Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Nước sạch là yếu tố thiết yếu đối với sức khỏe cộng đồng và sự phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Tại thành phố Hải Phòng, tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, việc mở rộng không gian đô thị và sự hình thành các khu công nghiệp, dịch vụ du lịch trọng điểm đã làm gia tăng áp lực lên hệ sinh thái cấp nước đô thị. Để giải quyết bài toán nhu cầu tiêu thụ nước tăng cao, Công ty Cổ phần Cấp nước Hải Phòng đã triển khai Dự án đầu tư mở rộng hệ thống cấp nước thành phố Hải Phòng giai đoạn 2 sử dụng nguồn vốn vay ODA ưu đãi (OCR) từ Ngân hàng Phát triển châu Á (ADB) theo Hiệp định vay số 2961-VIE. Trong dự án tổng thể này, công trình nâng cấp Nhà máy nước An Dương là gói thầu xây lắp và thiết bị lớn nhất với tổng mức đầu tư 1.579 tỷ đồng, chính thức khánh thành và đưa vào vận hành từ ngày 18/12/2020. Dự án nâng công suất cấp nước của nhà máy từ 100.000 m³/ngày lên 200.000 m³/ngày, phục vụ cấp nước sinh hoạt cho 4 quận nội thành Hải Phòng (Hồng Bàng, Ngô Quyền, Lê Chân, Hải An), Khu công nghiệp Đình Vũ, huyện đảo Cát Hải và các vùng phụ cận.
Trong bối cảnh hệ thống dây chuyền công nghệ xử lý nước hiện đại đòi hỏi tính liên tục, an toàn và độ tin cậy vận hành ở mức cao, sinh viên Vũ Ngọc Tiến (ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng), dưới sự hướng dẫn của ThS. Phạm Đức Thuận, đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: "Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống cấp nước của nhà máy nước An Dương Hải Phòng".
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong đề tài bao gồm:
- Khảo sát tổng quan hệ thống cấp nước thành phố Hải Phòng và dây chuyền công nghệ xử lý nước sạch tại Nhà máy nước An Dương đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT của Bộ Y tế.
- Thống kê, phân tích các thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị cơ điện, động cơ, máy bơm, máy khuấy, máy nén khí tại các trạm bơm cấp I Quán Vĩnh, trạm bơm nước dâng, trạm bơm cấp II, cụm xử lý, nhà hóa chất, nhà clo, bể lọc U-BCF và trạm hút chân không.
- Khảo sát cấu trúc mạng lưới tủ phân phối điện hạ thế (DB01 đến DB06) và hệ thống camera quan sát toàn nhà máy.
- Nghiên cứu nguyên lý điều khiển hệ thống bằng phần mềm SCADA và PLC; phân tích giải thuật điều khiển tự động ổn định áp lực mạng lưới, các chế độ liên động bơm - van theo tần số/thời gian và các quy chuẩn hiển thị trạng thái vận hành trên giao diện giám sát.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điện động lực, hệ thống đo lường cảm biến và phần mềm điều khiển tự động hóa SCADA/PLC áp dụng tại Nhà máy nước An Dương. Phạm vi nghiên cứu về không gian tập trung tại Nhà máy nước An Dương (địa chỉ: 249 Tôn Đức Thắng, phường An Dương, quận Lê Chân, TP. Hải Phòng) và trạm bơm nguồn nước thô Quán Vĩnh; phạm vi thời gian gắn liền với mốc hoàn thành nâng cấp công trình vào tháng 12/2020 và số liệu khảo sát thực tế tại thời điểm thực hiện đồ án năm 2023.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động công nghiệp, công nghệ truyền động điện xoay chiều biến đổi tần số (VFD), kiến trúc điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) kết hợp bộ điều khiển logic khả trình (PLC). Các cơ sở kỹ thuật và tiêu chuẩn chính bao gồm:
- Tiêu chuẩn chất lượng nước: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01:2009/BYT ban hành kèm theo Thông tư số 04/2009/TT-BYT của Bộ Y tế.
- Lý thuyết điều khiển duy trì áp suất mạng lưới: Ứng dụng vòng điều khiển phản hồi với thông số áp lực nước phát làm đại lượng đặt (setpoint). Khi áp lực mạng lưới thay đổi do nhu cầu tiêu thụ, PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến áp suất, tính toán sai lệch và xuất tín hiệu điều khiển tần số đến các biến tần điều khiển tốc độ động cơ máy bơm, đảm bảo áp lực ổn định tại dải giá trị quy định.
- Phương pháp nghiên cứu thực tế: Tác giả áp dụng phương pháp khảo sát thực địa tại các trạm công nghệ của nhà máy; phương pháp thống kê, giải mã thông số kỹ thuật trên nhãn máy (nameplate) của hệ thống máy bơm, động cơ, van điện, máy biến áp; phương pháp phân tích sơ đồ nguyên lý tủ điện phân phối và phân tích cấu trúc giao diện phần mềm SCADA.
- Nguồn dữ liệu: Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thuộc Dự án đầu tư mở rộng hệ thống cấp nước thành phố Hải Phòng giai đoạn 2 (khoản vay ADB số 2961-VIE); tài liệu vận hành trạm bơm và giao diện điều khiển SCADA tại phòng điều khiển trung tâm Nhà máy nước An Dương.
Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống
Hệ thống điều khiển và phân phối điện của Nhà máy nước An Dương được thiết kế phân tầng từ khâu cấp nguồn trung áp, hạ áp, phân phối động lực đến tầng điều khiển PLC và tầng giám sát SCADA.
Cấu hình cấp nguồn máy biến áp
Nguồn điện lưới 22 kV được hạ thế xuống 0,4 kV phục vụ hệ thống thông qua các máy biến áp (MBA) chuyên dụng:
- MBA 7 (dung lượng 4000 kVA): Cấp nguồn cho tổ bơm cấp II số 1, số 2 và số 5 qua các tủ máy cắt biến tần DB01-1/3 và DB01-1/4, tích hợp dàn tụ bù hạ thế tại tủ DB01-1/1.
- MBA 6: Cấp nguồn cho tổ máy bơm số 3 qua tủ máy cắt DB01-2/2.
- MBA 1: Cấp nguồn cho tổ máy bơm số 4 qua tủ máy cắt DB01-3/2.
- MBA 2: Cấp nguồn cho tổ máy bơm số 6 qua tủ máy cắt DB01-4/2 và cấp cho tủ điện dự phòng DB01-4/3.
- MBA 2000 kVA và MBA 1000 kVA phụ trợ: Phụ trách cấp nguồn cho các trạm phụ trợ, cụm bể lọc nhanh, nhà hóa chất và cấp 1/3 công suất cho cụm bể lắng.
Thống kê thiết bị động lực và công nghệ chính
Hệ thống thiết bị cơ điện trải rộng qua nhiều phân xưởng được tổng hợp chi tiết trong đồ án:
| Khu vực công nghệ |
Thiết bị |
Số lượng |
Nhà sản xuất / Xuất xứ |
Thông số kỹ thuật chính |
| Trạm bơm cấp I - Quán Vĩnh |
Tổ bơm số 1 - 2 |
2 tổ |
Động cơ Siemens (Đức), Bơm HD (Việt Nam) |
P = 500 kW, U = 380V-Δ, I = 988A, n = 742 v/p; Lưu lượng Q = 4.390 m³/h, Cột áp H = 30m |
|
Tổ bơm số 3 - 5 |
3 tổ |
Động cơ Yaskawa (Nhật Bản), Bơm Ebara (Nhật Bản) |
P = 230 kW, U = 380V-Δ, I = 448A, n = 995 v/p; Q = 2.088 m³/h, H = 29m |
|
Tổ bơm số 6 - 8 |
3 tổ |
Động cơ Hansen (UK), Bơm Weir (UK) |
P = 90 kW, U = 380V-Δ, I = 183A, n = 735 v/p |
|
Bơm mồi chân không |
4 tổ |
Ebara, Lafert (Italy) |
Công suất từ 2,2 kW đến 11 kW |
| Trạm bơm nước dâng |
Tổ bơm số 1 |
1 tổ |
Singapore / Việt Nam |
P = 200 kW, U = 400V-Δ, I = 368A; Q = 2.851 m³/h, H = 30m |
|
Tổ bơm số 2 |
1 tổ |
ĐCHN / Việt Nam |
P = 200 kW, U = 280V-Δ, I = 376A; Q = 2.000 m³/h, H = 30m |
| Trạm bơm cấp II (Nước sạch) |
Tổ bơm số 1 - 4 |
4 tổ |
Động cơ WEG W50 (Đức) |
P = 560 kW, U = 400V-Δ, I = 1010A, n = 992 v/p |
|
Tổ bơm số 5 - 6 |
2 tổ |
Động cơ Reliance (USA), Bơm HD (Việt Nam) |
P = 500 kW, U = 380V-Δ, I = 927A, n = 989 v/p; Q = 2.300 m³/h, H = 50m |
|
Bơm nước rửa lọc |
2 tổ |
Động cơ ABB (EU) |
P = 45 kW, U = 400V-Δ, I = 83,4A; Model 15/15 MFV |
|
Máy cấp gió rửa lọc |
2 tổ |
Động cơ Teco (Việt Nam), Hansen (EU) |
P = 55 kW (Teco) và P = 90 kW (Hansen) |
| Cụm xử lý |
Máy khuấy trộn nhanh |
6 tổ |
Động cơ hộp số Siemens (Đức) |
P = 30 kW, U = 400V-Δ, I = 56A, tỉ số truyền i = 12,72 |
|
Máy khuấy phản ứng cấp 1, 2, 3 |
36 tổ (mỗi cấp 12 tổ) |
Động cơ hộp số Siemens (Đức) |
Cấp 1: 1,5 kW (i = 335,7); Cấp 2: 0,75 kW (i = 424); Cấp 3: 0,25 kW (i = 668) |
|
Máy cào bùn gạt đáy |
12 tổ (24 máy) |
Động cơ hộp số Siemens (Đức) |
P = 0,37 kW, U = 400V-Y, I = 1,08A, tỉ số truyền i = 715 |
| Nhà hóa chất & Clo |
Khuấy phèn, vôi |
7 tổ |
Siemens (Đức), Sumitomo (Nhật Bản) |
Khuấy phèn: 2,2 kW (i = 17,24); Khuấy vôi: 3,7 kW và 2,2 kW |
|
Bơm định lượng phèn, vôi |
5 tổ |
Động cơ Toshiba, Hitachi; Bơm Iwaki |
Định lượng phèn: 3,7 kW; Định lượng vôi: 1,5 kW, Q = 2,04 m³/h, H = 20m |
|
Bơm tăng áp châm Clo |
4 tổ |
Động cơ Ebara (Nhật Bản) |
Tổ 1-2: 3,7 kW; Tổ 3-4: 2,2 kW; Q = 15 m³/h, H = 48m |
|
Bơm dung dịch kiềm NaOH |
2 tổ |
Động cơ Ebara (Italy) |
P = 3 kW, U = 230V-Y, I = 8,1A; Q = 31 m³/h, H = 42m |
Cấu trúc phân phối và điều khiển hệ thống tủ điện
Hệ thống tủ điện chức năng được thiết kế chuyên biệt theo từng công đoạn:
- Tủ DB01 (Trạm bơm nước sạch): Bao gồm 16 khoang tủ chức năng: tủ tụ bù hạ thế cho MBA 7; các tủ điện tổng máy biến áp (DB01-1/2, DB01-2/1, DB01-3/1, DB01-4/1); các tủ máy cắt cấp nguồn biến tần VFD cho 6 máy bơm cấp II; tủ DB01-4/3 tích hợp các MCCB dự phòng cấp nguồn hệ thống quạt thông gió và 2 bơm rốn hút nước cặn rò rỉ; tủ điều khiển trung tâm DB01-PLC; dàn tủ biến tần VFD độc lập.
- Tủ DB02 (Trạm bơm nước rửa lọc): Gồm 4 tủ (DB02-1 điều khiển bơm hút chân không; DB02-2 điều khiển bơm nước rửa lọc và van liên động; DB02-3 điều khiển máy nén gió và van gió; tủ DB02-PLC).
- Cụm tủ DB03 và bàn lọc FCD 1 - 8 (Bể lọc nhanh): Bao gồm tủ DB03 phân phối nguồn động lực 3 pha và nguồn điện điều khiển 220 VAC sau hệ thống UPS online; tủ điều khiển logic DB03-PLC 1 và DB03-PLC 2; dãy 8 tủ điều khiển cục bộ tại bàn lọc FCD1 đến FCD8.
- Tủ DB04 (Nhà hóa chất): Gồm tủ DB04-1 (cấp nguồn và điều khiển bơm, máy khuấy vôi), DB04-2 (điều khiển bơm định lượng và máy khuấy phèn), tủ DB04-PLC và các hộp nút bấm điều khiển tại chỗ (LCU).
- Tủ DB05: Phụ trách trạm bơm thu hồi nước rửa lọc hồi lưu về đầu dây chuyền xử lý.
- Tủ DB06 (Cụm xử lý bể trộn, phản ứng, lắng lamen): Chia thành 2 dàn tủ cho 2 đơn nguyên bể lắng (DB06-1.5, DB06-PLC 1, tủ điều khiển van DB06-Valve 1; đơn nguyên 2 gồm DB06-2.1, tủ điều khiển máy khuấy cấp 2, 3, 4 và DB06-PLC 2).
Hệ thống camera giám sát phụ trợ
Ngoài mạng SCADA, công trình được trang bị hệ thống giám sát an ninh camera IP độc lập gồm các camera hồng ngoại ngoài trời hỗ trợ quay quét 360 độ, tầm quan sát hồng ngoại từ 20 đến 30 mét. Tín hiệu video được kết nối qua mạng Internet về đầu ghi hình NVR trung tâm và hiển thị trực tiếp trên màn hình giám sát 40 inch tại phòng điều khiển trung tâm.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Khái quát hệ thống cấp nước của thành phố Hải Phòng
Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống cấp nước đô thị Hải Phòng dưới sự quản lý của Công ty Cổ phần Cấp nước Hải Phòng (số 54 Đinh Tiên Hoàng, quận Hồng Bàng). Nội dung trọng tâm tập trung vào quy mô dự án nâng cấp Nhà máy nước An Dương (249 Tôn Đức Thắng, quận Lê Chân). Dự án nằm trong khuôn khổ Hiệp định vay số 2961-VIE ký ngày 23/5/2013 và có hiệu lực từ 18/9/2013 giữa Chính phủ Việt Nam và Ngân hàng Phát triển châu Á (ADB), với tổng trị giá khoản vay 2 là 212 triệu USD (trong đó 207 triệu USD dành cho 6 dự án cấp nước tại Bình Dương, Đắk Lắk, Đà Nẵng, Hải Phòng, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế).
Công trình nâng cấp Nhà máy nước An Dương có tổng vốn đầu tư 1.579 tỷ đồng, thi công liên tục từ tháng 8/2013 đến tháng 3/2020 và khánh thành vào ngày 18/12/2020. Dự án hoàn thành giúp tăng gấp đôi công suất thiết kế từ 100.000 m³/ngày lên 200.000 m³/ngày, đồng thời xây dựng mới tuyến ống truyền tải D800 - D500 dài 4,5 km nhằm đảm bảo cấp nước sinh hoạt đạt chuẩn QCVN 01:2009/BYT cho 4 quận nội thành, Khu công nghiệp Đình Vũ và đảo Cát Hải. Đây là bước đệm hiện thực hóa mục tiêu nâng công suất cấp nước toàn đô thị Hải Phòng đạt 360.000 m³/ngày vào năm 2025 và hướng tới 1.000.000 m³/ngày vào năm 2050.
Chương 2: Hệ thống điện cấp nước của N.N An Dương - HP
Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước và danh mục toàn bộ hệ thống thiết bị điện, động lực, tủ bảng điện trong nhà máy. Nước thô từ sông được trạm bơm Quán Vĩnh đẩy qua 2 tuyến ống D800 và D1000 về bể tiếp nhận và khu xử lý sơ bộ UBCF. Dòng nước chảy tự nhiên theo cao trình thủy lực sang cụm xử lý DB06 (bể trộn cơ khí). Tại đây, hóa chất keo tụ PAC và vôi từ nhà hóa chất DB04 được châm trực tiếp và phân tán đồng đều nhờ 6 máy trộn nhanh công suất 30 kW. Nước tiếp tục qua 3 cấp bể phản ứng tạo bông cặn với 36 tổ máy khuấy có tốc độ giảm dần (công suất giảm từ 1,5 kW xuống 0,75 kW và 0,25 kW), đi vào bể lắng lamen với hệ thống 24 dàn máy cào bùn gạt đáy tự động (0,37 kW). Nước sau lắng được dẫn sang cụm bể lọc nhanh cát thạch anh DB03 (gồm 8 bàn lọc FCD1 - FCD8) có châm bổ sung clo khử trùng. Cuối cùng, nước sạch chảy vào bể chứa dung tích lớn, tiếp tục được châm clo dư duy trì trước khi trạm bơm cấp II (DB01) đẩy ra mạng lưới đường ống phân phối.
Chương này cũng lập bảng thống kê kỹ thuật toàn diện cho hơn 35 hạng mục thiết bị động lực (công suất, điện áp, dòng điện định mức, hệ số công suất, tốc độ vòng quay, lưu lượng, cột áp) từ các nhà sản xuất: Siemens, WEG, Yaskawa, Ebara, ABB, Iwaki, Reliance, ShinMaywa, Vihem, Teco... Đồng thời, tác giả khảo sát chi tiết cấu trúc cơ khí, thiết bị đóng cắt MCCB/ACB, mạch điều khiển của 16 tủ phân phối trạm bơm cấp II DB01, trạm rửa lọc DB02, trạm lọc DB03, tủ hóa chất DB04, trạm thu hồi nước DB05 và hệ thống camera hồng ngoại 360 độ kết nối giám sát trung tâm.
Chương 3: Hệ thống điều khiển bằng phần mềm
Chương 3 đi sâu vào nguyên lý tự động hóa, cấu trúc phần mềm điều khiển SCADA và cấu hình PLC tại phòng điều khiển trung tâm. Tác giả phân tích thuật toán phối hợp 6 tổ máy bơm tại trạm bơm nước sạch:
- Vào giờ bình thường, nhu cầu phụ tải mạng lưới đạt 5.000 - 6.000 m³/h, hệ thống tự động duy trì chạy 2/6 bơm.
- Vào giờ cao điểm, nhu cầu tăng lên 7.000 - 8.000 m³/h, hệ thống tự động khởi động bổ sung và chạy đồng thời 3/6 bơm.
Quy trình tự động hóa chu trình bơm và van được thiết lập chặt chẽ: trước khi khởi động, hệ thống yêu cầu mở van hút và xả sạch khí dư trong buồng bơm. Khi nhận lệnh chạy, bơm khởi động qua biến tần; sau thời gian từ 5 đến 10 giây khi áp lực buồng bơm đạt ngưỡng yêu cầu, van điện đầu đẩy mới tự động mở. PLC liên tục quét tín hiệu áp suất trên đường ống phát; nếu áp suất tụt dưới ngưỡng cài đặt, PLC tự động điều khiển biến tần tăng tần số để nâng tốc độ quay của bơm. Khi biến tần đã chạy kịch trần công suất mà áp lực vẫn không đạt, PLC sẽ tự động kích hoạt thêm tổ bơm dự phòng. Cơ chế luân phiên đổi bơm được cài đặt tự động định kỳ 8 giờ/lần (tương ứng 1 ca làm việc) hoặc tự động chuyển đổi khi cảm biến phát hiện nhiệt độ động cơ vượt ngưỡng cho phép.
Chương 3 cũng quy định chi tiết quy chuẩn mã màu và ký hiệu giao diện người - máy (HMI/SCADA):
- Trạng thái động cơ: Xanh (đang chạy), Đỏ (dừng), Vàng (báo lỗi).
- Trạng thái van điện: Xanh (đang mở), Đỏ (đóng hoàn toàn), Vàng - Đỏ nhấp nháy (lỗi kẹt van hoặc mất hành trình).
- Ký tự trạng thái:
IL (Interlock - khóa bảo vệ liên động/Estop, hiển thị màu đỏ); S (Signal/Feedback Fault - lỗi phản hồi tín hiệu, màu vàng); L (Local - điều khiển tại chỗ bằng tay tại tủ điện); R (Remote - điều khiển từ xa tự động tại tủ điện); M (Manual - điều khiển bằng tay trên SCADA); A (Auto - điều khiển tự động trên SCADA).
- Ký hiệu thiết bị:
P (Pump - máy bơm); M (Motor/Valve - động cơ máy khuấy/trộn/cào hoặc van điện); A (Air Blower - máy thổi khí/nén gió).
- Mã màu đường ống công nghệ: Xanh dương (đường ống dẫn nước sạch chung); Xanh da trời (ống nước kỹ thuật và nước rửa lọc); Cam (đường ống hóa chất phèn, vôi); Vàng (đường ống dẫn dung dịch Clo); Nâu (đường ống thu xả bùn).
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Kết quả chính
- Tổng hợp hoàn chỉnh dữ liệu thông số kỹ thuật của 100% hệ thống máy bơm, động cơ truyền động, thiết bị đo lường cảm biến và tủ điện hạ thế phục vụ công suất 200.000 m³/ngày tại Nhà máy nước An Dương.
- Hệ thống hóa cấu trúc điều khiển tự động hóa của trạm bơm nước sạch cấp II thông qua hệ thống đo lường trực tuyến gồm: 3 đồng hồ đo lưu lượng kích thước D700, D800, D1200; 2 cảm biến mức nước bể chứa 4.2; 2 đồng hồ đo áp lực nước phát; 1 bộ phân tích độ đục online; 1 bộ phân tích đo nồng độ Clo dư và độ pH trực tuyến.
- Phân tích chi tiết quy trình liên động điều khiển bơm và van đầu đẩy ở chế độ vận hành bằng tay:
- Liên động theo thời gian: Sau khi nhấn chạy bơm đạt khoảng thời gian trễ $T$ đặt trước, van đẩy tự động mở ra.
- Liên động theo tần số: Khi tần số biến tần tăng đạt hoặc vượt ngưỡng tần số mở van cài đặt ($f \ge f_{mở}$), van đẩy tự động mở.
- Liên động khi dừng: Nhấn nút dừng, biến tần tự động giảm tốc độ về tần số dừng ($f_{dừng}$), đồng thời phát lệnh đóng van đẩy; chỉ khi công tắc hành trình báo van đẩy đã đóng kín hoàn toàn thì mạch động lực máy bơm mới ngắt điện dừng hẳn, giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng búa nước (water hammer) gây vỡ đường ống.
Quy trình kỹ thuật đề xuất khi xảy ra sự cố
Tác giả nêu rõ quy trình xử lý chuyển mạch dự phòng tại chỗ khi hệ thống SCADA gặp sự cố:
- Gạt công tắc chuyển mạch "TĐ/TAY" trên mặt cánh tủ điện chức năng sang vị trí "TAY" (Manual).
- Đối với động cơ khởi động trực tiếp: Thao tác trực tiếp bằng các nút ấn cơ học "CHẠY" và "DỪNG" trên mặt cánh tủ; đối với van điện sử dụng các nút "MỞ", "ĐÓNG", "DỪNG".
- Đối với động cơ điều khiển bằng biến tần: Thực hiện xóa lỗi bằng cách truy cập menu
DIAGNOSTIC trên bảng điều khiển BOP, chọn ACK ALL, nhấn OK; nhấn phím ESC, chuyển chế độ sang HAND để vận hành điều tốc.
- Trường hợp biến tần bị treo truyền thông: Thực hiện rút giắc cáp mạng truyền thông kết nối với biến tần, tiến hành reset cục bộ và khởi động lại thiết bị độc lập.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án dừng lại ở mức độ khảo sát, mô tả kiến trúc công nghệ, hệ thống thiết bị phần cứng tủ bảng điện và phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống SCADA hiện hữu. Đề tài chưa trình bày chi tiết cấu trúc chương trình mã lệnh (ladder logic/FBD) trong các CPU PLC (Siemens S7-1500/300 hoặc tương đương), chưa đi sâu vào việc hiệu chỉnh các tham số bộ điều khiển PID số hay phân tích các chỉ số tiêu hao điện năng thực tế (kWh/m³) theo từng dải lưu lượng.
- Hướng mở rộng:
- Nghiên cứu tích hợp các thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc mạng nơ-ron nhân tạo vào vòng điều khiển kín biến tần nhằm tối ưu hóa điện năng tiêu thụ cho trạm bơm cấp II theo các kịch bản áp lực mạng lưới thời gian thực.
- Mở rộng mô hình liên kết truyền thông giữa SCADA nhà máy với hệ thống thông tin địa lý GIS để giám sát rò rỉ và áp lực trên toàn bộ mạng lưới truyền tải D800 - D500 cấp cho khu vực huyện đảo Cát Hải và Khu công nghiệp Đình Vũ.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn đối với:
- Sinh viên ngành Điện tự động công nghiệp, Tự động hóa quá trình công nghệ và Kỹ thuật điều khiển: Cung cấp mô hình tham khảo chuẩn mực về cấu trúc tủ điện phân phối hạ thế (DB01 - DB06), cách phân chia phụ tải từ máy biến áp công suất lớn (4000 kVA, 2000 kVA), và kiến trúc điều khiển liên động giữa biến tần, động cơ công suất lớn (560 kW) với van điện trong công nghiệp cấp thoát nước.
- Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm xử lý nước sạch: Cung cấp tài liệu tra cứu trực tiếp về danh mục thông số thiết bị, bảng mã hiển thị trạng thái SCADA, nguyên tắc giải mã lỗi và các bước chuyển đổi chế độ vận hành dự phòng bằng tay khi hệ thống tự động hóa gặp sự cố truyền thông.
Câu hỏi thường gặp
1. Nguồn vốn đầu tư và quy mô nâng công suất của Nhà máy nước An Dương được xác định như thế nào?
Dự án thuộc gói thầu mở rộng hệ thống cấp nước thành phố Hải Phòng giai đoạn 2, sử dụng nguồn vốn vay ưu đãi OCR từ Ngân hàng Phát triển châu Á (ADB) theo Hiệp định vay số 2961-VIE (trị giá 212 triệu USD cho ngành nước Việt Nam). Tổng mức đầu tư của riêng công trình nâng cấp Nhà máy nước An Dương là 1.579 tỷ đồng, nâng công suất xử lý từ 100.000 m³/ngày lên 200.000 m³/ngày, khánh thành vào ngày 18/12/2020.
2. Cấu hình cấp nguồn hạ thế cho 6 tổ máy bơm tại trạm bơm nước sạch cấp II được phân bổ ra sao?
Hệ thống sử dụng các máy biến áp hạ thế 22/0,4 kV: MBA 7 (4000 kVA) chịu trách nhiệm cấp nguồn cho 3 tổ bơm lớn gồm tổ số 1, 2 (560 kW) và tổ số 5 (500 kW); MBA 6 cấp nguồn cho tổ số 3 (560 kW); MBA 1 cấp nguồn cho tổ số 4 (560 kW); và MBA 2 cấp nguồn cho tổ số 6 (500 kW) cùng dàn tủ phụ trợ dự phòng DB01-4/3.
3. Số lượng tổ máy bơm trạm cấp II được huy động vận hành theo các khung giờ tiêu thụ nước như thế nào?
Vào các khung giờ bình thường khi lưu lượng phát đạt khoảng 5.000 - 6.000 m³/h, hệ thống tự động vận hành 2 trên tổng số 6 máy bơm. Vào các khung giờ cao điểm khi nhu cầu sử dụng nước tăng vọt lên mức 7.000 - 8.000 m³/h, hệ thống tự động kích hoạt chạy đồng thời 3 trên tổng số 6 máy bơm.
4. Nguyên lý điều khiển liên động bơm và van đầu đẩy tại trạm bơm nước sạch hoạt động như thế nào?
Khi khởi động, bơm chạy qua biến tần trước từ 5 - 10 giây; khi áp lực đạt yêu cầu (hoặc đạt thời gian trễ cài đặt, hoặc tần số bơm đạt ngưỡng cài đặt) thì van điện đầu đẩy mới tự động mở. Khi dừng, bơm giảm tần số về ngưỡng dừng đồng thời van đẩy bắt đầu đóng; chỉ khi van đẩy đóng kín hoàn toàn thì bơm mới dừng hẳn nhằm chống búa nước.
5. Khi hệ thống SCADA mất quyền kiểm soát, quy trình chuyển sang chạy bằng tay tại tủ điện được thực hiện qua các bước nào?
Bước 1: Gạt công tắc "TĐ/TAY" trên cánh tủ về chế độ TAY. Bước 2: Với động cơ thường, bấm nút "CHẠY"/"DỪNG" trên cánh tủ; với biến tần, vào menu DIAGNOSTIC trên BOP nhấn ACK ALL, bấm OK, bấm ESC, chuyển sang chế độ HAND và điều khiển bình thường; với van điện, bấm nút "MỞ"/"ĐÓNG"/"DỪNG". Bước 3: Nếu biến tần vẫn báo lỗi, rút dây cáp mạng truyền thông của biến tần, thực hiện reset và khởi động lại.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Ngọc Tiến đã hoàn thành việc khảo sát, phân tích toàn diện hệ thống cung cấp điện động lực và giải pháp điều khiển tự động hóa bằng SCADA/PLC tại Nhà máy nước An Dương Hải Phòng - một công trình trọng điểm công suất 200.000 m³/ngày được đầu tư từ nguồn vốn ODA của ADB. Công trình làm sáng tỏ cấu trúc phân phối phụ tải từ các trạm biến áp, nguyên lý điều khiển áp lực mạng lưới khép kín bằng biến tần và các thuật toán liên động bảo vệ an toàn cho hệ thống bơm - van công suất lớn. Đây là bản mô tả kỹ thuật có tính hệ thống cao, phản ánh sát thực tế vận hành công nghiệp và cung cấp nguồn tư liệu chuyên môn hữu ích cho công tác đào tạo, nghiên cứu thuộc chuyên ngành Điện Tự động công nghiệp.