Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các khu đô thị hiện đại, sự gia tăng nhanh chóng về mật độ dân cư dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống chung cư và nhà cao tầng. Nhu cầu cung cấp nước sinh hoạt ổn định, liên tục tại mọi thời điểm là yêu cầu kỹ thuật then chốt trong công tác vận hành tòa nhà. Theo thực trạng tác giả khảo sát, phần lớn các trạm bơm cấp nước công suất lớn hiện nay vẫn sử dụng phương thức điều khiển truyền thống:

  • Các trạm bơm bố trí từ hai máy bơm trở lên cùng cấp vào đường ống chính, luôn duy trì tối thiểu một bơm dừng ở chế độ dự phòng.
  • Động cơ máy bơm được khởi động trực tiếp hoặc qua mạch sao/tam giác, vận hành cố định ở tốc độ định mức.
  • Phương pháp điều chỉnh áp lực và lưu lượng phổ biến gồm hai hình thức: điều khiển Bật/Tắt (ON/OFF) và điều chỉnh góc mở van (bằng van tay hoặc van điện).

Phương thức truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật: điều khiển ON/OFF gây sụt áp mạng điện khi khởi động, áp suất dao động mạnh quanh điểm đặt, bơm đóng ngắt liên tục làm giảm tuổi thọ thiết bị; trong khi đó, phương pháp tiết lưu qua van buộc động cơ luôn chạy đầy tải dù nhu cầu sử dụng giảm xuống 50%–60%, dẫn đến lãng phí điện năng, tốn chi phí nhân công và gây áp lực thủy lực phá hủy đường ống, mối nối.

Để khắc phục các nhược điểm trên, đề tài xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tính toán và thiết kế giải pháp kỹ thuật, lựa chọn thiết bị cho hệ thống bơm cấp nước tòa nhà quy mô 10 tầng, 60 căn hộ, 300 cư dân, chiều cao cột áp 40 m.
  2. Thiết kế giải pháp điều khiển luân phiên 3 máy bơm cấp nước đầu vào trực tiếp thông qua tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển khả trình (PLC) nhằm duy trì nguồn nước tại bồn mái và tối ưu hóa tuổi thọ bơm.
  3. Thiết kế giải pháp điều khiển 2 máy bơm 3 pha tăng áp đầu ra bằng biến tần bán dẫn theo thuật toán PID, nhận tín hiệu phản hồi tương tự (analog dạng dòng) từ cảm biến áp suất nhằm ổn định áp lực nước.
  4. Xây dựng mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU chuẩn RS485 giữa màn hình giao diện người - máy (HMI) và biến tần để truyền nhận thông số vận hành (tần số, dòng điện, giá trị đặt, tín hiệu điều khiển), kết hợp mạng Ethernet kết nối PLC với HMI.
  5. Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát đa phương thức: vận hành tại chỗ qua tủ điều khiển và giám sát từ xa qua giao diện máy chủ web (Webserver/VNC).

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu: Do điều kiện kinh phí và phòng thí nghiệm, đề tài triển khai thực nghiệm dưới dạng mô hình với 2 bơm luân phiên đầu vào cấp nước lên bồn tầng thượng, cùng hệ thống bơm tăng áp công suất nhỏ ổn định áp suất đầu ra cho hai tầng mô phỏng (tầng 9 và tầng 10), giá trị áp suất đặt trong đường ống không vượt quá 2 Bar.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tiếp cận

Đề tài áp dụng các tiêu chuẩn xây dựng, lý thuyết thủy lực, nguyên lý máy điện và lý thuyết điều khiển tự động:

  • Tiêu chuẩn thiết kế cấp nước: Sử dụng tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006 để xác định định mức dùng nước sinh hoạt cho dân cư (300 lít/người/ngày-đêm) và tiêu chuẩn TCVN 4513:1988 để tra cứu bảng đương lượng thiết bị vệ sinh, tính toán lưu lượng tính toán ($Q_{l/s} = \alpha \times 0.2 \sqrt{N}$), chọn cỡ đồng hồ đo nước và xác định đường kính ống cấp nước ($D = 25\text{ mm}$).
  • Lý thuyết thủy lực và máy bơm: Phân loại máy bơm ly tâm, công thức tính công suất hữu ích ($N_h = 9.81 \times Q \times H$), công thức xác định công suất trục máy bơm ($N = N_h / \eta_b$) và quan hệ giữa áp lực thủy tĩnh với cột nước ($10\text{ m } \text{H}_2\text{O} = 1\text{ Bar}$).
  • Nguyên lý động cơ không đồng bộ 3 pha và biến tần: Khảo sát cấu tạo stator, rotor lồng sóc, nguyên lý trượt $s = (n_1 - n)/n_1$ và quan hệ tốc độ quay với tần số $n = \frac{60f}{p}(1-s)$. Nguyên lý nghịch lưu điện áp xoay chiều qua bộ cầu chỉnh lưu diode, lọc tụ điện và băm xung PWM bằng transistor lưỡng cực cổng cách ly (IGBT).
  • Lý thuyết điều khiển phản hồi vòng kín PID: Khảo sát hàm điều khiển theo thời gian: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_{0}^{t} e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Ứng dụng phương pháp chỉnh định Ziegler-Nichols kết hợp tinh chỉnh thủ công để tìm các tham số độ lợi tỉ lệ ($K_p$) và thời gian tích phân ($T_i$) phù hợp cho đáp ứng vòng lặp áp suất.
  • Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết - thiết kế kỹ thuật, phương pháp mô hình hóa cấu trúc điều khiển và phương pháp thực nghiệm đo đạc đáp ứng áp suất thực tế trên mô hình phần cứng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ kiến trúc phần cứng, sơ đồ công nghệ, mạng truyền thông đến phần mềm điều khiển và giám sát.

Kiến trúc phần cứng và thiết bị động lực

Căn cứ vào tính toán phụ tải cho tòa nhà 10 tầng (60 căn hộ, 300 người, chiều cao 40 m), các thông số thiết kế và lựa chọn thiết bị được xác định như sau:

Hạng mục Thông số tính toán / Tiêu chuẩn Thiết bị được lựa chọn Thông số kỹ thuật chính
Bể chứa ngầm $Q_{\text{bể}} = 1.5 \times Q_{\text{tổng}} = 135\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$ Bể ngầm công trình Dung tích theo tính toán
Đồng hồ nước $Q_{\text{tổng}} = 3.75\text{ m}^3/\text{h}$ (TCVN 4513:1988) Đồng hồ nước loại tuốc bin Cỡ 50 (dải lưu lượng $15 \div 140\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$)
Đường ống chính Hệ số đương lượng thiết bị vệ sinh $N = 600$ Ống dẫn chất liệu tiêu chuẩn Đường kính danh nghĩa $\Phi 25\text{ mm}$ (D25)
Bơm cấp chính đầu vào Cột áp $40\text{ m}$, lưu lượng $2.25\text{ l/s}$, $P \ge 14.25\text{ kW}$ Ebara 3(L)M 40-200/11 $11\text{ kW}$ ($15\text{ HP}$), 3 pha $400\text{ V}$, $20\text{ A}$, $2900\text{ v/p}$, cột áp $60 \div 70\text{ m}$
Bơm cấp phụ đầu vào $50%$ công suất bơm chính, cột áp $40\text{ m}$ Ebara 3(L)M 32-200/5.5 $5.5\text{ HP}$, 3 pha $400\text{ V}$, $11.8\text{ A}$, $2900\text{ v/p}$, cột áp $60 \div 70\text{ m}$
Bơm tăng áp tầng cao Cột áp $20\text{ m}$, bơm 3 pha Panasonic GP-350JA $350\text{ W}$, 3 pha $400\text{ V}$, $50\text{ Hz}$, lưu lượng $39 \div 45\text{ l/phút}$
Biến tần điều khiển 1 Công suất $> 0.35\text{ kW}$, tích hợp PID, RS485 INVT Goodrive GD20 Mã GD10-0R7G-S2-B-ZX, $0.75\text{ kW}$, vào $220\text{ V}$, ra 3 pha $380\text{ V}$, $9.3\text{ A}$
Biến tần điều khiển 2 Công suất $> 0.35\text{ kW}$, tích hợp PID, RS485 DELTA VFD-M $0.4\text{ kW}$, vào $220\text{ V}$, ra 3 pha $380\text{ V}$, $8.5\text{ A}$
Khởi động từ (Contactor) Đóng cắt mạch bơm đầu vào, tải AC3 ABB AL30-30-10-81 Dòng $32\text{ A}$, điện áp cuộn hút $24\text{ VDC}$, tiếp điểm phụ 1NO
Bộ điều khiển trung tâm Xử lý logic, ngõ vào/ra số, truyền thông Siemens S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY, nguồn cấp $220\text{ VAC}$, ngõ ra relay
Màn hình giao diện HMI Cảm ứng, tích hợp cổng Ethernet, RS485 Kinco MT4434TE 7 inch TFT, $800 \times 480$, RISC 32-bit $800\text{ MHz}$, $128\text{ MB}$ Flash, $24\text{ VDC}$

Phân bố áp suất và giải pháp công nghệ

Theo chiều cao công trình 40 m, áp suất thủy tĩnh tự nhiên giảm dần từ tầng 1 đến tầng 10: Tầng 1 ($4.0\text{ Bar}$), Tầng 2 ($3.6\text{ Bar}$), Tầng 3 ($3.2\text{ Bar}$), Tầng 4 ($2.8\text{ Bar}$), Tầng 5 ($2.4\text{ Bar}$), Tầng 6 ($2.0\text{ Bar}$), Tầng 7 ($1.6\text{ Bar}$), Tầng 8 ($1.2\text{ Bar}$), Tầng 9 ($0.8\text{ Bar}$), Tầng 10 ($0.4\text{ Bar}$). Dải áp suất làm việc tiêu chuẩn yêu cầu từ $1.5 \div 2.0\text{ Bar}$. Do đó, hệ thống phân chia thành hai phân vùng công nghệ:

  • Phân vùng cấp nước đầu vào: Cấp nước từ bể ngầm lên bồn mái bằng cụm bơm Ebara điều khiển luân phiên qua ngõ ra relay của PLC Siemens S7-1200.
  • Phân vùng tăng áp đầu ra: Duy trì áp lực cho các tầng cao (tầng 9 và tầng 10 có áp suất tự nhiên dưới $1.0\text{ Bar}$) bằng 2 bơm Panasonic qua 2 biến tần INVT GD20 và Delta VFD-M vận hành điều áp PID.

Mạng truyền thông và phần mềm điều khiển

  • Cấu hình mạng: PLC Siemens S7-1200 (đặt IP tĩnh 192.168.0.1) kết nối với màn hình HMI Kinco MT4434TE qua giao thức Profinet/Ethernet (TCP/IP). HMI đóng vai trò Master giao tiếp với 2 biến tần đóng vai trò Slave qua mạng Modbus RTU (chuẩn vật lý RS485, cáp xoắn đôi chống nhiễu), truy xuất các vùng thanh ghi điều khiển, tần số và dòng điện.
  • Phần mềm lập trình: TIA Portal V15 được dùng để lập trình logic điều khiển bơm, xử lý khối tổ chức OB, hàm FC, khối dữ liệu DB và bảng biến PLC Tags. Phần mềm Kinco HMIware được sử dụng để thiết kế giao diện vận hành, phân quyền người dùng (User Login), cấu hình trang cảnh báo sự cố (Alarm) và kích hoạt tính năng VNC/Webserver phục vụ điều khiển và giám sát trực tuyến.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống bơm nước

Chương 1 trình bày bối cảnh đô thị hóa, phân tích nhu cầu cấp nước tại các tòa nhà cao tầng và đánh giá các nhược điểm của hệ thống trạm bơm truyền thống (khởi động trực tiếp/sao-tam giác, điều khiển ON/OFF, điều tiết bằng van cơ khí). Tác giả đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ biến tần và bộ điều khiển khả trình PLC kết hợp truyền thông công nghiệp. Chương này xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu, phạm vi mô hình thực nghiệm (2 tầng mô phỏng 9 và 10, áp suất $\le 2\text{ Bar}$), ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc tối ưu hóa năng lượng và tự động hóa cấp nước tòa nhà.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết chuyên ngành:

  • Định nghĩa máy bơm, phân loại máy bơm theo nguyên lý và công suất, các thông số kỹ thuật cốt lõi (lưu lượng $Q$, cột áp $H$, công suất hữu ích $N_h$, công suất trục $N$, hiệu suất $\eta_b$).
  • Cấu tạo và nguyên lý của động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, công thức tính tốc độ và hệ số trượt.
  • Nguyên lý biến đổi nguồn AC-DC-AC của biến tần bằng chỉnh lưu diode và nghịch lưu IGBT điều chế độ rộng xung PWM, đặc tính tải mô-men bậc 2 của bơm/quạt.
  • Lý thuyết đo áp suất, cấu tạo cảm biến áp suất công nghiệp và giải thuật điều khiển PID ($K_p$, $K_i$, $K_d$), các phương pháp chỉnh định tham số vòng lặp (phương pháp thủ công, phương pháp Ziegler-Nichols, Cohen-Coon).
  • Cấu trúc phần cứng PLC Siemens S7-1200, các khối chức năng mở rộng, cổng Profinet và tập lệnh trên phần mềm TIA Portal V15.
  • Cấu hình kỹ thuật HMI Kinco MT4434TE và các công cụ thiết kế giao diện, cảnh báo Alarm, phân quyền, kết nối truyền thông trong phần mềm Kinco HMIware.

Chương 3: Tính toán, thiết kế, chọn thiết bị cho hệ thống

Chương 3 chi tiết hóa toàn bộ các bước tính toán công kỹ thuật cho công trình 10 tầng, 60 căn hộ, 300 người:

  • Tính toán tổng lưu lượng cấp nước dân cư $Q_{\text{tổng}} = 90\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$ theo TCXDVN 33:2006.
  • Tính toán dung tích bể chứa ngầm $Q_{\text{bể}} = 135\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$, chọn đồng hồ nước tuốc bin cỡ 50 theo TCVN 4513:1988.
  • Xác định lưu lượng giây $Q_{l/s} = 2.25\text{ l/s}$ và đường kính ống dẫn chính $\Phi 25\text{ mm}$ (D25).
  • Tính chọn thiết bị mạch động lực: bơm chính Ebara 3(L)M 40-200/11 ($11\text{ kW}$), bơm phụ Ebara 3(L)M 32-200/5.5 ($5.5\text{ HP}$), bơm tăng áp Panasonic GP-350JA ($350\text{ W}$), biến tần INVT GD20 ($0.75\text{ kW}$), biến tần Delta VFD-M ($0.4\text{ kW}$), contactor ABB AL30 ($32\text{ A}$, cuộn hút $24\text{ VDC}$), MCCB/MCB và cáp động lực.
  • Lựa chọn thiết bị mạch điều khiển: MCB bảo vệ, cảm biến áp suất dải đo chuẩn, nút nhấn nhả có đèn, nút xoay chuyển mạch Switch, đèn báo pha, bộ nguồn tổ ong $24\text{ VDC}$ và cảm biến mức nước.

Chương 4: Cài đặt thiết bị và thiết kế phần mềm

Chương này mô tả quy trình cấu hình và lập trình phần mềm:

  • Thiết kế giao diện đồ họa HMI Kinco, cấu hình kết nối Ethernet TCP/IP với PLC S7-1200.
  • Cấu hình truyền thông Modbus RTU RS485 từ HMI đến biến tần GD20 và biến tần VFD-M, thiết lập bảng ánh xạ các ô thanh ghi dữ liệu đọc/ghi (tần số hoạt động, dòng điện ngõ ra, lệnh chạy/dừng, giá trị đặt PID).
  • Xây dựng cấu trúc bảo mật phân quyền người dùng (User Login/Password) và thiết lập bảng sự kiện cảnh báo lỗi hệ thống (Alarm).
  • Cài đặt nhóm thông số chức năng trên biến tần INVT GD20 và Delta VFD-M: nhóm thông số cơ bản, nhóm điều khiển chạy/dừng, nhóm terminal ngõ vào, nhóm bảo vệ, nhóm thông số truyền thông Modbus và nhóm cài đặt chức năng điều khiển vòng kín PID.

Chương 5: Thi công mô hình, thực nghiệm

Tác giả ghi nhận quá trình gia công và kiểm nghiệm thực tế:

  • Thi công cơ khí và đường ống: phân đoạn đầu vào cấp nước và phân đoạn đầu ra mô phỏng duy trì áp suất cho tầng 9 và tầng 10.
  • Lắp ráp bố trí thiết bị trên mặt tủ điện và bên trong tủ điện điều khiển theo bản vẽ CAD thiết kế.
  • Thực hiện thực nghiệm dò tìm bộ tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID trên biến tần GD20 và Delta VFD-M thông qua việc thay đổi các hệ số $K_p$, $T_i$ và ghi nhận đường đặc tính đáp ứng áp suất thực tế.
  • Kiểm thử giao diện Webserver/VNC: xác nhận hoạt động của trang giám sát thời gian thực, trang ghi nhận lịch sử đăng nhập hệ thống và trang nhật ký báo động Alarm.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành dựa trên 4 mục tiêu ban đầu, chỉ ra các giới hạn kỹ thuật còn tồn tại ở mô hình thực nghiệm và đề xuất các giải pháp nâng cấp, hoàn thiện hệ thống khi áp dụng vào công trình thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cấp nước: Đã xác lập đầy đủ bảng thông số kỹ thuật cho hệ thống cấp nước tòa nhà 10 tầng (60 căn hộ, 300 dân) theo đúng tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006 và TCVN 4513:1988, bao gồm dung tích bể chứa ngầm ($135\text{ m}^3$), đường kính ống chính ($\Phi 25$), công suất bơm cấp chính ($11\text{ kW}$) và bơm tăng áp.
  • Thi công mô hình thực nghiệm: Lắp ráp hoàn chỉnh tủ điện điều khiển và mô hình phân phối nước tích hợp PLC S7-1200 CPU 1214C, HMI Kinco MT4434TE, 2 biến tần (INVT GD20 và Delta VFD-M) cùng cảm biến áp suất và cụm bơm tăng áp.
  • Tối ưu hóa tham số điều khiển PID: Qua thực nghiệm trên mô hình, tác giả đã khảo sát đáp ứng của hệ thống với nhiều bộ tham số PID khác nhau:
Biến tần Bộ thông số thử nghiệm Đánh giá đáp ứng hệ thống qua thực nghiệm
INVT GD20 $K_p = 1, T_i = 0$ Hệ thống đáp ứng chậm, thời gian đạt điểm đặt dài.
INVT GD20 $K_p = 15, T_i = 0$ Tốc độ đáp ứng tăng, hệ thống dao động nhẹ quanh điểm đặt.
INVT GD20 $K_p = 40, T_i = 0$ Độ vọt lố lớn, hệ thống mất ổn định do độ lợi quá cao.
INVT GD20 $K_p = 3, T_i = 0$ Hệ thống duy trì áp suất ổn định, thời gian xác lập nhanh, không vọt lố.
Delta VFD-M $K_p = 3$ Đáp ứng áp suất đầu ra ổn định, bám sát giá trị đặt dưới $2\text{ Bar}$.
  • Truyền thông và giám sát đa nền tảng: Thiết lập thành công mạng Profinet giữa PLC và HMI, mạng Modbus RTU RS485 giữa HMI và biến tần; triển khai hoàn chỉnh tính năng giám sát từ xa qua Webserver và VNC, ghi nhận đầy đủ lịch sử đăng nhập và nhật ký cảnh báo lỗi.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Đề tài kết hợp thành công giải pháp điều khiển luân phiên bơm đầu vào bằng PLC và điều khiển áp suất động đầu ra bằng biến tần tích hợp PID, giúp triệt tiêu hiện tượng sụt áp khi khởi động và giảm lãng phí điện năng so với giải pháp van tiết lưu truyền thống.
  • Xây dựng giải pháp tích hợp thiết bị đa hãng (PLC Siemens, HMI Kinco, Biến tần INVT và Delta) hoạt động đồng bộ trên nền tảng mạng truyền thông công nghiệp chuẩn hóa (Profinet, Modbus RTU).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Đề tài mới dừng lại ở quy mô mô hình thí nghiệm; bơm tăng áp và hệ thống đường ống mô phỏng có công suất nhỏ.
  • Áp suất đặt thử nghiệm giới hạn dưới $2\text{ Bar}$ và chỉ mới mô phỏng kiểm soát áp lực thực nghiệm cho 2 tầng cao (tầng 9 và tầng 10).
  • Chưa tích hợp bộ lưu điện dự phòng (UPS) hoặc máy phát điện tự động chuyển nguồn (ATS) khi xảy ra sự cố mất điện lưới.
  • Chưa có cảm biến lưu lượng và thuật toán cảnh báo chuyên sâu cho sự cố mất nguồn nước từ mạng cấp nước thủy cục thành phố.

Hướng phát triển

  1. Khắc phục sự cố mất điện: Nghiên cứu tích hợp hệ thống máy phát điện dự phòng và bộ chuyển nguồn tự động ATS để đảm bảo trạm bơm vận hành liên tục khi mất lưới điện.
  2. Khắc phục sự cố mất nước thủy cục: Lắp đặt thêm cảm biến áp suất hoặc cảm biến dòng chảy trên đường ống cấp từ nguồn thủy cục vào bể ngầm để chủ động khóa van, ngừng bơm và kích hoạt cảnh báo sớm.
  3. Mở rộng quy mô điều khiển: Hoàn thiện và nâng cấp giải pháp để ứng dụng trực tiếp cho các trạm cấp nước công nghiệp thực tế với dải áp suất cao hơn và số lượng tầng phục vụ lớn hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện: Tham khảo phương pháp tính toán phụ tải động cơ, quy trình thiết kế mạch động lực/mạch điều khiển tủ điện, cách lập trình PLC Siemens S7-1200 qua TIA Portal và thiết kế giao diện HMI Kinco qua phần mềm Kinco HMIware.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống Cơ điện công trình (M&E) và Cấp thoát nước: Tham khảo quy trình tính toán nhu cầu dùng nước theo tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006 và TCVN 4513:1988, phương pháp phân vùng áp lực theo tầng nhà cao tầng, và giải pháp điều khiển áp suất vòng kín bằng biến tần.
  • Người làm đề tài về Truyền thông công nghiệp: Tham khảo cấu hình chi tiết bảng thanh ghi truyền thông Modbus RTU RS485 kết nối HMI với biến tần đa hãng (INVT GD20, Delta VFD-M) và giải pháp giám sát qua Webserver/VNC.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng tiêu chuẩn nào để tính toán nhu cầu dùng nước và đường kính ống cho tòa nhà?

Tác giả sử dụng tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006 với định mức dùng nước sinh hoạt là $300\text{ l/người/ngày-đêm}$ để tính ra tổng nhu cầu nước $Q_{\text{tổng}} = 90\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$ cho 300 người. Đường kính ống dẫn cấp nước chính được chọn là $\Phi 25\text{ mm}$ (D25) dựa trên việc tra cứu tổng đương lượng thiết bị vệ sinh ($N = 600$) theo tiêu chuẩn TCVN 4513:1988.

2. Tại sao các tầng cao (tầng 9, tầng 10) trong tòa nhà lại bắt buộc phải sử dụng bơm tăng áp?

Chiều cao công trình là 40 m. Theo nguyên lý thủy lực ($10\text{ m } \text{H}_2\text{O} = 1\text{ Bar}$), áp suất tự nhiên tại tầng 10 chỉ đạt $0.4\text{ Bar}$ và tầng 9 chỉ đạt $0.8\text{ Bar}$. Trong khi đó, áp suất sử dụng tiêu chuẩn theo quy chuẩn phải từ $1 \div 4\text{ Bar}$ (tối ưu nhất là $1.5 \div 2\text{ Bar}$). Do đó, bắt buộc phải dùng bơm tăng áp điều khiển qua biến tần để bù áp lực cho các tầng này.

3. Cấu hình phần cứng PLC, HMI và Biến tần trong đồ án sử dụng các dòng thiết bị cụ thể nào?

  • PLC: Siemens S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY), lập trình bằng TIA Portal V15.
  • HMI: Kinco MT4434TE (màn hình 7 inch TFT, 65536 màu, CPU RISC 32-bit 800MHz), lập trình bằng Kinco HMIware.
  • Biến tần: INVT Goodrive GD20 (mã GD10-0R7G-S2-B-ZX, công suất $0.75\text{ kW}$) và DELTA VFD-M (công suất $0.4\text{ kW}$).

4. Mạng truyền thông trong hệ thống được cấu hình và phân chia giao thức như thế nào?

Hệ thống sử dụng hai chuẩn truyền thông:

  • Profinet (Ethernet TCP/IP): Kết nối cổng RJ45 giữa PLC S7-1200 (IP 192.168.0.1) và màn hình HMI Kinco MT4434TE.
  • Modbus RTU (RS485): Kết nối giữa HMI (Master) và 2 biến tần INVT GD20, Delta VFD-M (Slaves) qua cáp nối tiếp để đọc/ghi tần số, dòng điện, lệnh điều khiển và thông số PID.

5. Kết quả thực nghiệm xác định thông số điều khiển PID cho biến tần GD20 như thế nào?

Qua các lần thử nghiệm với các bộ thông số $K_p = 1$, $K_p = 15$, $K_p = 40$ và $K_p = 3$ (với $T_i = 0$), tác giả xác định bộ tham số tối ưu là $K_p = 3, T_i = 0$. Tại giá trị này, hệ thống biến tần INVT GD20 đạt đáp ứng duy trì áp suất ổn định nhất, thời gian xác lập nhanh và không xảy ra dao động vọt lố.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mô hình hệ thống điều khiển giám sát nước cung cấp cho tòa nhà" của nhóm sinh viên Đặng Hữu Anh và Huỳnh Công Toại đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu thiết kế công kỹ thuật, tính chọn khí cụ và thi công mô hình phần cứng điều khiển. Bằng việc kết hợp PLC Siemens S7-1200, HMI Kinco, biến tần INVT/Delta cùng mạng truyền thông Modbus RTU và giám sát Webserver, đề tài đã giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa luân phiên bơm cấp và ổn định áp lực nước đầu ra theo thuật toán PID. Đây là công trình thực nghiệm kỹ thuật có phương pháp luận rõ ràng, số liệu tính toán bám sát tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam và mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho lĩnh vực tự động hóa công trình.