Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa ngày càng phát triển, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào quản lý và vận hành các hệ thống công nghiệp trở nên thiết yếu. Theo ước tính, Việt Nam có nguồn tài nguyên nước phong phú với tổng lượng nước trung bình năm khoảng 830 tỷ m³, trong đó 63% là nước chảy từ các quốc gia láng giềng. Tuy nhiên, việc phân bố nước không đều và chất lượng nước ngày càng suy giảm đặt ra nhiều thách thức trong sản xuất và cung cấp nước sạch. Công ty Cổ phần Nước sạch Thái Nguyên, với hơn 60.000 hộ dân được phục vụ, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước sạch cho tỉnh Thái Nguyên và các vùng lân cận.

Luận văn tập trung nghiên cứu hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống điện trong Công ty Cổ phần Nước sạch Thái Nguyên nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành nhà máy nước sạch Tích Lương. Mục tiêu cụ thể là phát triển hệ thống SCADA để giám sát và điều khiển tự động các thiết bị điện, từ nguồn nước thô đến sản phẩm nước sạch, đảm bảo chất lượng nước đạt tiêu chuẩn 01:2009/BYT của Bộ Y tế với chi phí vận hành tối ưu. Nghiên cứu có phạm vi thực hiện tại nhà máy nước Tích Lương, tỉnh Thái Nguyên, trong giai đoạn 2018-2019, với ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng lực quản lý sản xuất nước sạch, góp phần phát triển kinh tế xã hội địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển tự động và mô hình hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Lý thuyết điều khiển tự động cung cấp cơ sở cho việc thiết kế các thuật toán điều khiển, đặc biệt là thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) được ứng dụng trong PLC để điều chỉnh các thông số vận hành. Mô hình SCADA được sử dụng để giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị điện, thu thập dữ liệu và xử lý thông tin theo thời gian thực.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: PLC (Programmable Logic Controller), biến tần, cảm biến áp suất, HMI (Human Machine Interface), và thuật toán điều khiển PID. PLC S7-200 của Siemens được lựa chọn làm thiết bị điều khiển trung tâm với khả năng mở rộng linh hoạt, dung lượng bộ nhớ lớn và hỗ trợ nhiều phương pháp lập trình như Ladder, STL và FBD. Thuật toán PID được tích hợp trong PLC giúp điều chỉnh chính xác các thông số vận hành như áp suất, lưu lượng và mức nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ thực tế vận hành tại nhà máy nước Tích Lương, bao gồm các thông số kỹ thuật của thiết bị, số liệu chất lượng nước thô và nước sạch, cũng như các sự cố kỹ thuật và biện pháp khắc phục. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hơn 60.000 hộ dân sử dụng nước sạch do công ty cung cấp, cùng với dữ liệu vận hành của hệ thống điện và thiết bị điều khiển.

Phương pháp phân tích bao gồm khảo sát thực địa, phân tích số liệu kỹ thuật, mô phỏng và thiết kế hệ thống điều khiển SCADA. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1/2018 đến tháng 12/2019. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm lập trình PLC STEP7-Micro/WIN32 và phần mềm giám sát WinCC, kết hợp với các công cụ thống kê để đánh giá hiệu quả vận hành và độ tin cậy của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý nước tại nhà máy Tích Lương: Nước thô lấy từ Hồ Núi Cốc có độ đục dao động từ 2,31 đến 85,4 NTU. Sau xử lý, nước sạch đạt tiêu chuẩn 01:2009/BYT với độ đục dưới 1 NTU, đảm bảo an toàn cho hơn 60.000 hộ dân, chiếm 78% dân số thành phố Thái Nguyên. Công suất thực tế đạt khoảng 27.000 m³/ngày, tương đương 90% công suất thiết kế 30.000 m³/ngày.

  2. Ứng dụng PLC S7-200 và thuật toán PID: Việc sử dụng PLC S7-200 CPU 224 với 14 cổng vào và 10 cổng ra, kết hợp thuật toán PID, giúp điều khiển chính xác các thiết bị như bơm, van và biến tần. Hệ thống điều khiển tự động giảm thiểu sự cố vận hành, tăng độ ổn định và tiết kiệm năng lượng khoảng 15% so với vận hành thủ công.

  3. Hệ thống giám sát SCADA: Thiết kế hệ thống SCADA với giao diện HMI Weintek và phần mềm WinCC cho phép giám sát trực tuyến các thông số như áp suất, lưu lượng, mức nước và trạng thái thiết bị. Tỷ lệ thất thoát nước được kiểm soát ở mức 15% tại nhà máy Đại Từ, giảm từ 40% trước khi áp dụng hệ thống điều khiển tự động.

  4. Khắc phục sự cố kỹ thuật: Các sự cố điện và điều khiển như mất nguồn, lỗi phần mềm PLC, và rò rỉ clo được phát hiện và xử lý kịp thời nhờ hệ thống giám sát. Tỷ lệ thời gian hoạt động liên tục của hệ thống đạt trên 95%, nâng cao độ tin cậy cung cấp nước sạch.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng hệ thống giám sát và điều khiển tự động dựa trên PLC và SCADA đã nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy nước sạch. Việc giảm tỷ lệ thất thoát nước và tiết kiệm năng lượng góp phần giảm chi phí vận hành, đồng thời đảm bảo chất lượng nước đầu ra ổn định. So với các nghiên cứu trong ngành cấp nước tại các tỉnh khác, hệ thống tại Thái Nguyên có tính ổn định và khả năng mở rộng cao hơn nhờ sử dụng công nghệ biến tần và thuật toán PID.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ thất thoát nước trước và sau khi áp dụng hệ thống điều khiển, cũng như bảng thống kê các sự cố kỹ thuật và thời gian khắc phục. Ngoài ra, biểu đồ thể hiện mức tiêu thụ điện năng hàng tháng cũng minh họa hiệu quả tiết kiệm năng lượng của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng ứng dụng hệ thống SCADA: Đề nghị công ty tiếp tục mở rộng hệ thống giám sát và điều khiển tự động sang các nhà máy nước khác trong tỉnh nhằm đồng bộ hóa quản lý và nâng cao hiệu quả vận hành. Thời gian thực hiện dự kiến trong 2 năm tới.

  2. Nâng cấp thiết bị PLC và biến tần: Khuyến nghị đầu tư nâng cấp các thiết bị PLC lên các dòng mới có khả năng xử lý nhanh hơn và tích hợp nhiều tính năng hơn, đồng thời thay thế biến tần cũ để tăng hiệu suất tiết kiệm điện. Chủ thể thực hiện là phòng kỹ thuật công ty, với kế hoạch trong vòng 12 tháng.

  3. Đào tạo nhân sự vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình PLC, vận hành SCADA và xử lý sự cố kỹ thuật cho đội ngũ kỹ thuật viên nhằm nâng cao năng lực quản lý và vận hành hệ thống. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm.

  4. Tăng cường bảo trì và giám sát định kỳ: Thiết lập quy trình bảo trì, kiểm tra định kỳ hệ thống điện và thiết bị điều khiển nhằm phát hiện sớm và xử lý kịp thời các sự cố, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Chủ thể thực hiện là bộ phận bảo trì, với lịch trình bảo trì hàng tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư trong ngành cấp nước: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về ứng dụng hệ thống SCADA và PLC trong quản lý nhà máy nước sạch, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu thất thoát.

  2. Sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật điện và tự động hóa: Tài liệu chi tiết về cấu trúc PLC, thuật toán PID và thiết kế hệ thống giám sát giúp học viên hiểu rõ hơn về ứng dụng công nghệ trong công nghiệp.

  3. Các công ty cung cấp thiết bị và giải pháp tự động hóa: Thông tin về yêu cầu kỹ thuật và thực tế vận hành tại nhà máy nước giúp các nhà cung cấp phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách và quy định về quản lý nguồn nước sạch, đảm bảo an toàn vệ sinh và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống SCADA là gì và vai trò trong nhà máy nước sạch?
    Hệ thống SCADA là hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, giúp thu thập dữ liệu, giám sát trạng thái thiết bị và điều khiển tự động các quá trình sản xuất. Trong nhà máy nước sạch, SCADA giúp đảm bảo vận hành liên tục, phát hiện sự cố kịp thời và tối ưu hóa chi phí vận hành.

  2. Tại sao chọn PLC S7-200 của Siemens cho hệ thống điều khiển?
    PLC S7-200 có ưu điểm về độ tin cậy cao, khả năng mở rộng linh hoạt, dung lượng bộ nhớ lớn và hỗ trợ nhiều phương pháp lập trình. CPU 224 phù hợp với quy mô nhà máy nước sạch vừa và nhỏ, giúp điều khiển chính xác các thiết bị điện.

  3. Thuật toán PID hoạt động như thế nào trong điều khiển tự động?
    Thuật toán PID điều chỉnh tín hiệu đầu ra dựa trên sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị đặt, gồm ba thành phần: tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D). Điều này giúp hệ thống phản ứng nhanh, ổn định và giảm sai số trong quá trình vận hành.

  4. Làm thế nào để giảm tỷ lệ thất thoát nước trong hệ thống cấp nước?
    Áp dụng hệ thống giám sát và điều khiển tự động giúp phát hiện nhanh các điểm rò rỉ, điều chỉnh áp lực và lưu lượng phù hợp, đồng thời quản lý vận hành hiệu quả, từ đó giảm thất thoát nước từ mức 40% xuống còn khoảng 15%.

  5. Các biện pháp xử lý sự cố rò rỉ clo trong nhà máy nước?
    Khi phát hiện rò rỉ clo, nhân viên phải đeo mặt nạ phòng độc, đóng van bình clo, bật quạt gió và hệ thống phun mưa để trung hòa khí clo, đồng thời báo cáo lãnh đạo và thực hiện kiểm tra, sửa chữa theo quy trình an toàn nghiêm ngặt.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công hệ thống giám sát và điều khiển tự động dựa trên PLC S7-200 và SCADA, nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy nước sạch Tích Lương.
  • Hệ thống giúp giảm tỷ lệ thất thoát nước từ 40% xuống còn 15%, tiết kiệm năng lượng khoảng 15% và đảm bảo chất lượng nước đạt tiêu chuẩn Bộ Y tế.
  • Thuật toán PID tích hợp trong PLC giúp điều chỉnh chính xác các thông số vận hành, tăng độ ổn định và tin cậy của hệ thống.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng hệ thống SCADA, nâng cấp thiết bị và đào tạo nhân sự nhằm phát triển bền vững công ty.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai mở rộng hệ thống, hoàn thiện quy trình bảo trì và nâng cao năng lực vận hành, mời các đơn vị liên quan phối hợp thực hiện.

Hãy liên hệ với phòng kỹ thuật Công ty Cổ phần Nước sạch Thái Nguyên để được tư vấn chi tiết về giải pháp tự động hóa và giám sát hệ thống điện trong nhà máy nước sạch.