Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy nước Long Sơn 5000 m3/ngày tại Tân Châu, An Giang

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Châu
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống SCADA Cho Nhà Máy Nước Long Sơn Tại An Giang
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của để tài
• 1.2. Tổng quan công nghệ áp dụng cho nhà máy nước Long sơn, thị xã Tân Châu, tỉnh An Giang
• 1.3. Yêu cầu kỹ thuật điều khiển cho nhà máy nước Long Sơn
• 1.4. Mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Đóng góp và điểm mới của luận văn
• 1.7. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG
• 2.1. Cơ sở lý thuyết nhận dạng
• 2.2. Phân tích bộ điều chỉnh pid trong hệ thống điều khiển quá trình
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SCADA CƠ BẢN
• 3.1. Phần cứng hệ thống scada
• 3.2. Phần mềm hệ thống scada
• 4. CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP MẠNG TRUYỀN THÔNG HỆ THỐNG SCADA
• 4.1. Phân tích lựa chọn giải pháp của hãng Siemens
• 4.2. Mạng truyền thông công nghiệp của Siemens – Simatic net
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
• 5.1. Xây dựng mô hình thiết kế
• 5.2. Làm việc với phần mềm TIA PORTAL V13 SP1
• 5.3. Làm việc với một trạm PLC
• 5.4. Thực hiện chương trình PLC điều khiển thiết bị nhà máy
• 5.5. Tìm hiểu khối hàm PID_compact trong TIA portal
• 6. CHƯƠNG 6: CẤU HÌNH HỆ THỐNG SCADA NHÀ MÁY
• 6.1. Giới thiệu phần mềm WinCC Exploer
• 6.2. Những ứng dụng phổ biến nhất của WinCC
• 6.3. Cấu hình của WinCC hệ thống cấp nước Long Sơn
• 6.4. Yêu cầu hệ thống Scada cho nhà máy cấp nước Long Sơn
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 7.1. Kết luận
• 7.2. Hướng phát triển đề tài
• PHỤ LỤC 1: QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
• PHỤ LỤC 2: LẬP TRÌNH BẢNG ĐIỀU KHIỂN
• PHỤ LỤC 3: GIỚI THIỆU BIẾN TẦN DANFOSS VLT FC 102
• PHỤ LỤC 4: HÌNH ẢNH THỰC TỀ TỦ ĐIỀU KHIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là một công cụ quan trọng trong việc quản lý và giám sát các quy trình công nghiệp. Đối với nhà máy nước Long Sơn tại An Giang, việc áp dụng công nghệ SCADA giúp nâng cao hiệu quả trong quản lý nước và giảm thiểu chi phí vận hành. Hệ thống này cho phép thu thập và phân tích dữ liệu thời gian thực, từ đó đưa ra các quyết định kịp thời nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất nước sạch. Theo nghiên cứu, việc sử dụng công nghệ SCADA không chỉ giúp giám sát mà còn tự động hóa các quy trình, từ đó giảm thiểu sự can thiệp của con người và nâng cao độ chính xác trong vận hành.

1.1. Lợi ích của hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA mang lại nhiều lợi ích cho nhà máy nước Long Sơn. Đầu tiên, nó giúp giám sát hệ thống một cách liên tục, từ đó phát hiện sớm các sự cố có thể xảy ra. Thứ hai, việc tự động hóa các quy trình giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực. Hệ thống cũng cho phép quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn, đảm bảo cung cấp nước sạch cho người dân. Cuối cùng, việc phân tích dữ liệu từ hệ thống SCADA giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu chi phí vận hành, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp nước.

II. Cấu trúc hệ thống SCADA

Cấu trúc của hệ thống SCADA bao gồm nhiều thành phần chính như PLC (Programmable Logic Controller), HMI (Human Machine Interface) và các thiết bị cảm biến. PLC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị trong nhà máy, trong khi HMI giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số. Các cảm biến được lắp đặt để thu thập dữ liệu về chất lượng nước, lưu lượng và áp lực, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho hệ thống. Việc tích hợp các thành phần này tạo nên một hệ thống SCADA hoàn chỉnh, giúp quản lý nước hiệu quả và an toàn.

2.1. Phần cứng và phần mềm

Hệ thống SCADA bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các thiết bị như PLC, cảm biến, và máy tính để xử lý dữ liệu. Phần mềm, như WinCC, cho phép người dùng thiết lập giao diện và theo dõi các thông số trong thời gian thực. Sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm giúp tối ưu hóa quy trình quản lý nước, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của nhà máy nước Long Sơn. Việc sử dụng phần mềm hiện đại cũng giúp dễ dàng trong việc bảo trì và nâng cấp hệ thống khi cần thiết.

III. Ứng dụng SCADA trong quản lý nước

Việc áp dụng SCADA trong quản lý nước tại nhà máy nước Long Sơn không chỉ giúp giám sát mà còn tối ưu hóa quy trình vận hành. Hệ thống cho phép theo dõi dữ liệu thời gian thực, từ đó đưa ra các quyết định kịp thời nhằm cải thiện hiệu suất. Các ứng dụng của SCADA bao gồm giám sát chất lượng nước, điều khiển bơm và quản lý lưu lượng nước. Nhờ vào hệ thống này, nhà máy có thể giảm thiểu sự cố và nâng cao độ tin cậy trong cung cấp nước sạch cho người dân.

3.1. Giám sát chất lượng nước

Một trong những ứng dụng quan trọng của SCADA là giám sát chất lượng nước. Hệ thống sử dụng các cảm biến để đo lường các chỉ tiêu như pH, độ đục và nồng độ các chất ô nhiễm. Dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích và hiển thị trên giao diện HMI, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời. Việc giám sát chất lượng nước không chỉ đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng mà còn giúp nhà máy tuân thủ các quy định về môi trường.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về hệ thống SCADA cho nhà máy nước Long Sơn tại An Giang đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ này là cần thiết để nâng cao hiệu quả trong quản lý nước. Hệ thống không chỉ giúp giám sát và điều khiển từ xa mà còn tối ưu hóa quy trình vận hành, giảm thiểu chi phí và nâng cao chất lượng dịch vụ. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tích hợp thêm các công nghệ mới như IoT (Internet of Things) để cải thiện khả năng giám sát và quản lý nước.

4.1. Đề xuất cải tiến

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống SCADA, cần xem xét việc cải tiến các thiết bị cảm biến và phần mềm điều khiển. Việc áp dụng các công nghệ mới như AI (Artificial Intelligence) có thể giúp phân tích dữ liệu một cách thông minh hơn, từ đó đưa ra các dự đoán và cảnh báo sớm về sự cố. Ngoài ra, việc đào tạo nhân viên về công nghệ mới cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy nước Long Sơn, thị xã Tân Châu, tỉnh An Giang, với công suất 5.000 m³/ngày đêm, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước sạch cho khu vực trung tâm và các xã lân cận. Theo báo cáo quan trắc môi trường tỉnh An Giang các năm 2012 và 2014, chất lượng nguồn nước sông Cái Vừng có nhiều biến động theo mùa, với các chỉ số như pH dao động từ 6,68 đến 7,01, độ đục và hàm lượng coliforms thay đổi đáng kể, đòi hỏi phải xử lý kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo tiêu chuẩn nước sạch theo quy định Việt Nam.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) nhằm tự động hóa, giám sát và điều khiển vận hành nhà máy nước Long Sơn, thay thế phương thức vận hành thủ công truyền thống. Mục tiêu cụ thể là thiết kế chương trình điều khiển và giám sát các thiết bị trong nhà máy thông qua phần mềm WinCC và bộ điều khiển lập trình PLC, giúp nâng cao hiệu quả vận hành, tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí quản lý và tăng tính ổn định của hệ thống cấp nước.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nhà máy nước Long Sơn trong giai đoạn từ năm 2017 đến 2018, với trọng tâm là hệ thống điều khiển các máy bơm nước, xử lý nước thô và nước sạch, cùng với việc thu thập dữ liệu vận hành qua mạng SCADA. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cải tiến công nghệ điều khiển, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước, giảm tổn thất nước và chi phí điện năng, đồng thời tạo nền tảng cho việc mở rộng hệ thống cấp nước trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết nhận dạng hệ thống và điều khiển tự động PID.

1. Lý thuyết nhận dạng hệ thống: Đây là phương pháp xây dựng mô hình toán học dựa trên dữ liệu thực nghiệm đầu vào - đầu ra của hệ thống. Mô hình toán học được xác định thông qua hàm truyền đạt, biểu diễn đặc tính tĩnh và động của hệ thống. Phương pháp nhận dạng sử dụng trong nghiên cứu là phương pháp hai điểm quy chiếu, giúp xác định các tham số mô hình bậc nhất có trễ của động cơ bơm nước, từ đó mô phỏng và kiểm chứng mô hình bằng phần mềm MATLAB.

2. Điều khiển tự động PID: Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) được áp dụng để điều chỉnh vận hành các máy bơm nước nhằm duy trì áp suất ổn định trong hệ thống cấp nước. Các thành phần tỉ lệ, tích phân và vi phân của PID được hiệu chỉnh để tối ưu hóa tốc độ đáp ứng, giảm sai số và tăng độ ổn định của hệ thống. Luận văn cũng trình bày các phương pháp chỉnh định tham số PID phù hợp với đặc tính của nhà máy.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: SCADA, PLC (Programmable Logic Controller), biến tần, hàm truyền đạt, mô hình toán học bậc nhất có trễ, thuật toán PID, mạng truyền thông công nghiệp Modbus RS485 và TCP/IP.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình vận hành thực tế của nhà máy nước Long Sơn, bao gồm các thông số kỹ thuật của máy bơm, dữ liệu đo lường áp suất, lưu lượng, điện năng tiêu thụ và các thông số môi trường nước thô. Ngoài ra, các tài liệu khoa học, báo cáo kỹ thuật và giáo trình về điều khiển tự động và SCADA cũng được tổng hợp để làm cơ sở lý thuyết.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Nhận dạng mô hình toán học: Thu thập dữ liệu thực nghiệm, xác định hàm truyền đạt của động cơ bơm bằng phương pháp hai điểm quy chiếu, mô phỏng trên MATLAB để kiểm chứng mô hình.
• Thiết kế và lập trình hệ thống SCADA: Sử dụng phần mềm TIA Portal V13 và WinCC 7.3 để xây dựng chương trình điều khiển PLC và giao diện giám sát HMI, tích hợp các thiết bị biến tần và cảm biến.
• Phân tích hiệu quả vận hành: Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng, ổn định áp suất và giảm chi phí vận hành thông qua các chỉ số kỹ thuật và dữ liệu thu thập được.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2017 đến cuối năm 2018, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, lập trình hệ thống và thử nghiệm vận hành thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác định mô hình toán học động cơ bơm: Qua khảo sát thực nghiệm và phương pháp hai điểm quy chiếu, hàm truyền đạt của động cơ bơm được xác định là mô hình quán tính bậc nhất có trễ với các tham số: hệ số khuếch đại tĩnh k = 1,7, thời gian trễ T1 = 0,08 giây, hằng số thời gian T2 = 0,5 giây. Mô hình này được mô phỏng trên MATLAB cho kết quả đáp ứng đầu ra phù hợp với dữ liệu thực tế, sai số tương đối dưới 0,15%.

2. Hiệu quả điều khiển PID trong vận hành máy bơm: Việc áp dụng bộ điều khiển PID giúp duy trì áp suất ổn định trong đường ống cấp nước, giảm thiểu dao động áp lực khi nhu cầu tiêu thụ thay đổi. Các tham số PID được hiệu chỉnh phù hợp giúp tăng tốc độ đáp ứng hệ thống, giảm sai số xác lập và hạn chế hiện tượng quá tải, góp phần tiết kiệm khoảng 30-35% chi phí điện năng tiêu thụ cho bơm.

3. Xây dựng hệ thống SCADA hoàn chỉnh: Hệ thống SCADA được thiết kế với phần mềm WinCC và PLC S7-1200, tích hợp các thiết bị cảm biến, biến tần và mạng truyền thông Modbus RS485, TCP/IP. Hệ thống cho phép giám sát liên tục các thông số như lưu lượng nước thô, mức nước trong bể, nồng độ clo, áp lực đường ống, điện áp, dòng điện và nhiệt độ động cơ. Tính năng cảnh báo tự động qua email khi phát hiện sự cố giúp nâng cao hiệu quả quản lý vận hành.

4. Tiết kiệm nhân lực và nâng cao độ tin cậy: Việc điều khiển và giám sát từ xa qua hệ thống SCADA giảm thiểu nhu cầu nhân lực vận hành trực tiếp tại nhà máy, đồng thời tăng tính chính xác và kịp thời trong xử lý sự cố, góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả tích cực trên là do việc áp dụng công nghệ điều khiển tự động hiện đại, kết hợp với mô hình toán học chính xác và phần mềm SCADA tiên tiến. So với phương pháp vận hành thủ công truyền thống, hệ thống SCADA giúp giảm thiểu sai sót do con người, tăng khả năng phản ứng nhanh với biến động trong quá trình cấp nước.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành công nghiệp nước sạch, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng tự động hóa và điều khiển từ xa nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm năng lượng. Việc sử dụng biến tần điều khiển tốc độ bơm theo thuật toán PID là giải pháp phổ biến và hiệu quả trong các nhà máy xử lý nước hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng áp suất theo thời gian, biểu đồ lưu lượng và năng lượng tiêu thụ, cũng như bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật trước và sau khi áp dụng hệ thống SCADA, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mở rộng hệ thống SCADA cho toàn bộ mạng lưới cấp nước: Đề xuất áp dụng hệ thống SCADA không chỉ tại nhà máy mà còn mở rộng đến các trạm bơm và phân phối nước trong khu vực nhằm nâng cao khả năng giám sát và điều khiển tập trung. Thời gian thực hiện dự kiến trong 2 năm, chủ thể thực hiện là Ban quản lý dự án cấp nước tỉnh An Giang.

2. Tăng cường đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống SCADA: Đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên và nhân viên vận hành về công nghệ PLC, phần mềm WinCC và quản lý dữ liệu SCADA để đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố kịp thời. Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo định kỳ hàng năm do nhà trường và các chuyên gia công nghệ thực hiện.

3. Nâng cấp thiết bị biến tần và cảm biến hiện đại hơn: Đề xuất thay thế các thiết bị biến tần và cảm biến cũ bằng các thiết bị có độ chính xác cao, khả năng kết nối mạng tốt hơn, hỗ trợ các chuẩn truyền thông mới như Ethernet/IP, PROFINET để tăng tính linh hoạt và mở rộng hệ thống. Thời gian thực hiện trong vòng 1 năm, do nhà thầu thiết bị và Ban quản lý dự án phối hợp thực hiện.

4. Xây dựng hệ thống cảnh báo và phân tích dữ liệu nâng cao: Phát triển thêm các module phân tích dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo (AI) để dự báo sự cố, tối ưu hóa vận hành và giảm tổn thất nước. Chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu công nghệ và Ban quản lý dự án, với lộ trình 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật điện và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học, điều khiển PID và ứng dụng SCADA trong nhà máy nước, giúp họ nâng cao kỹ năng thiết kế và vận hành hệ thống tự động hóa.

2. Ban quản lý và vận hành các nhà máy cấp nước: Các nhà quản lý có thể áp dụng các giải pháp công nghệ và phương pháp điều khiển hiện đại để cải thiện hiệu quả vận hành, giảm chi phí và nâng cao chất lượng dịch vụ cấp nước.

3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện, tự động hóa và công nghệ môi trường: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến điều khiển tự động và xử lý nước sạch.

4. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý ngành nước: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để xây dựng các chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ mới trong ngành cấp nước, góp phần phát triển bền vững hạ tầng cấp nước đô thị và nông thôn.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống SCADA là gì và tại sao cần áp dụng cho nhà máy nước?
   SCADA là hệ thống giám sát và điều khiển từ xa giúp tự động hóa quá trình vận hành, thu thập dữ liệu và cảnh báo sự cố. Áp dụng SCADA cho nhà máy nước giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm chi phí nhân công và tăng độ tin cậy của hệ thống.

2. Phương pháp nhận dạng mô hình toán học được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
   Phương pháp hai điểm quy chiếu được sử dụng để xác định các tham số mô hình bậc nhất có trễ của động cơ bơm dựa trên đáp ứng quá độ thực nghiệm, giúp xây dựng mô hình chính xác và dễ dàng áp dụng trong điều khiển PID.

3. Bộ điều khiển PID có vai trò như thế nào trong hệ thống?
   Bộ điều khiển PID điều chỉnh tín hiệu đầu vào để duy trì áp suất ổn định trong hệ thống cấp nước, giúp giảm sai số, tăng tốc độ đáp ứng và ổn định vận hành máy bơm, từ đó tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

4. Làm thế nào để hệ thống SCADA giúp tiết kiệm năng lượng?
   Hệ thống SCADA kết hợp biến tần và thuật toán PID điều chỉnh tốc độ máy bơm theo nhu cầu thực tế, tránh vận hành quá công suất, giảm tổn thất điện năng và duy trì áp suất ổn định, tiết kiệm khoảng 30-35% chi phí điện năng.

5. Hệ thống SCADA có thể giám sát những thông số nào trong nhà máy nước?
   Hệ thống giám sát lưu lượng nước thô và sạch, mức nước trong các bể, nồng độ clo, áp lực đường ống, điện áp, dòng điện, nhiệt độ động cơ, trạng thái thiết bị và cảnh báo sự cố như quá tải, quá nhiệt, mất nước làm mát.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học động cơ bơm nước với hàm truyền đạt bậc nhất có trễ, được kiểm chứng bằng mô phỏng MATLAB.
• Bộ điều khiển PID được thiết kế và hiệu chỉnh phù hợp giúp duy trì áp suất ổn định, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả vận hành.
• Hệ thống SCADA tích hợp phần mềm WinCC và PLC S7-1200 cho phép giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu vận hành nhà máy nước Long Sơn một cách tự động và từ xa.
• Giải pháp công nghệ này góp phần giảm chi phí quản lý, tăng độ tin cậy và giảm nhân lực vận hành trực tiếp tại nhà máy.
• Đề xuất mở rộng và nâng cấp hệ thống SCADA, đào tạo nhân lực và ứng dụng công nghệ phân tích dữ liệu nâng cao để phát triển bền vững hệ thống cấp nước.

Next steps: Triển khai áp dụng hệ thống SCADA mở rộng, tổ chức đào tạo vận hành, nâng cấp thiết bị và phát triển các module phân tích dữ liệu thông minh.

Call to action: Các đơn vị quản lý và vận hành nhà máy nước nên ưu tiên đầu tư vào công nghệ SCADA và điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả và chất lượng dịch vụ cấp nước.