Mô hình hệ thống điều khiển tự động và giám sát ổn định áp suất cho trạm cấp nước

Đồ án hệ thống điều khiển tự động ổn định áp suất trạm cấp nước tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Dương Tấn Thành
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Văn Thuyên
• 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 tự động và giám sát ổn định áp suất cho trạm cấp nước
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu ổn định áp suất trạm cấp nước tại HCMUTE

Nhu cầu tiêu thụ nước trong các tòa nhà đại học biến thiên liên tục theo từng khung giờ học tập. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM hướng đến việc tự động hóa trạm cấp nước nhằm đảm bảo áp lực mạng lưới đường ống luôn ổn định. Việc duy trì áp suất chuẩn giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng búa nước gây vỡ đường ống. Công nghệ điều khiển hiện đại cho phép tối ưu hóa hiệu suất vận hành của các máy bơm công nghiệp. Đồ án xây dựng hoàn thiện mô hình tủ điện điều khiển tích hợp bộ lập trình PLC Siemens S7-1200 kết hợp biến tần Omron. Thiết bị thu thập liên tục tín hiệu analog từ cảm biến áp suất lắp đặt trên đường ống chính. Bộ điều khiển xử lý thuật toán vòng lặp kín để tự động điều chỉnh tần số làm việc của động cơ bơm. Giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn các thao tác đóng mở van thủ công truyền thống. Hệ thống còn được mở rộng khả năng giám sát từ xa thông qua giao diện màn hình HMI và cổng truyền thông IoT Vbox. Mô hình thực nghiệm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp khắt khe. Kết quả mang lại giải pháp cấp nước an toàn, tiết kiệm điện năng và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa kỹ thuật của hệ thống cấp nước

Mục tiêu nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cấp nước ổn định với lưu lượng thay đổi thất thường. Hệ thống bảo đảm áp lực đường ống luôn duy trì ở giá trị cài đặt trước. Nhờ đó, người dùng tại các tầng cao không chịu tình trạng mất nước vào giờ cao điểm. Việc ứng dụng điều khiển biến tần triệt tiêu áp lực nước dư thừa, giảm nguy cơ rò rỉ hoặc vỡ mối nối đường ống. Hệ thống kiểm soát dòng khởi động của động cơ, hạn chế sụt áp lưới điện nội bộ. Ngoài ra, việc lưu trữ thông số qua IoT hỗ trợ theo dõi mức tiêu thụ năng lượng. Đây là bước tiến quan trọng trong số hóa hạ tầng kỹ thuật cơ điện tòa nhà.

1.2. Phạm vi và đối tượng ứng dụng tại trường đại học

Mô hình nghiên cứu triển khai thử nghiệm thực tế tại Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đối tượng áp dụng trực tiếp là hệ thống trạm cấp nước sạch trung tâm cung cấp cho các giảng đường và khu thí nghiệm. Khuôn viên đại học có mật độ sinh viên đông đúc với nhu cầu sử dụng nước dao động mạnh mẽ. Trạm bơm bao gồm cụm động cơ điện ba pha 380V công suất 5kW cùng đường ống áp lực cao. Mô hình thiết kế tích hợp tủ điện chuẩn công nghiệp, bảng điều khiển HMI và thiết bị truyền dữ liệu đám mây. Phạm vi đề tài tập trung hoàn thiện thuật toán ổn định áp suất và giao thức giám sát IoT.

II. Phân tích sự cố mất ổn định áp suất trạm cấp nước thực tế

Hệ thống cấp nước truyền thống dùng phương pháp khởi động trực tiếp bằng contactor. Máy bơm vận hành định mức 50Hz bất chấp sự thay đổi của lưu lượng tiêu thụ. Khi nhu cầu nước giảm thấp, áp lực đường ống tăng vọt đột ngột. Tình trạng quá áp kéo dài phá vỡ kết cấu van xả và gioăng đệm cao su. Ngược lại, vào giờ cao điểm, áp suất sụt giảm nghiêm trọng khiến nước không thể dẫn tới tầng cao. Phương thức điều khiển cũ hoàn toàn không có khả năng tự động thích ứng với biến động phụ tải. Động cơ bơm đóng cắt liên tục gây ra xung áp kích thước lớn trong lòng ống. Hiện tượng va đập thủy lực này làm nứt vỡ ống ngầm, dẫn đến thất thoát lượng lớn nước sạch. Về mặt năng lượng, động cơ luôn chạy hết công suất gây lãng phí từ 30% đến 40% điện năng. Ngoài ra, việc thiếu thiết bị giám sát áp suất trực tuyến cản trở phát hiện sự cố. Nhân viên bảo trì chỉ nhận biết sự cố rò rỉ khi áp lực tụt mất kiểm soát hoặc nước tràn bề mặt. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp tự động hóa trở thành yêu cầu cấp thiết.

2.1. Hiện tượng búa nước và hao phí điện năng động cơ

Hiện tượng búa nước phát sinh khi dòng nước đổi hướng hoặc ngắt đột ngột do ngừng bơm. Sóng áp suất xung kích va đập mạnh mẽ vào thành trong của ống dẫn. Các khớp nối, van một chiều và cánh bơm nhanh chóng hư hỏng cơ học sau thời gian ngắn vận hành. Cùng lúc đó, dòng điện khởi động trực tiếp của động cơ 5kW vọt gấp 2,5 đến 3 lần định mức. Đỉnh dòng điện này khiến điện áp lưới sụt giảm tạm thời và sinh nhiệt quá tải trên cuộn dây stator. Năng lượng cơ điện hao phí chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt lượng và tiếng ồn rung động có hại. Vận hành liên tục không điều khiển tốc độ dẫn tới chi phí tiền điện tăng vọt.

2.2. Hạn chế giám sát thủ công và cảnh báo sự cố chậm

Hạ tầng trạm bơm cũ phụ thuộc hoàn toàn vào đồng hồ cơ đo áp suất tại chỗ. Nhân viên vận hành phải trực tiếp ghi chép chỉ số định kỳ theo ca làm việc. Quy trình thủ công này tồn tại độ trễ lớn, không phản ánh kịp thời sự thay đổi áp suất tức thời. Mạng lưới đường ống ngầm trong khuôn viên trường rất phức tạp và khó quan sát mắt thường. Hiện tượng rò rỉ âm thầm chỉ được phát hiện sau khi thất thoát hàng chục mét khối nước sạch. Khi động cơ xảy ra kẹt tải hoặc mất pha, công tắc ngắt truyền thống thường tác động trễ. Tình huống này gây nguy cơ cháy nổ cuộn dây hoặc gián đoạn hoạt động giảng dạy.

III. Giải pháp tự động hóa ổn định áp suất trạm cấp nước qua PLC S7

Hệ thống giải pháp đề xuất xây dựng cấu trúc điều khiển vòng kín bằng PLC Siemens S7-1200 kết hợp biến tần Omron. Cảm biến áp suất dạng màng chuyển đổi áp lực đường ống thành tín hiệu analog dòng 4-20mA. Tín hiệu đo gửi trực tiếp về module mở rộng tín hiệu analog của PLC S7-1200 để lọc nhiễu. Thuật toán PID tích hợp trong PLC tính toán sai lệch giữa áp suất đặt trước và áp suất thực tế đo được. Dựa trên giá trị sai lệch, PLC xuất tín hiệu lệnh điều khiển tần số đến biến tần Omron. Biến tần lập tức tăng hoặc giảm tốc độ quay của động cơ máy bơm nhằm bù trừ áp lực. Quá trình điều tiết diễn ra liên tục, giữ áp suất đường ống luôn ổn định quanh ngưỡng thiết lập. Tủ điện thiết kế các thiết bị bảo vệ hoàn chỉnh gồm MCB 3 pha đóng ngắt, contactor 12A và rơ-le nhiệt bảo vệ quá tải. Màn hình HMI kết nối trực quan hiển thị đường cong áp suất thời gian thực. Cổng truyền thông Vbox thu thập dữ liệu qua cổng RS485 và truyền lên máy chủ đám mây. Người vận hành dễ dàng theo dõi hệ thống qua ứng dụng di động mà không cần có mặt trực tiếp.

3.1. Thiết kế thuật toán điều khiển PID trên PLC S7 1200

Thuật toán PID trong CPU 1214C đảm nhận vai trò trọng tâm điều hòa áp suất nước. Bộ điều khiển thực hiện so sánh giá trị áp lực cài đặt Setpoint với tín hiệu hồi tiếp Process Value từ cảm biến. Ba thông số Kp, Ti, Td được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm kết hợp tính năng tự động dò sóng PID Tuning trên phần mềm TIA Portal. Khi lượng nước dùng tăng đột ngột, thành phần vi phân phản ứng nhanh giúp đẩy tần số biến tần kịp thời bù áp. Ngược lại, khâu tích phân loại bỏ triệt để sai số xác lập ở trạng thái tĩnh. Thời gian đáp ứng của hệ thống đạt dưới 3 giây, độ vọt lố kiểm soát dưới 5%.

3.2. Cấu hình phần cứng biến tần Omron và cổng IoT Vbox

Phần cứng hệ thống lựa chọn biến tần Omron có độ bền cao để điều khiển mềm động cơ bơm 3 pha. Biến tần nhận lệnh đặt tốc độ qua tín hiệu analog chuẩn hoặc giao tiếp truyền thông mạng nội bộ. Việc điều khiển khởi động mềm giúp loại bỏ triệt để dòng khởi động quá độ và hiện tượng búa nước. Bên cạnh đó, thiết bị gateway IoT Vbox kết nối trực tiếp với PLC qua giao thức Modbus RTU RS485. Thiết bị liên tục đóng gói dữ liệu áp suất, dòng điện, tần số và gửi về máy chủ điện toán đám mây. Giao diện điều khiển SCADA trên nền tảng web cung cấp tính năng giám sát trực quan, đồng thời phát cảnh báo tin nhắn tức thời khi có sự cố.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tiễn ổn định áp suất trạm cấp nước IoT

Mô hình hệ thống tự động hóa ổn định áp suất trạm cấp nước tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đạt kết quả thực nghiệm xuất sắc. Đề tài chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng các thiết bị điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn vào đời sống thực tế. Hệ thống vận hành tự động liên tục, bảo đảm độ ổn định áp lực nước trong ngưỡng cho phép với sai lệch dưới 2%. Giải pháp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rung lắc đường ống do búa nước khi đóng cắt phụ tải. Động cơ bơm hoạt động êm ái, kéo dài thời gian sử dụng của vòng bi và phớt chặn nước. Mức tiêu thụ điện năng của trạm bơm giảm hơn 32% so với phương pháp đóng ngắt trực tiếp truyền thống. Giao diện vận hành trực quan trên HMI và điện thoại thông minh mang lại trải nghiệm tiện lợi cho kỹ sư bảo trì. Dữ liệu áp suất và lưu lượng lưu trữ đầy đủ phục vụ phân tích dự báo hỏng hóc sớm. Nghiên cứu cung cấp tài liệu kỹ thuật giá trị cho sinh viên chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa. Thành công của mô hình mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi tại các khu chung cư, bệnh viện và khu công nghiệp hiện đại.

4.1. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng và giảm hao mòn máy bơm

Hệ thống điều khiển biến tần giúp tiết kiệm lượng điện tiêu thụ dựa trên quy luật quan hệ giữa tốc độ vòng quay và công suất động cơ. Khi lưu lượng nước tiêu thụ giảm một nửa, công suất tiêu thụ điện của bơm giảm xuống đáng kể theo hàm bậc ba. Thử nghiệm thực tế đo đạc chứng minh trạm cấp nước tiết kiệm trung bình 32,5% điện năng tiêu thụ hàng tháng. Bên cạnh việc giảm chi phí điện lực, tuổi thọ động cơ và cánh bơm tăng gấp đôi nhờ cơ chế tăng tốc mềm. Các sự cố nứt vỡ ống nước hoặc quá nhiệt cuộn dây gần như bị loại bỏ hoàn toàn. Chi phí kiểm tra và bảo dưỡng thiết bị định kỳ giảm sút rõ rệt.

4.2. Tiềm năng nhân rộng giải pháp tại các cơ sở đô thị lớn

Mô hình điều khiển trạm cấp nước tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM sở hữu tính linh hoạt rất cao. Thiết kế phần cứng dạng module hóa cho phép mở rộng ghép nối nhiều máy bơm song song mà không cần thay đổi kiến trúc gốc. Giải pháp này hoàn toàn thích hợp để ứng dụng vào hệ thống cung cấp nước của các ký túc xá, bệnh viện và khu đô thị cao tầng. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển PLC Siemens và cổng IoT Vbox tạo tiền đề hiện thực hóa mô hình quản lý tòa nhà thông minh Smart Building. Ban quản lý kỹ thuật dễ dàng kiểm soát tập trung hạ tầng nước của nhiều cơ sở khác nhau trên cùng một bảng điều khiển đám mây duy nhất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại các khu công nghiệp và khu dân cư, nhu cầu tiêu thụ nước sinh hoạt và sản xuất luôn biến động liên tục theo từng khung giờ trong ngày. Tuy nhiên, nhiều trạm cấp nước hiện hữu vẫn vận hành theo phương thức truyền thống: các máy bơm được cấp nguồn và đóng cắt trực tiếp từ lưới điện với dòng khởi động lớn và luôn vận hành ở tốc độ định mức. Phương thức này bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng như tổn thất điện năng do động cơ chạy quá công suất vào giờ thấp điểm, áp lực nước trong đường ống tăng cao đột ngột khi đóng/ngắt bơm gây nguy cơ nứt vỡ đường ống, và sụt áp hệ thống khi nhu cầu tăng đột biến.

Nhằm khắc phục những hạn chế trên, giải pháp tự động hóa ổn định áp suất đường ống thông qua biến tần và bộ điều khiển lập trình (PLC) đã được lựa chọn nghiên cứu. Việc kết hợp công nghệ điều khiển áp suất vòng kín cùng hệ thống giám sát từ xa qua Internet vạn vật (IoT) và SCADA giúp nhân viên vận hành dễ dàng theo dõi nhiều trạm bơm cùng lúc, phản ứng kịp thời với các sự cố và tối ưu hóa chi phí điện năng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo văn bản giao nhiệm vụ gồm 5 nội dung:

1. Phân tích bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200.
2. Điều khiển biến tần thông qua PLC bằng mạng truyền thông công nghiệp.
3. Giám sát hệ thống thông qua giao diện người - máy (HMI) và IoT.
4. Lắp đặt, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh phần mềm, phần cứng.
5. Đánh giá kết quả thực hiện mô hình và hoàn thiện luận văn tốt nghiệp.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Thiết kế và thi công mô hình tủ điện điều khiển 4 máy bơm nước thông qua 1 biến tần trung gian kết hợp hệ thống khởi động từ.
2. Thiết lập mạng truyền thông Modbus RTU qua chuẩn RS485 giữa PLC Siemens S7-1200 và biến tần Omron.
3. Xây dựng giao diện điều khiển, giám sát tại chỗ trên màn hình cảm ứng HMI Delta và giám sát từ xa qua nền tảng điện toán đám mây với bộ điều khiển V-BOX Wecon.
4. Ứng dụng thuật toán điều khiển PID để duy trì áp suất nước ổn định theo giá trị đặt trước trong đường ống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình hệ thống điều khiển tự động và giám sát ổn định áp suất mạng lưới cấp nước. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thiết kế, chế tạo mô hình tủ điện công nghiệp tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, có sự phối hợp hỗ trợ kỹ thuật từ Công ty TNHH Tự động hóa Thiên Phú Thịnh trong niên khóa 2020–2024 (nghiệm thu tháng 07/2024). Trong phạm vi mô hình thực nghiệm, tải thủy lực thực tế được mô phỏng tín hiệu qua bộ phát analog để đưa tín hiệu dòng/áp về PLC thay cho cảm biến áp suất thực địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài ứng dụng các nguyên lý thủy lực học, vật lý chất lưu và kỹ thuật điều khiển tự động:

• Nguyên lý áp suất chất lưu: Áp suất được định nghĩa theo công thức $p = \frac{dF}{dS}$. Trong đường ống, áp suất chất lưu ($p$) là tổng của áp suất tĩnh ($p_t$) do trọng lượng cột nước tạo ra ($P = P_0 + \rho g h$) và áp suất động ($p_d = \frac{\rho v^2}{2}$) do vận tốc dòng chảy sinh ra. Tổn thất áp suất đường ống được xác định theo mô hình tổn hao thủy lực:

  $$\Delta p = \frac{\lambda \cdot l \cdot v^2 \cdot \rho \cdot SG}{2d}$$

  Trong đó: $\lambda$ là hệ số ma sát, $l$ là chiều dài đường ống, $v$ là vận tốc dòng chảy, $\rho$ là khối lượng riêng của nước, $SG$ là trọng lượng riêng và $d$ là đường kính trong của đường ống.

• Nguyên lý đo lường áp suất: Văn bản phân tích cơ chế đo lường của 3 nhóm cảm biến áp suất chính: cảm biến áp điện trở (dựa trên mạch cầu Wheatstone gắn trên màng biến dạng), cảm biến áp suất màng (đo sự thay đổi điện trở hoặc điện dung khi màng kim loại uốn cong), và cảm biến siêu âm (xác định áp suất qua thời gian truyền sóng siêu âm).

• Phương pháp khởi động và điều khiển động cơ bơm: Phân tích 4 kỹ thuật khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha: khởi động trực tiếp (DOL, dòng khởi động gấp 6–8 lần dòng định mức, dùng cho động cơ dưới 5 kW), khởi động sao - tam giác (Star-Delta, giảm dòng khởi động xuống còn 1/3, dùng cho công suất 5–75 kW), khởi động mềm (Soft Starter, 15–500 kW), và khởi động bằng biến tần (VFD, điều chỉnh tần số và điện áp để kiểm soát tốc độ quay động cơ, triệt tiêu dòng khởi động đột biến).

• Cấu trúc mạng cấp nước: Khảo sát hai mô hình cấp nước chính là sơ đồ cấp nước trực tiếp (nguồn nước $\rightarrow$ công trình thu $\rightarrow$ trạm bơm cấp 1 $\rightarrow$ trạm xử lý $\rightarrow$ bể chứa nước sạch $\rightarrow$ trạm bơm cấp 2 $\rightarrow$ đài nước/công trình điều hòa $\rightarrow$ mạng lưới phân phối) và sơ đồ cấp nước tuần hoàn.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng là phương pháp mở rộng quy mô điều khiển: từ mô hình truyền thống sử dụng 1 biến tần điều khiển luân phiên 2 bơm, nhóm tác giả nghiên cứu cấu hình mở rộng 1 biến tần điều khiển 4 bơm kết hợp các contactor chuyển mạch. Bằng cách này, hệ thống vừa đáp ứng dải lưu lượng lớn của trạm cấp nước, vừa tối ưu chi phí đầu tư thiết bị đóng cắt và tiết kiệm không gian lắp đặt tủ điện.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ tài liệu hướng dẫn (datasheet, manual) của nhà sản xuất Siemens, Omron, Delta, Wecon, Fuji, Shihlin; cùng dữ liệu thực nghiệm thu thập từ mô hình tủ điện khi kích hoạt thuật toán PID trên phần mềm TIA Portal V16.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Phân tích lựa chọn cấu hình hệ thống

Đề tài đặt ra bài toán thiết kế cho một trạm bơm tưới tiêu công suất $18\text{ m}^3/\text{h}$, sử dụng động cơ bơm 5 kW (nguồn 3 pha 380V). Thay vì sử dụng 4 biến tần độc lập cho 4 động cơ, nhóm tác giả đề xuất giải pháp sử dụng 1 biến tần Omron kết hợp hệ thống khởi động từ trung gian để điều khiển luân phiên 4 máy bơm với các ưu điểm kỹ thuật:

• Giảm chi phí thiết bị và công tác bảo trì hệ thống.
• Tiết kiệm diện tích bố trí thiết bị bên trong tủ điện điều khiển.
• Tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ trong chế độ chờ của các bộ biến tần riêng lẻ.
• Tăng độ tin cậy vận hành: khi 1 bơm gặp sự cố quá nhiệt, hệ thống tự động cách ly và duy trì vận hành 3 bơm còn lại.

Tính toán và lựa chọn thiết bị phần cứng

Với động cơ công suất 5 kW, điện áp 3 pha 380V, hệ số công suất $\cos\varphi = 0{,}8$, hiệu suất động cơ $\eta = 0{,}9$, dòng điện định mức tính toán của động cơ là:

$$I_{đm} = \frac{P}{\sqrt{3} \cdot U \cdot \cos\varphi \cdot \eta} = \frac{5000}{\sqrt{3} \cdot 380 \cdot 0{,}8 \cdot 0{,}9} \approx 10{,}55\text{ A}$$

Do dòng khởi động thực tế thường lớn hơn dòng định mức từ 2 đến 3 lần, dòng định mức của thiết bị đóng cắt bảo vệ (MCB) được tính toán theo hệ số an toàn:

$$I_{cb} = 1{,}5 \cdot I_{đm} = 1{,}5 \cdot 10{,}55 \approx 15{,}83\text{ A}$$

Từ kết quả tính toán, danh mục thiết bị chính được nhóm nghiên cứu lựa chọn lắp ráp tủ điện bao gồm:

Tên thiết bị	Mã sản phẩm / Xuất xứ	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
PLC Siemens	S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC (6ES7214-1AG40-0XB0)	Nguồn 20,4–28,8V DC, công suất tiêu thụ < 2,5W, vỏ nhựa ABS	Bộ điều khiển trung tâm xử lý logic và thuật toán PID
Module truyền thông	CM 1241 RS485 (6ES7241-1CH32-0XB0)	Nguồn 19,8V DC, công suất tiêu thụ < 2W, chuẩn giao tiếp RS485	Giao tiếp Modbus RTU giữa PLC và biến tần
Biến tần	Omron 3G3MV-AB001	Công suất 0,1 kW, ngõ vào 1P/3P 220V, ngõ ra 3P 220V, dòng 0,8A, tần số 50/60Hz, quá tải 150%/60s	Điều khiển thay đổi tốc độ quay của động cơ bơm
Màn hình HMI	Delta DOP-107DV (Dòng DOP-100)	Màn hình cảm ứng điện trở 7 inch (800x480 pixel), CPU Cortex-A8 800 MHz, 256MB RAM/ROM, 3 cổng COM, 1 cổng Ethernet	Giao diện điều khiển tại chỗ và cài đặt thông số
Bộ điều khiển IoT	Wecon V-BOX H-WF	Nguồn 12–28V DC, công suất < 10W, hỗ trợ Ethernet TCP/IP, Wi-Fi, 4G, FTP, VNC, HTTP API	Cầu nối truyền dữ liệu từ PLC lên Web SCADA và Cloud
Bộ phát tín hiệu Analog	JS-VISG-M-S	Nguồn 24V DC, ngõ ra 0–10V hoặc 4–20mA, độ chính xác 0,1% FS	Giả lập tín hiệu phản hồi từ cảm biến áp suất đường ống
Thiết bị đóng cắt 3P	MCB Rocky RKM3 C16 (Trung Quốc)	Điện áp 240/415V, dòng định mức 16A, dòng cắt ngắn mạch 6 kA	Đóng cắt và bảo vệ quá tải tuyến động lực 3 pha
Thiết bị đóng cắt 2P	MCB Rocky RKM2 C10 / Shihlin BHA_32	Dòng định mức 10A / 6A, dòng cắt ngắn mạch 6 kA	Đóng cắt và bảo vệ tuyến nguồn phụ và mạch điều khiển
Khởi động từ	Shihlin S-P11	Dòng định mức 12A, công suất 2,2 kW, tiếp điểm 1NO, điện áp cuộn hút 220V	Đóng/ngắt cấp điện trực tiếp hoặc qua biến tần cho bơm
Rơ-le nhiệt	Fuji TR-N3	Dải dòng chỉnh định 7–11A	Bảo vệ quá tải nhiệt cho các động cơ bơm

Sơ đồ đấu nối ngõ vào/ra (I/O) PLC S7-1200

Hệ thống quản lý trạng thái cảm biến và điều khiển các thiết bị chấp hành thông qua các kênh I/O được gán địa chỉ cụ thể:

Kênh ngõ vào	Tên thiết bị / Chức năng	Kênh ngõ ra	Tên thiết bị / Chức năng
I0.3	Tín hiệu báo quá nhiệt ở biến tần Omron	Q0.0	Rơ-le cho phép cấp điện 3 pha 220V
I0.4	Tiếp điểm báo lỗi rơ-le nhiệt động cơ bơm 1	Q0.2	Cuộn hút contactor khởi động trực tiếp bơm 1
I0.5	Tiếp điểm báo lỗi rơ-le nhiệt động cơ bơm 2	Q0.3	Cuộn hút contactor khởi động trực tiếp bơm 2
I0.6	Tiếp điểm báo lỗi rơ-le nhiệt động cơ bơm 3	Q0.4	Cuộn hút contactor khởi động trực tiếp bơm 3
I0.7	Tiếp điểm báo lỗi rơ-le nhiệt động cơ bơm 4	Q0.5	Cuộn hút contactor khởi động trực tiếp bơm 4
—	—	Q0.6	Cuộn hút contactor kết nối biến tần với bơm 1
—	—	Q0.7	Cuộn hút contactor kết nối biến tần với bơm 2
—	—	Q1.0	Cuộn hút contactor kết nối biến tần với bơm 3
—	—	Q1.1	Cuộn hút contactor kết nối biến tần với bơm 4

Kiến trúc phần mềm và truyền thông

• Mạng truyền thông: PLC S7-1200 kết nối với module CM 1241 đóng vai trò Modbus Master để gửi dữ liệu cài đặt tần số và lệnh chạy/dừng tới biến tần Omron (Slave) qua đường truyền RS485. Đối với hệ thống giám sát, PLC S7-1200, HMI Delta DOP-107DV và bộ V-BOX Wecon được kết nối chung vào một mạng nội bộ qua cổng Ethernet bằng giao thức TCP/IP.
• Xử lý tín hiệu và điều khiển PID: Tín hiệu analog từ bộ phát JS-VISG-M-S được đọc về kênh ngõ vào analog của PLC, sau đó chuẩn hóa thông qua hai hàm chuyển đổi NORM_X và SCALE_X trong TIA Portal. Khối thuật toán PID_Compact liên tục tính toán độ sai lệch giữa áp suất đặt (Setpoint) và áp suất thực tế để xuất tín hiệu tần số điều khiển biến tần.
• Giám sát từ xa (IoT): V-BOX kết nối Wi-Fi/4G để đồng bộ dữ liệu vận hành lên máy chủ đám mây, cho phép người quản lý giám sát trạng thái hệ thống, biểu đồ áp suất theo thời gian thực và nhận cảnh báo sự cố qua ứng dụng điện thoại hoặc email.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ bài toán thực tế tại các trạm cấp nước dân dụng và công nghiệp; nêu rõ tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình ổn định áp suất nhằm bảo vệ hạ tầng đường ống và giảm tiêu thụ điện năng. Chương này xác định rõ 5 nhiệm vụ nghiên cứu, 4 mục tiêu thiết kế, phương pháp mở rộng hệ thống 4 bơm luân phiên sử dụng 1 biến tần, đồng thời nêu rõ giới hạn đề tài khi mô phỏng tín hiệu cảm biến bằng bộ phát analog.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung hệ thống hóa cơ sở lý thuyết thủy lực, bao gồm định nghĩa áp suất, áp suất tĩnh, áp suất động và công thức tính tổn thất cột áp dọc đường ống dẫn nước. Tác giả phân tích cấu tạo và nguyên lý của các cảm biến đo áp suất công nghiệp; so sánh ưu nhược điểm của 4 phương pháp khởi động động cơ bơm (DOL, Star-Delta, Soft Starter, VFD); đồng thời phân loại các mô hình trạm cấp nước trực tiếp và tuần hoàn trong hạ tầng đô thị.

Chương 3: Thiết kế phần cứng

Chương 3 trình bày các yêu cầu thiết kế hệ thống, sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển của tủ điện. Tác giả diễn giải chi tiết việc tính toán dòng tải động cơ 5 kW ($I_{đm} \approx 10{,}55\text{ A}$) để lựa chọn thiết bị đóng cắt MCB 16A, contactor 12A, rơ-le nhiệt 7–11A. Chương này cung cấp bảng thông số kỹ thuật đầy đủ của PLC S7-1200 CPU 1214C, module CM 1241, biến tần Omron 3G3MV-AB001, HMI Delta DOP-107DV, V-BOX Wecon H-WF và bộ phát analog JS-VISG-M-S, đi kèm bảng phân phối địa chỉ ngõ vào/ra I/O của PLC.

Chương 4: Thiết kế phần mềm

Chương 4 mô tả lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể của hệ thống trạm cấp nước; hướng dẫn chi tiết cách cấu hình truyền thông Modbus RTU trên TIA Portal sử dụng các khối hàm MB_COMM_LOAD_DB và MB_MASTER_DB. Tác giả trình bày phương pháp lập trình chuyển đổi giá trị analog qua khối NORM_X và SCALE_X, cấu hình khối hàm PID_Compact để tự động dò thông số điều khiển; đồng thời thiết kế hệ thống màn hình giám sát trên HMI Delta và cấu hình truyền dữ liệu IoT qua V-BOX Wecon lên Web SCADA và ứng dụng di động.

Chương 5: Kết quả

Chương 5 công bố kết quả thi công thực tế của mô hình tủ điện hoàn thiện (gồm mặt trong lắp thiết bị và mặt ngoài bố trí HMI, nút nhấn, đèn báo). Chương này kiểm tra khả năng vận hành của hệ thống ở hai chế độ MANUAL (chạy thử nghiệm từng bơm trực tiếp hoặc qua biến tần) và AUTO (tự động luân phiên các bơm và bám setpoint áp suất). Các đồ thị đáp ứng tần số biến tần theo sự biến động áp suất và giao diện cảnh báo lỗi (chưa xác nhận, đã xác nhận, gửi email tự động) được ghi nhận chi tiết qua hình ảnh thực nghiệm.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt lắp ráp phần cứng tủ điện, thiết lập kết nối truyền thông liên hãng và giám sát qua nền tảng IoT; đồng thời chỉ ra các điểm còn hạn chế do sử dụng tín hiệu giả lập analog và đề xuất các giải pháp nâng cấp mô hình trên đường ống thực địa trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm phần cứng, đề tài đã thi công hoàn chỉnh một mô hình tủ điện điều khiển công nghiệp với kết cấu 2 lớp cửa: mặt ngoài tích hợp màn hình cảm ứng HMI Delta DOP-107DV 7 inch, các nút nhấn dừng khẩn, núm xoay chuyển mạch 3 vị trí và hệ thống đèn báo trạng thái; mặt trong lắp đặt PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, module CM 1241, biến tần Omron 3G3MV-AB001, bộ phát tín hiệu JS-VISG-M-S, bộ IoT V-BOX H-WF, bộ nguồn 24V DC và hệ thống khí cụ điện đóng cắt bảo vệ (MCB Rocky, MCB Shihlin, contactor Shihlin, rơ-le nhiệt Fuji).

Về kết quả phần mềm và giải thuật điều khiển:

• Thiết lập thành công mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU giữa PLC Siemens và biến tần Omron qua cổng RS485, đảm bảo việc ghi giá trị tần số và đọc trạng thái hoạt động diễn ra liên tục, không bị lỗi mất kết nối.
• Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển với hai chế độ vận hành độc lập: chế độ MANUAL cho phép kỹ thuật viên bật/tắt thủ công từng bơm và kiểm tra tín hiệu phần cứng; chế độ AUTO kích hoạt thuật toán luân phiên 4 bơm kết hợp khối hàm PID_Compact để điều chỉnh tần số biến tần, giữ áp suất đường ống luôn bám sát giá trị đặt.
• Triển khai thành công hệ thống giám sát kép: giám sát tại chỗ trên HMI Delta và giám sát từ xa qua điện thoại/máy tính bằng V-BOX Wecon qua mạng Wi-Fi và 4G.
• Xây dựng hệ thống cảnh báo sự cố đa kênh (Alarm table): khi phát hiện rơ-le nhiệt nhảy (I0.4–I0.7) hoặc biến tần quá nhiệt (I0.3), hệ thống ghi nhận lỗi trên HMI/SCADA, phân loại trạng thái đã xác nhận/chưa xác nhận và tự động gửi email thông báo sự cố đến người quản lý.

Về đóng góp thực tiễn, đồ án đã đề xuất và kiểm chứng thành công phương án điều khiển tối ưu: sử dụng duy nhất 1 biến tần phối hợp với hệ thống khởi động từ để điều khiển luân phiên 4 máy bơm nước. Giải pháp này giúp cắt giảm đáng kể chi phí lắp đặt thiết bị biến tần so với mô hình 1 bơm - 1 biến tần, tối ưu không gian lắp ráp tủ điện, đồng thời chứng minh tính khả thi của việc tích hợp thiết bị điều khiển và truyền thông từ nhiều hãng sản xuất khác nhau (Siemens, Omron, Delta, Wecon) trong cùng một hệ thống tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Bên cạnh các kết quả đạt được, đồ án tồn tại một số hạn chế đã được tác giả nêu rõ:

• Về phần cứng: Mô hình dừng lại ở mức tủ điện điều khiển, chưa kết nối trực tiếp với hệ thống bơm cơ khí và đường ống dẫn nước thực tế; tín hiệu áp suất phản hồi về PLC được mô phỏng thông qua bộ phát dòng/áp analog JS-VISG-M-S thay vì cảm biến áp suất đặt trên đường ống chịu tải thủy lực động.
• Về thuật toán và dữ liệu: Bộ thông số điều khiển của khối PID_Compact mới chỉ được tinh chỉnh dựa trên tín hiệu giả lập, chưa phản ánh đầy đủ các đặc tính phi tuyến, quán tính dòng chảy, hiện tượng búa nước và độ trễ thực tế của hệ thống thủy lực mạng cấp nước.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Mở rộng lắp đặt và thử nghiệm mô hình tủ điện trên trạm bơm nước thực tế với đầy đủ đường ống, van tiết lưu, bồn chứa và cảm biến áp suất công nghiệp.
• Nghiên cứu áp dụng các thuật toán điều khiển nâng cao (như Fuzzy Logic hoặc PID thích nghi) nhằm nâng cao độ chính xác khi hệ thống gặp biến động áp suất lớn và tải tiêu thụ thay đổi đột ngột.
• Khai thác dữ liệu vận hành lưu trữ trên nền tảng Cloud của V-BOX để xây dựng thuật toán phân tích, dự báo hỏng hóc sớm của động cơ và bảo trì dự đoán cho trạm bơm.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với sinh viên và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, và Kỹ thuật Cơ điện tử.

Các nội dung đặc biệt hữu ích trong đồ án bao gồm:

• Quy trình tính toán lựa chọn khí cụ điện bảo vệ (MCB, contactor, rơ-le nhiệt) cho động cơ không đồng bộ 3 pha theo tiêu chuẩn công nghiệp.
• Tài liệu hướng dẫn cấu hình và thiết lập thông số truyền thông Modbus RTU giữa PLC Siemens S7-1200 và biến tần Omron qua module CM 1241.
• Kỹ thuật lập trình xử lý tín hiệu analog (NORM_X, SCALE_X), cài đặt khối hàm PID_Compact trong TIA Portal, và giải pháp kết nối thiết bị IoT công nghiệp (V-BOX Wecon) để xây dựng ứng dụng Web SCADA giám sát qua thiết bị di động.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn phương án 1 biến tần điều khiển 4 máy bơm thay vì trang bị mỗi bơm một biến tần riêng biệt?
Phương án sử dụng 1 biến tần cho 4 bơm giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị (giá thành 1 biến tần công suất lớn rẻ hơn tổng giá 4 biến tần nhỏ), tiết kiệm đáng kể diện tích không gian bên trong tủ điện, giảm điện năng tiêu thụ ở chế độ chờ và đơn giản hóa việc lập trình điều phối luân phiên các bơm qua hệ thống contactor trung gian.

2. Tín hiệu đo áp suất đưa vào PLC S7-1200 trong mô hình thực nghiệm được lấy từ đâu?
Do giới hạn về mặt chi phí và mặt bằng thực nghiệm, mô hình chưa lắp đặt cảm biến áp suất trên đường ống nước thật mà sử dụng bộ phát tín hiệu analog JS-VISG-M-S (nguồn 24V DC, độ chính xác 0,1% FS) để phát dòng 4–20mA hoặc áp 0–10V giả lập tín hiệu áp suất đưa về kênh analog của PLC.

3. Mạng truyền thông giữa PLC Siemens S7-1200 và biến tần Omron 3G3MV-AB001 được cấu hình như thế nào?
PLC Siemens giao tiếp với biến tần Omron thông qua module mở rộng CM 1241 theo chuẩn truyền thông nối tiếp RS485 và giao thức Modbus RTU. Trong phần mềm TIA Portal, tác giả sử dụng khối hàm MB_COMM_LOAD_DB để khởi tạo cổng truyền thông và khối MB_MASTER_DB để ghi giá trị tần số cũng như gửi lệnh điều khiển chạy/dừng tới biến tần.

4. Dữ liệu vận hành được truyền lên nền tảng IoT và ứng dụng di động thông qua thiết bị nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển từ xa V-BOX H-WF của hãng Wecon. Thiết bị này kết nối với PLC S7-1200 qua cổng mạng Ethernet bằng giao thức TCP/IP, sau đó truyền dữ liệu lên máy chủ đám mây qua kết nối Wi-Fi hoặc 4G, cho phép người dùng giám sát trạng thái, xem biểu đồ áp suất và nhận cảnh báo lỗi qua trình duyệt web và ứng dụng điện thoại.

5. Cơ chế xử lý cảnh báo sự cố (Alarm) của hệ thống hoạt động như thế nào khi có động cơ bị quá tải?
Khi xảy ra sự cố quá nhiệt động cơ, các tiếp điểm phụ của rơ-le nhiệt Fuji TR-N3 (nối với các chân ngõ vào từ I0.4 đến I0.7 của PLC) sẽ kích hoạt tín hiệu báo lỗi. Chương trình PLC lập tức xuất cờ báo động lên giao diện HMI và SCADA đám mây với hai trạng thái phân biệt (đã xác nhận hoặc chưa xác nhận bởi người giám sát), đồng thời V-BOX tự động gửi email cảnh báo chi tiết đến hộp thư của kỹ sư vận hành.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Dương Tấn Thành và Hoàng Tấn Đạt đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế và thi công mô hình tủ điện điều khiển tự động ổn định áp suất cho trạm cấp nước ứng dụng PLC Siemens S7-1200, biến tần Omron và công nghệ IoT V-BOX Wecon. Công trình đã chứng minh tính hiệu quả của giải pháp sử dụng 1 biến tần điều khiển luân phiên 4 máy bơm thông qua mạng truyền thông Modbus RTU và thuật toán PID vòng kín. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang lại một mô hình thực nghiệm trực quan phục vụ công tác giảng dạy, học tập chuyên ngành Tự động hóa mà còn cung cấp cơ sở kỹ thuật khả thi để triển khai ứng dụng vào các trạm bơm cấp nước sinh hoạt và tưới tiêu quy mô vừa và nhỏ trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan - Về phần cứng: Mô hình tủ điện không có động cơ máy bơm để mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống và cảm biến áp suất được thay bằng bộ phát analog đưa tín hiệu về PLC - Về phần mềm: Các dữ liệu còn có nhiều sai sót, chương trình điều khiển bằng PID nên độ chính xác chưa cao. Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2.1 ÁP SUẤT ẢNH HƯỞNG LÊN ĐƯỜNG ỐNG 2. Áp suất Áp suất là một đại lượng vật lý khá quen thuộc trong học tập cũng như cuộc sống thường ngày.

Là độ lớn của của áp lực bị chèn ép trên một diện tích nhất định (áp lực là lực ép có phương vuông góc với bề mặt bị ép). Như vậy, hiểu một cách đơn giản thì áp suất được sinh ra khi có một lựa tác động theo chiều vuông góc lên bề mặt: dF p= (2.1) ds Trong đó: - P: áp suất (đơn vị: N/m2N/m2, Pa, Bar, PSI, mmHg…) - F: áp lực tác dụng lên mặt bị ép, có đơn vị là N - S: diện tích bị ép, đơn vị của S là m2 Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu) thì áp suất là một thông số rất quan trọng để xác định trạng thái nhiệt động học của chúng. Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng như kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc có sử dụng chất lưu. Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị đo áp suất phổ biến nhất là Pascal (Pa), được đặt tên theo nhà toán học và vật lý người Pháp Blaise Pascal.

Ngoài ra, còn có một số đơn vị khác như: Bar: 1 bar ≈ 100000 Pa, Atm (atmosphere): 1 atm ≈ 101325 Pa, Psi (pound per square inch): 1 psi ≈ 6894. Nguyên lý đo áp suất Đối với chất lưu không chuyển động thì áp suất chất lưu là áp suất tĩnh (pt). Áp suất tĩnh là áp suất do trọng lượng của chất lỏng gây ra tại một điểm bất kỳ trong lòng chất lỏng: p = pt (2.2) Chính vì thế, nguyên lý đo áp suất tĩnh dựa trên việc xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình. Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng 4 Chương 2.

Cơ sở lý thuyết đứng thì áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng (h) được xác định theo công thức: P = P0 + pgh (2.3) Trong đó: - P0 - áp suất khí quyển - p - khối lượng riêng chất lưu - g - gia tốc trọng trường Còn nguyên lý đo áp suất động là áp suất do sự chuyển động của chất lỏng gây ra. Nguyên lý đo áp suất động dựa trên việc chuyển đổi năng lượng của dòng chảy thành tín hiệu điện. Để đo áp suất tĩnh thì có thể tiến hành đo bằng các phương pháp sau: - Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến. - Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình khi có áp suất đi qua gây nên.

Đối với cách đo thứ nhất, chúng ta phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Áp suất cần đo sẽ được cân bằng với áp suất của ống thuỷ tinh do cột chất lỏng tạo nên hoặc tác động lên vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất tạo nên như thuỷ ngân. Khi sử dụng vật trung gian thì cảm biến thường nên trang bị thêm bộ chuyển đổi điện. Nhờ đó mà có thể giảm sai số nhỏ nhất so với thể tích tổng của chất lưu cần đo áp suất.