Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống cung cấp nước sạch đô thị và công nghiệp, các trạm bơm cấp II thường chịu sự biến động liên tục về áp lực và lưu lượng theo từng khung giờ trong ngày dựa trên nhu cầu phụ tải của người sử dụng. Theo khảo sát thực tế được tác giả nêu trong văn bản, chi phí tiêu thụ điện năng của hệ thống máy bơm chiếm tỷ trọng rất lớn, dao động từ 30% đến 35% giá thành sản xuất nước. Trước đây, các trạm bơm thường áp dụng ba giải pháp truyền thống để điều tiết lưu lượng và áp suất trên đường ống:

  • Tiết lưu bằng cách điều chỉnh độ mở hoặc khép van trên đường ống đẩy của máy bơm.
  • Đóng cắt số lượng máy bơm hoạt động đồng thời theo phương thức đóng/ngắt trực tiếp.
  • Thay đổi tốc độ quay của trục bơm thông qua bộ khớp nối thủy lực.

Các phương pháp vận hành cơ học này bộc lộ nhiều điểm hạn chế kỹ thuật: không mang lại hiệu quả tiết kiệm điện năng tiêu thụ, tạo ra xung áp lực và chấn động cơ học lớn khi đóng mở van làm tăng nguy cơ nứt vỡ đường ống hoặc hỏng hóc thiết bị, đồng thời chế độ cấp nước không bám sát được biểu đồ tiêu thụ thực tế trên mạng lưới. Việc ứng dụng công nghệ biến tần nhằm điều khiển tốc độ động cơ máy bơm được xem là giải pháp tối ưu giúp hệ số tiêu hao năng lượng giảm xuống, rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư và hạ thấp chi phí bảo trì, vận hành.

Từ bối cảnh đó, đề tài xác định mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về quy trình vận hành và nguyên tắc điều khiển lưu lượng của hệ thống bơm cấp nước trong thực tế.
  2. Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật, thông số và phương pháp cài đặt của dòng biến tần được lựa chọn.
  3. Lựa chọn thiết bị biến tần và động cơ bơm có dải công suất phù hợp với quy mô nghiên cứu.
  4. Nghiên cứu phương thức ghép nối, truyền thông và điều khiển giữa bộ điều khiển lập trình PLC và biến tần.
  5. Xây dựng thuật toán và lập trình điều khiển trên phần mềm của PLC.
  6. Thiết kế giao diện giám sát, thu thập dữ liệu và vận hành hệ thống thông qua phần mềm WinCC/WinCC Flexible.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu, do các hệ thống cấp nước ngoài thực tế sử dụng các tổ máy bơm ba pha công suất lớn, trọng lượng nặng và chi phí chế tạo hoàn chỉnh vượt quá điều kiện kinh tế của đề tài, nhóm tác giả giới hạn phạm vi nghiên cứu ở việc thiết kế, chế tạo một mô hình thực nghiệm thu nhỏ mang tính chất mô phỏng quy trình cấp nước. Mô hình sử dụng biến tần công suất nhỏ, động cơ bơm xoay chiều điện áp định mức 220V, tích hợp cảm biến đo lưu lượng nước đầu vào - đầu ra và truyền tín hiệu về bộ điều khiển trung tâm để kiểm soát lưu lượng trên đường ống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết tự động hóa truyền động điện và phương pháp thực nghiệm thiết kế mô hình vật lý. Cơ sở lý luận của hệ thống dựa trên nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều bằng cách biến đổi tần số nguồn cấp thông qua thiết bị biến tần. Bộ biến tần nhận điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha, chuyển đổi thành điện áp một chiều trung gian qua cầu chỉnh lưu, san phẳng bằng tụ lọc và nghịch lưu thành điện áp xoay chiều có tần số thay đổi cấp cho động cơ nhờ hệ transistor lưỡng cực có cổng cách ly (IGBT) hoạt động theo phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

Khung thiết bị và công nghệ được tác giả sử dụng bao gồm:

  • Bộ điều khiển khả trình PLC S7-200 (CPU 226 và CPU 224) của hãng Siemens: Thực hiện chức năng thu thập tín hiệu số, xử lý tín hiệu tương tự, điều khiển logic và thực thi thuật toán điều tốc. PLC tích hợp khối đếm xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC) với 12 chế độ hoạt động khác nhau, tần số đếm xung tối đa đạt 30 kHz độc lập với chu kỳ quét của CPU.
  • Module mở rộng tín hiệu tương tự EM235: Đảm nhiệm chức năng chuyển đổi A/D và D/A. Module hỗ trợ ngõ vào tương tự dạng đơn cực (tầm đo 0 đến 32000, độ phân giải 12 bit) hoặc lưỡng cực (-32000 đến 32000, 11 bit kèm 1 bit dấu) với trở kháng vào lớn hơn 10 MΩ, sai số cực đại 2% toàn thang đo; ngõ ra tương tự xuất điện áp từ -10V đến +10V (tải tối thiểu 5000 Ω) hoặc dòng điện từ 0 đến 20 mA (tải tối thiểu 500 Ω).
  • Thiết bị biến tần Mitsubishi FR-E720: Thiết bị điều khiển tốc độ động cơ hỗ trợ thuật toán điều khiển vector, điều khiển vòng kín PID, điều khiển đa cấp tốc độ và điều khiển thông qua tín hiệu tương tự 0 - 5V, 0 - 10V hoặc 4 - 20 mA.
  • Cảm biến lưu lượng dòng chảy dạng cánh quạt Hall S-201: Hoạt động trong dải điện áp 5 - 24V DC, dòng tiêu thụ dưới 10 mA, áp lực chịu đựng tối đa 1.75 MPa, dải đo lưu lượng từ 1 đến 30 L/phút, giới hạn nhiệt độ dưới 120°C. Cảm biến cung cấp tín hiệu xung với đặc tính kỹ thuật 1 Lít nước tương ứng với 450 xung đưa về bộ đếm HSC của PLC.
  • Phần mềm lập trình và giao diện SCADA: Phần mềm Step 7 Micro/WIN dùng để biên soạn chương trình điều khiển cho PLC; phần mềm WinCC và WinCC Flexible của Siemens dùng để thiết kế giao diện vận hành HMI/SCADA, kết nối truyền thông thông qua giao thức PPI/MPI và phần mềm trung gian PC-Access.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tầng, bao gồm tầng điều khiển cục bộ tại tủ điện công nghiệp và tầng giám sát trung tâm trên máy tính cá nhân (PC). Toàn bộ thiết bị điều khiển logic, thiết bị chuyển mạch đóng cắt và biến tần được lắp đặt đồng bộ bên trong tủ điện điều khiển.

Nhóm thiết bị Tên thiết bị / Model Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển logic Siemens S7-200 CPU 226 / CPU 224 Ngõ vào/ra số tích hợp, bộ đếm HSC tối đa 30 kHz Xử lý thuật toán điều khiển, tính toán lưu lượng, phát lệnh biến tần
Module tương tự Siemens EM235 4 Analog Input (A/D), 1 Analog Output (D/A) Xuất điện áp analog 0 - 5V tương ứng dải tần số 0 - 50 Hz điều khiển biến tần
Thiết bị biến tần Mitsubishi FR-E720 Nguồn vào 200 - 240V 1AC, 0.2 kW, ngõ ra 0.2 - 400 Hz Nhận lệnh analog từ EM235 để biến đổi tần số, điều chỉnh tốc độ bơm
Đo lưu lượng Cảm biến Hall S-201 Nguồn 5 - 24V DC, chịu áp 1.75 MPa, 1 - 30 L/phút Phát xung đo lưu lượng đầu vào (HSC0) và lưu lượng đầu ra (HSC1)
Động cơ bơm Bơm nước xoay chiều Điện áp định mức 220V AC, công suất biến thiên 0 - 100% Bơm nước tuần hoàn qua đường ống kín của mô hình
Chuyển mạch tải Rơle trung gian Omron Cuộn hút 24V DC, tiếp điểm 220V AC Cách ly mạch điều khiển 24V DC với lưới tải động lực 220V AC
Nguồn cấp Bộ nguồn một chiều Điện áp vào 220V AC, ngõ ra +24V DC và 0V DC Cung cấp nguồn nuôi cho cảm biến lưu lượng, rơle và ngõ vào PLC

Để hệ thống vận hành chính xác, các đầu mối tín hiệu phần cứng và biến số giám sát phần mềm được gán địa chỉ vào/ra cụ thể:

Tên đại lượng Ký hiệu địa chỉ Chức năng trong chương trình
Nút nhấn Start phần cứng I1.5 Khởi động hệ thống bằng tay tại tủ điện
Nút nhấn Stop phần cứng I1.6 Dừng hệ thống bằng tay tại tủ điện
Nút nhấn Start phần mềm M2.1 Lệnh khởi động hệ thống từ giao diện WinCC
Nút nhấn Stop phần mềm M2.2 Lệnh dừng hệ thống từ giao diện WinCC
Đặt tần số vận hành VD100 Vùng nhớ lưu giá trị tần số cài đặt cho máy bơm (0 - 50 Hz)
Ngõ ra bơm Q0.0 Kích hoạt khởi động động cơ máy bơm
Ngõ ra tương tự AQW0 Xuất tín hiệu điện áp analog (0 - 5V) điều khiển biến tần
Tổng lưu lượng đo được VD8 Vùng nhớ lưu tổng thể tích nước đã bơm qua hệ thống
Lưu lượng đầu vào VD12 Lưu lượng dòng chảy tức thời đo được tại đầu vào đường ống
Lưu lượng đầu ra VD120 Lưu lượng dòng chảy tức thời đo được tại đầu ra đường ống

Chương trình điều khiển trên Step 7 Micro/WIN được cấu trúc thành chương trình chính (Main - OB1), hai chương trình con cấu hình bộ đếm xung (HSC0, HSC1) và một chương trình ngắt thời gian. Nguyên lý thực thi của chương trình chính gồm 7 Network chức năng:

  • Network 1: Tiếp nhận tín hiệu khởi động từ nút nhấn cứng I1.5 hoặc biến nội M2.1 trên WinCC để duy trì hoạt động cho hệ thống qua cờ trung gian M2.6, đồng thời dừng hệ thống khi nhận tín hiệu từ I1.6 hoặc M2.2.
  • Network 2: Tiếp nhận dữ liệu số xung từ hai bộ đếm tốc độ cao HC0 và HC1, xử lý phép tính chuyển đổi giá trị xung sang lưu lượng thực tế và lưu trữ vào vùng nhớ VD12 và VD120.
  • Network 3: Khởi chạy bộ định thời Timer T32 làm mốc thời gian lấy mẫu chu kỳ ngắt.
  • Network 4: Gọi thực thi hai chương trình con cấu hình bộ đếm HSC0 và HSC1.
  • Network 5: Nạp giá trị 0 vào vùng nhớ VD16 phục vụ thao tác xóa và thiết lập lại (reset) giá trị tổng lưu lượng tích lũy.
  • Network 6: Thực hiện thuật toán chuyển đổi thang đo (Scale) giá trị tần số cài đặt đầu vào (0 - 50 Hz) thành dải giá trị số tương ứng để xuất ra cổng analog AQW0 (tín hiệu 0 - 5V), tương thích với dải điều khiển tốc độ 0 - 50 Hz của biến tần Mitsubishi FR-E720.
  • Network 7: Thực hiện các phép tính nhân lưu lượng nước đo được với đơn giá định mức do người dùng nhập vào để hiển thị chi phí tiền nước trực tiếp trên màn hình.

Đối với hai chương trình con đếm xung: Chương trình con HSC0 nạp byte điều khiển vào thanh ghi SMB37, gán giá trị hiện tại (CV) vào SMD38 và giá trị đặt trước (PV) vào SMD42, kích hoạt bộ đếm HC0 ở chế độ Mode 1, liên kết ngắt sự kiện ngắt thời gian EVNT 21 (tạo bởi Timer T32) và cho phép ngắt toàn cục bằng lệnh ENI. Tương tự, chương trình con HSC1 cấu hình thanh ghi SMB47, gán CV vào SMD48, PV vào SMD52, thiết lập bộ đếm HC1 ở Mode 1 và gán ngắt sự kiện thời gian để đọc đồng thời lưu lượng đầu ra.

Kết nối truyền thông giữa máy tính giám sát và PLC được thực hiện qua cáp chuyển đổi USB sang RS485 (hỗ trợ chuẩn PPI hoặc MPI). Cấu hình trên phần mềm Step 7 Micro/WIN được thiết lập tại bảng Set PG/PC Interface, xác định cổng truyền thông COM hoặc USB, thiết lập địa chỉ trạm PLC, thời gian chờ bẹp truyền (timeout), tốc độ truyền dữ liệu (baud rate) và giới hạn trạm cao nhất (Highest station address). Tại giao diện WinCC Flexible, dự án được khởi tạo ở chế độ WinCC Flexible Runtime trên máy tính, sử dụng các thẻ biến (Tags) liên kết với PLC thông qua OPC Server PC-Access để hiển thị trạng thái bơm, đèn báo hiệu, trường nhập/xuất dữ liệu (I/O field) cho tần số và đồ thị lưu lượng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điều khiển lưu lượng đầu - cuối

Chương này tập trung phân tích bài toán cấp nước thực tế tại các trạm bơm, chỉ rõ sự biến động liên tục của áp lực và nhu cầu tiêu thụ nước theo giờ. Văn bản trình bày ba phương pháp điều khiển lưu lượng truyền thống (khép van xả, đóng cắt cơ học số lượng bơm, khớp nối thủy lực) và chỉ ra các khuyết điểm về tiêu tốn điện năng, gây sốc áp lực đường ống. Tác giả giới thiệu giải pháp dùng biến tần để thay đổi tần số dòng điện cung cấp cho động cơ.

Nội dung chương nêu chi tiết ba phương thức điều khiển tổ hợp máy bơm:

  • Điều khiển theo mực nước: PLC so sánh tín hiệu mức nước hồi tiếp từ bể hút với giá trị đặt để điều khiển đóng/mở số lượng bơm phù hợp.
  • Điều khiển theo hình thức chủ động - thụ động: Mỗi máy bơm gắn một biến tần, biến tần chủ động tiếp nhận tín hiệu hồi tiếp và điều phối các biến tần thụ động thay đổi tốc độ để triệt tiêu hiện tượng đập thủy lực.
  • Điều khiển theo hình thức một biến tần kết hợp khởi động mềm: Biến tần điều khiển duy nhất một máy bơm chính nhằm tinh chỉnh tốc độ; các bơm phụ còn lại được đóng cắt qua bộ khởi động mềm khi nhu cầu áp suất mạng lưới vượt quá công suất định mức của bơm chính. Khi áp suất đường ống tăng cao quá ngưỡng, PLC lần lượt ngắt các bơm phụ và ra lệnh cho biến tần hạ tần số của bơm chính về mức an toàn.

Bên cạnh đó, chương 1 tổng hợp các ưu điểm khi áp dụng biến tần: hạn chế dòng khởi động, dải công suất hỗ trợ từ 1.1 kW đến 400 kW, tích hợp chức năng bảo vệ ngắn mạch, mất pha, lệch pha, quá tải, quá nhiệt và hiển thị thông số trực tiếp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thiết bị điều khiển

Chương 2 trình bày cấu tạo, nguyên lý vận hành và thông số kỹ thuật của từng phần cứng sử dụng trong mô hình:

  • Bộ điều khiển lập trình Siemens S7-200: Khái quát cấu trúc CPU dòng 22x, cấu trúc bộ nhớ, các khối chương trình (OB, SBR, INT, Data block, System block), ưu điểm về độ tin cậy công nghiệp và nhược điểm về giá thành cao ở quy mô mạch nhỏ. Trình bày chi tiết cơ chế bộ đếm tốc độ cao HSC với 12 chế độ, tần số đếm xung tối đa 30 kHz và cấu hình các byte trạng thái, byte điều khiển.
  • Biến tần Mitsubishi FR-E720: Phân tích nguyên lý chỉnh lưu xoay chiều thành một chiều trung gian và nghịch lưu PWM qua khối IGBT. Đưa ra bảng thông số kỹ thuật chi tiết: điện áp cấp 200 - 240V 1 pha ±10%, công suất 0.2 kW, tần số ra 0.2 - 400 Hz, hiệu suất 96 - 97%, khả năng chịu quá tải 150% trong 60 giây và 200% trong 3 giây, dải nhiệt độ môi trường từ -10°C đến +50°C, kích thước vỏ cỡ A (73 x 173 x 149 mm), trọng lượng 1.5 kg. Đi kèm là sơ đồ nguyên lý đấu dây các ngõ vào số lập trình được, ngõ vào tương tự (0 - 10V, 0 - 5V, 4 - 20 mA), ngõ ra rơle và các tham số cài đặt của biến tần.
  • Cảm biến lưu lượng S-201: Nêu nguyên lý phát xung tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy (1 Lít = 450 xung), giới hạn đo 1 - 30 L/phút, áp lực 1.75 MPa.
  • Thiết bị phụ trợ: Phân tích sơ đồ khối bộ nguồn một chiều ổn áp (chỉnh lưu, lọc, ổn áp) cấp nguồn 24V DC; động cơ bơm nước xoay chiều điện áp 220V; rơle điện từ Omron làm nhiệm vụ cách ly và đệm tín hiệu điều khiển; module analog EM235 xử lý tín hiệu A/D và D/A. Kết thúc chương là sơ đồ bố trí không gian thực tế của các thiết bị trên mặt gá tủ điện.

Chương 3: Mô hình điều khiển thực tế

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tích hợp hệ thống thực nghiệm:

  • Mô hình kết nối thiết bị: Thể hiện sự liên kết giữa máy tính, cáp truyền thông, PLC S7-200, module EM235, biến tần FR-E720, cảm biến lưu lượng S-201 và động cơ bơm.
  • Bảng quy hoạch địa chỉ vào/ra: Phân định rõ ràng chức năng các ngõ vào/ra số và vùng nhớ dữ liệu lưu trữ giá trị tần số, lưu lượng và cờ trạng thái.
  • Thuật toán và chương trình điều khiển: Trình bày lưu đồ thuật toán điều khiển và thuyết minh chi tiết chức năng của từng Network từ 1 đến 7 trong chương trình chính, cấu hình thanh ghi điều khiển cho hai chương trình con đếm xung HSC0 và HSC1.
  • Truyền thông và SCADA: Trình bày từng bước cấu hình truyền thông trên máy tính qua phần mềm Step 7 Micro/WIN (cửa sổ Set PG/PC Interface, kiểm tra địa chỉ và tốc độ truyền). Trình bày tổng quan kiến trúc phần mềm WinCC (các gói WinCC Runtime Package, WinCC Complete Package, khái niệm Powertags, kết nối cơ sở dữ liệu ODBC/SQL, các giao thức OPC, DDE). Cuối cùng là quy trình khởi tạo dự án trên WinCC Flexible Runtime, gán các trường I/O field, nút nhấn vận hành và đèn hiển thị trạng thái trên giao diện đồ họa.

Chương 4: Kết luận

Chương 4 đưa ra những nhận định đánh giá sau quá trình triển khai mô hình:

  • Nhận xét chung: Đánh giá khả năng hoạt động đồng bộ của mô hình thực nghiệm giữa phần cứng (PLC, biến tần, bơm, cảm biến) và phần mềm (Step 7 Micro/WIN, WinCC Flexible).
  • Ưu điểm và khuyết điểm: Khái quát sự ổn định, khả năng mô phỏng trực quan dòng chảy và tính toán lưu lượng tức thời; chỉ rõ những điểm hạn chế do phải sử dụng mô hình thu nhỏ với công suất nhỏ thay vì hệ thống ba pha công nghiệp thực tế.
  • Hướng phát triển đề tài: Đề xuất khả năng mở rộng thuật toán điều khiển và ứng dụng công nghệ biến tần - PLC cho các lĩnh vực công nghiệp khác như hệ thống ổn định nhiệt độ lò nhiệt hoặc hệ thống thông gió, điều hòa không khí trung tâm.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã thiết kế, lắp ráp và lập trình hoàn chỉnh một mô hình thực nghiệm điều khiển lưu lượng nước tuần hoàn khép kín. Các kết quả cụ thể ghi nhận trong văn bản bao gồm:

  • Xây dựng thành công tủ điện điều khiển công nghiệp tích hợp hoàn chỉnh PLC Siemens S7-200 (kèm module EM235), biến tần Mitsubishi FR-E720 (công suất 0.2 kW), rơle Omron 24V DC và bộ nguồn một chiều.
  • Đo đạc chính xác lưu lượng nước trên đường ống thông qua việc khai thác khối đếm xung tốc độ cao HSC (HSC0 và HSC1) ở Mode 1 kết hợp ngắt thời gian Timer T32. Tín hiệu xung từ cảm biến S-201 được giải mã và chuyển đổi theo hệ số chuẩn 450 xung/Lít, lưu trữ trực tiếp vào các ô nhớ thực VD12 (lưu lượng đầu vào), VD120 (lưu lượng đầu ra) và tích lũy vào ô nhớ VD8 (tổng lưu lượng).
  • Thiết lập tuyến tính hóa giải thuật điều khiển tốc độ: Chuyển đổi dải tần số cài đặt 0 - 50 Hz từ vùng nhớ VD100 sang ngõ ra analog AQW0 với mức áp 0 - 5V, cấp vào ngõ nhận tín hiệu tương tự của biến tần FR-E720 để điều khiển động cơ bơm xoay chiều 220V chạy bám sát tần số mong muốn.
  • Tích hợp giao diện giám sát và điều khiển SCADA trên máy tính thông qua phần mềm WinCC Flexible: Cho phép người vận hành ấn nút Start/Stop ảo (M2.1, M2.2), nhập tần số trực tiếp, theo dõi lưu lượng tức thời đầu vào - đầu ra, giám sát tổng khối lượng nước đã bơm và tính toán chi phí tiêu thụ nước tự động.
  • Đóng góp thực tiễn của đồ án là chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển mềm tốc độ máy bơm bằng biến tần thay cho van cơ học, tạo tiền đề kỹ thuật cho việc chuyển đổi số và tự động hóa các trạm bơm cấp nước sinh hoạt, xử lý triệt để hiện tượng xung áp và giảm thiểu điện năng tiêu thụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù hoàn thành các mục tiêu mô phỏng cơ bản, đồ án vẫn tồn tại một số điểm hạn chế kỹ thuật được tác giả chỉ rõ do giới hạn về kinh phí, kiến thức và thời gian thực hiện:

  • Hệ thống chỉ dừng lại ở quy mô mô hình mô phỏng dạy học với kích thước nhỏ, sử dụng động cơ bơm một pha điện áp 220V công suất nhỏ thay vì máy bơm công nghiệp không đồng bộ ba pha công suất lớn (dải 1.1 - 400 kW) như trong thực tế.
  • Tín hiệu phản hồi hồi tiếp trong mô hình một phần còn mang tính chất giả lập; chưa xây dựng được vòng điều khiển kín phản hồi áp suất bằng thuật toán PID độc lập để tự động duy trì áp suất đường ống khi có sự thay đổi đột ngột về tải tiêu thụ ở các van đầu cuối.

Về hướng phát triển tiếp theo, tác giả đề xuất mở rộng ứng dụng nguyên lý điều khiển vòng kín và truyền thông công nghiệp của hệ thống PLC - biến tần sang các lĩnh vực tương đồng trong kỹ thuật công trình, cụ thể là:

  • Phát triển hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ cho các lò nhiệt công nghiệp.
  • Ứng dụng điều tốc quạt gió và máy nén trong các hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC).
  • Nâng cấp mạng truyền thông kết nối sang các chuẩn công nghiệp tốc độ cao như Profibus-DP, CC-Link hoặc DeviceNet đã được tích hợp sẵn trên các module mở rộng của biến tần Mitsubishi FR-E720.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện công nghiệp, Tự động hóa và Cơ điện tử đang thực hiện các đồ án chuyên ngành, đồ án tốt nghiệp hoặc thiết kế mô hình thực nghiệm điều khiển truyền động.

Những nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong văn bản gồm:

  • Quy trình cài đặt phần cứng và lập trình khối đếm xung tốc độ cao HSC (High Speed Counter) trên dòng PLC Siemens S7-200 để đọc xung từ cảm biến lưu lượng dòng chảy dạng Hall.
  • Phương pháp cấu hình và xuất tín hiệu tương tự (Analog Output) từ module EM235 nhằm phối ghép điều tốc với ngõ vào analog của biến tần Mitsubishi FR-E720.
  • Các bước thiết lập truyền thông giữa PLC S7-200 và phần mềm WinCC / WinCC Flexible thông qua phần mềm định tuyến PC-Access và cáp chuyển đổi RS485.
  • Cấu trúc chương trình bậc thang (Ladder Diagram) chuẩn cho việc scale giá trị dữ liệu và tính toán kinh tế trực tiếp trên bộ nhớ PLC.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống trong đồ án quy đổi tín hiệu xung từ cảm biến lưu lượng S-201 thành lưu lượng nước như thế nào? Cảm biến lưu lượng dòng chảy S-201 hoạt động theo nguyên lý cảm ứng Hall, tạo ra 450 xung điện khi có 1 Lít nước đi qua ($1\text{ L} = 450\text{ xung}$, công thức tính $Q = F / 7.4$). Tín hiệu xung này được đưa trực tiếp vào ngõ vào xung tốc độ cao của PLC S7-200. PLC sử dụng hai bộ đếm tốc độ cao HSC0 và HSC1 được cấu hình ở Mode 1, phối hợp với ngắt thời gian chu kỳ từ Timer T32 để đếm số xung phát ra theo đơn vị thời gian, từ đó tính toán ra lưu lượng tức thời đầu vào (lưu vào biến thực VD12), lưu lượng đầu ra (lưu vào VD120) và tích lũy vào tổng lưu lượng (VD8).

Cách thức PLC S7-200 điều khiển tốc độ của biến tần Mitsubishi FR-E720 trong mô hình là gì? Người vận hành nhập giá trị tần số mong muốn trong dải 0 - 50 Hz vào ô nhớ VD100 (từ giao diện WinCC Flexible). Tại Network 6 của chương trình chính, PLC thực hiện thuật toán Scale tuyến tính để biến đổi giá trị số này thành tín hiệu điều khiển tương tự, xuất qua cổng ngõ ra analog AQW0 của module mở rộng EM235 với mức điện áp tương ứng 0 - 5V DC. Tín hiệu điện áp này được đấu nối vào chân ngõ vào analog của biến tần Mitsubishi FR-E720, từ đó biến tần tự động điều chỉnh tần số ngõ ra từ 0 đến 50 Hz cấp cho động cơ máy bơm.

Theo phân tích của đồ án, vì sao phương pháp dùng biến tần điều khiển lưu lượng lại ưu việt hơn phương pháp khép van truyền thống? Phương pháp khép van trên đường ống đẩy giữ cho động cơ bơm luôn chạy ở tốc độ định mức tối đa, gây lãng phí năng lượng điện lớn khi nhu cầu dùng nước giảm (điện năng bơm chiếm 30 - 35% giá thành nước). Thêm vào đó, việc siết van gây áp lực cục bộ tăng cao và chấn động cơ học mạnh làm hư hỏng thiết bị và vỡ ống. Sử dụng biến tần cho phép điều chỉnh tần số để giảm tốc độ quay của động cơ đúng bằng nhu cầu thực tế, giảm dòng khởi động, bảo vệ động cơ trước các sự cố quá tải, ngắn mạch, lệch pha và giảm thiểu tối đa điện năng tiêu thụ.

Phương thức điều khiển trạm bơm bằng một biến tần kết hợp khởi động mềm hoạt động theo nguyên lý nào? Đây là một trong ba phương thức điều khiển tổ hợp bơm được đề cập trong chương 1. Hệ thống chỉ sử dụng một biến tần để điều khiển tốc độ một máy bơm chính; các máy bơm phụ còn lại được đóng/cắt thông qua thiết bị khởi động mềm. Khi bơm chính chạy hết công suất định mức mà áp suất trên đường ống vẫn chưa đạt giá trị đặt, PLC sẽ ra lệnh kích hoạt các bơm phụ chạy khởi động mềm hòa vào mạng lưới. Ngược lại, khi áp suất mạng lưới dư thừa, PLC sẽ lần lượt ngắt các bơm phụ; nếu áp suất vẫn còn cao, biến tần sẽ tự động giảm dần tần số của bơm chính để đưa áp suất đường ống về mức an toàn.

Để giám sát hệ thống trên máy tính, đồ án sử dụng cấu hình phần mềm và giao thức truyền thông gì? Hệ thống sử dụng phần mềm giám sát WinCC Flexible Runtime chạy trên hệ điều hành Windows của máy tính. Việc liên kết dữ liệu giữa WinCC Flexible và PLC S7-200 được thực hiện qua cáp chuyển đổi USB sang RS485 thông qua giao thức PPI (Point-to-Point Interface). Trên máy tính, người lập trình cấu hình cổng truyền thông trong công cụ Set PG/PC Interface, sau đó sử dụng phần mềm trung gian PC-Access đóng vai trò là một OPC Server để đọc/ghi các vùng nhớ I/O và biến nội (M2.1, M2.2, VD100, VD8, VD12, VD120) của PLC lên màn hình giám sát.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển lưu lượng đầu - cuối" của sinh viên Nguyễn Ngọc Minh và Nguyễn Ngọc Thạch (ngành Điện - Điện tử, Đại học Công nghệ TP. HCM) đã xây dựng thành công mô hình thực nghiệm ứng dụng PLC Siemens S7-200, module EM235 và biến tần Mitsubishi FR-E720 nhằm kiểm soát tốc độ bơm và đo đạc lưu lượng đường ống. Nghiên cứu khai thác hiệu quả các tính năng phần cứng chuyên sâu như bộ đếm xung tốc độ cao HSC và xuất tín hiệu tương tự, đồng thời tích hợp hệ thống giám sát SCADA trực quan qua WinCC Flexible. Đây là công trình thực nghiệm hoàn chỉnh, có tính ứng dụng kỹ thuật rõ ràng và là tài liệu tham khảo giá trị cho các bài toán điều khiển truyền động công nghiệp và tự động hóa mạng lưới cấp nước.