thái màu sắc của bơm, van, đường ống và các nút bấm tương tác (START, STOP, RESET, EMER hình tròn màu xám, nút EXIT hình chữ nhật bo góc, Switch gạt chọn chế độ và ô Time setting cài đặt thời gian tưới).

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết đánh giá toàn bộ kết quả đạt được về mặt tính toán thiết kế phần cứng, xây dựng chương trình điều khiển logic PLC và thiết kế giao diện WinCC. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại của đề tài và đề xuất các hướng nâng cấp mở rộng cho hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp của đề tài

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Tính toán hoàn chỉnh hệ thống điện động lực và điều khiển: Xác định chính xác các thông số dòng điện, lựa chọn thiết bị bảo vệ và đóng cắt tương thích hoàn toàn cho cụm bơm $22\text{ kW}$ ($I_{đm} = 40.36\text{ A}$, rơ le nhiệt MT-63, Contactor MC-65a, MCCB 60A/75A, tiết diện dây dẫn $10\text{ mm}^2$).
  • Xây dựng giải thuật điều khiển phân tầng theo độ ẩm và thời gian: Thiết lập thành công chương trình PLC xử lý tín hiệu analog chu kỳ $0.1\text{ s}$, điều khiển linh hoạt 4 mức độ mở van tuyến tính ($100%, 50%, 25%, 0%$) theo dải độ ẩm $30% \le W < 70%$ và duy trì áp suất đường ống ổn định trong dải an toàn $5 - 7\text{ bar}$.
  • Hoàn thiện cơ chế bảo vệ và chốt nhớ sự cố: Tích hợp logic xử lý an toàn liên động: tự động khóa dừng trạm bơm khi xảy ra quá tải nhiệt, khi áp suất tăng cao đột biến ($p > 7\text{ bar}$ do kẹt van), khi độ ẩm ngoài ngưỡng ($W < 30%$ hoặc $W \ge 80%$) hoặc khi nhấn nút dừng khẩn cấp EMER. Hệ thống duy trì bộ nhớ lưu trạng thái lỗi ngay cả khi mất điện đột ngột và chỉ cho phép tái khởi động sau khi người vận hành nhấn RESET.
  • Giao diện SCADA WinCC trực quan: Thiết lập thành công giao diện điều khiển 3 phân vùng với cơ chế hiển thị màu sắc thời gian thực (xanh lá khi hoạt động, đỏ khi có lỗi, vàng cho đèn STOP-L, xanh cho RUN-L, đỏ cho ERR-L), cho phép người vận hành chuyển đổi chế độ làm việc và cài đặt thời gian tưới linh hoạt.

Đóng góp thực tiễn của đồ án

Đồ án cung cấp một bản thiết kế mẫu mang tính hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa tính toán kỹ thuật điện thực tế, lập trình điều khiển logic PLC S7-1200 và thiết kế SCADA công nghiệp cho các trạm bơm tưới tiêu nông nghiệp. Quy trình tính chọn thiết bị và sơ đồ đấu nối có thể ứng dụng trực tiếp vào việc thi công, lắp ráp tủ điện công nghiệp trong thực tế sản xuất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Hạn chế kỹ thuật

  • Nghiên cứu tập trung vào mô hình thiết kế lý thuyết, tính chọn khí cụ và lập trình mô phỏng trên nền tảng phần mềm TIA Portal / WinCC, chưa triển khai lắp ráp phần cứng thực nghiệm hoàn chỉnh trên diện tích canh tác thực tế quy mô lớn.
  • Hệ thống điều khiển áp suất và lưu lượng hoạt động dựa trên phương pháp bật/tắt bơm trực tiếp kết hợp tiết lưu van bướm tuyến tính, chưa tích hợp biến tần để điều khiển tốc độ động cơ theo giải thuật hồi tiếp vòng kín PID.
  • Cấu hình cảm biến mới phục vụ cho một phân vùng tưới đơn kênh, chưa mở rộng quản lý mạng lưới cảm biến đa điểm cho các loại cây trồng có nhu cầu thổ nhưỡng khác nhau.

Hướng phát triển đề tài

  • Tích hợp biến tần (Inverter) điều khiển động cơ bơm 3 pha thông qua mạng truyền thông Profinet/Modbus kết hợp thuật toán điều khiển PID để tối ưu hóa khả năng ổn định áp suất đường ống và tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
  • Phát triển hệ thống tưới tiêu đa kênh, mở rộng điều khiển mạng lưới van điện từ phân vùng tưới cho nhiều khu vực canh tác độc lập.
  • Nâng cấp kiến trúc giám sát từ xa thông qua ứng dụng công nghệ IoT, Web Server tích hợp trên PLC S7-1200 hoặc truyền thông không dây để theo dõi và điều khiển trạm bơm qua thiết bị di động.

Giá trị tham khảo của đồ án

Tài liệu đồ án mang lại giá trị học thuật và thực tiễn cao cho sinh viên, kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử:

  • Tham khảo quy trình tính toán thiết kế tủ điện: Cung cấp phương pháp mẫu mực về tính chọn rơ le nhiệt, Contactor, Aptomat khối MCCB, tiết diện dây dẫn động lực dựa trên công suất định mức và hệ số an toàn thực tế của nhà sản xuất.
  • Tham khảo cấu trúc lập trình PLC S7-1200: Cung cấp tài liệu tham khảo giá trị về lập trình xử lý tín hiệu tương tự (Analog Input/Output), quy trình xử lý lỗi hệ thống, chốt nhớ trạng thái sự cố qua mất nguồn và điều khiển quy trình theo thời gian thực trên TIA Portal.
  • Tham khảo thiết kế SCADA trên WinCC: Là tài liệu hướng dẫn cụ thể về bố cục giao diện, chuẩn hóa màu sắc hiển thị trạng thái, gán bit điều khiển và xây dựng thuộc tính chuyển động (Animation) cho đối tượng công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Dòng điện định mức của động cơ bơm được tính toán ra sao và là cơ sở để chọn những khí cụ điện nào?

Động cơ bơm ly tâm 3 pha có công suất định mức $P_{đm} = 22\text{ kW}$, điện áp dây $U_{đm} = 380\text{ V}$, $\cos\varphi = 0.9$ và $\eta = 0.92$. Dòng điện định mức tính toán là: $$I_{đm} = \frac{22000}{\sqrt{3} \cdot 380 \cdot 0.92 \cdot 0.9} = 40.36\text{ A}$$ Giá trị này là cơ sở để chọn:

  • Rơ le nhiệt LS MT-63 ($I_{RN} = 1.3 \cdot 40.36 = 52.468\text{ A}$, dải $45 - 65\text{ A}$).
  • Contactor LS MC-65a ($I_{Contactor} \ge 1.4 \cdot 40.36 = 56.504\text{ A}$, định mức $65\text{ A}$).
  • MCCB nhánh LS ABN103c-60A ($I_{CB} = 1.4 \cdot 40.36 = 56.504\text{ A}$, định mức $60\text{ A}$).
  • Dây dẫn đồng tiết diện $10\text{ mm}^2$ (với $J = 5\text{ A/mm}^2$).

2. Logic điều khiển góc mở van tuyến tính và máy bơm theo độ ẩm đất được quy định như thế nào?

Trong chế độ chạy tự động theo cảm biến độ ẩm đất (W), PLC điều khiển cơ cấu chấp hành theo 4 mức công nghệ:

  • Nếu $30% \le W < 50%$: Bơm chạy, mở $100%$ van tưới (mở hết).
  • Nếu $50% \le W < 60%$: Bơm chạy, mở $50%$ van tưới ($1/2$ van).
  • Nếu $60% \le W < 70%$: Bơm chạy, mở $25%$ van tưới ($1/4$ van).
  • Nếu $W \ge 70%$: Dừng bơm và đóng hoàn toàn van tưới.

3. Hệ thống xử lý các tình huống sự cố và yêu cầu nhớ lỗi khi mất điện như thế nào?

Hệ thống tự động ngắt bơm và hiển thị đèn cảnh báo sự cố trong các trường hợp:

  • Rơ le nhiệt tác động quá tải: Dừng bơm, bật đèn ERR-L, tắt đèn RUN-L.
  • Van kẹt không mở, áp suất tăng vượt mức $p > 7\text{ bar}$: Dừng bơm, bật đèn ERR-L và giữ đèn RUN-L.
  • Độ ẩm ngoài ngưỡng an toàn ($W < 30%$ hoặc $W \ge 80%$): Dừng bơm, đóng van, bật đèn ERR-L, tắt đèn RUN-L.
  • Nhấn nút dừng khẩn cấp EMER: Dừng toàn bộ hệ thống, bật đèn STOP-L và ERR-L, tắt đèn RUN-L.

Khi xảy ra lỗi, PLC kích hoạt cơ chế chốt nhớ trạng thái sự cố (kể cả khi mất điện đột ngột). Sau khi sự cố được khắc phục vật lý, người vận hành bắt buộc phải nhấn nút RESET để xóa cờ báo lỗi và đưa hệ thống trở về trạng thái ban đầu.

4. Giao diện giám sát WinCC RT Professional được phân chia và quy định màu sắc hiển thị như thế nào?

Giao diện giám sát được thiết kế trên nền màu trắng, chia thành 3 phân vùng: Bảng điều khiển, Quy trình và Bảng trạng thái. Các quy chuẩn hiển thị gồm:

  • Các nút bấm điều khiển (START, STOP, RESET, EMER): Hình tròn màu xám, gắn nhãn chữ tương ứng; nút EXIT hình chữ nhật bo góc.
  • Thiết bị công nghệ (Bơm, Van, Đường ống): Chuyển sang màu xanh lá khi đang hoạt động và chuyển sang màu đỏ khi gặp sự cố.
  • Đèn báo trạng thái: Đèn STOP-L chuyển sang màu vàng khi sáng; đèn RUN-L chuyển sang màu xanh khi sáng; đèn ERR-L chuyển sang màu đỏ khi sáng.

5. Cấu hình phần cứng PLC S7-1200 CPU 1212C có đáp ứng đủ số lượng I/O của hệ thống không?

PLC S7-1200 CPU 1212C tích hợp sẵn 8 ngõ vào số (DI), 6 ngõ ra số (DO) và 2 ngõ vào tương tự (AI $0 - 10\text{ VDC}$). Hệ thống yêu cầu 5 DI, 4 DO, 2 AI (đo áp suất và độ ẩm) nên hoàn toàn đáp ứng đủ số lượng cổng I/O cơ bản. Tuy nhiên, để xuất tín hiệu analog $0 - 10\text{ VDC}$ điều khiển góc mở van tuyến tính (QW96), hệ thống cần gắn thêm 01 module mở rộng ngõ ra tương tự (Analog Output Module).

Kết luận

Đồ án học phần "Điều khiển và giám sát hệ thống tưới tiêu" của sinh viên Trần Mạnh Hùng đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tự động hóa trạm bơm nông nghiệp 3 pha $22\text{ kW}$ từ khâu tính toán khí cụ điện, thiết kế bản vẽ thi công đến lập trình điều khiển và giám sát. Hệ thống đảm bảo vận hành linh hoạt theo độ ẩm đất và thời gian cài đặt, duy trì áp suất đường ống ổn định từ 5 đến 7 bar và tích hợp các tầng bảo vệ an toàn nghiêm ngặt. Đây là tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng cao, cung cấp cơ sở phương pháp luận và dữ liệu thực chứng chuẩn mực cho các đề tài thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC S7-1200 và WinCC.