Đồ án hệ thống quan trắc và điều khiển nồng độ CO2 cho tầng hầm - ĐH SPKT TPHCM

Nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc và điều khiển nồng độ CO2 cho tầng hầm sử dụng PLC S7-1200, biến tần Mitsubishi và WinCC tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM.

• Tác giả: Huỳnh Hoàng Khương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Âu
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện, Điện tử
• Đề tài: Hệ thống quan trắc điều khiển nồng độ CO2 cho tầng hầm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống quan trắc điều khiển nồng độ CO2 tầng hầm

Tầng hầm các tòa nhà cao tầng thường xuyên đối mặt với nguy cơ tích tụ khí độc hại. Phương tiện giao thông hoạt động liên tục tạo ra lượng lớn khí thải carbon monoxide và carbon dioxide. Không gian tầng hầm kín gió khiến các khí này khó phân tán tự nhiên. Hiện tượng thiếu hụt oxy cục bộ xuất hiện nhanh chóng. Vì vậy, hệ thống quan trắc điều khiển nồng độ CO2 tầng hầm đóng vai trò cốt lõi. Đây là nghiên cứu nổi bật của sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (ĐH SPKT TPHCM). Đề tài ứng dụng kỹ thuật tự động hóa vào xử lý môi trường thực tế. Cấu trúc mô hình kết hợp chặt chẽ giữa phần cứng cảm biến và bộ vi xử lý trung tâm. Dữ liệu nồng độ khí được đo lường chính xác theo thời gian thực. Hệ thống chuyển đổi tín hiệu analog thành giá trị kỹ thuật số chuẩn xác. Thiết bị tự động đưa ra quyết định bật quạt hút gió mà không cần can thiệp thủ công. Cơ chế này giảm thiểu chi phí nhân lực vận hành. Không gian tầng hầm duy trì được dưỡng khí ổn định suốt ngày đêm. Sức khỏe người ra vào khu vực đỗ xe luôn được bảo vệ tối đa.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM

Khoa Điện - Điện tử thuộc ĐH SPKT TPHCM luôn chú trọng đề tài gắn liền thực tiễn. Tốc độ đô thị hóa nhanh làm gia tăng số lượng công trình ngầm. Tầng hầm trung tâm thương mại và chung cư thường có mật độ xe cơ giới rất cao. Khói xe xả ra lượng khí độc hại lớn trong không gian kín. Sinh viên thực hiện đề tài tốt nghiệp này dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Ngọc Âu. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào bài toán tự động hóa thông gió. Đề tài kết hợp lý thuyết điều khiển tuyến tính với thiết bị công nghiệp thực tế. Sản phẩm tạo ra mô hình vận hành tin cậy và có khả năng mở rộng cao.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của hệ thống quan trắc

Hệ thống hướng tới việc kiểm soát nồng độ khí độc hại ở ngưỡng an toàn tuyệt đối. Cảm biến chuyên dụng đảm nhận nhiệm vụ đo đạc liên tục các thành phần khí. Bộ điều khiển tiếp nhận tín hiệu để xử lý thuật toán giám sát. Quạt hút công nghiệp tự khởi động khi nồng độ khí vượt mức thiết lập ban đầu. Ngoài chức năng điều khiển, hệ thống còn lưu trữ dữ liệu môi trường theo thời gian. Màn hình giám sát trực quan hóa toàn bộ thông số kỹ thuật cho kỹ sư quản lý. Giải pháp giúp tối ưu hóa điện năng tiêu thụ cho toàn bộ tòa nhà. Thiết bị chỉ kích hoạt quạt khi thực sự cần thiết thay vì chạy liên tục.

II. Phân tích thực trạng quan trắc điều khiển nồng độ CO2 tầng hầm

Tầng hầm để xe là môi trường kín gió và thiếu ánh sáng tự nhiên. Hàng ngàn xe máy và ô tô khởi động mỗi ngày tạo ra nguồn phát thải khổng lồ. Khí carbon monoxide sinh ra từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn của động cơ. Khí carbon dioxide hình thành từ quá trình đốt cháy hoàn toàn và hô hấp con người. Khi nồng độ khí thải tăng cao, lượng dưỡng khí oxy suy giảm nghiêm trọng. Người làm việc tại tầng hầm dễ gặp triệu chứng chóng mặt, đau đầu và khó thở. Nồng độ khí vượt ngưỡng tiêu chuẩn kéo dài gây nguy hiểm trực tiếp đến tính mạng. Tiêu chuẩn TCVN 7725:2007 và OSHA quy định rất nghiêm ngặt về giới hạn khí thải tại nơi làm việc. Tuy nhiên, nhiều tòa nhà hiện nay chỉ thông gió theo khung giờ cố định. Phương pháp thủ công này bộc lộ rất nhiều nhược điểm lớn. Quạt chạy liên tục gây lãng phí năng lượng điện khổng lồ trong giờ thấp điểm. Ngược lại, vào giờ cao điểm, lượng thông gió lại không đủ đáp ứng kịp thời. Việc thiếu hệ thống giám sát tự động làm tăng rủi ro tai nạn ngạt khí. Do đó, việc ứng dụng công nghệ đo đạc tự động trở thành đòi hỏi cấp bách.

2.1. Độc tính và tác hại của khí CO và CO2

Khí carbon monoxide là loại khí không màu, không mùi và không vị. Chất khí này gắn kết với phân tử hemoglobin nhanh hơn oxy 240 lần. Cơ thể hít phải khí này sẽ bị mất khả năng vận chuyển dưỡng khí. Nạn nhân nhanh chóng bị ngạt tế bào, tổn thương não và tử vong. Trong khi đó, nồng độ carbon dioxide cao gây cảm giác ngột ngạt và buồn ngủ. Người lái xe dễ mất tập trung, dẫn đến rủi ro va chạm giao thông. Nhân viên bảo vệ hoặc vệ sinh làm việc dưới tầng hầm chịu ảnh hưởng nặng nhất. Họ phải tiếp xúc với bầu không khí ô nhiễm này trong nhiều giờ liên tục mỗi ngày.

2.2. Hạn chế của hệ thống thông gió truyền thống

Nhiều công trình ngầm hiện nay vẫn dùng hệ thống quạt thông gió đóng cắt thủ công. Phương thức này dựa trên cảm tính của nhân viên kỹ thuật. Quạt gió thường chạy cố định vài giờ trong ngày rồi dừng lại. Cách làm trên không phản ánh đúng mật độ phương tiện thực tế di chuyển. Lượng khí độc hại có thể tăng đột biến vào những khung giờ cao điểm. Lúc này, người trong tầng hầm hít phải nồng độ khí vượt ngưỡng tiêu chuẩn an toàn. Ngoài ra, việc quạt hoạt động khi hầm vắng xe gây lãng phí điện năng lớn. Động cơ quạt thông gió công nghiệp tiêu tốn công suất tiêu thụ rất đáng kể. Do đó, phương pháp truyền thống hoàn toàn không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật hiện đại.

III. Thiết kế hệ thống quan trắc điều khiển nồng độ CO2 tầng hầm SPKT

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM đề xuất mô hình điều khiển tự động hoàn chỉnh. Trọng tâm của hệ thống là bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C. Bộ điều khiển này nổi tiếng với độ bền cao và tính ổn định trong môi trường công nghiệp. Các cổng truyền thông Ethernet tích hợp giúp kết nối mạng nhanh chóng và thuận tiện. Tín hiệu từ cảm biến khí MQ-7 được chuyển đổi qua mạch hạ áp DC LM2596. Mạch giảm áp này cung cấp điện áp nguồn ổn định và bảo vệ linh kiện điện tử nhạy cảm. PLC tiếp nhận tín hiệu analog, sau đó chuyển đổi sang giá trị ppm tương ứng. Chương trình điều khiển được viết trên nền tảng TIA Portal với ngôn ngữ Ladder logic rõ ràng. Khi nồng độ khí đo được vượt ngưỡng thiết lập, PLC tự động phát lệnh kích hoạt contactor quạt hút. Hệ thống hỗ trợ hai chế độ hoạt động linh hoạt: thủ công (Manual) và tự động (Auto). Toàn bộ thiết bị điều khiển, rơ-le trung gian, aptomat bảo vệ được bố trí gọn gàng trong tủ điện công nghiệp kích thước 300x400x120 mm. Sơ đồ đi dây tuân thủ tiêu chuẩn an toàn điện nghiêm ngặt.

3.1. Cấu hình phần cứng và cảm biến khí

Hệ thống sử dụng cảm biến bán dẫn để phát hiện các phân tử khí độc hại trong không khí. Cảm biến MQ-7 có độ nhạy cao với dải đo rộng từ 20 đến 2000 ppm. Thiết bị phản hồi nhanh khi nồng độ khí thay đổi. Mạch nguồn sử dụng module buck converter DC LM2596 để chuyển điện áp 24VDC xuống 5VDC. Mạch này cung cấp dòng điện liên tục và triệt tiêu xung nhiễu điện áp hiệu quả. Nguồn cấp ổn định giúp cảm biến làm việc chính xác và kéo dài tuổi thọ phần cứng. Bộ điều khiển PLC S7-1200 đọc trực tiếp điện áp analog ngõ ra từ module cảm biến. Tủ điện công nghiệp chứa đầy đủ cầu chì, rơ-le nhiệt và đèn báo trạng thái nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối.

3.2. Lập trình TIA Portal và giám sát SCADA WinCC

Phần mềm TIA Portal đóng vai trò môi trường kỹ thuật tích hợp đồng nhất. Nhóm kỹ sư xây dựng logic điều khiển dựa trên các hàm chuyển đổi tỉ lệ NORM_X và SCALE_X. Tín hiệu số nguyên từ cảm biến được chuẩn hóa sang dải giá trị thực chính xác. Thuật toán tự động kích hoạt quạt theo ba mức cảnh báo nồng độ khí khác nhau. Giao diện người máy WinCC hiển thị trực quan thông số khí, trạng thái động cơ và đồ thị biến thiên. Người vận hành dễ dàng theo dõi dữ liệu tầng hầm theo thời gian thực trên máy tính. Hệ thống cũng kích hoạt chuông báo động khi nồng độ khí vượt ngưỡng khẩn cấp. WinCC hỗ trợ lưu trữ dữ liệu lịch sử để kỹ sư đánh giá hiệu quả vận hành định kỳ.

IV. Đánh giá và ứng dụng quan trắc điều khiển nồng độ CO2 tầng hầm

Đề tài tốt nghiệp của sinh viên ĐH SPKT TPHCM khẳng định tính khả thi rất cao trong môi trường thực tiễn. Mô hình vận hành ổn định trong nhiều giờ thử nghiệm liên tục tại phòng thí nghiệm. Cảm biến phát hiện sự biến động nồng độ khí nhanh chóng với độ trễ chỉ vài mili-giây. PLC Siemens xử lý tín hiệu mượt mà và xuất lệnh điều khiển quạt chính xác theo từng kịch bản. Việc ứng dụng hệ thống giúp loại bỏ hoàn toàn các thao tác vận hành thủ công dễ xảy ra sai sót. Công trình ngầm duy trì được bầu không khí trong lành, đạt chuẩn vệ sinh lao động quốc gia. Ngoài ra, giải pháp còn mang lại giá trị kinh tế to lớn cho chủ đầu tư tòa nhà. Quạt thông gió chỉ vận hành khi nồng độ khí vượt ngưỡng quy định, giúp tiết kiệm tới 40% điện năng tiêu thụ hàng tháng. Tuổi thọ của động cơ thông gió cũng được kéo dài đáng kể do giảm thiểu thời gian chạy không tải. Dự án này là minh chứng tiêu biểu cho năng lực ứng dụng công nghệ của kỹ sư điện, điện tử Việt Nam. Mô hình hoàn toàn sẵn sàng để chuyển giao và lắp đặt cho các dự án đô thị thông minh.

4.1. Khả năng mở rộng cho tòa nhà thông minh

Mô hình có kiến trúc mở và tính tương thích cao với tiêu chuẩn tự động hóa hiện đại. Thiết bị dễ dàng kết nối vào hệ thống quản lý tòa nhà BMS thông qua giao thức truyền thông công nghiệp Modbus hoặc Profinet. Các kỹ sư có thể tích hợp thêm cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm hoặc nồng độ bụi mịn PM2.5. Khả năng đồng bộ hóa đa điểm cho phép quản lý nhiều tầng hầm cùng lúc trên một trung tâm điều hành duy nhất. Dữ liệu quan trắc có thể đẩy lên nền tảng đám mây để theo dõi từ xa qua ứng dụng di động. Đây là bước tiến quan trọng trong việc xây dựng các công trình xanh hiện đại và bền vững.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng thuật toán AI

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo để dự báo lưu lượng xe. Hệ thống có thể học thói quen di chuyển của cư dân theo các khung giờ trong tuần. Bộ điều khiển sẽ chủ động điều tiết quạt gió trước khi nồng độ khí độc kịp tích tụ. Giải pháp điều khiển dự báo MPC hoặc mạng nơ-ron giúp phản ứng nhanh hơn cơ chế đóng ngắt phản hồi truyền thống. Ngoài ra, việc cải tiến thuật toán điều khiển biến tần cho quạt sẽ tối ưu hóa hiệu suất năng lượng. Động cơ quạt thay đổi tốc độ quay mượt mà thay vì bật tắt đột ngột. Điều này vừa giúp tiết kiệm điện tối đa vừa giảm thiểu tiếng ồn trong công trình ngầm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kiến trúc công trình hiện đại, không gian tầng hầm đóng vai trò là bãi đỗ xe, bố trí hạ tầng kỹ thuật, trung tâm thương mại hoặc khu vực tập kết rác thải. Do đặc tính kết cấu ngầm kín hoặc bán kín, tầng hầm thiếu sự lưu thông không khí tự nhiên, dễ dẫn đến hiện tượng tích tụ nhiệt độ, khói bụi và các loại khí độc hại sinh ra từ động cơ phương tiện giao thông như CO, CO2, NO, NO2. Trong đó, khí CO2 là chất khí không màu, không mùi; khi tích tụ ở nồng độ cao trong môi trường yếm khí sẽ làm suy giảm hàm lượng oxy cục bộ, gây ra các triệu chứng ngạt thở, chóng mặt, buồn nôn, suy giảm ý thức hoặc nguy hiểm đến tính mạng con người. Đồng thời, độ ẩm cao và khí độc không được luân chuyển làm tăng nguy cơ mục nát, ăn mòn kết cấu kim loại và hư hỏng hệ thống máy móc. Xuất phát từ nhu cầu đảm bảo chất lượng không khí, duy trì an toàn vận hành và tối ưu hóa giải pháp thông gió cơ khí cục bộ, đề tài "Hệ thống quan trắc điều khiển nồng độ CO2 cho tầng hầm" được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định cụ thể gồm hai nội dung:

1. Tìm hiểu các đặc điểm kỹ thuật thông gió và tiêu chuẩn chất lượng không khí áp dụng cho không gian tầng hầm tòa nhà.
2. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng kết hợp phần mềm giám sát, điều khiển tốc độ gió và nồng độ khí; thu thập tín hiệu nồng độ CO2, hiển thị trực quan trên giao diện WinCC và phát tín hiệu cảnh báo khi nồng độ vượt ngưỡng tiêu chuẩn đã thiết lập.

Nhiệm vụ nghiên cứu tương ứng được xác lập trong đồ án gồm ba phần việc:

1. Thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình thực nghiệm giám sát và điều khiển nồng độ khí thông qua cảm biến nồng độ khí, biến tần và quạt thông gió.
2. Xây dựng chương trình điều khiển trung tâm trên bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 bằng phần mềm TIA Portal.
3. Thiết kế giao diện SCADA trên nền tảng WinCC để thu thập dữ liệu, giám sát thông số thời gian thực và vận hành hệ thống ở hai chế độ bằng tay (Manual) và tự động (Auto).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống tự động hóa quan trắc và điều khiển nồng độ khí độc hại (tập trung vào CO2 và CO) thông qua cơ chế điều chỉnh tốc độ quạt hút gió tầng hầm. Phạm vi nghiên cứu về không gian là mô hình thực nghiệm thu nhỏ (tủ điện điều khiển và mô hình quạt hút thông gió) tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Phạm vi thời gian thực hiện đồ án từ ngày 12/9/2024 đến tháng 12/2024. Về giới hạn kỹ thuật, đề tài tập trung vào việc thu thập tín hiệu cảm biến nồng độ khí, điều khiển biến tần qua truyền thông công nghiệp và xây dựng giao diện hiển thị; không nghiên cứu chuyên sâu về động lực học dòng khí hoặc hệ thống ống gió tổng thể của toàn bộ tòa nhà.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng khung cơ sở lý thuyết dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia, giáo trình đại học và tài liệu kỹ thuật chuyên ngành tự động hóa:

• Giáo trình PLC S7-1200 (PLC TECH) và Giáo trình thiết kế, điều khiển thiết bị điện công nghiệp (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) làm căn cứ lựa chọn thiết bị, đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển và lập trình PLC.
• Lý thuyết điều khiển tuyến tính và nguyên lý điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) ứng dụng trong việc xử lý vòng phản hồi tín hiệu cảm biến để điều chỉnh cơ cấu chấp hành.
• Chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus RTU trên nền giao tiếp vật lý RS-485 với cấu hình bán song công (Half-duplex) 2 dây tín hiệu (A, B) truyền tải dữ liệu giữa PLC và biến tần với khoảng cách tối đa 1200 m.
• Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7725:2007 (tương đương ISO 4224:2000) quy định định mức nồng độ khí CO cho con người và môi trường làm việc.
• Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10736-26:2017 quy định về phân loại chất lượng không khí trong nhà và tốc độ phát thải CO2 của người trưởng thành theo mức độ hoạt động.

Tiêu chuẩn / Thông số	Giá trị nồng độ	Thời gian / Phạm vi	Biểu hiện / Ý nghĩa kỹ thuật
TCVN 7725:2007 (CO)	0 - 1 ppm	-	Mức không khí bình thường
TCVN 7725:2007 (CO)	9 ppm	8 giờ	Ngưỡng cho phép tối đa trong nhà
TCVN 7725:2007 (CO)	35 ppm	1 giờ / 8 giờ OSHA	Giới hạn tiếp xúc ngắn hạn an toàn
TCVN 7725:2007 (CO)	50 ppm	8 giờ	Trung bình tối đa tại nơi làm việc (OSHA)
TCVN 7725:2007 (CO)	100 ppm (0,01%)	2 - 3 giờ	Đau đầu nhẹ; ngưỡng yêu cầu sơ tán
TCVN 7725:2007 (CO)	400 ppm (0,04%)	1 - 2 giờ	Nhức đầu sau 2,5 đến 3,5 giờ
TCVN 7725:2007 (CO)	1600 ppm (0,16%)	20 phút	Chóng mặt, nguy cơ tử vong trong 2 giờ
TCVN 10736-26:2017 (CO2)	$\le 400$ ppm (chuẩn 350)	Môi trường trong nhà	Chất lượng không khí đặc biệt
TCVN 10736-26:2017 (CO2)	400 - 600 ppm (chuẩn 500)	Môi trường trong nhà	Chất lượng không khí mức cao
TCVN 10736-26:2017 (CO2)	600 - 1000 ppm (chuẩn 800)	Môi trường trong nhà	Chất lượng không khí mức trung bình
TCVN 10736-26:2017 (CO2)	$> 1000$ ppm (chuẩn 1200)	Môi trường trong nhà	Chất lượng không khí mức thấp

Bên cạnh các ngưỡng nồng độ, tác giả áp dụng hệ thống công thức tính toán phục vụ thông gió công nghiệp:

1. Chuyển đổi nồng độ CO từ phần triệu (ppm) sang $mg/m^3$: $$P = \frac{P_2 \times M_t \times 298}{24,45 \times T \times 101,3}$$ Trong đó $M_t = 28\ g/mol$ là khối lượng phân tử CO; $T$ là nhiệt độ tuyệt đối ($K$); $P_2$ là áp suất khí đo được ($kPa$); $101,3$ là áp suất khí tiêu chuẩn.
2. Nồng độ CO2 phòng kín tích lũy theo thời gian dựa trên lưu lượng phát thải riêng $q_{V,CO2}$, số người $N$, thể tích phòng $V$ và bội số trao đổi không khí $n$.
3. Tính toán thể tích phòng $V = Dài \times Rộng \times Cao$; tổng lượng không khí cần dùng $T_g = X \times V\ (m^3/h)$ với $X$ là số lần thay đổi không khí; số lượng quạt công nghiệp $N = T_g / Q$ với $Q$ là lưu lượng quạt; lưu lượng thông gió khử khí độc $G = Y_c - Y_o$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Tra cứu tài liệu kỹ thuật, sổ tay hướng dẫn của nhà sản xuất (Siemens, Mitsubishi), các quy chuẩn xây dựng và tiêu chuẩn chất lượng không khí.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Xây dựng bản vẽ bố trí thiết bị 2D và sơ đồ nguyên lý đấu dây trên phần mềm AutoCAD Electrical; tính toán dung lượng nguồn và chọn quy cách tủ điện.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp phần cứng tủ điện, module cảm biến, quạt và biến tần; kết nối cáp truyền thông RS-485 chuẩn T568B; lập trình chương trình điều khiển trên TIA Portal và kiểm tra vận hành thực tế ở các mức nồng độ khí.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu thu thập trực tiếp từ catalog thiết bị, thông số kỹ thuật cảm biến MQ-7, thông số biến tần FR-D700, CPU PLC S7-1200 1212C và tín hiệu điện áp tương tự đo đạc được từ mô hình.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo mô hình phân cấp tự động hóa 3 tầng:

1. Tầng quản lý và giám sát (Cấp quản lý): Máy tính trạm cài đặt phần mềm WinCC kết nối với PLC qua giao thức mạng Ethernet, đóng vai trò giao diện người - máy (SCADA) hiển thị đồ họa nồng độ khí, tần số hoạt động của quạt, các nút thao tác Start, Stop, chọn chế độ và thông báo sự cố.
2. Tầng điều khiển (Cấp điều khiển): Bộ điều khiển logic khả trình Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC, gắn kèm module mở rộng truyền thông nối tiếp CM 1241 RS422/485. PLC đóng vai trò là Modbus Master, quản lý việc nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển Modbus Slave là biến tần.
3. Tầng chấp hành và cảm biến (Cấp trường):
   • Cảm biến khí bán dẫn MQ-7 (vật liệu SnO2, dải đo phát hiện 10 - 1000 ppm, xuất tín hiệu tương tự analog và tín hiệu số digital, hoạt động trong dải nhiệt độ -20 đến 50 độ C).
   • Biến tần Mitsubishi FR-D700 1 pha, công suất định mức 0.75 kW, sử dụng cổng RJ45 tích hợp để kết nối Modbus RTU.
   • Quạt thông gió hút mùi FD150 (nguồn điện 220V).
   • Mạch giảm áp Buck Converter DC-DC LM2596, hạ điện áp công nghiệp từ 24VDC xuống 5VDC ổn định để cấp nguồn cho các bo mạch cảm biến.
   • Các nút nhấn cơ khí Start, Stop, công tắc xoay 2 vị trí chuyển chế độ Manual/Auto và hệ thống đèn báo, còi cảnh báo lỗi.

Thiết bị / Module	Ký hiệu / Mã thiết bị	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình	Siemens S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC	Nguồn cấp 24VDC, tích hợp DI/DO, AI; hỗ trợ LAD, FBD, SCL	Xử lý logic trung tâm, tính toán tín hiệu và điều khiển vòng lặp
Module truyền thông	Siemens CM 1241 RS422/485	Chuẩn RS-485, hỗ trợ giao thức Modbus RTU	Làm cổng truyền thông Master giao tiếp với biến tần
Biến tần	Mitsubishi FR-D700	Nguồn 1 pha, công suất 0,75 kW, cổng RJ45	Điều khiển tốc độ quay của quạt hút theo lệnh từ PLC
Mạch giảm áp DC	LM2596 Buck Converter	Điện áp vào 24VDC, điện áp ra 5VDC	Cung cấp nguồn 5VDC ổn định cho bo cảm biến
Cảm biến nồng độ khí	Cảm biến bán dẫn MQ-7	Chất cảm ứng SnO2, dải đo 10 - 1000 ppm, ngõ ra Analog/Digital	Đo nồng độ khí, chuyển đổi thành điện áp gửi về ngõ vào AI của PLC
Quạt thông gió	Quạt vuông FD150	Điện áp 220V, công suất nhỏ	Hút thải không khí ô nhiễm và tạo đối lưu luồng khí
Tủ điện điều khiển	Tủ kim loại sơn tĩnh điện	Kích thước $300 \times 400 \times 120\ mm$ (Rộng x Cao x Sâu)	Chứa PLC, biến tần, mạch nguồn, rơ le và thiết bị bảo vệ

Về phương thức đấu nối phần cứng:

• Ngõ vào số (DI) của PLC được đấu nối theo cấu hình Source, kết nối các nút nhấn vận hành Start, Stop và công tắc chọn chế độ. Ngõ ra số (DO) điều khiển cuộn hút rơ le trung gian để kích hoạt đèn báo trạng thái Start, Stop và đèn còi cảnh báo sự cố.
• Chân tín hiệu analog của 2 cảm biến khí được đưa về các ngõ vào tương tự (AI) tích hợp trên CPU 1212C.
• Kết nối truyền thông nối tiếp giữa module CM 1241 và biến tần Mitsubishi D700 sử dụng cáp mạng T568B bấm đầu RJ45. Cụ thể chân sơ đồ cổng RJ45 trên biến tần: chân 2 và chân 8 cấp nguồn cho bộ tham số; chân 3, 4, 5, 6 dùng cho đường truyền dữ liệu RS-485 (cặp dây vi sai A và B); chân 1 và chân 7 là đất tín hiệu (GND) được đấu vào chân tiếp địa terminal số 5.

Quy trình phát triển phần mềm trên TIA Portal được tổ chức thành các khối mạng logic (Networks):

• Network 3: Lập trình xử lý các bit nhớ và truyền dữ liệu cho chế độ điều khiển thủ công (Manual).
• Network 4: Lập trình các điều kiện so sánh ngưỡng nồng độ khí và xử lý logic tự động cho chế độ Auto.
• Network 5: Khởi tạo hàm Modbus Comm Load và Modbus Master để truyền nhận dữ liệu với biến tần qua RS-485.
• Network 6 và 7: Tiếp nhận tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến qua ngõ vào analog, thực hiện lệnh chuẩn hóa NORM_X và tỷ lệ SCALE_X để chuyển đổi giá trị nguyên nội vi PLC thành nồng độ khí thực tế.
• Network 8: Thực hiện phép toán chia và chuẩn hóa giá trị tần số điều khiển, quy đổi tốc độ mong muốn gửi xuống biến tần.
• Network 9 và 10: Xử lý logic khóa liên động, kích hoạt lệnh chạy biến tần và xử lý lệnh Reset khôi phục toàn bộ trạng thái hệ thống về giá trị mặc định.
• Quản lý truyền thông Modbus: Sử dụng các khối chức năng giám sát trạng thái bận (BUSY), kiểm soát cờ lỗi (ERROR) và đồng bộ hóa chu kỳ quét đầu tiên (FirstScan) để gửi dữ liệu cài đặt tần số và đọc mã lỗi từ biến tần.

Giao diện WinCC được thiết lập với sơ đồ trực quan gồm: bảng đồng hồ hiển thị giá trị khí thời gian thực, đèn chỉ thị trạng thái quạt đang chạy hay dừng, các nút bấm điều khiển Start/Stop ảo và trường nhập ngưỡng nồng độ cảnh báo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ rủi ro ô nhiễm không khí tại các tầng hầm công trình kín; xác định mục tiêu tổng quát là chế tạo mô hình quan trắc và điều khiển khí có khả năng cảnh báo qua WinCC. Tác giả nêu rõ phạm vi công việc tập trung vào bộ ba thiết bị: tủ điều khiển PLC S7-1200, biến tần Mitsubishi FR-D700 và mô hình quạt hút, xác định phương pháp tiếp cận chủ đạo là nghiên cứu tài liệu kỹ thuật kết hợp thực nghiệm mô hình hóa.

Chương 2: Tổng quan hệ thống thông gió trong tầng hầm tòa nhà

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết chuyên môn về kiến trúc tầng hầm, cơ chế luân chuyển dòng khí và 6 vai trò chính của thông gió cơ khí: đảm bảo chất lượng không khí, kiểm soát độ ẩm, giải nhiệt thiết bị máy móc, hỗ trợ phòng cháy chữa cháy qua việc thoát khói độc, bảo vệ tuổi thọ kết cấu công trình và nâng cao hiệu suất làm việc của con người. Chương này cung cấp hệ thống số liệu chuẩn hóa:

• Bảng định mức tác động sinh học của CO theo TCVN 7725:2007 từ mức bình thường 0 - 1 ppm đến mức gây tử vong tức thời 12.800 ppm trong 1 - 3 phút.
• Bảng đầu ra khí CO2 của người theo các mức hoạt động thể lực từ 15 - 20 l/h (ngồi làm việc) đến 70 - 110 l/h (lao động nặng) theo TCVN 10736-26:2017.
• Bảng phân loại 4 mức chất lượng không khí trong nhà dựa trên nồng độ CO2 (từ chất lượng đặc biệt $\le 400$ ppm đến chất lượng thấp $> 1000$ ppm).
• Trình bày hệ thống công thức tính lưu lượng thông gió $T_g = X \times V$, số quạt công nghiệp $N = T_g / Q$ và công thức tính lưu lượng khử khí độc $G = Y_c - Y_o$.
• Giới thiệu tổng quan cấu trúc vòng lặp điều khiển PID, cấu trúc giao thức Modbus (TCP, RTU, ASCII) và đặc tính vật lý của mạng RS-485 (khoảng cách tối đa 1200 m ở tốc độ 100 kbps, hỗ trợ 32 thiết bị trên một bus).

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

Chương 3 là chương trọng tâm của đồ án, mô tả chi tiết quy trình 5 bước từ ý tưởng đến hoàn thiện mô hình. Tác giả trình bày sơ đồ khối hệ thống, lưu đồ thuật toán vận hành ở 2 chế độ Manual và Auto. Các giải pháp kỹ thuật cụ thể gồm:

• Bản vẽ tủ điện kích thước $300 \times 400 \times 120\ mm$, bố trí rail nhôm, máng đi dây, bố trí PLC, biến tần, rơ le, nguồn và Domino đấu dây.
• Chi tiết sơ đồ nguyên lý đấu dây ngõ vào Source cho PLC, sơ đồ cấp nguồn 5VDC từ mạch hạ áp LM2596 cho cảm biến khí MQ-7.
• Sơ đồ bấm cáp mạng và sơ đồ kết nối cổng RJ45 của biến tần Mitsubishi FR-D700 với cổng RS-485 trên module CM 1241.
• Xây dựng chương trình điều khiển trên TIA Portal thông qua chuỗi Network xử lý tín hiệu analog từ cảm biến, tính toán tần số điều khiển, truyền thông Modbus RTU và các cờ giám sát trạng thái hệ thống.
• Cấu hình trạm WinCC, gán Tag nội, Tag ngoại và liên kết dữ liệu SCADA với các vùng nhớ PLC.

Chương 4: Vận hành hệ thống và kết quả

Chương 4 ghi lại kết quả thử nghiệm vận hành hệ thống trên mô hình thực tế:

• Vận hành chế độ Manual: Khi gạt công tắc tủ điện sang vị trí Manual, đèn báo trạng thái phản hồi chính xác; người vận hành có thể điều khiển quạt chạy hoặc dừng trực tiếp thông qua nút nhấn tủ điện hoặc nút bấm trên giao diện WinCC.
• Vận hành chế độ Auto: Hệ thống tự động thu thập tín hiệu nồng độ khí từ cảm biến; khi nồng độ khí đo được tăng lên, PLC tự động tính toán và gửi lệnh truyền thông Modbus để tăng tần số biến tần, làm quạt quay nhanh hơn nhằm tăng lưu lượng thông gió khử khí; khi nồng độ giảm về ngưỡng an toàn, tần số quạt tự động giảm xuống hoặc dừng.
• Hoạt động giám sát trên WinCC: Dữ liệu nồng độ khí thực tế và trạng thái truyền thông RS-485 hiển thị ổn định, không ghi nhận hiện tượng xung đột dữ liệu hay mất gói tin giữa Master (S7-1200) và Slave (FR-D700).

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết lại mức độ hoàn thành nhiệm vụ của đồ án, chỉ ra những mặt đạt được trong việc thiết kế mô hình điều khiển phần cứng và giao diện phần mềm SCADA; đồng thời đề xuất phương hướng phát triển hệ thống trên quy mô thực tế.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đề ra:

• Chế tạo thành công mô hình vật lý tủ điện điều khiển hoàn chỉnh kích thước $300 \times 400 \times 120\ mm$, tích hợp đồng bộ bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, biến tần Mitsubishi FR-D700, mạch giảm áp LM2596 và cảm biến khí.
• Thiết lập thành công mạng truyền thông nối tiếp Modbus RTU qua chuẩn RS-485 giữa hai dòng thiết bị của hai hãng sản xuất khác nhau (PLC Siemens và biến tần Mitsubishi) thông qua việc cấu hình đúng các chân truyền thông trên đầu cáp RJ45 (chân 3, 4, 5, 6) và lập trình các khối chức năng Modbus trong TIA Portal.
• Lập trình hoàn chỉnh hai chế độ vận hành độc lập: chế độ Manual cho phép can thiệp thủ công trực tiếp và chế độ Auto tự động điều tiết tần số biến tần theo dải nồng độ khí đo được từ cảm biến.
• Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC giám sát trực quan các thông số thời gian thực, có khả năng cảnh báo khi nồng độ khí vượt ngưỡng quy định.

Về giải pháp và đóng góp, đồ án đã hiện thực hóa giải pháp tích hợp điều khiển - giám sát tự động hóa cho bài toán cải thiện môi trường ngầm; cung cấp quy trình cấu hình truyền thông công nghiệp thực tế giữa PLC và biến tần qua Modbus RTU không dùng dây điều khiển analog truyền thống, giúp giảm thiểu đáng kể số lượng dây dẫn và nâng cao khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả xác định xuất phát từ giới hạn thời gian thực hiện (3 tháng) và nguồn lực thiết bị:

• Đề tài mới dừng lại ở mức độ thử nghiệm trên mô hình thu nhỏ với quạt hút cục bộ và không gian kín giả lập, chưa thể triển khai thử nghiệm trên hệ thống thông gió tổng thể quy mô lớn của tầng hầm thực tế với hệ thống ống gió phức tạp.
• Cảm biến được lắp đặt trên mô hình thực nghiệm là cảm biến bán dẫn dòng MQ (MQ-7), vốn thích hợp cho mục đích mô phỏng và học tập; việc quan trắc khí CO2 chuyên dụng trong công nghiệp đòi hỏi các cảm biến quang học NDIR có độ chính xác và tuổi thọ cao hơn.
• Hệ thống chỉ mới tập trung xử lý tín hiệu quan trắc nồng độ khí mà chưa tích hợp kiểm soát đồng thời các thông số môi trường tầng hầm khác như độ ẩm, lưu lượng gió hồi và áp suất chênh lệch.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất gồm hai nội dung chính:

1. Mở rộng dải đo và tích hợp thêm các module cảm biến để giám sát đồng thời nhiều loại khí độc hại khác thường xuất hiện trong tầng hầm nhà máy và tòa nhà như NO, NO2.
2. Tích hợp công nghệ IoT và phát triển ứng dụng giám sát, điều khiển trên thiết bị di động (Mobile App), cho phép kỹ sư vận hành có thể theo dõi tình trạng chất lượng không khí tầng hầm từ xa mà không phụ thuộc hoàn toàn vào máy trạm SCADA cố định.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật phù hợp cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Công trình (hệ thống Cơ Điện MEP). Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

• Quy trình cài đặt thông số và sơ đồ đấu nối cáp mạng chuẩn T568B từ cổng RJ45 của biến tần Mitsubishi FR-D700 sang module RS-485 CM 1241 của PLC S7-1200.
• Cấu trúc các Network lập trình giao tiếp Modbus RTU (khởi tạo, gửi lệnh đọc/ghi, quản lý cờ BUSY, Reset) trong môi trường TIA Portal.
• Phương pháp chuẩn hóa (NORM_X, SCALE_X) tín hiệu điện áp analog từ cảm biến bán dẫn về giá trị kỹ thuật thực tế để điều khiển logic.
• Cách thức xây dựng giao diện điều khiển và giám sát SCADA trên phần mềm WinCC kết nối trực tiếp với CPU S7-1200.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm và biến tần thuộc dòng nào để điều khiển quạt thông gió?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 dòng CPU 1212C DC/DC/DC gắn kèm module truyền thông nối tiếp CM 1241 RS422/485. Biến tần điều khiển quạt là dòng biến tần 1 pha mini Mitsubishi FR-D700 công suất 0,75 kW.

2. Giao thức truyền thông giữa PLC và biến tần được thiết lập như thế nào và sơ đồ chân kết nối ra sao?
Truyền thông giữa PLC và biến tần sử dụng giao thức Modbus RTU trên nền giao tiếp vật lý RS-485 cấu hình bán song công. Kết nối sử dụng cáp mạng T568B cắm vào cổng RJ45 của biến tần FR-D700, trong đó chân 3, 4, 5, 6 được sử dụng cho đường truyền tín hiệu vi sai RS-485, chân 1 và 7 là tiếp địa (GND) nối về terminal số 5, chân 2 và 8 dùng cấp nguồn cho đơn vị tham số.

3. Cảm biến nào được lựa chọn để phát hiện khí trong mô hình và mạch cấp nguồn được thiết kế như thế nào?
Mô hình sử dụng cảm biến bán dẫn MQ-7 (vật liệu SnO2, dải đo từ 10 đến 1000 ppm, hỗ trợ cả ngõ ra analog và digital). Do nguồn điều khiển chính của tủ điện là 24VDC trong khi cảm biến yêu cầu điện áp 5VDC, tác giả sử dụng mạch giảm áp DC-DC LM2596 (Buck Converter) để hạ áp từ 24VDC xuống 5VDC ổn định cấp nguồn cho bo mạch cảm biến.

4. Chương trình điều khiển trong TIA Portal phân chia các chế độ hoạt động như thế nào?
Chương trình được phân tách rõ ràng trên các Network: Network 3 điều khiển chế độ Manual (vận hành thủ công qua nút bấm trên tủ điện hoặc giao diện WinCC); Network 4 điều khiển chế độ Auto (tự động so sánh nồng độ khí từ cảm biến với ngưỡng cài đặt để xuất lệnh tăng giảm tốc độ quạt); Network 5 và các khối chức năng liên quan thực hiện truyền thông Modbus RTU với biến tần; Network 6, 7 và 8 thực hiện chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến (NORM_X, SCALE_X) và chuẩn hóa giá trị tần số điều khiển.

5. Tác giả áp dụng các tiêu chuẩn quốc gia nào để tham chiếu nồng độ an toàn của khí CO và CO2?
Tác giả áp dụng Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7725:2007 (ISO 4224:2000) để xác định ngưỡng phơi nhiễm an toàn của khí CO (ngưỡng tối đa cho phép trong nhà là 9 ppm trong 8 giờ, giới hạn phơi nhiễm ngắn hạn an toàn là 35 ppm trong 1 giờ); đồng thời sử dụng Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 10736-26:2017 để phân loại chất lượng không khí trong nhà dựa trên nồng độ CO2 (từ mức đặc biệt $\le 400$ ppm, mức cao 400 - 600 ppm, trung bình 600 - 1000 ppm đến mức thấp $> 1000$ ppm).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống quan trắc điều khiển nồng độ CO2 cho tầng hầm" của nhóm sinh viên Huỳnh Hoàng Khương và Nguyễn Minh Khoa đã thiết kế và thi công thành công mô hình điều khiển - giám sát thông gió cục bộ sử dụng PLC Siemens S7-1200 kết hợp biến tần Mitsubishi FR-D700 qua truyền thông Modbus RTU. Hệ thống giải quyết tốt bài toán đo đạc tín hiệu nồng độ khí thời gian thực, tự động điều chỉnh tốc độ quạt hút theo ngưỡng cài đặt và trực quan hóa toàn bộ quy trình vận hành trên giao diện WinCC. Mặc dù còn hạn chế về quy mô thử nghiệm mô hình thực nghiệm và chủng loại cảm biến, công trình thể hiện tính ứng dụng kỹ thuật thực tiễn cao và là tài liệu tham khảo chi tiết cho các giải pháp tự động hóa công trình ngầm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề đến lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu và giới hạn đề tài. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GIÓ TRONG TẦNG TÒA NHÀ Trong chương này trình bày về đặc điểm của tầng hầm, vai trò của thông gió tầng hầm cũng như nêu những cơ sở lý thuyết ban đầu về tác hại của các loại khí độc trong tầng hầm đối với con người và các thiết bị nếu vượt ngưỡng tiêu chuẩn quy định. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH Từ những ý tưởng đã đề xuất và quy trình công nghệ tiến hành thiết kế phần cứng và phần mềm cho mô hình quan trắc điều khiển nồng độ khí CO2 cho tầng hầm. − Thiết kế phần cứng: thiết kế tủ điện trên bản vẽ 2D, vẽ sơ đồ đấu dây của mô hình trên phần mềm Autocad electrical.

− Thiết kế phần mềm: lập trình trên PLC S7-1200 bằng phần mềm Tia portal. CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN − Trình bày những kết quả đã đạt được và chưa đạt được của nhóm với đề tài. − Trình bày hướng phát triển của đề tài. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu các tài liệu, sách báo, giáo trình có liên quan, các tài liệu chuyên môn, manual của các linh kiện hãng, cũng như trên các diện đàn mạng Internet.

Giới Hạn đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế mô hình hoạt động của hệ thống giám sát và điều khiển khí CO2 cho tầng hầm. Thiết kế giao diện quản lý một cách đơn giản, thuận tiện và thân thiện cho người dùng. Phần cứng: thực hiện mô hình quạt, tủ điều khiển, thu thập số liệu từ cảm biến và hiện thị trên màn hình. Phần mềm: − Thiết kế và lập trình cho PLC, giao diện điều khiển và giám sát qua màn hình bằng phần mềm TIA Portal.

− Thiết kế giao diện giám sát bằng Wincc. − Vì giới hạn thời gian và thiết bị nên nhóm chỉ có thể tập trung nghiên cứu về điều khiển khí CO2 chứ không đi chuyên sâu vào thông gió tầng hầm. 3 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG GIÓ TRONG TẦNG HẦM TÒA NHÀ 2. Tầng hầm là gì Tầng hầm là khoảng không gian được xây dựng hoàn toàn dưới mặt đất, Khi mà hiện nay các nhà máy được xây dựng và mọc lên liên tục, thì tầng hầm là một biện pháp tốt dùng để tận dụng không gian dưới mặt đất nhằm mục đích lưu trữ, đặt hệ thống kĩ thuật nhằm tận dụng không gian và tiết kiệm chi phí về mặt diện tích.

Để hiểu thêm về tầng hầm thì Hình dưới đây sẽ miêu tả một tầng hầm thường thấy của nhà máy.1 tầng hầm của một nhà máy 2. Thông gió trong tầng hầm là gì Thông gió trong tầng hầm chính là quá trình tạo ra sự luân chuyển và trao đổi giữa các dòng không khí giữa bên trong và bên ngoài, hoặc giữa các tầng khác nhau bên trong tầng hầm. Vì đặc điểm của tầng hầm thường rất ngột ngạt , thiếu sự lưu thông không khí tự nhiên và thiếu ánh sáng tự nhiên nên mục đích của việc này là giảm tải các chất độc hại như khí CO2, CO, đảm bảo cung cấp đủ oxy cho con người và tạo sự thông thoáng cho 4 không gian làm việc dưới mặt đất. Hiện nay việc lắp đặt hệ thống thông gió cho tầng hầm đã trở thành yêu cầu bắt buộc trong hầu hết các công trình xây dựng, từ nhà máy, xí nghiệp đến các khu công nghiệp, văn phòng chung cư.