Giới thiệu dự án

Hệ thống cấp nước đô thị đóng vai trò huyết mạch trong cơ sở hạ tầng của các đô thị hiện đại. Tại thành phố Hải Phòng – trung tâm công nghiệp và cảng biển trọng điểm miền Bắc, tốc độ đô thị hóa nhanh cùng sự mở rộng của các khu công nghiệp (KCN Đình Vũ, đảo Cát Hải) đặt ra áp lực cấp bách về công suất và độ ổn định cấp nước. Dự án Nâng cấp Nhà máy nước An Dương (thuộc Dự án mở rộng hệ thống cấp nước Hải Phòng giai đoạn 2, sử dụng nguồn vốn vay OCR từ Ngân hàng Phát triển Châu Á - ADB theo Hiệp định 2961-VIE trị giá 212 triệu USD) là công trình trọng điểm có tổng mức đầu tư 1.579 tỷ đồng, nâng công suất vận hành từ 100.000 $\text{m}^3$/ngày lên 200.000 $\text{m}^3$/ngày, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước sạch QCVN 01:2009/BYT.

                              DỰ ÁN NÂNG CẤP NHÀ MÁY NƯỚC AN DƯƠNG

Vấn đề cốt lõi đặt ra trong quá trình vận hành dây chuyền công nghệ xử lý nước công suất lớn là sự thiếu đồng bộ giữa các khâu cơ - điện truyền thống. Việc điều khiển bơm thủ công hoặc chạy định tốc gây lãng phí từ 25% đến 35% điện năng tiêu thụ, tạo dao động áp suất lớn trên đường ống truyền tải (D800 - D500 dài 4,5 km), tiềm ẩn nguy cơ vỡ ống do hiện tượng búa nước (water hammer) và không đảm bảo kiểm soát chính xác nồng độ hóa chất xử lý (PAC, vôi, Clo).

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống cấp nước của Nhà máy nước An Dương Hải Phòng" của tác giả Vũ Ngọc Tiến (ngành Điện Tự động Công nghiệp) tập trung giải quyết bài toán tự động hóa tích hợp toàn diện thông qua hệ thống SCADA và PLC, nhằm tối ưu hóa chu trình phân phối nước và định lượng hóa chất.

Mục tiêu cụ thể của dự án

  1. Xây dựng kiến trúc điều khiển tự động hóa phân tán: Ứng dụng PLC kết hợp biến tần VFD cho trạm bơm cấp II gồm 4 tổ bơm 560 kW và 2 tổ bơm 500 kW.
  2. Ổn định áp suất mạng lưới thời gian thực: Duy trì áp lực đầu ra ổn định theo điểm đặt ($P_{set} \pm 0.05 \text{ bar}$), tự động luân phiên và điều chỉnh số lượng tổ bơm vận hành theo nhu cầu lưu lượng (giờ bình thường: 5.000 - 6.000 $\text{m}^3$/h với 2/6 bơm; giờ cao điểm: 7.000 - 8.000 $\text{m}^3$/h với 3/6 bơm).
  3. Tự động hóa chu trình phụ trợ: Tự động hóa hệ thống châm hóa chất (nhà hóa chất DB04), cụm bể xử lý - lắng Lamen (DB06), và chu trình rửa lọc khí - nước tự động cho 8 bàn lọc (DB02, DB03, FCD 1-8).
  4. Giám sát tập trung qua SCADA: Xây dựng giao diện HMI/SCADA trực quan, hiển thị thông số điện áp, dòng điện, lưu lượng, áp lực, độ đục, pH, Clo dư và lưu trữ dữ liệu vận hành.
  5. Đảm bảo an toàn thiết bị: Thiết lập giải thuật liên động đóng/mở van theo tần số và thời gian, bảo vệ chống quá tải, báo lỗi phản hồi và hỗ trợ chuyển đổi linh hoạt các chế độ Local/Remote/Manual/Auto.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và yêu cầu kỹ thuật

Hệ thống điều khiển xử lý nước truyền thống tồn tại nhiều hạn chế về hiệu suất và tính linh hoạt so với mô hình SCADA/PLC hiện đại:

Tiêu chí so sánh Khởi động trực tiếp (DOL) / Sao-Tam giác Biến tần độc lập không tích hợp SCADA Giải pháp SCADA tích hợp PLC & VFD
Kiểm soát áp suất Kém, phụ thuộc đóng/mở van tiết lưu Trung bình, điều chỉnh cục bộ tại tủ Tối ưu, vòng kín PID tự động bù áp
Tiết kiệm điện năng Rất thấp (tổn thất cơ và điện cao) Tiết kiệm 10 - 15% Tiết kiệm 20 - 28% điện năng tiêu thụ
Hiện tượng búa nước Nguy cơ rất cao khi đóng/ngắt bơm Giảm nhẹ khi dừng mềm Triệt tiêu hoàn toàn nhờ liên động van
Giám sát & Cảnh báo Cảnh báo đèn báo pha tại chỗ Hiển thị màn hình BOP biến tần Tập trung trên SCADA, lưu trữ đồ thị Trend
Độ chính xác hóa chất Chỉnh tay tỉ lệ van định lượng Cố định lưu lượng bơm định lượng Tự động điều chỉnh theo lưu lượng nước thô 
                       MA TRẬN ƯU TIÊN YÊU CẦU HỆ THỐNG (MoSCoW)

Thiết kế kiến trúc hệ thống

Kiến trúc hệ thống tự động hóa nhà máy nước An Dương được phân tầng theo tiêu chuẩn tự động hóa công nghiệp ISA-95:

Danh mục công nghệ và thiết bị phần cứng

Dự án sử dụng các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn cao nhằm đáp ứng điều kiện làm việc liên tục $24/7$:

  • Hạ tầng cấp nguồn: 4 Máy biến áp hạ thế $22\text{ kV} / 0.4\text{ kV}$, gồm 01 MBA $4000\text{ kVA}$ (cấp nguồn cho tổ bơm 1, 2, 5), 01 MBA $2000\text{ kVA}$ (cụm bể lọc, hóa chất) và 02 MBA $1000\text{ kVA}$ (tổ bơm 3, 4, 6 và bể lắng).
  • Trạm bơm cấp II:
    • Tổ bơm 1, 2, 3, 4: Động cơ WEG W50 ($560\text{ kW}$, $400\text{V}-\Delta$, $I_{dm}=1010\text{A}$, $\cos\varphi=0.83$, $992\text{ v/p}$, cấp bảo vệ IP55, cách điện F).
    • Tổ bơm 5, 6: Động cơ Reliance Electric ($500\text{ kW}$, $380\text{V}-\Delta$, $I_{dm}=927\text{A}$, $\cos\varphi=0.83$, $989\text{ v/p}$, bơm LHP2300-50).
    • Hệ thống tủ biến tần VFD chuyên dụng điều khiển độc lập từng bơm.
  • Cụm xử lý & hóa chất: Động cơ hộp số Siemens FDU Series ($0.25\text{ kW} - 30\text{ kW}$) cho hệ thống khuấy trộn phản ứng 3 cấp và cào bùn; bơm định lượng hóa chất Iwaki MDM25 ($2.04\text{ m}^3\text{/h}$, $H=20\text{m}$) và Ebara 50MDP.
  • Trạm rửa lọc U-BCF: 02 Máy thổi khí Hitachi/ShinMaywa ARS200E ($37\text{ kW}$, $1680\text{ m}^3\text{/h}$, $0.49\text{ bar}$) kết hợp bơm rửa lọc công suất lớn.
  • Thiết bị đo lường: Đồng hồ đo lưu lượng điện từ cỡ ống D700, D800, D1200; cảm biến áp suất dải $0 - 10\text{ bar}$; cảm biến đo mức siêu âm bể chứa; đầu đo trực tuyến pH, Clo dư và độ đục.

Implementation và kết quả

Giải thuật điều khiển và nguyên lý liên động

Điểm mấu chốt trong điều khiển trạm bơm nước sạch DB01 là duy trì áp suất mạng lưới ổn định và loại bỏ sốc áp cơ học thông qua giải thuật liên động van - bơm.

                  QUY TRÌNH LIÊN ĐỘNG KHỞI ĐỘNG BƠM & MỞ VAN ĐẦU ĐẨY

Đoạn mã SCL (Structured Control Language) điều khiển PID và khóa liên động van đầu đẩy

FUNCTION_BLOCK FB_Pump_Pressure_Control
TITLE = 'He thong dieu khien ap suat va lien dong van bom cap nuoc'
VAR_INPUT
    bStart_Cmd       : BOOL;        // Lenh khoi dong bom tu SCADA/Auto
    bStop_Cmd        : BOOL;        // Lenh dung bom
    rPressure_SP     : REAL;        // Ap suat cai dat (bar)
    rPressure_PV     : REAL;        // Ap suat thuc te do tu cam bien (bar)
    rFreq_ValveOpen  : REAL := 35.0;// Tan so toi thieu de mo van day (Hz)
    tValve_Delay     : TIME := T#8S;// Thoi gian tre mo van sau khi chay bom
    bValve_Opened_FB : BOOL;        // Tin hieu phan hoi van day da mo het
    bValve_Closed_FB : BOOL;        // Tin hieu phan hoi van day da dong het
    bEStop           : BOOL;        // Dung khan cap
END_VAR

VAR_OUTPUT
    bPump_Run        : BOOL;        // Lenh chay bien tan
    rFreq_Output     : REAL;        // Tan so xuat toi VFD (0.0 - 50.0 Hz)
    bOpen_Valve_Cmd  : BOOL;        // Lenh mo van dien dau day
    bClose_Valve_Cmd : BOOL;        // Lenh dong van dien dau day
    bFault_Alarm     : BOOL;        // Canh bao su co
END_VAR

VAR
    iState           : INT := 0;    // 0: Idle, 1: Starting, 2: Running, 3: Stopping
    tonDelay         : TON;         // Timer dem thoi gian tre
    rPID_Error       : REAL;
    rPID_Integral    : REAL := 0.0;
    rKp              : REAL := 12.5;// He so khuech dai ti le
    rKi              : REAL := 0.8; // He so tich phan
END_VAR

// Xu ly khoa an toan E-Stop
IF bEStop THEN
    bPump_Run := FALSE;
    bOpen_Valve_Cmd := FALSE;
    bClose_Valve_Cmd := TRUE;
    rFreq_Output := 0.0;
    iState := 0;
    bFault_Alarm := TRUE;
    RETURN;
END_IF;

CASE iState OF
    0: // Trang thai dung (IDLE)
        bPump_Run := FALSE;
        bOpen_Valve_Cmd := FALSE;
        rFreq_Output := 0.0;
        IF bStart_Cmd AND NOT bStop_Cmd THEN
            iState := 1; // Chuyen sang khoi dong
        END_IF;

    1: // Khoi dong bom & tang toc toi tan so khoi diem
        bPump_Run := TRUE;
        rFreq_Output := 25.0; // Khoi dong o tan so co so
        tonDelay(IN := TRUE, PT := tValve_Delay);
        
        // Kiem tra dieu kien lien dong: dat tan so hoac het thoi gian tre
        IF (rFreq_Output >= rFreq_ValveOpen) OR tonDelay.Q THEN
            bOpen_Valve_Cmd := TRUE;
            bClose_Valve_Cmd := FALSE;
            IF bValve_Opened_FB THEN
                tonDelay(IN := FALSE);
                iState := 2; // Van mo hoan toan -> chuyen sang dieu khien PID
            END_IF;
        END_IF;

    2: // Vong kin dieu khien PID on dinh ap suat mang luoi
        rPID_Error := rPressure_SP - rPressure_PV;
        rPID_Integral := rPID_Integral + (rPID_Error * 0.1 * rKi);
        
        // Gioi han chong bao hoa tich phan (Anti-windup)
        IF rPID_Integral > 15.0 THEN rPID_Integral := 15.0; END_IF;
        IF rPID_Integral < -15.0 THEN rPID_Integral := -15.0; END_IF;
        
        rFreq_Output := 35.0 + (rKp * rPID_Error) + rPID_Integral;
        
        // Bo kep dai tan so VFD tu 25.0Hz den 50.0Hz
        IF rFreq_Output > 50.0 THEN rFreq_Output := 50.0; END_IF;
        IF rFreq_Output < 25.0 THEN rFreq_Output := 25.0; END_IF;
        
        IF bStop_Cmd THEN
            iState := 3; // Chuyen sang quy trinh dung an toan
        END_IF;

    3: // Giam toc & dong van tranh bua nuoc
        rFreq_Output := 25.0; // Giam ve tan so toi thieu
        bOpen_Valve_Cmd := FALSE;
        bClose_Valve_Cmd := TRUE;
        
        // Khi van da dong hoan toan, ngat bom
        IF bValve_Closed_FB THEN
            bPump_Run := FALSE;
            rFreq_Output := 0.0;
            iState := 0;
        END_IF;
END_CASE;
END_FUNCTION_BLOCK

Kết quả thử nghiệm và kiểm chứng hệ thống

Hệ thống điều khiển SCADA/PLC sau khi đưa vào vận hành thực tế tại Nhà máy nước An Dương đã trải qua các đợt kiểm thử hiệu năng nghiêm ngặt:

Thông số đo lường Mục tiêu thiết kế ban đầu Kết quả đạt được thực tế Đánh giá cải thiện
Công suất xử lý tổng $200.000\text{ m}^3\text{/ngày}$ $205.400\text{ m}^3\text{/ngày}$ Đạt $102.7%$ công suất định mức
Độ ổn định áp suất mạng Sai số $\pm 0.2\text{ bar}$ Sai số $\pm 0.04\text{ bar}$ Độ chính xác tăng gấp 5 lần
Điện năng tiêu thụ bình quân $\le 0.22\text{ kWh/m}^3$ $0.176\text{ kWh/m}^3$ Tiết kiệm $20.0%$ chi phí điện
Thời gian đáp ứng điều khiển $< 1.0\text{ s}$ $250\text{ ms}$ Vượt tiêu chuẩn SCADA thời gian thực
Sự cố búa nước trên tuyến ống $\le 1\text{ vụ/năm}$ $0\text{ vụ}$ (trong 12 tháng) Triệt tiêu hoàn toàn sốc áp lực
Thời gian một chu trình rửa lọc $45\text{ phút/bể}$ $28\text{ phút/bể}$ Giảm $37.7%$ thời gian gián đoạn

Đổi mới và đóng góp

  1. Thuật toán liên động van - tần số hai pha: Khắc phục triệt để hiện tượng quá áp tức thời bằng cách đồng bộ tín hiệu phản hồi hành trình góc mở van bướm điện với độ dốc tăng tần số của biến tần ($df/dt$).
  2. Cơ chế luân phiên đổi bơm thông minh: Tự động giám sát tổng giờ chạy tích lũy của từng tổ động cơ 560 kW và nhiệt độ cuộn dây stator; thực hiện chuyển đổi bơm tự động sau mỗi 8 giờ (hết ca làm việc) mà không gây sụt áp mạng lưới.
  3. Chu trình rửa lọc tự động tuần tự 4 bước: Tự động hóa hoàn toàn quy trình xả cặn - thổi khí ($1680\text{ m}^3\text{/h}$) - rửa nước kết hợp khí - xả nước lọc đầu cho 8 bể lọc nhanh FCD, nâng cao tuổi thọ lớp vật liệu lọc cát thạch anh và than hoạt tính.
  4. Hệ thống giám sát đa tầng tích hợp: Kết hợp trực tiếp dữ liệu điều khiển SCADA thời gian thực với hệ thống camera hồng ngoại 360° tầm quét 20 - 30m tại các trạm bơm và bể lắng, cho phép vận hành an toàn từ phòng điều khiển trung tâm mà không cần nhân viên túc trực tại hiện trường.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế

  • Chế độ giờ bình thường (Nhu cầu thấp: $5.000 - 6.000\text{ m}^3\text{/h}$): Hệ thống PLC tự động kích hoạt 02 tổ bơm chính (Ví dụ: Bơm 1 và Bơm 2). Biến tần điều chỉnh dải tần số từ $38\text{ Hz}$ đến $44\text{ Hz}$ để duy trì áp lực đầu ra đạt chuẩn $4.2\text{ bar}$.
  • Chế độ giờ cao điểm (Nhu cầu cao: $7.000 - 8.000\text{ m}^3\text{/h}$): Khi áp suất mạng có xu hướng tụt dưới ngưỡng $P_{set} - 0.1\text{ bar}$ dù 2 bơm đã chạy $50\text{ Hz}$, PLC tự động khởi động mềm thêm tổ bơm số 3, phân chia tải đều qua giải thuật PID đa biến, đảm bảo áp suất toàn tuyến không đổi.
                           KỊCH BẢN VẬN HÀNH THEO PHỤ TẢI

Hiệu quả kinh tế và lộ trình mở rộng

              HIỆU QUẢ KINH TẾ DỰ ÁN TRÊN CÔNG SUẤT 200.000 M³/NGÀY

Công trình là bước đệm kỹ thuật vững chắc để Hải Phòng đạt mục tiêu nâng công suất cấp nước toàn đô thị lên $360.000\text{ m}^3\text{/ngày}$ đến năm 2025 và hướng tới $1.000.000\text{ m}^3\text{/ngày}$ theo quy hoạch đến năm 2050.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật hiện tại: Chưa tích hợp giao thức truyền thông không dây băng rộng 5G/NB-IoT với các trạm quan trắc áp lực ở cuối nguồn mạng lưới phân phối; các thuật toán bù áp hiện tại chủ yếu căn cứ vào cảm biến tại trạm bơm trung tâm.
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    1. Tích hợp mô hình toán học thủy lực số hóa (Digital Twin kết hợp WaterGEMS) với hệ thống SCADA để tính toán tổn thất áp lực động trên toàn bộ mạng lưới truyền tải D800-D500.
    2. Nghiên cứu ứng dụng điều khiển dự báo theo mô hình (Model Predictive Control - MPC) nhằm tối ưu hóa lượng điện tiêu thụ theo biểu giá điện giờ cao điểm/thấp điểm của EVN.
    3. Ứng dụng thuật toán phân tích bất thường dựa trên học máy (Machine Learning) để cảnh báo sớm rò rỉ hoặc vỡ ngầm đường ống cấp nước đô thị.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên chuyên ngành Tự động hóa / Điện công nghiệp: Nắm bắt mô hình kiến trúc SCADA thực tế trong công nghiệp xử lý nước, phương pháp phân tích tủ điện động lực (DB01 - DB06), và kỹ năng lập trình SCL/PLC điều khiển biến tần công suất lớn ($560\text{ kW}$).
  • Kỹ sư vận hành và tích hợp hệ thống (System Integrators): Tham khảo giải pháp thiết kế khóa liên động an toàn van - bơm, quy trình súc rửa lọc tự động và thiết kế giao diện HMI chuẩn công nghiệp.
  • Doanh nghiệp quản lý và cấp thoát nước: Mô hình mẫu về tối ưu hóa chi phí vận hành, tiết kiệm năng lượng điện, giảm tỷ lệ thất thoát nước sạch và nâng cao tuổi thọ đường ống cấp nước đô thị.
  • Nhà nghiên cứu hệ thống hạ tầng đô thị: Cung cấp số liệu thực nghiệm về đáp ứng động học và độ tin cậy của mạng lưới cấp nước công suất lớn phục vụ các công trình nghiên cứu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu PLC công nghiệp có hỗ trợ truyền thông Profinet/Ethernet/IP, tối thiểu 64 kênh Digital Input/Output, 16 kênh Analog Input độ phân giải 16-bit, biến tần công suất tương thích với động cơ (lên đến 560 kW), hệ thống mạng cáp quang công nghiệp vòng Ring dự phòng (Redundancy) và máy chủ SCADA chạy hệ điều hành Windows Server với phần mềm WinCC V7.5 hoặc TIA Portal V16 trở lên.

2. Hệ thống xử lý thế nào khi xảy ra sự cố mất truyền thông giữa SCADA và PLC?

Khi mất kết nối mạng SCADA, từng trạm PLC tại chỗ (DB01-PLC đến DB06-PLC) tự động chuyển sang chế độ hoạt động độc lập (Standalone Auto Mode), duy trì thuật toán điều khiển PID và liên động an toàn cục bộ. Người vận hành có thể can thiệp trực tiếp thông qua màn hình LCU/BOP tại cánh tủ bằng công tắc chuyển mạch "TAY/TỰ ĐỘNG".

3. Làm thế nào để mở rộng thêm tổ bơm hoặc bể lọc mới vào hệ thống SCADA hiện hữu?

Nhờ kiến trúc mạng Ethernet công nghiệp phân tán, việc mở rộng được thực hiện bằng cách thêm tủ trạm mới (ví dụ DB07-PLC), định cấu hình địa chỉ IP trong mạng Profinet, import các khối hàm chức năng tiêu chuẩn (Function Blocks) và bổ sung giao diện đồ họa trên trạm SCADA trung tâm mà không làm gián đoạn dây chuyền đang chạy.

4. Chi phí bảo trì định kỳ của hệ thống điều khiển tự động hóa gồm những gì?

Chi phí bảo trì bao gồm: Hiệu chuẩn định kỳ cảm biến phân tích nước (pH, Clo, độ đục) 6 tháng/lần; vệ sinh quạt tản nhiệt, lọc bụi tủ biến tần VFD và kiểm tra siết lực đầu cos điện; sao lưu cơ sở dữ liệu nhật ký vận hành SCADA và kiểm tra ắc quy hệ thống nguồn lưu điện UPS online.

5. Thời gian thu hồi vốn đầu tư (ROI) của dự án tự động hóa được tính toán ra sao?

Thời gian thu hồi vốn đạt khoảng 3,2 năm. Tính toán dựa trên mức tiết kiệm $20.0%$ điện năng tiêu thụ cho dàn động cơ bơm cấp II công suất lớn ($4 \times 560\text{ kW} + 2 \times 500\text{ kW}$), giảm thiểu $100%$ chi phí sửa chữa khắc phục sự cố búa nước trên tuyến ống D800 và cắt giảm $40%$ lượng hóa chất tiêu hao nhờ định lượng tự động chính xác.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống cấp nước của Nhà máy nước An Dương Hải Phòng" đã nghiên cứu và ứng dụng thành công hệ thống tự động hóa tích hợp SCADA và PLC cho một trong những nhà máy cấp nước quy mô lớn nhất miền Bắc ($200.000\text{ m}^3\text{/ngày}$). Dự án không chỉ giải quyết triệt để bài toán ổn định áp lực mạng lưới và loại bỏ nguy cơ búa nước, mà còn đóng góp trực tiếp vào mục tiêu phát triển bền vững của thành phố Hải Phòng thông qua việc tiết kiệm hơn 3,2 triệu kWh điện mỗi năm. Đây là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị, có tính ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên, kỹ sư và các nhà quản lý trong ngành tự động hóa cấp thoát nước đô thị.