Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò cốt lõi nhằm nâng cao năng suất, độ chính xác và hiệu quả trong hoạt động sản xuất. Đối với các hệ thống hạ tầng cấp thoát nước phục vụ tưới tiêu nông nghiệp và sinh hoạt dân cư, phương thức vận hành đóng cắt thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế: tiêu tốn nhân công, thiếu độ tin cậy, không đảm bảo duy trì ổn định áp suất cấp nước và khó xử lý kịp thời khi xảy ra sự cố hỏng hóc. Việc ứng dụng thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp với bộ biến đổi tần số (biến tần) là giải pháp kỹ thuật công nghiệp hiện đại, cho phép vận hành linh hoạt theo chương trình, điều chỉnh vô cấp tốc độ truyền động động cơ máy bơm, giảm thiểu dòng khởi động và tiết kiệm điện năng tiêu thụ.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình trạm bơm nước tự động dùng PLC S7-200" do sinh viên Trần Minh Nguyên và Trịnh Xuân Sơn thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS Huỳnh Phát Huy tại Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH) năm 2017. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về phân cấp điều khiển trong sản xuất công nghiệp, hệ thống trạm bơm nước, động cơ điện không đồng bộ ba pha và nguyên lý hoạt động của biến tần.
  2. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, tập lệnh và phương pháp lập trình điều khiển trên dòng PLC Siemens S7-200.
  3. Khảo sát phương pháp đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển và quy trình cài đặt thông số vận hành cho biến tần Omron 3G3MV.
  4. Tính toán, lựa chọn thiết bị điện (contactor, rơle nhiệt, động cơ bơm) và thiết kế cơ khí cho mô hình bồn chứa nước thí nghiệm.
  5. Thi công lắp ráp tủ điều khiển, kết nối hoàn chỉnh hệ thống cảm biến phao mức, biến tần, động cơ bơm với PLC và lập trình điều khiển hệ thống vận hành tự động.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình trạm bơm nước tự động quy mô thực nghiệm sử dụng 02 động cơ bơm ba pha, 01 biến tần Omron 3G3MV và bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 CPU. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo phần cứng tủ điện điều khiển, bồn nước thực nghiệm thể tích 96 lít và lập trình điều khiển tự động theo tín hiệu phao mức tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Điện công nghiệp trong năm học 2016 - 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý luận và cơ sở kỹ thuật, đồ án dựa trên các nền tảng sau:

  • Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp: Hệ thống quản lý sản xuất được phân định rõ thành các cấp: cấp chấp hành (đo lường, dẫn động, chuyển đổi tín hiệu qua cảm biến và cơ cấu chấp hành), cấp điều khiển (nhận tín hiệu cảm biến, xử lý theo thuật toán và phát lệnh điều khiển; kết hợp với cấp chấp hành tạo thành cấp trường - field level), và cấp điều khiển quá trình (giám sát vận hành, cài đặt ứng dụng, xử lý tình huống bất thường và tối ưu hóa điều phối).
  • Lý thuyết hệ thống trạm bơm: Tổng hợp các thành phần công trình thủy công và cơ điện bao gồm: cửa lấy nước, công trình dẫn nước (kênh dẫn, đường ống, bể lắng cát), bể tập trung nước, bể hút (công trình nhận nước), nhà máy bơm, đường ống áp lực (ống đẩy), bể tháo và kênh phân phối. Hệ thống được phân loại theo chức năng: trạm bơm tưới nông nghiệp, trạm bơm tiêu úng và trạm bơm cấp nước nông thôn.
  • Lý thuyết truyền động điện và động cơ không đồng bộ ba pha: Động cơ dị bộ ba pha roto lồng sóc hoạt động dựa trên hiện tượng từ trường quay với tốc độ đồng bộ: $$n_{tt} = \frac{60f_1}{p}$$ Trong đó $f_1$ là tần số lưới điện, $p$ là số đôi cực từ. Tốc độ quay của roto $n$ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay $n_{tt}$, hình thành hệ số trượt: $$s = \frac{n_{tt} - n}{n_{tt}}$$ Tần số dòng điện cảm ứng trong cuộn dây roto tỷ lệ thuận với độ trượt: $$f_2 = s \cdot f_1$$
  • Nguyên lý điều khiển biến tần: Khảo sát họ biến tần Omron 3G3MV với khả năng thay đổi tần số cấp nguồn cho động cơ, cung cấp tối đa 8 cấp tốc độ, hỗ trợ khởi động mềm và truyền thông nối tiếp RS-485/Modbus.
  • Nguyên lý điều khiển logic khả trình: Cấu trúc phần cứng PLC Siemens S7-200, cơ chế quét vòng lặp (Scan cycle gồm đọc bộ đệm ảo đầu vào I, thực thi chương trình chính OB1, chương trình con Subroutine hoặc ngắt Interrupt, và cập nhật bộ đệm ảo đầu ra Q). Các tập lệnh cơ bản gồm định thời (TON, TONR, TOFF), đếm (CTU, CTD, CTUD), lệnh xử lý bit, lệnh so sánh số liệu và di chuyển dữ liệu (Move).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua:

  • Phân tích và tính toán kỹ thuật: Áp dụng công thức tính toán chọn công suất động cơ máy bơm dựa trên lưu lượng $Q$ ($m^3/s$) và cột áp $H$ ($m$): $$P_{dc} = \frac{1000 \cdot Q \cdot H}{102 \cdot S}$$ Với $S$ là hiệu suất máy bơm (chọn trong khoảng 0,82), kết hợp bổ sung hệ số dư tải 0,43 nhằm chống quá tải động cơ. Tính toán dòng điện định mức $I_{tt}$ để chọn contactor bảo vệ theo điều kiện $I_{cct} \ge (2 \div 2,7) \cdot I_{tt}$: $$I_{tt} = \frac{P_{dm}}{\sqrt{3} \cdot U_{dm} \cdot \cos\varphi}$$
  • Thiết kế thực nghiệm và lập trình hệ thống: Sử dụng phần mềm Step 7 Micro/Win để lập trình điều khiển theo ngôn ngữ hình thang (Ladder Logic - LAD), kết hợp bố trí đấu nối dây thực tế trên module thí nghiệm.
  • Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Tài liệu kỹ thuật phần cứng của hãng Siemens (PLC S7-200) và Omron (Biến tần 3G3MV), các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế mạng điện và trạm bơm cấp thoát nước.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống mô hình thực nghiệm được nhóm tác giả tính toán và thi công hoàn chỉnh bao gồm các phân hệ sau:

Hạng mục thiết bị Thông số thiết kế và quy cách kỹ thuật Chức năng trong hệ thống
Bồn nước thí nghiệm Kích thước: Dài 40 cm $\times$ Rộng 40 cm $\times$ Cao 60 cm; Thể tích tính toán: $V = 40 \times 40 \times 60 = 96.000\text{ cm}^3 = 96\text{ lít}$. Làm bằng kính trong suốt để quan sát mực nước; đặt trên khung bàn sắt có 4 bánh xe di chuyển; đáy khoan lỗ lắp van xả điện từ; miệng bồn gắn 2 đường ống cấp từ 2 bơm.
Vỏ tủ điều khiển Kích thước: Rộng 40 cm $\times$ Sâu 60 cm $\times$ Cao 210 cm. Bao bọc và cách ly an toàn cho toàn bộ thiết bị điện; mặt cửa tủ gắn 3 đèn LED báo pha, nút nhấn điều khiển ($\Phi = 25\text{ mm}$) và 2 đồng hồ đo dòng/áp ($72 \times 72\text{ mm}$).
Bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-200 (khối CPU và các module I/O mở rộng). Thu nhận tín hiệu từ các phao mức, xử lý logic điều khiển và xuất tín hiệu kích hoạt biến tần, contactor, van xả điện từ.
Bộ biến đổi tần số Biến tần Omron họ 3G3MV. Điều chỉnh vô cấp tốc độ truyền động động cơ bơm 3 pha, điều khiển đa cấp tốc độ, giảm dòng khởi động.
Khí cụ đóng cắt & đo lường Contactor, rơle nhiệt, rơle trung gian, phao đo mức nước công tắc hành trình, van điện từ. Đóng cắt mạch động lực, bảo vệ sự cố quá tải nhiệt, cảm biến báo mức đầy/cạn và thực hiện xả nước tuần hoàn.

Quy chuẩn lắp đặt và cài đặt thông số biến tần Omron 3G3MV được nhóm thực hiện nghiêm ngặt theo yêu cầu của nhà sản xuất:

  • Khoảng cách lắp đặt: Đảm bảo khoảng cách thông gió làm mát giữa biến tần và thành tủ điện tối thiểu 150 mm theo chiều đứng và 50 mm theo chiều ngang.
  • An toàn đấu nối: Nguồn cấp được cấp qua Aptomat (MCCB) riêng biệt, tuyệt đối không đấu nguồn điện lưới AC vào các đầu ra U, V, W của động cơ; chọn chế độ kích hoạt đầu vào số NPN hoặc PNP thông qua switch chuyển đổi trên bo mạch.
  • Phân nhóm tham số cài đặt:
    • Nhóm DRV: Thiết lập tần số hoạt động chuẩn, thời gian tăng tốc, thời gian giảm tốc và chế độ chạy.
    • Nhóm FU1: Cài đặt tần số cực đại, đặc tuyến mômen xoắn và các ngưỡng bảo vệ quá tải, quá nhiệt.
    • Nhóm FU2: Cài đặt thông số hiển thị (tần số, điện áp, tốc độ vòng quay), khóa dữ liệu bảo mật và chức năng khôi phục mặc định nhà sản xuất.
    • Nhóm I/O: Định cấu hình các đầu vào đa chức năng để chọn các cấp tốc độ và thiết lập cổng giao tiếp truyền thông.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 1 tập trung xây dựng bức tranh toàn diện về các cơ sở khoa học và thiết bị cấu thành hệ thống điều khiển công nghiệp:

  • Trình bày mô hình phân cấp chức năng trong sản xuất công nghiệp, làm rõ vai trò của cấp chấp hành, cấp điều khiển và cấp điều khiển quá trình trong việc đảm bảo hệ thống vận hành liên tục và ổn định.
  • Phân tích tổng quan các công trình trạm bơm nước thủy lợi và dân dụng, chỉ rõ chức năng của từng bộ phận: cửa lấy nước, bể lắng cát, bể hút, máy bơm chính, đường ống áp lực và bể tháo. Phân loại chi tiết đặc tính làm việc của trạm bơm tưới, trạm bơm tiêu úng và trạm bơm cấp nước nông thôn.
  • Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ điện kéo máy bơm, đi sâu phân tích động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc, cấu tạo cuộn dây lệch nhau $120^\circ$, nguyên lý sinh từ trường quay và bản chất của độ trượt $s$.
  • Giới thiệu chi tiết thông số kỹ thuật họ biến tần Omron 3G3MV (loại điện áp 230V và 460V), chức năng các phím bấm ([RUN], [Stop/Reset], [ENT], phím mũi tên tăng/giảm), trạng thái cảnh báo đèn LED và phương pháp thiết lập các nhóm tham số DRV, FU1, FU2, I/O.
  • Khảo sát lịch sử phát triển từ hệ thống điều khiển rơle dây nối phức tạp (thập niên 60 - 70) đến hệ thống điều khiển lập trình PLC (thập niên 80). Phân tích cấu trúc phần cứng PLC Siemens S7-200, các vùng nhớ chức năng (OB1, Subroutine, Interrupt; các vùng đệm I, Q, V, M, SM), chu trình quét vòng lặp và đặc tính các ngôn ngữ lập trình LAD, STL, FBD cùng tập lệnh cơ bản (Timer, Counter, BitLogic, Move, Call/Ret).
  • Trình bày cơ sở lý thuyết tính chọn khí cụ đóng cắt contactor kết hợp rơle nhiệt bảo vệ và công thức tính chọn công suất động cơ máy bơm dựa trên lưu lượng và áp lực cột áp.

Chương 2: Thiết kế mô hình

Chương 2 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa mô hình trạm bơm thực nghiệm từ bản vẽ thiết kế đến lắp ráp và lập trình:

  • Thiết kế và chế tạo bồn chứa nước bằng kính trong suốt thể tích 96 lít ($40 \times 40 \times 60\text{ cm}$), lắp đặt van điện từ xả đáy và thùng gom nước hồi lưu tạo chu trình tuần hoàn kín.
  • Thiết kế và gia công vỏ tủ điện công nghiệp kích thước $40 \times 60 \times 210\text{ cm}$, bố trí đầy đủ hệ thống đèn báo pha, nút bấm khởi động/dừng khẩn cấp và đồng hồ đo dòng, áp hiển thị mặt tủ.
  • Chế tạo module thí nghiệm tích hợp khối xử lý trung tâm PLC S7-200, module biến tần Omron 3G3MV, rơle trung gian và hệ thống phao đo mức dạng công tắc hành trình gắn trên thành bồn nước.
  • Xây dựng bản vẽ chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch động lực và sơ đồ mạch điều khiển; kết nối các đầu vào/ra số của PLC S7-200 với hệ thống nút ấn, phao báo mức, cuộn hút contactor, rơle điều khiển van điện từ và các chân điều khiển đa cấp tốc độ của biến tần.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán và viết chương trình điều khiển trạm bơm trên phần mềm Step 7 Micro/Win: khi phao báo mức nước dưới ngưỡng cạn, hệ thống tự động kích hoạt bơm hoạt động qua biến tần; khi phao báo mức đầy, hệ thống tự động ngắt bơm hoặc chuyển đổi chu kỳ vận hành; van xả điện từ mở theo chu trình để mô phỏng phụ tải tiêu thụ nước.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng trạm bơm nước thực nghiệm hoàn chỉnh, bao gồm bồn nước kính 96 lít, cụm 02 động cơ bơm ba pha, van xả điện từ và vỏ tủ điện công nghiệp tiêu chuẩn kích thước $40 \times 60 \times 210\text{ cm}$.
  • Hoàn thiện việc lắp đặt, đấu nối liên động an toàn giữa khối điều khiển PLC Siemens S7-200, biến tần Omron 3G3MV, rơle trung gian, contactor và hệ thống phao mức công tắc hành trình.
  • Thiết lập chính xác các nhóm tham số vận hành trên biến tần Omron 3G3MV (DRV, FU1, FU2, I/O), cho phép điều khiển khởi động mềm và thay đổi linh hoạt tốc độ động cơ máy bơm theo yêu cầu công nghệ.
  • Biên soạn và nạp thành công chương trình điều khiển logic bằng ngôn ngữ LAD trên Step 7 Micro/Win; hệ thống vận hành đúng quy trình công nghệ: tự động bơm khi cạn nước, tự động dừng khi đầy bồn và bảo vệ ngắt khẩn cấp khi có sự cố.

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã chuyển đổi các khối kiến thức lý thuyết trừu tượng về phân cấp tự động hóa, kỹ thuật lập trình PLC và điều khiển biến tần thành một mô hình thiết bị dạy học trực quan. Công trình cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về sơ đồ nguyên lý mạch điện, quy trình cài đặt thiết bị thực tế, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo và thực hành chuyên ngành Điện công nghiệp tại nhà trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế của mô hình được nhóm tác giả ghi nhận bao gồm:

  • Quy mô mô hình mang tính chất thí nghiệm phòng học với dung tích bồn nhỏ (96 lít), công suất động cơ bơm nhỏ nên chưa phản ánh toàn diện các hiện tượng thủy lực phức tạp (như hiện tượng búa nước, xâm thực khí thực) trong các trạm bơm công nghiệp công suất lớn.
  • Hệ thống đo mức chỉ sử dụng phao nước dạng tiếp điểm công tắc hành trình (tín hiệu số rời rạc On/Off báo đầy/cạn), chưa trang bị cảm biến đo mức liên tục dạng tương tự (Analog) hoặc cảm biến đo áp suất đường ống.
  • Chưa tích hợp giao diện giám sát vận hành tại chỗ (màn hình cảm ứng HMI) hoặc hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ xa (SCADA) trên máy tính.

Hướng phát triển mở rộng của đề tài gồm:

  • Nghiên cứu ghép nối mạng truyền thông công nghiệp (như Profibus, Modbus RS-485) giữa PLC S7-200 với biến tần và máy tính giám sát.
  • Thiết kế bổ sung giao diện HMI hoặc phần mềm SCADA để theo dõi trực quan thời gian thực các thông số: áp suất, lưu lượng, dòng điện và tần số làm việc của trạm bơm.
  • Ứng dụng thuật toán điều khiển vòng kín PID trên PLC nhằm ổn định liên tục áp suất trên mạng lưới cấp nước theo biến động lưu lượng tiêu thụ thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Điện công nghiệp: Là tài liệu hướng dẫn từng bước từ khâu tính toán chọn khí cụ điện (contactor, rơle nhiệt, động cơ bơm) đến thiết kế kết cấu tủ điện điều khiển công nghiệp và bồn chứa thực nghiệm.
  • Người thực hiện các đề tài tốt nghiệp hoặc dự án về truyền động điện: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu hình, tra cứu bảng mã lỗi, sơ đồ đấu nối mạch lực/mạch điều khiển và phương pháp cài đặt 4 nhóm tham số cơ bản (DRV, FU1, FU2, I/O) cho họ biến tần Omron 3G3MV.
  • Cán bộ kỹ thuật và giảng viên thực hành: Tham khảo sơ đồ nguyên lý đấu nối I/O của PLC Siemens S7-200 và cấu trúc chương trình điều khiển trạm bơm tự động viết trên phần mềm Step 7 Micro/Win để phát triển các bài tập thí nghiệm tự động hóa quá trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình bồn nước thí nghiệm trong đồ án có kích thước và dung tích chứa là bao nhiêu?
Bồn chứa nước được gia công bằng kính trong suốt, có kích thước chiều dài 40 cm, chiều rộng 40 cm và chiều cao 60 cm. Thể tích tính toán của bồn đạt: $$V = 40 \times 40 \times 60 = 96.000\text{ cm}^3 = 96\text{ lít}$$ Đáy bồn được khoan lỗ lắp van xả điện từ xả nước xuống thùng chứa phía dưới.

2. Biến tần Omron 3G3MV yêu cầu khoảng cách lắp đặt an toàn trong tủ điện như thế nào?
Để đảm bảo điều kiện tản nhiệt và thông gió, biến tần Omron 3G3MV phải được lắp đặt cách thành tủ điều khiển hoặc các thiết bị lân cận tối thiểu 150 mm theo chiều đứng và tối thiểu 50 mm theo chiều ngang.

3. Mặt trước cửa tủ điều khiển được bố trí những thiết bị hiển thị và điều khiển nào?
Mặt cửa tủ điện kích thước $40 \times 60 \times 210\text{ cm}$ gồm có: 03 đèn LED hiển thị trạng thái hoạt động, các nút nhấn khởi động và dừng hệ thống có đường kính $\Phi = 25\text{ mm}$, cùng 02 đồng hồ cơ kim kích thước $72\text{ mm} \times 72\text{ mm}$ dùng để đo dòng điện và điện áp.

4. Động cơ bơm trong hệ thống được tính toán công suất dựa trên những thông số nào?
Công suất động cơ bơm $P_{dc}$ (đơn vị W) được tính toán dựa trên lưu lượng nước yêu cầu $Q$ ($m^3/s$), cột áp bơm $H$ ($m$), hiệu suất máy bơm $S$ (chọn xấp xỉ 0,82) theo công thức: $$P_{dc} = \frac{1000 \cdot Q \cdot H}{102 \cdot S}$$ Sau đó, nhóm tác giả bổ sung thêm hệ số dư tải 0,43 nhằm phòng ngừa sự cố quá tải cho động cơ trong quá trình vận hành liên tục.

5. Vùng nhớ chương trình của PLC Siemens S7-200 bao gồm những khối chức năng chính nào?
Vùng nhớ chương trình của PLC S7-200 gồm 03 khối: khối OB1 chứa chương trình chính được quét lặp lại trong mỗi vòng quét; khối SUBROUTINE chứa các chương trình con được gọi từ chương trình chính; và khối INTERRUPT chứa chương trình xử lý ngắt, được kích hoạt tức thời khi xuất hiện các sự kiện ngắt phần cứng hoặc thời gian.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình trạm bơm nước tự động dùng PLC S7-200" của sinh viên Trần Minh Nguyên và Trịnh Xuân Sơn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tích hợp phần cứng và phần mềm điều khiển trong kỹ thuật điện công nghiệp. Công trình đã hiện thực hóa thành công mô hình trạm bơm thực nghiệm tuần hoàn với tủ điều khiển tiêu chuẩn, làm chủ kỹ thuật phối ghép giữa bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 và biến tần Omron 3G3MV để vận hành tự động động cơ bơm theo mực nước. Toàn bộ các tính toán cơ điện, bản vẽ mạch đấu nối và chương trình điều khiển trong đồ án là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho nghiên cứu và thực hành chuyên ngành tự động hóa trạm bơm.