Luận văn thạc sĩ về giám sát và điều khiển trạm bơm khu resort sử dụng PLC S7-1200

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute điều khiển và giám sát trạm bơm khu resort dùng plc s7 1200, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Tiêu Tấn Phước
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Văn Sỹ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Giám Sát Trạm Bơm Resort Bằng PLC S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200
• 2.2. PHÂN LOẠI
• 2.3. HÌNH DẠNG BÊN NGOÀI (CPU 1214C)

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về giám sát trạm bơm resort

Giám sát trạm bơm resort là một phần quan trọng trong việc quản lý và điều hành hệ thống cấp nước cho các khu nghỉ dưỡng. Việc sử dụng PLC S7-1200 trong giám sát và điều khiển giúp tối ưu hóa quy trình hoạt động, đảm bảo cung cấp nước ổn định và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi các thông số như áp suất và lưu lượng mà còn cho phép điều chỉnh hoạt động của bơm một cách tự động. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong quản lý trạm bơm không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

1.1. Tầm quan trọng của giám sát trạm bơm

Trạm bơm nước đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp nước cho các khu resort. Việc giám sát liên tục giúp phát hiện sớm các vấn đề như rò rỉ hoặc áp suất không ổn định, từ đó có thể đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Hệ thống giám sát sử dụng cảm biến và PLC để thu thập dữ liệu, cho phép người quản lý theo dõi tình trạng hoạt động của trạm bơm từ xa. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp nước cho khách hàng.

II. Công nghệ PLC S7 1200 trong giám sát

Công nghệ PLC S7-1200 của Siemens được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp. Với khả năng mở rộng và tính linh hoạt cao, PLC S7-1200 cho phép kết nối với nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm biến tần và cảm biến. Hệ thống này hỗ trợ giao thức truyền thông Modbus RTU, giúp việc giao tiếp giữa các thiết bị trở nên dễ dàng hơn. Việc lập trình PLC cũng được thực hiện thông qua phần mềm TIA Portal, cho phép người dùng thiết kế giao diện điều khiển và lập trình các thuật toán điều khiển một cách trực quan.

2.1. Các tính năng nổi bật của PLC S7 1200

PLC S7-1200 có nhiều tính năng nổi bật như khả năng xử lý nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn và khả năng kết nối mạng linh hoạt. Hệ thống này có thể mở rộng từ 10 đến 284 I/O, cho phép người dùng tùy chỉnh theo nhu cầu thực tế. Đặc biệt, với tính năng PID control, PLC S7-1200 có thể tự động điều chỉnh các thông số hoạt động của bơm, giúp duy trì áp suất ổn định trong hệ thống. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành.

III. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát trạm bơm resort bằng PLC S7-1200 đã được triển khai tại HCMUTE, mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Việc giám sát và điều khiển tự động giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí vận hành. Hệ thống này cho phép người dùng theo dõi các thông số như áp suất, lưu lượng và trạng thái hoạt động của bơm một cách dễ dàng. Nhờ vào việc sử dụng cảm biến và biến tần, hệ thống có thể tự động điều chỉnh hoạt động của bơm theo nhu cầu sử dụng nước thực tế, từ đó tối ưu hóa quy trình cấp nước.

3.1. Lợi ích của việc tự động hóa trong quản lý trạm bơm

Tự động hóa trong quản lý trạm bơm mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm thiểu nhân lực cần thiết cho việc giám sát, tăng cường độ chính xác trong việc điều khiển và giảm thiểu rủi ro do con người gây ra. Hệ thống giám sát tự động giúp phát hiện sớm các sự cố, từ đó có thể đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động của trạm bơm mà còn đảm bảo cung cấp nước ổn định cho khu resort, đáp ứng nhu cầu của khách hàng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu phục vụ cho sinh hoạt và hoạt động dịch vụ tại các khu nghỉ dưỡng (resort). Trong các hệ thống cấp nước truyền thống, máy bơm thường hoạt động theo phương thức đóng/cắt trực tiếp qua rơ le áp suất hoặc khởi động từ, dẫn đến hiện tượng dao động áp suất liên tục trong đường ống, gây sốc thủy lực, tiêu hao nhiều điện năng và làm giảm tuổi thọ của thiết bị cơ - điện. Để duy trì áp suất ổn định theo nhu cầu tiêu thụ thực tế của khu resort, việc ứng dụng giải pháp điều khiển tự động hóa kết hợp giữa bộ điều khiển lập trình (PLC) và biến tần là một yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát trạm bơm khu resort dùng PLC S7-1200" được thực hiện tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 03/2016 đến tháng 07/2016 bởi hai sinh viên Tiêu Tấn Phước và Nguyễn Thanh Thắng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Văn Sỹ. Mục đích trọng tâm của đề tài là nghiên cứu điều khiển và giám sát hoạt động của trạm bơm nước thông qua biến tần kết hợp với PLC nhằm ổn định áp suất trong đường ống, đồng thời tối ưu hóa chi phí năng lượng và chi phí vật tư truyền thông.

Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm 5 nội dung đánh số theo văn bản:

1. Tìm hiểu về sơ đồ bố trí trạm bơm, yêu cầu về điều khiển giám sát các thông số và hoạt động của bơm theo yêu cầu thực tế của một khu resort đặt ra.
2. Lựa chọn thiết bị, làm tủ điện, thiết kế và thi công mô hình và thi công sơ đồ mạch động lực, sơ đồ mạch kết nối tín hiệu vào, ra với PLC S7-1200.
3. Tìm hiểu về PLC S7-1200, biến tần Sinamics V20 của hãng Siemens và giải pháp truyền thông giữa biến tần và PLC thông qua giao thức Modbus RTU.
4. Tìm hiểu cách viết chương trình cho PLC trên phần mềm TIA Portal và thiết kế giao diện giám sát cho màn hình HMI.
5. Đánh giá kết quả thực hiện mô hình và thử nghiệm hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống điều khiển tự động trạm bơm nước gồm 2 máy bơm ba pha, bộ điều khiển PLC S7-1200 (CPU 1214C), 2 biến tần Siemens Sinamics V20, cảm biến áp suất ISE50 và màn hình hiển thị HMI Weintek MT8070iH. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp, tái lập các điều kiện vận hành, giám sát thông số áp suất gần giống với hệ thống trạm bơm cấp nước thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đồ án xây dựng các giải pháp kỹ thuật dựa trên các nền tảng sau:

• Nguyên lý điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha: Tốc độ động cơ được xác định theo biểu thức: $$n = n_1 (1 - s) = \frac{60f}{p}(1 - s)$$ Trong đó $f$ là tần số lưới điện, $p$ là số cặp cực và $s$ là hệ số trượt. Khi thay đổi tần số nguồn cấp thông qua biến tần, tốc độ quay của động cơ thay đổi tuyến tính. Đồng thời, biến tần điều chỉnh tỷ số giữa điện áp và tần số ($U/f$) không đổi để giữ cho từ thông cực đại trong khe hở không khí không đổi, đảm bảo mômen tải của động cơ bơm.
• Lý thuyết đo áp suất chất lưu: Áp suất $p$ tác dụng vuông góc lên diện tích $ds$ của thành bình được xác định bởi $p = \frac{dF}{ds}$. Khi chất lưu chuyển động trong đường ống, áp suất tổng cộng $P_t$ bằng tổng của áp suất tĩnh $p_s$ và áp suất động $p_d$: $$P_t = p_s + p_d = p_s + \frac{\rho v^2}{2}$$ Để loại bỏ sai số do thành phần áp suất động gây ra bởi dòng chảy có vận tốc $v$, phương pháp đo áp suất tĩnh bằng cách trích một lỗ nhỏ vuông góc trên thành ống dẫn được lựa chọn, sau đó kết nối với cảm biến áp suất ISE50. Cảm biến sử dụng màng silic bán dẫn với mạch cầu điện trở áp điện để chuyển đổi sự biến dạng cơ học thành tín hiệu điện analog đưa về bộ điều khiển.
• Giao thức truyền thông công nghiệp: Ứng dụng chuẩn giao tiếp vật lý RS485 hai dây (half-duplex) và giao thức Modbus RTU để liên kết mạng giữa PLC S7-1200 (đóng vai trò Master) với 2 biến tần Siemens Sinamics V20 (đóng vai trò Slave).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp tổng hợp tài liệu kỹ thuật chuyên ngành về cấu hình phần cứng PLC Siemens S7-1200, thông số cài đặt biến tần Sinamics V20, tập lệnh truyền thông và tài liệu thiết kế giao diện HMI Weintek.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật và thi công phần cứng: Tính toán công suất, lựa chọn thiết bị đóng cắt, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển, gia công cơ khí khung giá đỡ và mạng đường ống thủy lực.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Viết thuật toán điều khiển trên môi trường TIA Portal V13, biên dịch nạp chương trình vào CPU 1214C, cấu hình các Macro trên biến tần và thiết kế đồ họa giao diện giám sát trên phần mềm EasyBuilder8000.
• Phương pháp thử nghiệm thực nghiệm: Đo kiểm tín hiệu điện, kiểm tra tính năng đóng ngắt, đo đáp ứng áp lực nước trên mô hình khi thay đổi lưu lượng tiêu thụ.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án xuất phát từ tài liệu kỹ thuật chính hãng (Datasheet, User Manual) của Siemens (dòng PLC S7-1200, biến tần Sinamics V20, module truyền thông CB 1241), tài liệu kỹ thuật của SMC cho cảm biến áp suất ISE50, tài liệu Weintek cho màn hình MT8070iH và các số liệu đo kiểm thực nghiệm thu được trực tiếp trong quá trình vận hành mô hình tại xưởng thực hành.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng chức năng rõ ràng, bảo đảm liên kết đồng bộ giữa phần cứng cơ - điện và phần mềm điều khiển.

Phân hệ / Khối chức năng	Thiết bị và quy cách kỹ thuật sử dụng	Chức năng trong hệ thống
Khối điều khiển trung tâm	PLC Siemens Simatic S7-1200 (CPU 1214C)	Tiếp nhận tín hiệu cảm biến, thực thi thuật toán điều khiển bơm, điều phối mạng Modbus RTU.
Khối truyền thông	Board tín hiệu Siemens CB 1241 RS485	Gắn trực tiếp mặt trước CPU 1214C, thiết lập cổng giao tiếp vật lý chuẩn RS485 cho mạng Modbus RTU.
Khối công suất & chấp hành	02 Biến tần Siemens Sinamics V20; 02 Động cơ bơm KĐB 3 pha	Điều biến tần số nguồn cấp nhằm thay đổi tốc độ quay của động cơ bơm nước theo lệnh từ PLC.
Khối đo lường cảm biến	Cảm biến áp suất SMC ISE50	Trích đo áp suất tĩnh trên đường ống chính, chuyển đổi tín hiệu analog đưa về ngõ vào tương tự của PLC.
Khối giám sát người - máy	Màn hình HMI cảm ứng Weintek MT8070iH (7 inch)	Hiển thị thông số áp lực, trạng thái chạy/dừng, cảnh báo lỗi, cho phép cài đặt ngưỡng áp suất và chế độ vận hành.
Khối cấp nguồn & bảo vệ	Bộ nguồn tổ ong 24VDC, rơ le trung gian, aptomat	Chuyển đổi nguồn AC sang 24VDC cho mạch điều khiển, bảo vệ quá dòng, ngắn mạch cho hệ thống.
Thiết bị điều khiển cơ điện	Chuyển mạch xoay 3 vị trí AR22PL-311L3SZA, đèn NP116-22DS	Chuyển đổi chế độ Auto/Hand/Stop tại chỗ và báo thị trạng thái pha, sự cố trên mặt tủ.
Hệ thống cơ khí - thủy lực	Khung sắt định hình, bể chứa cấp nước, bể xả, van khóa	Tạo vòng tuần hoàn chất lưu kín phục vụ thử nghiệm các kịch bản dao động áp suất đường ống.

Hệ thống triển khai truyền thông Modbus RTU giữa PLC S7-1200 và 2 biến tần V20 với các thông số cấu hình cụ thể:

• Trên biến tần Sinamics V20: Cài đặt Connection Macro Cn011 (nguồn điều khiển chạy/dừng và nguồn đặt tốc độ đều thông qua mạng RS485 Modbus RTU); cài đặt Application Macro AP010 (tối ưu hóa cho các đặc tính tải của ứng dụng bơm nước).
• Quy trình cài đặt động cơ trên màn hình BOP (Basic Operator Panel): Thiết lập các tham số cơ bản gồm P0100 (đơn vị công suất kW, tần số 50Hz), P0304 (điện áp định mức), P0305 (dòng điện định mức), P0307 (công suất định mức), P0310 (tần số định mức), P0311 (tốc độ định mức) và P1900 = 2 (nhận dạng tham số động cơ ở trạng thái đứng yên). Khôi phục cài đặt gốc khi cần qua tham số P0010 = 30 và P0970 = 1.
• Triển khai phần mềm: Chương trình điều khiển PLC viết bằng TIA Portal V13 phân chia thành chương trình chính (Main OB1) và các chương trình con xử lý chế độ tự động (Auto), chế độ bằng tay (Hand). Giao diện HMI lập trình trên EasyBuilder8000 được phân bổ theo 3 màn hình chuyên biệt: màn hình tổng thể, màn hình điều khiển chế độ và màn hình thông số vận hành hai trạm bơm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu cấp nước liên tục và tiết kiệm năng lượng tại các khu nghỉ dưỡng cao cấp. Đặt vấn đề nhấn mạnh vai trò của PLC S7-1200 trong việc hiện đại hóa các trạm bơm so với phương pháp điều khiển khí cụ điện truyền thống. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình thực nghiệm, liệt kê 5 nội dung nghiên cứu chi tiết, giới hạn phạm vi đề tài ở quy mô mô hình thí nghiệm có các tính năng tương đương thực tế, và tóm tắt bố cục tổng thể của đồ án qua 6 chương.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 trình bày chi tiết về cấu trúc phần cứng và lý thuyết vận hành của các thiết bị nền tảng.

• PLC Simatic S7-1200: Trình bày cấu trúc vi xử lý, bộ nhớ, khối nguồn và giao tiếp vào/ra. So sánh đặc trưng kỹ thuật giữa các dòng CPU thông dụng của Siemens:

Đặc tính kỹ thuật	CPU 1211C	CPU 1212C	CPU 1214C
Kích thước (mm)	90 x 100 x 75	90 x 100 x 75	110 x 100 x 75
Bộ nhớ làm việc (Work memory)	25 Kbytes	50 Kbytes	75 Kbytes
Bộ nhớ tải (Load memory)	1 Mbytes	1 Mbytes	1 Mbytes
Số lượng ngõ vào/ra tích hợp (I/O)	6 DI / 4 DO, 2 AI	8 DI / 6 DO, 2 AI	14 DI / 10 DO, 2 AI
Khả năng mở rộng module tín hiệu (SM)	0	Tối đa 2	Tối đa 8
Mạch tín hiệu gắn mặt trước (SB)	1	1	1
Module truyền thông mở rộng (CM)	Tối đa 3	Tối đa 3	Tối đa 3
Bộ đếm tốc độ cao (HSC)	3 kênh	4 kênh	6 kênh
Cổng truyền thông tích hợp	1 cổng Profinet (Ethernet 10/100 Mbps)	1 cổng Profinet (Ethernet 10/100 Mbps)	1 cổng Profinet (Ethernet 10/100 Mbps)

• Biến tần Siemens Sinamics V20: Khảo sát dải công suất từ 0.12 kW đến 15 kW, hỗ trợ cấp nguồn 1 pha 220VAC hoặc 3 pha 380VAC, phương pháp điều khiển U/f tuyến tính và đa điểm. Chi tiết hóa chức năng 19 chân kết nối điều khiển (ngõ vào analog AI1, AI2, ngõ ra analog AO1, ngõ vào số DI1 - DI4, chân truyền thông P+, N- và ngõ ra số DO1, DO2). Phân tích cấu trúc bàn phím BOP, danh mục thông số Setup Menu và 11 Connection Macro:
  • Cn001: Điều khiển và đặt tốc độ tại màn hình BOP.
  • Cn002: Điều khiển qua công tắc ngoài (DI), đặt tốc độ qua AI1 (hỗ trợ Sink/Source).
  • Cn003: Điều khiển qua DI, đặt tốc độ qua 3 cấp tốc độ cố định.
  • Cn004: Điều khiển qua DI, đặt tốc độ nhị phân 15 cấp.
  • Cn005: Đặt tốc độ qua AI1 kết hợp tần số cố định 2 cấp.
  • Cn006 và Cn007: Điều khiển bằng xung nút nhấn ngoài.
  • Cn008 và Cn009: Điều khiển hồi tiếp PID kín với cảm biến analog hồi tiếp về AI2.
  • Cn010: Nguồn lệnh và tốc độ qua mạng RS485 chuẩn USS.
  • Cn011: Nguồn lệnh và tốc độ qua mạng RS485 chuẩn Modbus RTU (được chọn cho đề tài). Bên cạnh đó, chương khảo sát 4 Macro ứng dụng: AP010 (Bơm), AP020 (Quạt), AP021 (Máy nén) và AP030 (Băng tải).
• Cảm biến và lý thuyết đo áp suất: Khái niệm áp suất chất lưu, phân biệt áp suất tĩnh, áp suất động, cấu tạo màng silic và vi mạch tích hợp khuếch đại tín hiệu của cảm biến ISE50.
• Giao diện người - máy HMI Weintek MT8070iH: Cấu trúc phần cứng màn hình cảm ứng 7 inch, các thông số bộ nhớ, cổng truyền thông nối tiếp và nguyên tắc bố cục màu sắc, phân vùng phím bấm vận hành an toàn.
• Động cơ không đồng bộ ba pha và phương pháp điều tốc: Khảo sát cấu tạo stator, rotor lồng sóc, phương pháp đổi số đôi cực, thay đổi điện trở phụ mạch rotor và phương pháp biến tần thay đổi tần số $f$.

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 thiết lập các bản vẽ nguyên lý và phương án bố trí không gian:

• Sơ đồ khối chức năng của hệ thống gồm 6 khối: Khối công suất, Khối điều khiển, Khối truyền thông, Khối tín hiệu điều khiển và giám sát, Khối cảm biến, và Khối phụ trợ (nguồn, bể nước).
• Thiết kế cơ khí khung mô hình chịu lực, thiết kế kích thước bể chứa nước cấp phía dưới, bể xả phía trên và mạng đường ống tuần hoàn bằng nhựa uPVC có gắn van điều tiết tải.
• Thiết kế mạch điện động lực cấp nguồn 3 pha qua aptomat đến 2 biến tần V20 và cấp nguồn ra 2 động cơ bơm nước.
• Thiết kế mạch điều khiển chi tiết: Đấu nối board truyền thông CB 1241 RS485 với các cầu đấu truyền thông P+ (chân 12) và N- (chân 13) trên biến tần Sinamics V20; sơ đồ đấu nối ngõ vào số DI (nhận tín hiệu từ nút nhấn, chuyển mạch xoay), ngõ ra số DO (điều khiển rơ le, đèn báo), và ngõ vào analog AI (nhận tín hiệu từ cảm biến áp suất ISE50).

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ thiết kế:

• Gia công cơ khí khung mô hình, định vị và lắp đặt 2 bình chứa nước, bố trí 2 động cơ bơm ở chân đế và lắp đặt đường ống dẫn nước có vị trí trích gắn cảm biến áp suất ISE50.
• Thi công bảng điện điều khiển: Bố trí rãnh luồn dây DIN rail, lắp đặt PLC S7-1200 CPU 1214C, bo CB 1241, 2 biến tần V20, bộ nguồn tổ ong 24VDC, rơ le bảo vệ; gia công lỗ khoét lắp màn hình HMI Weintek, công tắc AR22PL-311L3SZA và hệ thống đèn báo pha NP116-22DS.
• Đấu nối toàn bộ dây dẫn điện động lực, dây tín hiệu điều khiển và đường truyền Modbus RTU theo chuẩn chống nhiễu.
• Xây dựng giải thuật điều khiển và soạn thảo mã lệnh: Lập trình lưu đồ chương trình chính (Main) trên TIA Portal V13, lưu đồ chương trình con chế độ Auto (tự động so sánh áp suất thực tế với ngưỡng đặt để tăng/giảm tần số biến tần hoặc gọi bơm thứ 2 luân phiên) và chế độ Bằng tay (Manual/Hand).
• Thiết kế đồ họa trên phần mềm EasyBuilder8000: Tạo project kết nối PLC Siemens S7-1200 qua giao thức Ethernet/Profinet, tạo các trang giao diện trực quan hiển thị thông số áp suất, tần số, dòng điện và các nút bấm điều khiển.
• Biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành và các quy tắc an toàn đóng cắt điện.

Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 trình bày kết quả thực nghiệm sau khi lắp ráp hoàn thiện:

• Mô hình phần cứng vận hành ổn định, đường ống không bị rò rỉ nước ở các dải áp lực thử nghiệm.
• Mạng truyền thông Modbus RTU hoạt động chuẩn xác: PLC S7-1200 đọc/ghi thành công các thanh ghi điều khiển của cả 2 biến tần Sinamics V20 thông qua board CB 1241 mà không xảy ra xung đột địa chỉ hay nghẽn đường truyền.
• Giao diện HMI MT8070iH phản hồi tức thời các thao tác chạm bấm của người vận hành, cập nhật chính xác biểu đồ áp suất từ cảm biến ISE50 và trạng thái hoạt động của từng máy bơm.
• Đánh giá khả năng đáp ứng: Ở chế độ Auto, khi thay đổi độ mở van xả (mô phỏng nhu cầu dùng nước của resort tăng hoặc giảm), hệ thống tự động điều chỉnh tần số biến tần để bù áp, giữ áp lực đường ống ổn định quanh ngưỡng cài đặt.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 đúc kết các mục tiêu đã đạt được so với nhiệm vụ ban đầu. Tác giả chỉ ra các điểm ưu việt của mô hình như tính tự động hóa cao, tiết kiệm dây nối nhờ mạng Modbus RTU, giao diện điều khiển thân thiện. Đồng thời, chương chỉ rõ các điểm còn hạn chế do điều kiện thiết bị thực nghiệm và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật tiếp theo cho hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật:

• Chế tạo hoàn chỉnh một mô hình trạm bơm thực nghiệm hoạt động đầy đủ chức năng, bao gồm phần cơ khí (khung giá đỡ, 2 bể nước, mạng đường ống thủy lực) và phần điện - tự động hóa (tủ điện điều khiển, 2 động cơ bơm, 2 biến tần Sinamics V20, PLC S7-1200 CPU 1214C, board CB 1241, màn hình HMI Weintek MT8070iH và cảm biến áp suất ISE50).
• Thiết lập thành công liên kết mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU qua giao tiếp vật lý RS485, cho phép 1 bộ điều khiển PLC S7-1200 làm chủ mạng (Master) ra lệnh khởi động, dừng, đổi chiều và cài đặt tần số cho 2 biến tần Sinamics V20 (Slave), đồng thời đọc ngược lại các thông số điện áp, dòng điện, tần số thực tế về bộ điều khiển.
• Ứng dụng thành công phần mềm TIA Portal V13 để điều khiển hệ thống vận hành theo 2 chế độ độc lập: chế độ Bằng tay (Manual/Hand) hỗ trợ bảo trì, thử máy tại chỗ; chế độ Tự động (Auto) tự điều chỉnh tốc độ bơm bám theo giá trị áp suất thực đo được từ cảm biến ISE50.
• Xây dựng giao diện HMI chuyên nghiệp trên phần mềm EasyBuilder8000 với 3 phân trang giao diện đồ họa, giúp nhân viên vận hành theo dõi trực quan và can thiệp nhanh chóng vào hệ thống trạm bơm.

Về giải pháp và kiến nghị đề xuất:

• Khuyến nghị thay thế hoàn toàn phương pháp đóng/cắt bơm trực tiếp bằng giải pháp điều khiển biến tần kết hợp PLC nhằm triệt tiêu hiện tượng sốc áp thủy lực, duy trì áp lực nước ổn định tại các vòi cấp của khu resort, từ đó giảm thiểu nguy cơ rò rỉ hoặc vỡ đường ống và tiết kiệm điện năng tiêu thụ cho động cơ.
• Đề xuất ứng dụng chuẩn truyền thông mạng Modbus RTU thay vì phương pháp đấu nối dây I/O rời truyền thống giữa PLC và biến tần. Giải pháp này giúp cắt giảm tối đa số lượng dây dẫn, cáp tín hiệu analog, giảm thiểu sai số suy hao tín hiệu đường truyền xa và tiết kiệm đáng kể chi phí vật tư dây dẫn khi thi công tủ điện.

Về đóng góp học thuật và thực tiễn:

• Đồ án đã tự xây dựng một mô hình đào tạo trực quan, tích hợp đa dạng công nghệ điều khiển tiên tiến gồm PLC Siemens thế hệ mới, biến tần công nghiệp số hóa, cảm biến áp điện và màn hình cảm ứng HMI.
• Cung cấp tài liệu quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu tính toán chọn thiết bị, sơ đồ nguyên lý mạch động lực - điều khiển, các bước cài đặt tham số biến tần Sinamics V20 đến quy trình lập trình TIA Portal và thiết kế giao diện HMI Weintek.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế:

• Đề tài chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm mô hình trong phòng thí nghiệm của Bộ môn Điện tử Công nghiệp; các đại lượng đo và công suất động cơ bơm nằm ở mức giáo khoa, chưa được chạy thử nghiệm trực tiếp trên hệ thống mạng lưới cấp nước đường ống lớn tại một khu resort thực tế.
• Thuật toán điều khiển áp suất trong đồ án chủ yếu dừng lại ở mức điều chỉnh theo ngưỡng logic và các bước tần số đặt, chưa tích hợp thuật toán điều khiển phản hồi PID vòng kín tự động tinh chỉnh thông số (Auto-tuning) tích hợp sẵn trong PLC S7-1200 để tối ưu hóa độ vọt lố và thời gian xác lập áp suất.

Về hướng nghiên cứu tiếp:

• Ứng dụng giải thuật điều khiển chuyên sâu PID tích hợp sẵn trên PLC S7-1200 nhằm nâng cao độ mịn và độ chính xác trong việc điều chỉnh áp suất bám sát setpoint khi phụ tải tiêu thụ nước thay đổi đột ngột.
• Mở rộng kiến trúc mạng điều khiển: Tích hợp hệ thống SCADA thu thập dữ liệu và giám sát trạm bơm tập trung trên máy tính phòng điều khiển trung tâm thông qua cổng truyền thông Profinet/Ethernet tích hợp sẵn của CPU 1214C.
• Phát triển tính năng giám sát từ xa qua nền tảng Web Server hoặc mạng Internet, hỗ trợ quản lý trạm bơm qua thiết bị di động.
• Lắp đặt bổ sung thêm các nhóm cảm biến chuyên dụng như cảm biến đo lưu lượng nước và cảm biến báo mức nước trong bể chứa nhằm hoàn thiện chu trình điều khiển tự động toàn diện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn đối với sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử cũng như các kỹ thuật viên phụ trách vận hành hệ thống bơm tăng áp tòa nhà, khu đô thị hoặc khu du lịch sinh thái.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Sơ đồ đấu nối dây chuẩn xác giữa bo mạch truyền thông tín hiệu Siemens CB 1241 RS485 và biến tần Siemens Sinamics V20.
• Trình tự thiết lập các thông số cài đặt động cơ và phương pháp cấu hình Connection Macro Cn011 cùng Application Macro AP010 trên màn hình BOP của biến tần Sinamics V20.
• Phương pháp xây dựng dự án liên kết truyền thông giữa màn hình HMI Weintek MT8070iH và PLC S7-1200 trên nền phần mềm EasyBuilder8000.
• Quy trình chuẩn hóa việc trích áp suất tĩnh trên đường ống bằng cảm biến màng bán dẫn ISE50 để loại trừ nhiễu áp suất động của dòng chảy.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng giải pháp truyền thông nào giữa PLC S7-1200 và biến tần Sinamics V20, tại sao lại chọn giải pháp này?

Đồ án sử dụng giao thức Modbus RTU trên chuẩn kết nối vật lý RS485 hai dây (half-duplex) thông qua bo truyền thông CB 1241 gắn trên CPU 1214C. Giải pháp này được lựa chọn nhằm tối ưu hóa việc truyền nhận tín hiệu điều khiển và giám sát đa thông số (chạy, dừng, đảo chiều, tần số đặt, dòng điện, điện áp, mã lỗi) trên cùng một tuyến cáp duy nhất, giúp loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây nối tín hiệu analog và digital phức tạp, giảm thiểu chi phí vật tư và hạn chế nhiễu công nghiệp.

2. Trên biến tần Sinamics V20, đồ án đã cấu hình những macro chức năng nào?

Tác giả đã cài đặt hai macro chuyên dụng: Connection Macro Cn011 và Application Macro AP010. Macro Cn011 chuyển quyền nhận tín hiệu điều khiển (Control word) và giá trị đặt tốc độ (Setpoint) của biến tần sang giao thức mạng RS485 Modbus RTU. Macro AP010 tự động thiết lập các đặc tuyến tải, thông số bảo vệ và thời gian tăng/giảm tốc tối ưu riêng cho ứng dụng truyền động máy bơm nước.

3. Cảm biến áp suất ISE50 đo áp suất nước theo nguyên lý gì và làm thế nào để hạn chế sai số động?

Cảm biến áp suất ISE50 sử dụng nguyên lý mạch cầu điện trở áp điện gắn trên màng đo bằng vật liệu silic bán dẫn; áp suất nước tác dụng biến dạng màng sẽ làm thay đổi giá trị điện trở và tạo ra điện áp ngõ ra tỷ lệ thuận. Để tránh ảnh hưởng của thành phần áp suất động ($p_d = \rho v^2 / 2$) do dòng nước chuyển động gây bất ổn định cho cảm biến, hệ thống áp dụng kỹ thuật trích một lỗ nhỏ vuông góc với thành ống chính rồi mới kết nối đầu đo cảm biến vào, nhờ đó cảm biến chỉ thu nhận thành phần áp suất tĩnh ($p_s$).

4. Hệ thống trạm bơm vận hành với các chế độ điều khiển cụ thể nào?

Hệ thống được thiết kế vận hành với 2 chế độ điều khiển độc lập:

• Chế độ Bằng tay (Manual/Hand): Cho phép người vận hành can thiệp trực tiếp từ các nút nhấn, chuyển mạch cơ trên tủ điện hoặc các nút ảo trên HMI để kích hoạt từng bơm, thay đổi tần số phục vụ việc kiểm tra cơ khí, bảo dưỡng hoặc sửa chữa.
• Chế độ Tự động (Auto): PLC tự động đọc giá trị áp lực nước thực tế từ cảm biến ISE50, đối chiếu với ngưỡng áp suất cài đặt; từ đó tính toán phát lệnh qua Modbus RTU để điều chỉnh tần số biến tần tăng/giảm tốc độ bơm chính hoặc gọi thêm bơm phụ luân phiên nhằm duy trì áp suất đường ống luôn ổn định.

5. Giao diện giám sát HMI được thiết kế bằng phần mềm nào và gồm những phân vùng chức năng gì?

Giao diện giám sát được thiết kế trên phần mềm EasyBuilder8000 dành riêng cho dòng màn hình Weintek MT8070iH. Giao diện bao gồm 3 màn hình chính: Màn hình tổng thể thể hiện lưu đồ công nghệ trạm bơm; Màn hình điều khiển cho phép lựa chọn chế độ vận hành (Auto/Hand), bật/tắt các bơm và cài đặt các ngưỡng áp suất; Màn hình thông số kỹ thuật hiển thị chi tiết các đại lượng vận hành thu thập từ 2 trạm bơm như áp suất tức thời, tần số ngõ ra, dòng điện và điện áp động cơ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát trạm bơm khu resort dùng PLC S7-1200" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và chế tạo thành công mô hình điều khiển tự động hóa trạm bơm 2 động cơ thông qua giải pháp kết hợp PLC S7-1200 và biến tần Siemens Sinamics V20. Việc ứng dụng mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU trên nền RS485 và giao diện giám sát cảm ứng HMI Weintek đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội trong việc tiết kiệm cáp đấu nối, duy trì áp suất đường ống ổn định và nâng cao khả năng quản lý vận hành trực quan. Kết quả của đồ án là một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng cao trong công tác nghiên cứu, đào tạo thực hành và làm cơ sở chuyển giao kỹ thuật cho các hệ thống cấp nước tăng áp ngoài thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về PLC, board truyền thông CB 1412, biến tần Sinamic V20 của Siemens, màng hình HMI điều khiển, cảm biến áp suất, máy bơm và lựa chọn đường ống  Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này nói về cách thiết kế và bố trí các thiết bị trong mô hình cho phù hợp với người giám sát và điều khiển. Tính toán và thiết kế mạch động lực, bảng điều khiển cho mô hình.

Mô tả cách thức hoạt động của dự án và sự liên kết giữa các thiết bị với nhau.  Chương 4: Thi Công Dựa trên những cơ sở đã thiết kế và lựa chọn thiết bị ở chương 3, nhóm bắt đầu thi công mô hình từ các khâu cơ khí, lắp ráp thiết bị và kết nối các thiết bị với nhau, kiểm tra độ an toàn về điện, tránh ảnh hưởng tới con người và thiết bị.  Chương 5: Kết Quả Chương này trình bày những gì đã làm được trong đề tài từ kiến thức về phần cứng và phần mềm.  Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát triển Chương này trình bày kết quả mà nhóm thực hiện được của đề tài, Có những ưu và nhược điểm gì.

Cuối cùng là đưa ra những hướng phát triển mới của đề tài có thể thực thi được. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 2.1 Khái niệm PLC S7-1200 ( Promamable Logic Controller) là những kết hợp I/O và các lựa chọn cấp nguồn, bao gồm 9 module các bộ cấp nguồn cả VAC – hoặc VDC - các bộ nguồn với sự kết hợp I/O DC hoặc Relay. Các module tín hiệu để mở rộng I/O và các module giao tiếp dễ dàng kết nối với các mặt của bộ điều khiển.

Tất cả các phần cứng Simatic S7-1200 có thể được gắn trên DIN rail tiêu chuẩn hay trực tiếp trên bảng điều khiển, giảm được không gian và chí phí lắp đặt. Các module tín hiệu có trong các model đầu vào, đầu ra và kết hợp loại 8, 16, và 32 điểm hỗ trợ các tín hiệu I/O DC, relay và analog. Bên cạnh đó, bảng tín hiệu tiên tiến có trong I/O số 4 kênh hay I/O analog 1 kênh gắn đằng trước bộ điều khiển S7-1200 cho phép nâng cấp I/O mà không cần thêm không gian. Thiết kế có thể mở rộng này giúp điều chỉnh các ứng dụng từ 10_I/O đến tối đa 284_I/O, với khả năng tương thích chương trình người sử dụng nhằm tránh phải lập trình lại khi chuyển đổi sang một bộ điều khiển lớn hơn.

Các đặc điểm khác: bộ nhớ 50 KB với giới hạn giữa dữ liệu người sử dụng và dữ liệu chương trình, một đồng hồ thời gian thực, 16 vòng lặp PID với khả năng điều chỉnh tự động, cho phép bộ điều khiển xác định thông số vòng lặp gần tối ưu cho hầu hết các ứng dụng điều khiển quá trình thông dụng. Simatic S7- 1200 cũng có một cổng giao tiếp Ethernet 10/100Mbit tích hợp với hỗ trợ giao thức Profinet cho lập trình, kết nối HMI /SCADA hay nối mạng PLC với PLC.2 Phân loại Việc phân loai S7-1200 dựa vào CPU mà nó trang bị. Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C. Thông thường S7-1200 được phân ra làm hai loại chính:  Loại cấp điện 220VAC: - Ngõ vào: kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (Từ 15VDC – 30VDC).

- Ngõ ra: Relay. - Ưu điểm của loại này là dung ngõ ra Relay. Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau (có thể sử dụng 0V, 24V, 220V …).