Đồ án tốt nghiệp: Mô hình hệ thống điều khiển giám sát nước cho tòa nhà

Tài liệu đồ án tốt nghiệp mô hình hệ thống điều khiển giám sát nước tòa nhà. Phân tích, thiết kế, thi công hệ thống ứng dụng PLC, HMI và biến tần.

• Tác giả: Đặng Hữu Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Mô Hình Hệ Thống Điều Khiển Giám Sát Nước Cung Cấp Cho Tòa Nhà
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Điều khiển Giám sát Nước Tòa nhà bằng PLC

Hệ thống điều khiển giám sát nước tòa nhà sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) là giải pháp hiện đại để tối ưu hóa quản lý tài nguyên nước. Đồ án này tập trung vào việc phát triển một hệ thống tự động hoàn toàn, giúp điều chỉnh mức nước, theo dõi áp lực và phát hiện sự cố nhanh chóng. PLC là bộ điều khiển lập trình được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp nhằm cải thiện hiệu quả hoạt động và giảm chi phí vận hành. Hệ thống này không chỉ tiết kiệm nước mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

1.1. Định nghĩa Hệ thống PLC

PLC là một thiết bị điều khiển kỹ thuật số được lập trình để quản lý các quy trình tự động. Trong hệ thống cấp nước, PLC đóng vai trò điều khiển các máy bơm, van điều chỉnh, và xử lý tín hiệu từ các cảm biến. Nó có khả năng phản ứng nhanh chóng với những thay đổi trong hệ thống, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả cao.

1.2. Tầm quan trọng của Giám sát Nước

Giám sát nước là yếu tố quan trọng trong quản lý tòa nhà hiện đại. Hệ thống giám sát giúp phát hiện rò rỉ, điều chỉnh mức nước tối ưu, và cảnh báo khi có sự cố. Điều này giúp chủ sở hữu và quản lý tòa nhà tiết kiệm chi phí, bảo vệ môi trường, và đảm bảo cung cấp nước ổn định cho tất cả cư dân.

II. Cấu trúc và Thành phần Chính của Hệ thống

Hệ thống điều khiển nước bằng PLC bao gồm nhiều thành phần quan trọng hoạt động phối hợp với nhau. Các thành phần này bao gồm bộ điều khiển PLC, các cảm biến đo lường, thiết bị điều khiển như contactor và khởi động mềm, bơm nước, van điều chỉnh, và hệ thống hiển thị giao diện người dùng (HMI). Mỗi thành phần được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể, đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.

2.1. Bộ Điều khiển PLC

Bộ điều khiển PLC là trái tim của hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu và ra quyết định điều khiển. Nó nhận dữ liệu từ các cảm biến, so sánh với giá trị đặt sẵn, và gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị thực thi. PLC được lập trình bằng các ngôn ngữ chuẩn như Ladder Logic hoặc Structured Text để thực hiện các logic điều khiển phức tạp.

2.2. Cảm biến và Thiết bị Đo lường

Cảm biến mức nước, cảm biến áp lực, và cảm biến nhiệt độ là các thiết bị quan trọng cung cấp thông tin thực tế cho hệ thống. Chúng chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện được PLC xử lý. Độ chính xác của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển và hiệu suất của toàn bộ hệ thống cấp nước.

2.3. Hệ thống Hiển thị HMI

Giao diện người dùng (HMI) cho phép nhân viên vận hành theo dõi trạng thái hệ thống, điều chỉnh các tham số, và nhận cảnh báo sự cố. HMI có thể là màn hình cảm ứng hoặc phần mềm máy tính, hiển thị các thông số quan trọng như mức nước, lưu lượng, áp lực, và nhật ký hoạt động.

III. Nguyên lý Hoạt động và Quy trình Điều khiển

Hệ thống hoạt động theo nguyên lý vòng kín: cảm biến phát hiện mức nước, PLC so sánh với giá trị thiết định, và ra lệnh điều khiển bơm hoặc van tương ứng. Khi mức nước thấp, PLC khởi động bơm để tăng mức; khi mức cao, nó dừng bơm hoặc mở van xả. Quá trình này diễn ra liên tục, đảm bảo mức nước luôn trong khoảng cho phép. Hệ thống cũng được trang bị chức năng bảo vệ quá tải, ngắt kết nối tự động khi phát hiện sự cố.

3.1. Chu kỳ Điều khiển Tự động

Chu kỳ điều khiển bắt đầu khi cảm biến phát hiện mức nước giảm dưới ngưỡng tối thiểu. PLC gửi tín hiệu khởi động bơm, nước được bơm vào bồn chứa. Khi mức nước đạt ngưỡng tối đa, cảm biến gửi tín hiệu dừng bơm. Quá trình lặp lại giúp duy trì mức nước ổn định trong suốt ngày, tự động và hiệu quả mà không cần can thiệp thủ công.

3.2. Các Chế độ Hoạt động

Hệ thống hỗ trợ nhiều chế độ bao gồm chế độ tự động (hoạt động liên tục theo logic), chế độ thủ công (do người vận hành điều khiển), và chế độ khẩn cấp (dừng ngay lập tức). Việc chuyển đổi giữa các chế độ giúp cung cấp tính linh hoạt cao, cho phép bảo trì, kiểm tra, hoặc xử lý sự cố khi cần thiết.

IV. Lợi ích Ứng dụng và Phát triển Tương lai

Đồ án hệ thống điều khiển nước bằng PLC mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Nó giảm chi phí vận hành bằng cách tối ưu hóa sử dụng nước, giảm lao động thủ công, và phát hiện sự cố sớm. Ứng dụng hiện nay bao gồm các tòa nhà cao tầng, các khu công nghiệp, và các cơ sở công cộng. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp công nghệ IoT để giám sát từ xa, sử dụng trí tuệ nhân tạo dự báo nhu cầu nước, và kết nối với các hệ thống quản lý tòa nhà thông minh khác.

4.1. Lợi ích Kinh tế và Môi trường

Hệ thống tiết kiệm nước từ 20-40% so với điều khiển thủ công, giảm hóa đơn tiền nước đáng kể. Ngoài ra, nó phát hiện rò rỉ nhanh chóng, tránh lãng phí nước quý giá. Từ góc độ môi trường, giảm tiêu thụ nước góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và hỗ trợ phát triển bền vững.

4.2. Các Ứng dụng Thực tế Hiện nay

Hệ thống được áp dụng rộng rãi trong các tòa nhà chung cư, khách sạn, bệnh viện, trường học, và các nhà máy sản xuất. Mỗi ứng dụng có yêu cầu cụ thể về dung tích bồn, lưu lượng, và đặc tính nước. Hệ thống PLC được tùy chỉnh để phù hợp với từng trường hợp, đảm bảo hiệu suất tối ưu.

4.3. Xu hướng Phát triển Tương lai

Các công nghệ mới như IoT, Cloud Computing, và AI sẽ nâng cao khả năng giám sát và dự báo của hệ thống. Hệ thống có thể học từ dữ liệu lịch sử để dự báo nhu cầu nước, tối ưu hóa lịch bơm, và phát hiện mẫu sử dụng bất thường. Tích hợp năng lượng tái tạo như pin mặt trời cũng là hướng phát triển hứa hẹn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài • Chương 2: Cơ sở lý thuyết • Chương 3: Tính toán, thiết kế, chọn thiết bị cho hệ thống • Chương 4: Cài đặt thiết bị và thiết kế phần mềm. • Chương 5: Thi công mô hình. • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm Máy bơm là một loại động cơ thủy lực tiếp nhận năng lượng từ động cơ để truyền năng lượng cho chất lỏng đi qua máy bơm. Nhờ có năng lượng đó mà áp lực của khối chất lỏng tăng lên, chất lỏng sẽ chuyển động lên một độ cao tương ứng.2 Phân loại Theo nguyên lý tác dụng: Máy bơm động lực: Cánh dẫn (ly tâm, hướng trục, hỗn lưu) và ma sát (phun tia, vít xoắn, xoáy) Máy bơm thể tích: Roto (trục vít, bánh răng, bản chắn), Pittong (pitton trụ và pittong màng) Theo công suất: Bảng 2.1: Phân loại máy bơm theo công suất Loại máy bơm Cực nhỏ Nhỏ Trung bình Lớn Công suất (kW) 0.3 Các thông số cơ bản của máy bơm 2.1 Lưu lượng Định nghĩa: Là thể tích khối của chất lỏng được máy bơm bơm lên trong một đơn vị thời gian.2 Cột nước Định nghĩa: Là năng lượng mà máy bơm đã truyền cho một đơn vị chất lỏng từ lúc vào cho đến khi ra khỏi máy bơm.

Năng lượng đó bằng hiệu số giữa năng lượng đơn vị của chất lỏng ở đầu ra và ở đầu vào của máy bơm.3 Công suất Công suất trên trục. Định nghĩa: Là công suất mà động cơ truyền cho trục máy bơm (trên nhãn máy bơm thường ghi công suất trên trục. Công suất hữu ích: 5 Định nghĩa: Là công suất thực tế máy bơm truyền cho chất lỏng để nâng một lượng Q lên một độ cao H. Công thức: Nh = 9,81 × Q × H với Q (m3/s), H (m) (2.4 Hiệu suất Định nghĩa: Là tỉ số giữa công suất hữu ích và công suất trên trục động cơ.

Ký hiệu: ηb Công thức: ηb = Nh/N (2.5 Vòng quay Định nghĩa: Là số vòng quay của trục máy bơm trong một đơn vị thời gian.2 Động cơ không đồng bộ 2.1 Cấu tạo: Gồm hai phần chính: Stator (phần tĩnh) và Rotor (phần quay). ❖ Stator (Phần tĩnh) Gồm các bộ phận là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ và nắp máy Lõi thép stator hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép vào trong vỏ máy. Dây quấn stator làm bằng dây dẫn điện được bọc cách điện (dây điện từ) đặt trong các rãnh của lõi thép.

Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây quấn sẽ tạo ra từ trường quay. Dây quấn ba pha có thể nối sao hoặc tam giác. Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc gang, dùng để giữ chặt lõi thép, có định máy trên bệ, bảo vệ máy và đỡ trục rotor. ❖ Rotor (Phần quay) Gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa các lỗ để lắp trục. Dây quấn rotor của động cơ không đồng bộ thường có hai kiểu: rotor lồng sóc (rotor ngắn mạch) và rotor dây quấn. + Rotor lồng sóc: trong các rãnh của lõi thép rotor đặt các thanh đồng (hoặc nhôm), các thanh đồng thường đặt nghiêng so với trục, hai đầu nối ngắn mạch bằng hai vòng đồng (nhôm) tạo thành lồng sóc 6 + Rotor dây quấn: gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép do các lá thép kỹ thuận điện ghép lại với nhau tạo thành các rãnh hướng trục.

Trong rãnh lõi thép rotor đặt dây quấn ba pha. Dây quấn rotor thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng (vành trượt).2 Nguyên lý làm việc Khi ta cho dòng điện ba pha tần số fi vào ba dây quấn stator sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ n1 = (60fi)/p (1. Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rotor và cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn rotor nối kín mạch nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor.

Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rotor, kéo rotor quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1. Tốc độ quay của rotor n luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ bằng nhau thì trong dây quấn rotor không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng cho nên lực điện từ bằng không. n1 - n Hệ số trượt của tốc độ: s = (2.3) n1 60fi Tốc độ của động cơ: n=(1-s) (vòng/phút) (2.1 Định nghĩa Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha ngõ vào được chỉnh lưu và lọc thành nguồn điện1 chiều bằng phẳng.

Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện trong biến tần. Nhờ vậy nên là hệ số công suất của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mômen không đổi, tỉ số điện 7 áp - tần số là không đổi.

Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mômen là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mômen cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại.

Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống Websever.1: Cấu tạo động lực Biến tần 2. Cảm biến đo áp suất 2.1 Áp suất và đơn vị đo Khái niệm: Áp suất là đại lượng có giá trị bằng lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích thành bình.

dF Công thức: P= (2.5) dS Trong đó: dF – lực tác dụng (N); dS – diện tích thành bình chịu lực tác dụng 2 (m ) Đơn vị đo: trong hệ quốc tế SI đơn vị áp suất là Pascal (Pa – 1 Pa là áp suất tạo bởi một lực bằng 1 N phân bốz đồng đều lên một diện tích 1 m2 theo hướng pháp tuyến). Trong công nghiệp thường dùng đơn vị Bar (1 Bar = 105 Pa).2 Các dạng áp kế: − Áp kế dịch thể: phao, chuông, vi áp kế bù, vành khuyên. − Áp kế đàn hồi: lò xo, màng, ống trụ, đèn xếp. − Áp kế điện: áp trở, áp điện, điện dung, điện cảm.1 Định nghĩa “Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID - Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp” [10].

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi ứng dụng vào hệ thống điều khiển tự động. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán các giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi, giá trị hồi tiếp và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện việc giảm tối đa các sai số bằng cách điều chỉnh các giá trị điều khiển đầu vào.2: Sơ đồ khối Bộ điều khiển PID Trong đó: − Kp: độ lợi tỉ lệ − Ki: độ lợi tích phân − Kd: độ lợi vi phân − e: sai số (e = setpoint – process value) − t: thời gian − u(t): đầu ra của Bộ điều khiển − Công thức: t d u(t) = MV(t) = Kp e(t) + Ki ∫o e(t)dt + Kd e(t) (2.2 Các khâu của Bộ điều khiển PID 2. Khâu tỉ lệ (P) Hình 2.3: Đồ thị PV theo thời gian với Kp thay đổi “Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại.

Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ” [10]. Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng). Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm.

Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống. Khâu tích phân (Kp) “Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển” [10]. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác).4: Đồ thị PV theo thời gian với Ki thay đổi 2. Khâu vi phân (Ki) Hình 2.