Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng tại Việt Nam dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ của các công trình nhà ở cao tầng và mô hình chung cư mini. Tuy nhiên, sự phát triển này đi kèm với nguy cơ hỏa hoạn gia tăng khi hạ tầng phòng cháy chữa cháy (PCCC) tại nhiều cơ sở chưa được đầu tư đồng bộ hoặc không đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn. Dẫn chứng thực tế được tác giả nêu rõ là vụ cháy chung cư mini tại Khương Hạ (Thanh Xuân, Hà Nội) vào tháng 9 năm 2023 gây hậu quả làm 56 người tử vong, mà nguyên nhân chủ yếu bắt nguồn từ việc thiếu lối thoát nạn đạt chuẩn và không có hệ thống chữa cháy tự động vận hành kịp thời.

Về mặt kỹ thuật, các hệ thống PCCC hiện hành tại nhiều tòa nhà đã trang bị các cấu phần như đầu báo khói, báo nhiệt, hệ thống hút khói, tạo áp cầu thang và hệ thống chữa cháy tự động sprinkler kết hợp bơm bù áp qua công tắc áp suất. Mặc dù vậy, giải pháp này bộc lộ những nhược điểm lớn khi đối mặt với hỏa hoạn quy mô lớn:

  • Không kiểm soát được áp suất làm việc ổn định trong đường ống khi nhiều đầu phun cùng mở.
  • Không điều chỉnh được lưu lượng nước cấp vào đường ống theo nhu cầu thực tế.
  • Thiếu cơ chế giám sát các thông số trạng thái như nhiệt độ khu vực và mực nước dự trữ còn lại trong bể chứa.
  • Không có bộ điều khiển tự động vòng kín để tối ưu hóa quá trình cấp nước dập lửa.

Để giải quyết vấn đề áp lực nước không ổn định và nguy cơ cạn kiệt nguồn nước trong quá trình chữa cháy, đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế mô hình hệ thống PCCC ứng dụng thuật toán điều khiển PID phân tầng nhằm duy trì ổn định áp suất và mực nước bồn chứa.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định bao gồm 4 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Ứng dụng giải thuật điều khiển PID phân tầng (Cascade PID) nhằm ổn định đồng thời áp suất đường ống và mực nước trong bồn chứa.
  2. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển tại chỗ thông qua màn hình công nghiệp HMI.
  3. Xây dựng hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa thông qua giao diện Web Server trên nền tảng đám mây.
  4. Tích hợp chức năng gửi tin nhắn cảnh báo khẩn cấp (SMS) đến số điện thoại người quản lý khi phát hiện sự cố cháy hoặc lỗi kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống PCCC dựa trên module thí nghiệm IT-5200 của hãng Infinit Technologies, bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3U, vi điều khiển ESP32, màn hình HMI Delta và các thiết bị cảm biến, chấp hành công nghiệp.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thử nghiệm dừng lại ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; sử dụng tài nguyên cơ sở dữ liệu Firebase gói miễn phí; mô hình chưa tích hợp hệ thống nguồn điện dự phòng khi lưới điện bị ngắt; tốc độ truyền dữ liệu IoT phụ thuộc vào chất lượng mạng không dây tại chỗ; giải pháp định hướng ứng dụng cho các tòa nhà và chung cư quy mô vừa và nhỏ.
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 01/02/2025 đến ngày 10/05/2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật truyền thông công nghiệp và công nghệ mạng Internet vạn vật (IoT).

Các khái niệm, mô hình và công nghệ cốt lõi bao gồm:

  • Lựa chọn bộ điều khiển: Tác giả phân tích so sánh ba phương án điều khiển: On/Off (đơn giản nhưng dao động lớn), Fuzzy Logic (xử lý tốt hệ phi tuyến nhưng phức tạp trong thiết kế luật mờ) và PID (Proportional-Integral-Derivative). Bộ điều khiển PID được chọn vì đảm bảo tính ổn định, độ chính xác cao và phù hợp với các đối tượng quá trình liên tục trong công nghiệp.
  • Cấu trúc điều khiển phân tầng (Cascade Control): Hệ thống sử dụng hai vòng điều khiển lồng nhau để xử lý hai biến quá trình có đặc tính thời gian khác biệt. Vòng ngoài (vòng điều khiển mức nước - Level Controller) có quán tính lớn, phản hồi tín hiệu từ cảm biến mực nước để tính toán và cung cấp giá trị đặt (setpoint) cho vòng trong. Vòng trong (vòng điều khiển áp suất) có hằng số thời gian nhỏ, tiếp nhận setpoint từ vòng ngoài để điều khiển biến tần thay đổi tốc độ máy bơm, duy trì áp lực đường ống ổn định khi lưu lượng thay đổi đột ngột.
  • Hệ thống điều khiển rời rạc: Mô hình hóa toán học tín hiệu điều khiển số qua khâu giữ mẫu bậc không ZOH (Zero-Order Hold), chu kỳ lấy mẫu rời rạc $kT$, biến đổi tín hiệu tương tự sang số và ngược lại.
  • Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển: Sử dụng bốn chỉ số kỹ thuật gồm độ vọt lố ($POT$), sai số xác lập ($e_{xl}$), thời gian xác lập ($T_s$ trong giới hạn sai số cho phép ±2% hoặc ±5%) và thời gian lên ($T_r$).
  • Phương pháp xác định tham số PID: Nghiên cứu so sánh phương pháp thử sai, phương pháp phần mềm và phương pháp Ziegler – Nichols. Tác giả áp dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler – Nichols 2 (phương pháp dao động tới hạn) bằng cách tăng hệ số khuếch đại tỷ lệ đến giá trị tới hạn $K_{gh}$ làm hệ thống dao động liên tục chu kỳ $T_{gh}$, sau đó tra bảng để tính toán các tham số $K_p$, $T_i$, $T_d$.
Thông số bộ điều khiển $K_p$ $T_i$ $T_d$
P $0{,}5 K_{gh}$ $\infty$ $0$
PI $0{,}45 K_{gh}$ $0{,}83 T_{gh}$ $0$
PID $0{,}6 K_{gh}$ $0{,}5 T_{gh}$ $0{,}125 T_{gh}$
  • Chuẩn truyền thông và mạng: So sánh chuẩn RS-232 và RS-485. Ứng dụng giao thức Modbus RTU trên nền tảng truyền dẫn vi sai RS-485 giữa PLC và vi điều khiển; giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ UART; mạng không dây Wi-Fi theo chuẩn IEEE 802.11; cơ sở dữ liệu hướng tài liệu thời gian thực Firebase Realtime Database (NoSQL); cấu trúc giao diện SCADA và các công nghệ phát triển Web gồm HTML, CSS, JavaScript, thư viện React và framework Next.js.

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã dùng:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích tài liệu kỹ thuật của module thí nghiệm IT-5200, dòng PLC FX3U, giao thức Modbus RTU và các lý thuyết điều khiển tự động phân tầng.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp ráp đấu nối thực tế phần cứng, lập trình điều khiển vòng kín trên phần mềm GX Works2, lập trình vi điều khiển ESP32 bằng C++, thiết kế giao diện HMI bằng DOPSoft 2.07; tiến hành đo đạc đáp ứng quá độ của áp suất và mực nước qua các lần thực nghiệm để tinh chỉnh tham số PID.

Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ các cảm biến công nghiệp gắn trên mô hình IT-5200 (cảm biến áp suất, cảm biến mực nước, cảm biến nhiệt độ) thông qua các module chuyển đổi ADC/DAC của PLC Mitsubishi.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc điều khiển phân tán gồm 6 khối chức năng phối hợp:

Khối Nguồn -> Khối Cảm Biến -> Khối Điều Khiển Trung Tâm (PLC) <-> Khối HMI Delta
                                       |
                 Khối Chấp Hành (Biến tần, Bơm, Van)
                                       |
                     Khối Truyền Thông IoT (ESP32)
                                       |
             +-------------------------+-------------------------+
             |                                                   |
    Web Server (Next.js / Firebase)                   Module SIM (Cảnh báo SMS)

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống sử dụng các thiết bị phần cứng công nghiệp và module vi điện tử cụ thể:

Khối chức năng Tên thiết bị / linh kiện Thông số kỹ thuật chính trích xuất từ văn bản
Bộ điều khiển trung tâm PLC Mitsubishi FX3U-16MR/ES-A Nguồn cấp 100/240VAC; 8 ngõ vào số 24VDC (Sink/Source); 8 ngõ ra Relay (dòng định mức 0,15A); thời gian đáp ứng ngõ vào xấp xỉ 10ms; trọng lượng 0,6kg.
Module analog vào Mitsubishi FX2N-2AD Nguồn 24VDC/50mA; 2 ngõ vào tương tự; dải nhận tín hiệu: 0-10VDC hoặc 4-20mADC.
Module analog ra Mitsubishi FX2N-2DA Nguồn 24VDC/85mA; 2 ngõ ra tương tự; dải xuất tín hiệu: 0-10VDC hoặc 4-20mADC.
Board truyền thông PLC Mitsubishi FX3U-485-BD Gắn trực tiếp khe mở rộng FX3U; truyền thông RS-485 (2 dây vi sai); tốc độ 300 bps – 115.200 bps; chân SDA, SDB, RDA, RDB, SG.
Vi điều khiển IoT ESP32 Vi xử lý lõi kép; tích hợp kết nối không dây Wi-Fi và Bluetooth; hỗ trợ ngoại vi UART, SPI, I2C.
Module chuyển đổi Mạch UART sang RS-485 Chuyển đổi mức tín hiệu logic UART (TTL) của ESP32 sang chuẩn công nghiệp RS-485 để kết nối với PLC.
Module mạng di động SIMCOM A7682S VoLTE Chuẩn LTE Cat 1; hỗ trợ VoLTE; băng tần LTE-FDD; giao tiếp lệnh AT qua UART; điện áp 3,3V.
Giao diện vận hành tại chỗ Màn hình HMI Delta DOP-B07SS411 Kích thước 7 inch, cảm ứng TFT LCD, độ phân giải 800x480 pixels; nguồn 24VDC; 1 cổng COM hỗ trợ RS-232/RS-485/RS-422; kết nối PLC qua cáp RS-422.
Động cơ bơm cấp nước Bơm điện tự mồi UP9/A Điện áp hoạt động 12V; công suất motor 180W; áp lực tối đa 4 bar; bánh răng chế tạo từ nhựa kỹ thuật cao cấp PEEK.
Cơ cấu điều khiển bơm Biến tần XFC 150 Điều khiển thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ bơm theo tín hiệu analog xuất từ module FX2N-2DA.
Van xả sự cố Van xả điện từ CS-720 Điện áp kích hoạt 24V DC/AC; kết nối cổng ren Female 1/8", 1/4", 3/8", 1/2"; thời gian mở 0,5~10s, thời gian đóng 0,5~45 phút; dải nhiệt độ -20°C đến 60°C.
Cảm biến áp suất Strain Gauge (module IT-5200) Cảm biến điện trở biến thiên theo lực nén áp suất chất lỏng; tín hiệu xuất tuyến tính 0-10VDC thông qua mạch chuyển đổi.
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Đo nhiệt độ môi trường, phát hiện dấu hiệu gia tăng nhiệt độ bất thường của hỏa hoạn.
Hạ áp nguồn DC Mạch hạ áp LM2596 Biến đổi và ổn định nguồn điện một chiều cho các vi điều khiển và cảm biến phụ trợ.

Triển khai thuật toán và phần mềm

Quy trình phần mềm được tổ chức đa tầng:

  1. Lập trình PLC (GX Works2): Sử dụng ngôn ngữ Ladder để xử lý tín hiệu analog từ cảm biến áp suất qua module FX2N-2AD. Thực thi thuật toán PID phân tầng thông qua tập lệnh PID của FX3U, tính toán tín hiệu điều khiển gửi tới module FX2N-2DA để điều khiển biến tần XFC 150. PLC đóng vai trò Slave (hoặc Master tùy cấu hình) trong mạng Modbus để trao đổi dữ liệu với các khối ngoại vi.
  2. Lập trình nhúng ESP32 (C++): Đọc các thanh ghi dữ liệu vận hành từ PLC qua cổng giao tiếp RS-485 theo giao thức Modbus RTU. Đóng gói dữ liệu và đồng bộ hóa hai chiều với Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi. Khi nhận tín hiệu báo cháy hoặc sự cố vượt ngưỡng, ESP32 điều khiển module SIMCOM A7682S gửi tin nhắn SMS cảnh báo.
  3. Thiết kế giao diện HMI (DOPSoft 2.07): Xây dựng các trang màn hình: Màn hình khởi động, Màn hình điều khiển (Control) hỗ trợ đóng/cắt bơm và van xả ở chế độ bằng tay/tự động, Màn hình cài đặt (Setting) thông số setpoint và hệ số PID, Màn hình đồ thị thời gian thực (Trend) theo dõi áp suất - mực nước, Màn hình cảnh báo (Alarm) và hệ thống phân quyền tài khoản.
  4. Thiết kế giao diện Web Server: Phát triển bằng framework Next.js và thư viện React, kết nối Firebase. Cung cấp tính năng đăng nhập bảo mật phân quyền 2 cấp độ (Cấp 1: giám sát và cấu hình toàn quyền; Cấp 2: chỉ xem thông số), giao diện giám sát thời gian thực, bảng cài đặt thông số PID, thống kê sự kiện và chức năng trích xuất dữ liệu cảnh báo ra file Excel.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này trình bày tính cấp thiết của an toàn PCCC tại các chung cư cao tầng và chung cư mini, dẫn chứng thực tế từ thảm họa cháy tại Hà Nội tháng 9/2023. Tác giả chỉ ra nhược điểm của các giải pháp hiện nay là không kiểm soát được áp suất và lưu lượng nước chữa cháy. Từ đó, xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu (điều khiển PID phân tầng, giám sát HMI, điều khiển từ xa qua Web Server, cảnh báo SMS), lựa chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên module IT-5200, và vạch rõ các giới hạn phạm vi của đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tác giả hệ thống hóa các kiến thức nền tảng: phân tích hoạt động và nhược điểm của hệ thống sprinkler dùng công tắc áp suất; phân tích ưu nhược điểm của các bộ điều khiển On/Off, Fuzzy, PID và chứng minh tính ưu việt của cấu trúc điều khiển PID phân tầng đối với hai đại lượng mực nước và áp suất; trình bày phương pháp điều chỉnh tham số Ziegler – Nichols 2 cùng các tiêu chuẩn đánh giá hệ thống rời rạc ($POT, T_s, T_r, e_{xl}$). Nội dung chương cũng trình bày chi tiết về giao thức truyền thông Modbus RTU, chuẩn RS-485, UART, kết nối Wi-Fi, cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database, nguyên lý SCADA, nguyên lý chuyển đổi ADC/DAC và điều chế PWM.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Chương này tập trung mô tả chi tiết sơ đồ khối và tiêu chí lựa chọn linh kiện. Tác giả trình bày các thông số kỹ thuật, cấu tạo và sơ đồ đấu nối dây của PLC Mitsubishi FX3U-16MR/ES-A, hai module mở rộng analog FX2N-2AD và FX2N-2DA, board truyền thông FX3U-485-BD, vi điều khiển ESP32, mạch chuyển đổi UART-RS485, module SIMCOM A7682S VoLTE, màn hình HMI Delta DOP-B07SS411, biến tần XFC 150, bơm UP9/A, van xả điện từ CS-720, mạch hạ áp LM2596 và các cảm biến áp suất Strain Gauge, cảm biến mực nước, cảm biến nhiệt DS18B20.

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

Chương này xây dựng quy trình thiết kế phần mềm và giải thuật chi tiết: lưu đồ chương trình điều khiển PLC, lưu đồ thuật toán PID phân tầng và lưu đồ truyền nhận dữ liệu IoT. Tác giả mô tả chi tiết việc cấu hình hàm PID trên GX Works2; thiết kế cấu trúc các trang giao diện trên phần mềm DOPSoft 2.07 cho HMI (Trang chủ, Control, Setting, Trend, Alarm, phân quyền); thiết kế hệ thống giám sát từ xa qua Web Server sử dụng Next.js, thiết lập danh mục biến giám sát/điều khiển, bảng phân quyền người dùng và logic xử lý gửi tin nhắn SMS khi phát hiện sự cố.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Báo cáo kết quả thử nghiệm toàn diện trên mô hình thực tế: hoàn thiện lắp ráp phần cứng trên module IT-5200; hiển thị thành công các giao diện điều khiển HMI và Web Server (đăng nhập cấp 1, cấp 2, bảng cài đặt tham số, đồ thị thời gian thực, xuất lịch sử cảnh báo ra file Excel, tạo mã QR-Code truy cập web); gửi tin nhắn SMS cảnh báo sự cố thành công. Về điều khiển, chương trình so sánh đáp ứng của hệ thống trong hai trường hợp: khi chưa có bộ điều khiển (hệ thống dao động, sụt áp không kiểm soát) và khi có bộ điều khiển PID phân tầng sau khi tinh chỉnh tham số theo Ziegler-Nichols 2, chứng minh hệ thống duy trì bám sát setpoint áp suất và mực nước.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tổng hợp các kết quả kỹ thuật đạt được về khả năng ổn định áp suất, giám sát cục bộ qua HMI, quản lý từ xa qua Web Server và cảnh báo qua SMS. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các mặt hạn chế về quy mô mô hình thí nghiệm nhỏ, phụ thuộc vào gói dịch vụ Firebase miễn phí, chưa có nguồn dự phòng mất điện; từ đó đề xuất các hướng phát triển gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI), xây dựng ứng dụng di động độc lập và nâng cấp thử nghiệm ở quy mô công trình thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo mô hình phần cứng hoàn chỉnh: Kết nối vận hành ổn định giữa bộ điều khiển trung tâm PLC FX3U, hai module chuyển đổi analog FX2N-2AD/2DA, vi điều khiển ESP32, màn hình cảm ứng HMI Delta 7 inch, biến tần XFC 150, động cơ bơm UP9/A (180W), van xả CS-720 và module 4G SIMCOM A7682S trên khung thí nghiệm IT-5200.
  2. Hiệu quả của giải thuật điều khiển phân tầng:
    • Trường hợp không có bộ điều khiển: Áp lực nước sụt giảm nghiêm trọng khi van xả mở, mực nước bồn biến thiên tự do không kiểm soát, không đáp ứng yêu cầu áp lực dập lửa.
    • Trường hợp tích hợp bộ điều khiển PID-PI: Sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols 2 kết hợp tinh chỉnh thực nghiệm, hệ thống xác lập trạng thái ổn định, đáp ứng ngõ ra của áp suất và mực nước bám sát giá trị tham chiếu đặt trước, triệt tiêu sai số xác lập ($e_{xl} \approx 0$), hạn chế độ vọt lố và giữ áp lực nước liên tục tại đầu vòi phun.
  3. Hệ thống giám sát và truyền thông hai cấp:
    • Tại chỗ: Màn hình HMI Delta DOP-B07SS411 hiển thị thông số thời gian thực, lưu trữ đồ thị Trend và cảnh báo sự cố kèm phân quyền mật khẩu.
    • Từ xa: Web Server Next.js đồng bộ thời gian thực qua Firebase, hỗ trợ quét mã QR-Code truy cập nhanh, cho phép tài khoản cấp 1 tinh chỉnh trực tiếp tham số PID và hỗ trợ xuất toàn bộ nhật ký cảnh báo ra file Excel.
    • Viễn thông: Gửi tin nhắn SMS cảnh báo tức thời đến điện thoại người quản lý qua module SIMCOM A7682S ngay khi phát hiện hỏa hoạn hoặc lỗi thiết bị.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

So với các giải pháp PCCC hiện có trên thị trường, công trình của nhóm tác giả mang lại các đóng góp cụ thể:

  • Khắc phục triệt để hạn chế của hệ thống chữa cháy sprinkler truyền thống (chỉ dùng công tắc áp suất bật/tắt bơm khiến áp lực nước dao động mạnh, không kiểm soát được lưu lượng và mực nước).
  • Ứng dụng thành công cấu trúc điều khiển phân tầng (Cascade PID) trên dòng PLC cỡ nhỏ FX3U, kết hợp linh hoạt giữa điều khiển biến nhanh (áp suất) và biến chậm (mực nước bồn).
  • Đưa ra giải pháp cầu nối truyền thông lai ghép (Hybrid Architecture) hiệu quả về chi phí: Kết hợp độ bền bỉ, an toàn chuẩn công nghiệp của PLC Mitsubishi qua cổng RS-485 với tính năng linh hoạt của vi điều khiển ESP32, giúp đưa dữ liệu công nghiệp lên hạ tầng đám mây Firebase mà không cần đầu tư các module mạng chuyên dụng đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

Căn cứ theo nội dung công bố tại mục 1.4 và chương 6 của đồ án:

  • Hệ thống mới dừng lại ở phạm vi mô hình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với quy mô nhỏ, sử dụng chủ yếu phần cứng từ bộ thí nghiệm IT-5200 có sẵn, chưa đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn tải trọng và điều kiện làm việc khắc nghiệt của môi trường công nghiệp thực tế.
  • Khả năng lưu trữ và mở rộng dữ liệu bị giới hạn do đồ án sử dụng gói tài nguyên miễn phí của nền tảng Firebase Realtime Database, dẫn đến dung lượng hạn chế, chỉ phù hợp thử nghiệm cho các tòa nhà quy mô nhỏ.
  • Hệ thống chưa được tích hợp nguồn điện dự phòng (như bộ lưu điện UPS hoặc máy phát điện tự động) để duy trì khả năng chữa cháy và giám sát khi xảy ra sự cố cắt điện lưới do hỏa hoạn.
  • Tốc độ truyền nhận dữ liệu giữa mô hình và Web Server phụ thuộc hoàn toàn vào băng thông và độ ổn định của mạng Wi-Fi tại môi trường vận hành.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dữ liệu môi trường, nhận diện sớm dấu hiệu cháy và đưa ra quyết định tối ưu lưu lượng nước dập lửa.
  • Phát triển ứng dụng di động chuyên biệt (Mobile App) chạy trên hệ điều hành Android/iOS nhằm thay thế hoặc bổ trợ cho giao diện Web, giúp việc giám sát và nhận thông báo đẩy thuận tiện hơn.
  • Thiết kế tích hợp khối nguồn điện dự phòng tự động chuyển mạch khi mất lưới điện.
  • Mở rộng quy mô nghiên cứu và triển khai thử nghiệm trên các hệ thống đường ống và bể chứa thực tế tại các công trình dân dụng cao tầng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Hệ thống Nhúng/IoT: Tài liệu cung cấp quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ việc tính toán chọn thiết bị, lập trình PLC Mitsubishi FX3U, thiết kế giao diện HMI Delta đến xây dựng Web Server đồng bộ cơ sở dữ liệu thời gian thực.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên hệ thống tòa nhà (BMS, M&E): Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về việc cải tiến hệ thống bơm bù áp PCCC truyền thống sang hệ thống điều khiển biến tần ổn định áp lực nước vòng kín.
  • Các phần đáng tham khảo chuyên sâu:
    • Kỹ thuật lập trình và cấu hình hàm PID phân tầng trên phần mềm GX Works2.
    • Sơ đồ đấu nối phần cứng giữa PLC FX3U với module analog FX2N-2AD/2DA và biến tần XFC 150.
    • Giải pháp truyền thông Modbus RTU giữa PLC FX3U (qua board FX3U-485-BD) với vi điều khiển ESP32 qua mạch chuyển đổi UART-RS485 để đẩy dữ liệu lên Firebase.
    • Phương pháp xây dựng giao diện HMI trên DOPSoft 2.07 và lập trình Web Server giám sát thời gian thực bằng Next.js hỗ trợ xuất báo cáo Excel.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại áp dụng cấu trúc điều khiển phân tầng (Cascade Control) thay vì bộ điều khiển PID đơn?

Hệ thống PCCC yêu cầu phải duy trì đồng thời hai đại lượng: áp suất nước trong đường ống cấp và mực nước dự trữ trong bồn chứa. Hai biến số này có đặc tính thời gian khác nhau: áp suất là biến thay đổi rất nhanh (cần phản ứng tức thì khi mở đầu phun), trong khi mực nước trong bồn là biến thay đổi chậm nhưng mang tính quyết định (nếu cạn nước thì bơm mất áp và hệ thống vô hiệu). Cấu trúc phân tầng cho phép vòng ngoài (điều khiển mực nước) tạo ra setpoint cho vòng trong (điều khiển áp suất tác động lên biến tần bơm), giúp tối ưu hóa cả hai vòng lặp và triệt tiêu dao động tốt hơn so với một bộ PID đơn.

2. Thiết bị điều khiển trung tâm và các module analog được sử dụng trong hệ thống có cấu hình như thế nào?

Trung tâm điều khiển sử dụng PLC Mitsubishi FX3U-16MR/ES-A (nguồn 100/240VAC, 8 ngõ vào số 24VDC, 8 ngõ ra dạng Relay dòng tối đa 0,15A). Để xử lý tín hiệu tương tự, hệ thống gắn thêm 2 module mở rộng: module đầu vào FX2N-2AD (2 ngõ vào analog 0-10VDC hoặc 4-20mADC, nguồn 24VDC/50mA) để đọc cảm biến áp suất Strain Gauge, và module đầu ra FX2N-2DA (2 ngõ ra analog 0-10VDC hoặc 4-20mADC, nguồn 24VDC/85mA) để xuất tín hiệu điều khiển tần số cho biến tần XFC 150.

3. Giải pháp nào được tác giả sử dụng để kết nối dữ liệu từ PLC lên Web Server và gửi tin nhắn cảnh báo?

Tác giả sử dụng vi điều khiển ESP32 làm thiết bị gateway trung gian. PLC FX3U giao tiếp với ESP32 thông qua board mở rộng FX3U-485-BD và mạch chuyển đổi UART sang RS-485 theo giao thức Modbus RTU. Từ ESP32, dữ liệu được truyền không dây qua mạng Wi-Fi lên cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database và hiển thị trên Web Server viết bằng Next.js. Đồng thời, ESP32 kết nối trực tiếp với module SIMCOM A7682S VoLTE qua giao tiếp UART để gửi tin nhắn SMS khẩn cấp tới điện thoại khi có sự cố.

4. Phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID nào đã được tác giả áp dụng và kết quả ra sao?

Tác giả áp dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler – Nichols 2 (phương pháp dao động tới hạn). Ban đầu, hệ thống chỉ chạy với bộ điều khiển P và tăng dần độ lợi khuếch đại cho đến khi đáp ứng ngõ ra đạt trạng thái ổn định biên (dao động liên tục chu kỳ $T_{gh}$ tại hệ số khuếch đại $K_{gh}$). Sau đó, các thông số $K_p$, $T_i$, $T_d$ được tính toán theo bảng công thức Ziegler-Nichols và tiếp tục được tinh chỉnh thực nghiệm để tối ưu hóa đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố và triệt tiêu sai số xác lập.

5. Thông số kỹ thuật của bơm và van xả sử dụng trên mô hình thực nghiệm được quy định ra sao?

Bơm sử dụng là loại bơm điện tự mồi UP9/A có nguồn cấp 12V, công suất động cơ 180W, áp lực làm việc 4 bar với bánh răng làm bằng nhựa kỹ thuật chịu nhiệt PEEK. Van xả tự động là dòng van điện từ CS-720 sử dụng nguồn 24V DC/AC, hỗ trợ cổng kết nối Female các kích thước từ 1/8" đến 1/2", thời gian mở cài đặt từ 0,5 đến 10 giây, thời gian đóng từ 0,5 đến 45 phút, hoạt động trong dải nhiệt độ từ -20°C đến 60°C.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống phòng cháy chữa cháy tích hợp giám sát và điều khiển từ xa cho chung cư" do sinh viên Đặng Trần Gia Bảo và Võ Bình An thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Trương Đình Nhơn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và chế tạo mô hình thực nghiệm trên cơ sở thiết bị IT-5200. Công trình đã ứng dụng thành công thuật toán điều khiển PID phân tầng trên PLC Mitsubishi FX3U kết hợp biến tần XFC 150 nhằm ổn định đồng thời mực nước bồn và áp lực đường ống chữa cháy. Bên cạnh khả năng vận hành tại chỗ qua màn hình cảm ứng HMI Delta DOP-B07SS411, hệ thống tích hợp giải pháp truyền thông IoT qua vi điều khiển ESP32, cơ sở dữ liệu Firebase Realtime Database, Web Server Next.js và module SIMCOM A7682S gửi cảnh báo SMS. Mặc dù còn hạn chế về quy mô mô hình thử nghiệm phòng lab và chưa trang bị nguồn điện dự phòng, đề tài là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng cao cho việc nghiên cứu, phát triển các hệ thống tự động hóa PCCC cho các công trình dân dụng.