Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình đô thị hóa, việc tập trung dân cư đông đúc tại các khu vực thành thị kéo theo sự phát triển nhanh chóng của các khu chung cư, ký túc xá và tòa nhà cao tầng. Vấn đề cốt lõi trong vận hành các công trình này là đảm bảo mạng lưới cấp nước sinh hoạt vận hành liên tục, ổn định và duy trì áp suất đạt chuẩn tại tất cả các tầng vào mọi thời điểm. Thực tế tại các trạm bơm công suất lớn hiện nay cho thấy đa số hệ thống vẫn áp dụng phương pháp điều khiển truyền thống: các động cơ bơm được khởi động trực tiếp (Direct-On-Line) hoặc khởi động sao/tam giác và vận hành cố định ở tốc độ định mức. Phương thức điều tiết áp lực và mức nước chủ yếu dựa vào đóng/cắt (ON/OFF) hoặc thay đổi góc mở của van tiết lưu. Cách tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật:

  • Gây tiêu hao điện năng lớn do động cơ luôn chạy hết công suất mà không phụ thuộc vào lưu lượng tiêu thụ thực tế.
  • Dòng điện khởi động lớn gây sụt áp cục bộ trên lưới điện và tạo ra các hiện tượng dao động áp suất liên tục xung quanh điểm đặt.
  • Tần suất đóng cắt liên tục làm giảm tuổi thọ cơ học của máy bơm và thiết bị đóng cắt.
  • Hệ thống thiếu cơ chế thu thập dữ liệu áp suất đường ống theo thời gian thực và không thể cảnh báo sự cố từ xa, đòi hỏi nhiều nhân lực quản lý và bảo trì.

Trước thực trạng đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát mô hình hệ thống cấp nước cho tòa nhà ứng dụng IoT" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế và tính toán lựa chọn thiết bị cho hệ thống cấp nước tòa nhà cao tầng, đảm bảo đáp ứng lưu lượng và áp suất theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).
  2. Thiết kế và thi công tủ điện điều khiển, ứng dụng biến tần điều khiển bơm cấp nước tầng hầm theo phương pháp đa cấp tốc độ để tối ưu hóa năng lượng.
  3. Ứng dụng bộ điều khiển PID tích hợp trên biến tần để điều khiển bơm tăng áp cho các tầng trên cao, duy trì áp suất đường ống ổn định tại điểm đặt.
  4. Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát tại chỗ thông qua màn hình HMI, đồng thời tích hợp giải pháp truyền thông IoT để giám sát và điều khiển từ xa qua mạng Internet bằng phần mềm V-Net Access.
  5. Thi công mô hình thực nghiệm, vận hành kiểm chứng thuật toán điều khiển PID và đánh giá sự tương tác giữa hệ thống điều khiển, tủ điện và Webserver.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các thông số thủy lực của hệ thống cấp nước (áp suất, lưu lượng); phương pháp phân cấp tốc độ động cơ; thuật toán điều khiển phản hồi PID vòng kín; kỹ thuật lập trình PLC, giao diện HMI và truyền thông dữ liệu đám mây qua IoT Gateway.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở quy mô mô hình thực nghiệm với 02 máy bơm (01 bơm cấp nước từ bồn tầng hầm lên bồn mái sử dụng biến tần điều khiển đa cấp tốc độ; 01 bơm tăng áp duy trì ổn định áp suất cho tầng 10 với áp suất đặt trong đường ống không vượt quá 2 Bar); kích thước mô hình $24 \times 24 \times 100\text{ cm}$, sử dụng 02 bồn chứa dung tích 50 lít.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đề tài xây dựng các giải pháp kỹ thuật dựa trên các tiêu chuẩn xây dựng, tiêu chuẩn cấp thoát nước và lý thuyết điều khiển tự động:

  • TCVN 12494:2018 (Sản phẩm gốm xây dựng - Vòi nước tự đóng): Quy định giới hạn vận hành áp suất động tối thiểu $0{,}05\text{ MPa}$ ($0{,}5\text{ bar}$), dải áp suất sử dụng từ $0{,}1\text{ MPa}$ đến $0{,}5\text{ MPa}$ ($1\text{ bar} \le P \le 5\text{ bar}$), và áp suất tĩnh tối đa không vượt quá $1\text{ MPa}$ ($10\text{ bar}$).
  • TCXDVN 33:2006 (Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình tiêu chuẩn thiết kế): Áp dụng tiêu chuẩn dùng nước sinh hoạt cho đô thị vừa và nhỏ ở mức $300\text{ lít/người.ngày}$.
  • TCVN 4513:1988 (Cấp nước bên trong - Tiêu chuẩn thiết kế): Căn cứ xác định đương lượng của thiết bị vệ sinh dân dụng, lựa chọn cỡ đồng hồ nước tuốc bin và đường kính danh định cho đường ống cấp nước.
  • Lý thuyết điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha: Dựa trên quan hệ giữa tốc độ quay $n$, tần số nguồn cấp $f$ và số đôi cực $p$: $$n = \frac{60f}{p}(1 - s)$$ Việc điều khiển tần số thông qua biến tần cho phép thay đổi tuyến tính tốc độ bơm, từ đó kiểm soát chính xác lưu lượng và áp suất chất lưu.
  • Nguyên lý điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative): Ứng dụng vòng lặp kín tiếp nhận tín hiệu phản hồi analog ($4-20\text{ mA}$) từ cảm biến áp suất trên đường ống, tính toán sai lệch so với giá trị áp suất đặt ($SP$) để tự động điều chỉnh tần số ngõ ra của biến tần cấp cho bơm tăng áp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán giải tích và thủy lực kỹ thuật: Tính toán phụ tải nước cho tòa nhà giả định 10 tầng (quy mô 60 căn hộ, 240 người, chiều cao 40m). Xác định tổng lưu lượng tiêu thụ $Q_{\text{tổng}} = 72\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ ($3\text{ m}^3/\text{giờ}$), dung tích bồn nước ngầm $Q_{\text{bồn ngầm}} = 1{,}5 \times Q_{\text{tổng}} = 108\text{ m}^3$, bồn nước mái $Q_{\text{bồn mái}} = 0{,}3 \times Q_{\text{tổng}} = 21{,}6\text{ m}^3$. Cột áp tính toán 40m ($\approx 4\text{ bar}$), lưu lượng thiết kế $Q = 4{,}25\text{ l/s}$, hiệu suất bơm $0{,}65$, hệ số dự trữ $1{,}25$, dẫn đến công suất bơm lý thuyết $P_{Lt} = 6030{,}8\text{ W}$ và công suất thực tế $P_{Tt} = 7538{,}5\text{ W}$.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng và tích hợp hệ thống: Lựa chọn thiết bị công nghiệp theo yêu cầu phụ tải; thiết kế sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển và sơ đồ bố trí không gian tủ điện; thi công đường ống và khung giá đỡ cơ khí.
  • Phương pháp thực nghiệm và tinh chỉnh thông số: Vận hành mô hình thực tế, thử nghiệm các bộ tham số $K_p, T_i$ trên biến tần để đánh giá đáp ứng quá độ và độ ổn định áp suất; kiểm thử tính năng truyền thông SCADA/IoT trên màn hình HMI và Webserver.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ cảm biến áp suất SP-100 dải đo $0-10\text{ bar}$ (tín hiệu dòng $4-20\text{ mA}$).
  • Thông số điện áp, dòng điện, công suất, tần số, hệ số công suất thu thập từ đồng hồ đo đa năng Selec MFM383A qua chuẩn Modbus RTU RS485.
  • Trạng thái logic của phao mức nước, relay, công tắc chuyển mạch và các cờ báo lỗi hệ thống.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và bố trí tủ điện

Hệ thống điều khiển và truyền động được tích hợp đồng bộ trong tủ điện công nghiệp và kết nối với khung mô hình cơ khí:

Khối chức năng Tên thiết bị / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Xử lý trung tâm PLC Siemens S7-1200 CPU tích hợp cổng Ethernet Thu thập tín hiệu số/tương tự, điều khiển logic toàn hệ thống
Giao tiếp tại chỗ HMI Kinco Cổng truyền thông Ethernet Hiển thị thông số, giao diện điều khiển và cài đặt cảnh báo tại tủ
Truyền thông IoT V-BOX E-00 Cổng Ethernet, RS485, kết nối Cloud V-Net Cổng Gateway truyền dữ liệu lên Webserver, hỗ trợ truy cập PC/Mobile
Biến tần cấp nước Mitsubishi E700 (FR-E720-0.2K) Ngõ ra 3 pha, dải tần 50/60Hz, quá tải 150% (60s) Điều khiển bơm tầng hầm theo các cấp tốc độ định trước
Biến tần tăng áp FRECON FR100Z-2S-1.5B-H Ngõ vào 1P/220V, ra 3P, tích hợp PID, RS485 Điều khiển bơm tầng mái duy trì áp suất đường ống theo PID
Bơm động lực (02 cái) Panasonic GP-200JXK-SV5 Công suất 200W, lưu lượng max 45 l/phút, đẩy cao 21m 01 bơm cấp nước lên bồn mái, 01 bơm tăng áp đường ống
Cảm biến áp suất TMKTEK SP-100 Dải đo $0-10\text{ bar}$, ngõ ra $4-20\text{ mA}$, nguồn 9-30VDC Đo áp suất đường ống cấp cho hộ dân, gửi tín hiệu phản hồi PID
Đồng hồ đo điện Selec MFM383A Màn hình LCD, giao tiếp Modbus RTU RS485 Đo V, A, Hz, Pf, kW, kVA, kVAr, kWh, kết hợp biến dòng Yasin 50/5A
Đóng cắt & Bảo vệ MCB Mitsubishi BH-D6 MCB tổng 2P 32A, MCB tải 20A, MCB khiển 6A (6kA) Cách ly, đóng cắt nguồn và bảo vệ ngắn mạch/quá tải
Nguồn DC & Phụ trợ Omron S8FS-C01524J Nguồn tổ ong ngõ vào 220VAC, ngõ ra 24VDC Cung cấp nguồn nuôi 24VDC cho PLC, HMI, cảm biến, relay
Cơ khí & Thủy lực Khung sắt, 02 thùng phuy 50L Kích thước khung $24\times 24\times 100\text{ cm}$, ống PVC $\Phi 21/\Phi 27$ Mô phỏng cấu trúc tòa nhà, bồn chứa ngầm/mái và mạng đường ống

Cấu hình phần mềm và truyền thông

  • Phần mềm lập trình PLC & HMI: Sử dụng TIA Portal để cấu hình khối điều khiển S7-1200; sử dụng Kinco HMIware thiết kế giao diện vận hành cục bộ. Mạng Ethernet công nghiệp kết nối trực tiếp PLC S7-1200 với HMI Kinco và Gateway V-BOX E-00.
  • Nền tảng giám sát IoT (V-Net Access): V-BOX E-00 giao tiếp với PLC thông qua địa chỉ thanh ghi nội vi, sau đó ánh xạ dữ liệu lên máy chủ đám mây. Người vận hành giám sát trạng thái, xem đồ thị áp suất, xem thông số công suất Selec và thao tác chuyển chế độ (Auto/Manual/Remote) trên trình duyệt Web hoặc ứng dụng di động.
  • Cấu hình mạng Modbus RTU RS485: Thiết lập kết nối giữa PLC/Biến tần với đồng hồ đa năng Selec MFM383A để đọc liên tục các thông số năng lượng mạng điện 1 pha và 3 pha.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày bối cảnh đô thị hóa và nhu cầu cấp nước liên tục cho các tòa nhà cao tầng. Tác giả phân tích cấu trúc các trạm bơm cấp nước hiện nay, chỉ ra các nhược điểm nghiêm trọng của phương pháp đóng cắt ON/OFF truyền thống như sụt áp lưới điện, dao động áp suất và suy giảm tuổi thọ máy bơm. Từ đó, chương xác định mục tiêu thiết kế hệ thống cấp nước ứng dụng biến tần, PLC S7-1200, bộ điều khiển PID và công nghệ IoT; đồng thời xác định phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình 2 bơm với áp suất giới hạn dưới 2 Bar.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về cấp nước dân dụng:

  • Bảng tiêu chuẩn cấp nước theo đầu người dựa trên TCXDVN 33:2006 (định mức $300\text{ l/người.ngày}$).
  • Điều kiện vận hành vòi nước tự đóng theo TCVN 12494:2018 (áp suất động $0{,}5-5\text{ bar}$, áp suất tĩnh cực đại $10\text{ bar}$).
  • Phân tích giải pháp phân phối áp suất tự nhiên theo chiều cao tòa nhà 10 tầng (40m): tầng 1 đến tầng 6 có áp suất tự nhiên đạt $2-4\text{ bar}$ (đạt chuẩn TCVN), các tầng từ 7 đến 10 có áp suất tự nhiên chỉ đạt $0-1{,}5\text{ bar}$ (thiếu áp, cần bơm tăng áp điều khiển PID).
  • Tính toán phụ tải thủy lực chi tiết: tổng lượng nước ngày đêm ($72\text{ m}^3$), dung tích bồn ngầm ($108\text{ m}^3$), dung tích bồn mái ($21{,}6\text{ m}^3$), chọn đồng hồ nước tuốc bin cỡ 50 theo TCVN 4513:1988, tính toán đương lượng thiết bị vệ sinh ($N=600$), lưu lượng $Q = 4{,}25\text{ l/s}$, công suất yêu cầu của bơm lý thuyết ($6030{,}8\text{ W}$) và thực tế ($7538{,}5\text{ W}$), xác định đường kính ống dẫn chính $\Phi 25$.

Chương 3. Thiết kế phần cứng

Chương 3 đi sâu vào thiết kế chi tiết cơ khí và phần điện của hệ thống:

  • Thiết kế kết cấu khung đỡ sắt kích thước $24 \times 24 \times 100\text{ cm}$, 02 bồn chứa phuy nhựa dung tích 50 lít (chiều cao 600mm, đường kính miệng 340mm, thân 390mm, đáy 300mm), đường ống PVC Bình Minh $\Phi 21$ và $\Phi 27$, van một chiều lá lật bằng đồng $3/4\text{ inch}$, van xả nước PVC $\Phi 21$.
  • Tính toán và lựa chọn 02 máy bơm Panasonic GP-200JXK-SV5 200W, đồng hồ Selec MFM383A, biến dòng Yasin 50/5A, đồng hồ áp suất cơ KK Gauge ($0-10\text{ kg/cm}^2$), cảm biến áp suất SP-100 ($0-10\text{ bar}$, $4-20\text{ mA}$).
  • Xây dựng bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển; sơ đồ khối không gian bên trong và mặt ngoài cánh tủ điện.
  • Lựa chọn thiết bị bảo vệ và điều khiển: MCB Mitsubishi BH-D6 (32A, 20A, 6A), IoT Gateway V-BOX E-00, nguồn Omron S8FS-C01524J 24VDC, relay trung gian Chint 14 chân, biến tần Mitsubishi E700 FR-E720-0.2K, biến tần Frecon FR100Z-2S-1.5B-H, công tắc xoay LA38 2 vị trí và 3 vị trí, nút dừng khẩn cấp LA38-ZS, còi đèn chớp AD16-22SM và cảm biến mức nước.

Chương 4. Thiết kế phần mềm

Chương 4 trình bày quy trình lập trình và cấu hình hệ thống giám sát:

  • Thiết kế giao diện HMI Kinco qua phần mềm Kinco HMIware: thiết lập kết nối Ethernet với PLC S7-1200; cấu hình cơ chế bảo mật và phân quyền tài khoản người dùng; thiết lập bảng địa chỉ thanh ghi cho hệ thống cảnh báo Alarm.
  • Cấu hình nền tảng Webserver thông qua V-Net Access: tạo tài khoản quản trị, thiết lập truyền thông kết nối V-BOX E-00 với máy chủ đám mây, gán địa chỉ IP tĩnh, khai báo các tag dữ liệu giám sát và cài đặt ngưỡng cảnh báo tức thời.
  • Cài đặt tham số vận hành cho biến tần Mitsubishi E700 (tham số tần số đa cấp tốc độ) và biến tần Frecon FR100 (tham số cấu hình kênh phản hồi analog, thiết lập vòng lặp PID nội vi); cài đặt cấu hình truyền thông Modbus RTU cho đồng hồ điện năng Selec MFM383A.

Chương 5. Kết quả thực hiện

Chương 5 công bố các kết quả vận hành thực tế của mô hình:

  • Hình ảnh hoàn thiện hệ thống cơ khí thủy lực và bố trí thiết bị bên trong, mặt ngoài tủ điện thực tế.
  • Kết quả khảo sát thực nghiệm thông số bộ điều khiển PID cho bơm tăng áp qua việc đối sánh các biểu đồ đáp ứng áp suất đường ống tại các mốc thông số:
    • $K_p = 1, T_i = 0$: thời gian đáp ứng chậm, sai số xác lập lớn.
    • $K_p = 160, T_i = 0$: độ lợi cao làm tăng tốc độ đáp ứng nhưng gây vọt lố.
    • $K_p = 560, T_i = 0$: hệ thống dao động mạnh, mất ổn định áp suất.
    • $K_p = 150, T_i = 0$: hệ thống đạt trạng thái đáp ứng ổn định, bám sát giá trị đặt áp suất.
  • Hoàn thiện 07 màn hình giao diện trên HMI: Màn hình yêu cầu đăng nhập, Đăng nhập mật khẩu, Giao diện tổng quan hệ thống, Giao diện cài đặt và điều khiển, Giao diện thông số Selec, Giao diện lịch sử báo lỗi, Giao diện biểu đồ áp suất thời gian thực.
  • Hoàn thiện 06 giao diện trên Webserver V-Net Access: Giao diện đăng nhập, Giao diện tổng quan, Giao diện cài đặt/điều khiển, Giao diện thông số điện năng Selec, Giao diện lịch sử cảnh báo và Giao diện biểu đồ áp suất đường ống.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết khối lượng công việc đã hoàn thành; chỉ rõ các hạn chế về quy mô thử nghiệm; đồng thời đề xuất giải pháp kỹ thuật khắc phục khi hệ thống gặp sự cố mất điện lưới (tích hợp ATS và máy phát điện) hoặc sự cố mất nguồn cấp nước từ mạng thủy cục (tích hợp van điện từ và phao bảo vệ cạn).

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm và tủ điện công nghiệp: Hoàn thiện tủ điện tích hợp PLC S7-1200, HMI Kinco, IoT Gateway V-BOX E-00 và 02 bộ biến tần; liên kết cơ khí vững chắc với khung sắt $24 \times 24 \times 100\text{ cm}$ và hệ thống bồn phuy 50L.
  2. Kiểm chứng thuật toán điều khiển PID trên biến tần Frecon: Xác định được bộ thông số điều khiển tối ưu ($K_p = 150, T_i = 0$), giúp hệ thống duy trì ổn định áp suất cấp nước đầu ra tại ngưỡng đặt $\le 2\text{ bar}$ khi tải tiêu thụ thay đổi, triệt tiêu hiện tượng vọt lố và dao động áp lực.
  3. Triển khai thành công hệ thống giám sát SCADA/IoT đa kênh: Vận hành đồng bộ 07 giao diện điều khiển tại chỗ trên màn hình HMI Kinco và 06 giao diện điều khiển giám sát từ xa qua nền tảng Webserver V-Net Access (hỗ trợ cả máy tính để bàn và thiết bị di động Android/iOS).
  4. Thu thập dữ liệu điện năng thời gian thực: Tích hợp giao tiếp Modbus RTU giữa PLC và đồng hồ Selec MFM383A, giám sát liên tục các thông số điện áp, dòng điện, công suất và điện năng tiêu thụ của trạm bơm.

Bảng đối sánh thông số tính toán lý thuyết và mô hình thực nghiệm

Hạng mục thông số Quy mô tính toán thiết kế (Tòa nhà 10 tầng) Quy mô mô hình thực nghiệm
Quy mô phục vụ 10 tầng, 60 căn hộ, 240 người Mô hình thí nghiệm mô phỏng tầng hầm và tầng 10
Dung tích bồn ngầm $108\text{ m}^3$ 01 thùng phuy nhựa 50 lít
Dung tích bồn mái $21{,}6\text{ m}^3$ 01 thùng phuy nhựa 50 lít
Công suất máy bơm $P_{Tt} = 7538{,}5\text{ W}$ ($\approx 7{,}5\text{ kW}$) 02 bơm Panasonic GP-200JXK công suất $200\text{ W}$
Phương thức điều khiển cấp nước Biến tần điều khiển đa cấp tốc độ Biến tần Mitsubishi E700 FR-E720-0.2K
Phương thức duy trì áp suất Biến tần tích hợp thuật toán PID Biến tần FRECON FR100Z-2S-1.5B-H ($K_p = 150$)
Áp suất làm việc duy trì $1{,}5-2\text{ bar}$ tại các tầng trên cao $\le 2\text{ bar}$ tại đường ống cấp mô phỏng tầng 10
Giao thức truyền thông SCADA mạng nội bộ & IoT Cloud Ethernet (PLC - HMI - V-BOX), Modbus RS485 (Selec)

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa điều khiển tự động hóa truyền thống (PLC, Biến tần, PID) và công nghệ giám sát đám mây IoT (V-BOX Gateway), thay thế hiệu quả phương pháp đóng cắt ON/OFF cổ điển.
  • Làm rõ phương pháp phân vùng áp lực nước theo chiều cao công trình: tận dụng áp lực cột nước tự nhiên cho các tầng dưới ($1-6$) và chỉ tăng áp cục bộ bằng biến tần PID cho các tầng thiếu áp ($7-10$), giúp giảm thiểu chi phí đầu tư và tiết kiệm điện năng vận hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Quy mô mô hình: Đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô hình thí nghiệm với bơm công suất nhỏ ($200\text{ W}$) và bồn chứa dung tích 50 lít, chưa thể hiện đầy đủ hiện tượng búa nước (water hammer) và tổn thất áp lực trên hệ thống đường ống dài trong các tòa nhà cao tầng thực tế.
  • Phạm vi điều áp: Mô hình thực nghiệm mới chỉ tập trung mô phỏng và kiểm soát áp suất cấp cho điểm xả đại diện ở tầng 10, chưa bố trí đầy đủ các nhánh van giảm áp và cảm biến áp suất tại từng tầng riêng biệt.
  • Hạ tầng nguồn dự phòng: Chưa tích hợp hệ thống chuyển nguồn tự động (ATS) kết hợp máy phát điện khi xảy ra sự cố mất điện lưới, và chưa có cảm biến lưu lượng/áp lực trực tiếp từ mạng lưới cấp nước thủy cục vào bồn ngầm.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Khắc phục sự cố mất điện lưới: Nghiên cứu tích hợp tủ chuyển nguồn tự động ATS và hệ thống lưu điện/máy phát điện dự phòng nhằm duy trì hoạt động liên tục của PLC, hệ thống biến tần và mạng truyền thông IoT khi lưới điện gặp sự cố.
  • Khắc phục sự cố mất nước thủy cục: Lắp đặt bổ sung cảm biến dòng chảy, cảm biến mức nước chuyên dụng và van điều khiển điện từ tại đường ống cấp đầu vào từ mạng lưới thành phố để tự động phát hiện tình trạng mất nước và ngắt bơm bảo vệ.
  • Mở rộng quy mô điều khiển: Mở rộng giải pháp điều khiển PID đa biến, phân vùng cấp nước áp lực độc lập cho từng khu vực của tòa nhà cao tầng và thử nghiệm trên hệ thống trạm bơm công nghiệp thực tế.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống tự động hóa công nghiệp từ khâu tính toán phụ tải theo tiêu chuẩn, thiết kế bản vẽ mạch động lực/điều khiển tủ điện, đến kỹ thuật lập trình PLC S7-1200 và thiết kế giao diện HMI Kinco.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống cơ điện tòa nhà (MEP/BMS): Tham khảo phương pháp phân vùng áp suất thủy lực theo TCVN, nguyên lý phối hợp giữa bơm cấp nước đa cấp tốc độ và bơm tăng áp PID, cũng như quy trình thu thập dữ liệu điện năng qua giao thức Modbus RTU RS485.
  • Người nghiên cứu ứng dụng IoT công nghiệp (IIoT): Tham khảo kiến trúc kết nối phần cứng thông qua Gateway V-BOX E-00 và phương pháp cấu hình nền tảng đám mây V-Net Access để giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp từ xa qua Internet.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lại sử dụng hai bộ biến tần của hai hãng khác nhau (Mitsubishi E700 và Frecon FR100)?

Hệ thống sử dụng hai biến tần riêng biệt nhằm phân tách rõ ràng hai nhiệm vụ điều khiển: biến tần Mitsubishi E700 chuyên dùng để điều khiển bơm tầng hầm cấp nước lên bồn mái theo các cấp tốc độ cố định dựa trên mực nước bồn; trong khi biến tần FRECON FR100Z-2S-1.5B-H được sử dụng cho bơm tăng áp nhờ khả năng tích hợp sẵn thuật toán điều khiển PID và cổng truyền thông RS485, giúp tiếp nhận trực tiếp tín hiệu $4-20\text{ mA}$ từ cảm biến áp suất để điều tiết áp lực đường ống liên tục.

2. Đồ án căn cứ vào những tiêu chuẩn Việt Nam nào để tính toán nhu cầu nước và đường kính ống?

Đề tài căn cứ vào ba tiêu chuẩn kỹ thuật chính:

  • TCXDVN 33:2006: Lấy tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt $300\text{ lít/người.ngày}$ để tính tổng lưu lượng $Q_{\text{tổng}} = 72\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ cho tòa nhà 240 người.
  • TCVN 12494:2018: Xác định giới hạn áp suất sử dụng cho thiết bị vòi nước tự đóng ($0{,}5-5\text{ bar}$).
  • TCVN 4513:1988: Tính toán tổng đương lượng thiết bị vệ sinh ($N=600$), lựa chọn đồng hồ nước tuốc bin cỡ 50 và đường kính ống danh định $\Phi 25$.

3. Thiết bị Gateway V-BOX E-00 thực hiện chức năng gì trong kiến trúc IoT của hệ thống?

V-BOX E-00 là thiết bị truyền thông đóng vai trò cầu nối IoT. Thiết bị kết nối trực tiếp với PLC Siemens S7-1200 qua cổng Ethernet để đọc/ghi các thanh ghi dữ liệu, sau đó truyền thông tin lên máy chủ đám mây thông qua nền tảng V-Net Access. Nhờ đó, người vận hành có thể theo dõi trạng thái, đồ thị áp suất, xem cảnh báo Alarm và điều khiển chế độ vận hành từ xa qua trình duyệt Web hoặc ứng dụng di động.

4. Đồng hồ đa năng Selec MFM383A kết nối với hệ thống qua chuẩn nào và thu thập những dữ liệu gì?

Đồng hồ Selec MFM383A kết hợp biến dòng Yasin 50/5A kết nối với bộ điều khiển thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp Modbus RTU RS485. Thiết bị đo lường và cung cấp các thông số điện năng gồm: điện áp (V), dòng điện (A), tần số (Hz), hệ số công suất (Pf), công suất tác dụng (kW), công suất biểu kiến (kVA), công suất phản kháng (kVAr) và điện năng tiêu thụ tích lũy (kWh).

5. Giải pháp phân phối áp suất cho tòa nhà 10 tầng (cao 40m) được đề xuất như thế nào?

Cứ mỗi 10m chiều cao cột nước tạo ra $1\text{ bar}$ áp suất tự nhiên. Do đó, các tầng từ 1 đến 6 có áp suất tự nhiên từ $2-4\text{ bar}$ (đạt chuẩn TCVN) nên sử dụng trực tiếp nguồn nước chảy tự nhiên từ bồn mái. Ngược lại, các tầng từ 7 đến 10 có áp suất tự nhiên thấp ($0-1{,}5\text{ bar}$, không đủ áp lực sinh hoạt) nên được đấu nối qua bơm tăng áp điều khiển bằng biến tần PID nhằm duy trì áp suất ổn định tại ngưỡng $1{,}5-2\text{ bar}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế và thi công thành công mô hình hệ thống cấp nước tự động cho tòa nhà cao tầng ứng dụng công nghệ IoT. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán ổn định áp suất thủy lực thông qua việc kết hợp biến tần điều khiển phân cấp tốc độ và thuật toán PID vòng kín trên nền PLC Siemens S7-1200. Việc tích hợp đồng bộ màn hình HMI Kinco tại chỗ và nền tảng Webserver V-Net Access từ xa mang lại giải pháp giám sát trực quan, tin cậy và tiết kiệm năng lượng, tạo tiền đề vững chắc cho việc mở rộng ứng dụng vào các hệ thống quản lý tòa nhà thông minh thực tế.