Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch, chi phí điện năng vận hành trạm bơm thường chiếm tỷ trọng chi phối rất lớn, chiếm từ 30% đến 35% tổng giá thành sản xuất nước. Dự án Nhà máy nước Long Sơn với công suất thiết kế 5.000 m³/ngày đêm tại thị xã Tân Châu, tỉnh An Giang giữ vai trò huyết mạch trong việc cung cấp nước sinh hoạt và thúc đẩy kinh tế - xã hội địa phương giai đoạn 2018 định hướng đến năm 2025. Tuy nhiên, hiện trạng hệ thống kỹ thuật cũ vận hành hoàn toàn bằng phương thức thủ công với các tủ điều khiển khởi động trực tiếp hoặc sao - tam giác. Cách tiếp cận này gây sụt áp lưới điện cục bộ, tiêu hao điện năng lớn, khó ổn định áp lực đường ống và thiếu cơ chế thu thập dữ liệu tự động.

Nhằm giải quyết triệt để bất cập trên, đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động hóa điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu SCADA kết hợp bộ điều khiển khả trình PLC và biến tần chuyên dụng. Mục tiêu cụ thể là nhận dạng chính xác mô hình toán học động cơ bơm, thiết lập thuật toán điều khiển vòng kín ổn định áp suất mạng phân phối và xây dựng hệ thống giám sát năng lượng, chất lượng nước qua mạng truyền thông công nghiệp. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại nhà máy nước Long Sơn sử dụng nguồn điện từ trạm biến áp 250 kVA kết nối lưới trung thế 22kV tuyến 478 Phú Châu. Công trình mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm từ 20% đến 25% điện năng tiêu thụ, hạ tỷ lệ thất thoát nước sạch xuống dưới 15% và mở ra khả năng quản lý vận hành trạm bơm từ xa không cần nhiều nhân lực trực tiếp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết điều khiển tự động kinh điển và lý thuyết điều khiển quá trình công nghiệp. Trọng tâm lý thuyết là phương pháp nhận dạng hệ thống thực nghiệm theo tiêu chuẩn IEC 60050-351 nhằm xác định hàm truyền đạt của đối tượng thông qua đáp ứng quá độ với kích thích hàm nấc đơn vị. Luận văn đi sâu vào lý thuyết điều khiển hồi tiếp với các bộ điều chỉnh tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID), trong đó luật điều khiển tỉ lệ - tích phân (PI) được chứng minh phù hợp cho hơn 90% bài toán điều khiển áp suất trong công nghiệp nhờ khả năng triệt tiêu triệt để sai số xác lập mà không khuếch đại nhiễu đo.

Về công nghệ tự động hóa, khung nghiên cứu tích hợp cấu trúc hệ thống SCADA đa cấp với phần cứng PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C và biến tần Danfoss VLT Aqua FC 102. Các khái niệm cốt lõi được áp dụng gồm trạm điều khiển trung tâm MTU, thiết bị đầu cuối RTU, giao diện người - máy HMI, mạng truyền thông công nghiệp Modbus RS485 và Industrial Ethernet chuẩn TCP/IP. Quá trình xử lý tín hiệu áp dụng chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số (ADC 16-bit) sang định dạng số thực 32-bit (floating-point) và khai thác nền tảng giám sát web phân tán thông qua tính năng WebUX trên phần mềm WinCC 7.3.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được xây dựng từ chuỗi số liệu quan trắc hiện trạng môi trường nguồn nước mặt sông Cái Vừng các năm 2009 và 2010 với chỉ số độ đục TSS dao động 26,8 - 116 mg/l, Coliforms từ 1.340 đến 13.500 MPN/100ml, cùng dữ liệu phụ tải điện nhà máy với tổng công suất lắp đặt 216 kW và công suất tiêu thụ thường trực 175 kW.

Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm được tiến hành bằng cách thu thập chuỗi 100 mẫu đo đáp ứng quá độ thời gian thực của động cơ bơm nước sạch khi cấp 100% công suất định mức. Chu kỳ lấy mẫu thực nghiệm được khảo sát chặt chẽ từ T = 0,01 giây giảm dần về T = 0,0008 giây nhằm đảm bảo loại bỏ hoàn toàn sai số trích mẫu. Tác giả lựa chọn phương pháp phân tích hai điểm quy chiếu (0,283y và 0,632y tại trạng thái xác lập) thay vì phương pháp kẻ tiếp tuyến hay phương pháp diện tích. Lý do lựa chọn là phương pháp này khắc phục tính chủ quan của việc kẻ tiếp tuyến, hạn chế ảnh hưởng của nhiễu đo và giảm thiểu khối lượng tính toán xấp xỉ tích phân. Toàn bộ mô hình toán, phép biến đổi song tuyến Tustin và luật điều khiển PI được mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm MATLAB trước khi lập trình thực tế vào khối hàm PID_Compact trong TIA Portal V13 SP1. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt 12 tháng từ năm 2017 đến tháng 01 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được 4 phát hiện kỹ thuật cốt lõi có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao:

Thứ nhất, mô hình toán học của động cơ bơm cấp nước sạch được xác định chính xác dưới dạng hàm truyền quán tính bậc nhất có trễ với hệ số khuếch đại tĩnh k = 1,7, thời gian trễ T1 = 0,08 giây và hằng số thời gian T2 = 0,5 giây. Kết quả mô phỏng số trên MATLAB với chu kỳ trích mẫu T = 0,0008 giây cho thấy sai số tương đối của thời gian trễ chỉ là 0,0012 giây và sai số hằng số thời gian chỉ là 0,0004 giây, khẳng định mô hình nhận dạng có độ tin cậy tuyệt đối.

Thứ hai, nghiên cứu xác định luật điều khiển PI là cấu hình tối ưu với thông số chỉnh định thực nghiệm gồm hệ số khuếch đại tỉ lệ kc = 1,5 và hệ số tích phân ki = 3 min^-1 (tương ứng thời gian tích phân Ti = 0,5 phút). Thông số này giúp hệ thống đáp ứng nhanh với sự thay đổi của phụ tải, không có độ vọt lố và triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập.

Thứ ba, tính toán quy hoạch hệ thống cấp điện tối ưu công suất toàn phần 196 kVA với hệ số đồng thời Kc = 1, hệ số mang tải Kv = 0,95 và cosφ = 0,85, lựa chọn máy biến áp 250 kVA đấu nối lộ 22kV tuyến 478 Phú Châu, đáp ứng tốt phụ tải định mức 175 kW thường trực.

Thứ tư, thiết kế và cấu hình hoàn chỉnh hệ thống SCADA WinCC 7.3 kết nối PLC S7-1200 qua chuẩn Ethernet và Modbus RS485, giám sát đồng bộ 3 máy bơm nước thô (P = 6 kW, Q = 105 m³/h) và 3 máy bơm nước sạch (P = 30 kW, Q = 150 m³/h) với thời gian trễ truyền thông dưới 1 giây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên tính ưu việt của hệ thống là việc ứng dụng biến tần Danfoss FC 102 vận hành theo thuật toán PI tự động thay đổi tần số động cơ bơm dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến áp suất đầu ra mạng phân phối. Khi nhu cầu dùng nước tăng, áp lực mạng giảm xuống, bộ điều khiển tăng tốc độ bơm để bù áp; khi đạt tần số cực đại 50 Hz mà áp lực vẫn giảm, hệ thống tự động khởi động thêm bơm phụ. Ngược lại, khi nhu cầu giảm, biến tần hạ tốc độ và sa thải bớt bơm. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn hiện tượng búa nước và tổn thất năng lượng do van tiết lưu cơ khí.

Dữ liệu vận hành được mô tả trực quan qua biểu đồ đáp ứng nấc đơn vị Step Response trên MATLAB và biểu đồ Trend thời gian thực trên giao diện WinCC, hiển thị đồng thời sự biến thiên của lưu lượng Q (105 - 150 m³/h) và áp suất P duy trì ổn định tại 4,5 bar. So sánh với các hệ thống điều khiển truyền thống tại một số trạm cấp nước lân cận, mô hình tại nhà máy Long Sơn giúp tiết kiệm khoảng 28% điện năng tiêu thụ và kéo dài tuổi thọ động cơ thêm 30%. Điểm mới vượt trội của công trình là tích hợp tính năng WebUX và gửi email cảnh báo tự động qua kết nối internet, cho phép kiểm soát sự cố sụt áp hay quá tải tức thời mà không cần nhân viên túc trực 24/24 tại phòng điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành và mở rộng khả năng áp dụng của hệ thống SCADA, luận văn đưa ra 4 giải pháp hành động cụ thể:

Thứ nhất, nâng cấp đồng bộ thiết bị động lực bằng cách lắp đặt hoàn chỉnh biến tần Danfoss VLT Aqua FC 102 cho cụm 3 máy bơm cấp 2 công suất 30 kW và bơm cấp 1 công suất 6 kW, hoàn thành trong vòng 3 tháng do Ban Quản lý Dự án Nhà máy nước Long Sơn chủ trì, hướng tới mục tiêu ổn định áp suất mạng lưới đạt độ tin cậy 98%.

Thứ hai, triển khai hệ thống phân vùng tách mạng và quan trắc lưu lượng tự động bằng việc lắp đặt bổ sung cảm biến lưu lượng điện từ Siemens MAG5000 và cảm biến áp suất E8AA-M05 trên tuyến ống truyền tải OD280 và OD355, hoàn thành trong 6 tháng do Công ty Cấp thoát nước Tân Châu thực hiện, nhằm cắt giảm tỷ lệ thất thoát nước sạch từ 22% xuống dưới 12%.

Thứ ba, ứng dụng nền tảng giám sát phân tán WebUX và cấu hình hệ thống cảnh báo tự động qua Email/SMS kết nối mạng 3G/4G trên máy chủ WinCC 7.3, thực hiện bởi Đội ngũ kỹ thuật Tự động hóa trong thời gian 3 tháng, giúp rút ngắn thời gian tiếp nhận và xử lý sự cố lưới điện xuống dưới 5 phút.

Thứ tư, chuẩn hóa tài liệu hướng dẫn và tổ chức 4 khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal cùng kỹ năng bảo trì mạng Modbus/Ethernet cho 100% cán bộ kỹ thuật nhà máy trong vòng 6 tháng, do Trung tâm Đào tạo phối hợp cùng các chuyên gia tự động hóa phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư Tự động hóa, Điện - Điện tử và M&E: Tiếp cận quy trình hoàn chỉnh từ khảo sát, tính toán công suất trạm biến áp, thiết kế tủ điện điều khiển, lập trình khối hàm PID_Compact trên PLC Siemens S7-1200 đến thiết kế giao diện SCADA WinCC 7.3 cho hệ thống cấp nước quy mô 5.000 m³/ngày đêm.

Thứ hai, ban giám đốc và cán bộ quản lý các nhà máy nước sạch đô thị: Khai thác phương án chuyển đổi số và tự động hóa trạm bơm để cắt giảm 20% đến 30% chi phí tiền điện, nâng cao năng lực giám sát tổn thất nước và tối ưu hóa chi phí vận hành doanh nghiệp.

Thứ ba, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Điều khiển tự động: Sử dụng phương pháp nhận dạng hệ thống hai điểm quy chiếu, phép biến đổi Tustin và thuật toán chỉnh định tham số Ziegler-Nichols cho đối tượng quán tính bậc nhất có trễ làm tư liệu giảng dạy và nghiên cứu thực nghiệm.

Thứ tư, các cơ quan quản lý nhà nước và công ty cấp thoát nước khu vực Đồng bằng sông Cửu Long: Tham khảo mô hình điều hành phân tán qua WebUX để áp dụng cải tạo các trạm cấp nước nông thôn theo mô hình vận hành tự động không người trực.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao nghiên cứu lựa chọn luật điều khiển PI thay vì PID đầy đủ cho trạm bơm nước sạch?

Trả lời: Đối tượng động cơ bơm và áp suất đường ống có đặc tính quán tính bậc nhất với thời gian trễ nhỏ 0,08 giây. Phép đo áp suất trong môi trường công nghiệp thường xuất hiện nhiễu đo ngẫu nhiên; nếu sử dụng thành phần vi phân D sẽ khuếch đại tín hiệu nhiễu, làm biến tần dao động liên tục gây hại động cơ. Luật PI với kc = 1,5 và ki = 3 min^-1 đã hoàn toàn đủ khả năng triệt tiêu sai số xác lập và đảm bảo hệ thống vận hành êm thuận.

Câu hỏi 2: Giải pháp SCADA tích hợp biến tần giúp tiết kiệm điện năng cho nhà máy nước Long Sơn như thế nào?

Trả lời: Chi phí điện năng chiếm 30% đến 35% giá thành sản xuất nước. Thay vì để máy bơm chạy định mức 100% công suất và hãm lưu lượng bằng van cơ, biến tần Danfoss FC 102 tự động điều chỉnh tốc độ quay theo áp suất thực tế. Theo định luật đồng dạng thủy lực, công suất tiêu thụ tỷ lệ với lập phương tốc độ vòng quay, nhờ đó giúp nhà máy tiết kiệm khoảng 25% đến 28% lượng điện tiêu thụ.

Câu hỏi 3: Cấu hình phần cứng chính của hệ thống SCADA nhà máy nước Long Sơn bao gồm những gì?

Trả lời: Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C kết hợp biến tần Danfoss VLT Aqua FC 102 cho cụm 3 bơm cấp hai 30 kW. Thiết bị đo lường gồm cảm biến lưu lượng điện từ Siemens MAG5000/MAG3000 và cảm biến áp suất E8AA-M05, giao tiếp với máy tính SCADA WinCC 7.3 qua mạng truyền thông Modbus RS485 và Industrial Ethernet.

Câu hỏi 4: Phương pháp nhận dạng hai điểm quy chiếu có ưu thế gì so với phương pháp kẻ tiếp tuyến?

Trả lời: Phương pháp kẻ tiếp tuyến truyền thống phụ thuộc nhiều vào yếu tố chủ quan của người vẽ, rất dễ phát sinh sai số lớn khi đồ thị có nhiễu. Phương pháp hai điểm quy chiếu xác định chính xác hai mốc thời gian tại 28,3% và 63,2% giá trị bão hòa, giúp tính toán hằng số thời gian 0,5 giây và thời gian trễ 0,08 giây với sai số thực nghiệm cực nhỏ dưới 0,0012 giây.

Câu hỏi 5: Tính năng WebUX trên phần mềm WinCC 7.3 mang lại lợi ích gì cho công tác vận hành từ xa?

Trả lời: WebUX cho phép kỹ sư và nhà quản lý truy cập giám sát trực tiếp các thông số áp lực, lưu lượng và điện năng tiêu thụ của nhà máy 5.000 m³/ngày đêm qua trình duyệt web trên điện thoại hoặc máy tính ở bất kỳ đâu có Internet. Khi xảy ra sự cố quá dòng hay sụt áp, hệ thống sẽ tự động gửi email cảnh báo tức thời, giúp giảm 50% thời gian xử lý sự cố.

Kết luận

Công trình nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA cho Nhà máy nước Long Sơn công suất 5.000 m³/ngày đêm đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa trạm cấp nước với các kết quả nổi bật:

  • Nhận dạng thành công mô hình toán học động cơ bơm dưới dạng hàm truyền quán tính bậc nhất có trễ với độ chính xác cao, sai số kiểm chứng nhỏ hơn 0,0012 giây.
  • Thiết lập và chỉnh định tối ưu bộ điều khiển PI với tham số kc = 1,5 và ki = 3 min^-1, đảm bảo duy trì ổn định áp suất mạng lưới phân phối liên tục 24/7.
  • Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc SCADA đa tầng trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 và WinCC 7.3, tích hợp mạng truyền thông Modbus RS485 và Industrial Ethernet.
  • Mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt thông qua việc cắt giảm từ 20% đến 28% chi phí điện năng vận hành hệ thống bơm nước sạch.
  • Khai thác thành công tính năng WebUX giám sát di động và cảnh báo tự động, đặt nền tảng vững chắc cho mô hình trạm cấp nước thông minh không người trực giai đoạn 2018 - 2025.

Các đơn vị cấp nước và kỹ sư tự động hóa hãy tham khảo và ứng dụng ngay giải pháp SCADA điều khiển vòng kín này để hiện đại hóa hệ thống sản xuất và nâng cao hiệu quả vận hành tại doanh nghiệp của mình.