Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp và hệ thống hạ tầng đô thị hiện đại, hệ thống bơm chất lỏng giữ vai trò thiết yếu, phục vụ từ việc cung cấp nước sinh hoạt, xử lý nước thải, tưới tiêu thủy lợi cho đến việc luân chuyển dầu và hóa chất trong các nhà máy. Tại nhiều cơ sở sản xuất, trạm bơm được xem là phụ tải loại 1; sự cố gián đoạn của hệ thống bơm có thể dẫn đến đình trệ dây chuyền, gây thiệt hại nghiêm trọng về mặt kinh tế cũng như ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và giá thành sản phẩm.

Trước sự phát triển của công nghệ tự động hóa, các phương pháp điều khiển đóng cắt truyền thống sử dụng rơle hoặc cơ cấu cam cơ khí dần bộc lộ nhiều hạn chế như: độ linh hoạt thấp, kích thước tủ điều khiển cồng kềnh, khó thay đổi thuật toán và hao mòn cơ khí nhanh. Bên cạnh đó, các động cơ bơm khi khởi động trực tiếp thường gây sụt áp lưới điện và tạo ra hiện tượng búa nước trong đường ống, đồng thời không thể điều chỉnh vô cấp lưu lượng và áp suất theo nhu cầu tiêu thụ thực tế. Việc kết hợp bộ điều khiển lập trình logic (PLC) cùng thiết bị biến tần bán dẫn giúp giải quyết triệt để các vấn đề trên, cho phép điều khiển linh hoạt, tối ưu hóa năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị cơ điện.

Đề tài đồ án tốt nghiệp đại học chính quy ngành Điện Tự Động Công Nghiệp với tên gọi "Nghiên cứu tổng quan về hệ thống bơm trong công nghiệp. Thiết kế hệ thống bơm luân phiên điều khiển bằng PLC và biến tần" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Quốc Tưởng (MSV: 1412101058, Lớp ĐC1802), dưới sự hướng dẫn của Th.S Đinh Thế Nam tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định qua các nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính làm việc và các giải pháp ghép nối tăng lưu lượng, cột áp của máy bơm công nghiệp.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, tập lệnh của bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens S7-200 và các thông số cài đặt, cổng điều khiển của biến tần LS iG5A.
  3. Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển và xây dựng thuật toán, chương trình điều khiển luân phiên hệ thống bơm trên phần mềm lập trình chuyên dụng.
  • Đối tượng nghiên cứu: Các loại máy bơm công nghiệp (bơm ly tâm, bơm pittông), bộ điều khiển logic khả trình PLC Simatic S7-200 (các dòng CPU 212, CPU 214, CPU 216) và biến tần LS Starvert iG5A.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đồ án được thực hiện trong khuôn khổ chương trình đào tạo kỹ sư Điện Tự động công nghiệp tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, triển khai từ năm 2018 và hoàn thành bảo vệ vào năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ sở của ngành kỹ thuật điện và tự động hóa:

  • Lý thuyết thủy lực và máy thủy khí: Phân tích phương trình đặc tính làm việc của bơm thể hiện mối quan hệ giữa cột áp và lưu lượng $H = f(Q)$, đặc tính công suất phụ thuộc lưu lượng $N = f(Q)$, cùng nguyên lý ghép bơm song song (tăng lưu lượng) và ghép bơm nối tiếp (tăng cột áp).
  • Lý thuyết điều khiển logic lập trình: Cấu trúc bộ nhớ, chu trình quét vòng lặp (scan cycle) và xử lý ngắt, logic Boolean trên dòng vi điều khiển PLC S7-200.
  • Kỹ thuật truyền động điện và biến đổi tần số: Nguyên lý điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha thông qua điều khiển tần số nguồn cấp từ biến tần bán dẫn.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập và hệ thống hóa tài liệu kỹ thuật về các họ máy bơm, sổ tay tra cứu thiết bị tự động hóa của Siemens và hãng thiết bị điện LS Industrial Systems.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn thiết bị đóng cắt, bảo vệ (MCCB, contactor, rơle), thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và sơ đồ đấu nối vào/ra (I/O) giữa PLC, biến tần và các phần tử trường (cảm biến mức, nút ấn, đèn báo).
  • Phương pháp lập trình điều khiển: Sử dụng ngôn ngữ sơ đồ bậc thang (Ladder Logic - LAD) và danh sách lệnh (Statement List - STL) trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN để hiện thực hóa thuật toán luân phiên các bơm.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án xuất phát từ tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính hãng của dòng biến tần LS iG5A (cấp điện áp 200–230V và 380–460V), tài liệu kỹ thuật dòng PLC Simatic S7-200 của hãng Siemens, cùng các quy chuẩn kỹ thuật theo hệ thống quản lý chất lượng ISO 9001:2015 của cơ sở đào tạo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống bơm

Chương này trình bày toàn diện về vai trò, phân loại và các yếu tố kỹ thuật vận hành máy bơm trong công nghiệp:

  • Khái niệm và phân loại bơm: Máy bơm là thiết bị thủy lực dùng để chuyển đổi cơ năng từ máy lai (động cơ điện, động cơ diesel) thành động năng và áp năng của dòng chất lỏng. Văn bản phân loại bơm theo hai tiêu chí:
    • Theo nguyên lý làm việc/cấp năng lượng: Bơm thể tích (bơm pittông, bơm rotor - chất lỏng nhận năng lượng nhờ sự thay đổi thể tích làm việc) và Bơm động học (bơm ly tâm, bơm hướng trục, bơm xoáy lốc, bơm tia, bơm sục khí, bơm điện từ - chất lỏng nhận động năng từ cánh bơm hoặc ma sát).
    • Theo cấu tạo: Bơm cánh quạt (phổ biến nhất là bơm ly tâm dùng trong cấp thoát nước), bơm pittông và bơm rotor (dùng cho dầu, hóa chất, bùn).
  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
    • Bơm ly tâm: Cấu tạo gồm bánh công tác, trục bơm, bộ phận dẫn hướng vào/ra và ống hút. Khi vận hành, buồng bơm và ống hút phải được mồi đầy nước qua van giữ nước (van luppe). Khi cánh bơm quay, lực ly tâm đẩy chất lỏng ra ngoài với áp suất cao, tâm cánh bơm hình thành vùng chân không hút chất lỏng từ bể chứa lên liên tục.
    • Bơm pittông: Vận hành dựa trên chuyển động tịnh tiến qua lại của pittông trong xilanh, kết hợp van hút và van đẩy một chiều. Lưu lượng của bơm pittông có đặc tính dao động theo chu kỳ, gây rung động áp suất; để khắc phục cần trang bị thêm bình tích áp (bình khí điều hòa) hoặc sử dụng bơm nhiều xilanh.
  • Đặc tính làm việc và chế độ mở máy: Đường đặc tính công suất $N(Q)$ của bơm ly tâm đạt giá trị cực tiểu khi lưu lượng $Q = 0$. Do đó, chế độ khởi động hợp lý nhất của bơm ly tâm là đóng van ống đẩy lúc mở máy để giảm dòng khởi động cho động cơ, sau đó mở van dần dần sau 1 đến 2 phút nhằm tránh chất lỏng bị đun nóng do cơ năng chuyển hóa thành nhiệt.
  • Sơ đồ khối và các phần tử quan trọng trong trạm bơm: Phân tích vai trò của máy lai (động cơ điện), buồng bơm, bể hút (có cảm biến giám sát cạn nước), bể chứa trên cao (sử dụng phao điện đối với nước sạch hoặc cảm biến điện dung/tần số không tiếp điểm đối với dung dịch dễ cháy nổ), ống đẩy có van một chiều và đồng hồ đo áp lực.
  • Phương pháp ghép bơm:
    • Ghép song song: Dùng khi cần tăng lưu lượng vượt khả năng của một máy bơm đơn lẻ. Các bơm làm việc ở cùng cột áp ($H_1 = H_2 = \dots = H_n$). Để đạt hiệu quả cao, cần chọn các bơm có đường đặc tính gần giống nhau và độ dốc nhỏ.
    • Ghép nối tiếp: Dùng khi cần tăng cột áp lên cao. Các bơm làm việc ở cùng lưu lượng; bơm tầng sau phải chịu áp suất cao hơn bơm tầng trước nên yêu cầu độ bền cơ học cao và đặc tính bơm phải có độ dốc lớn.

Chương 2: Tổng quan về PLC và biến tần

Chương này tập trung trình bày chi tiết về hai thiết bị cốt lõi trong hệ thống điều khiển tự động: biến tần LS họ iG5A và PLC Siemens Simatic S7-200.

1. Biến tần LS (iG5A)

Biến tần Starvert iG5A của hãng LS có kích thước nhỏ gọn, dải công suất đa dạng, cho phép điều khiển tối đa 8 cấp tốc độ và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ.

Thông số kỹ thuật Dòng điện áp 200–230V Dòng điện áp 380–460V
Pha nguồn vào 1 pha hoặc 3 pha 3 pha
Công suất tải động cơ 0.5 HP – 5.0 HP 0.5 HP – 5.7 HP
Tần số điều khiển ra 0.1 – 400 Hz 0.1 – 400 Hz
Dòng điện tiêu thụ 3.0 – 17.0 A 1.85 – 4.0 A
Nhiệt độ môi trường -10°C đến 40°C -10°C đến 40°C
Độ ẩm cho phép < 90% RH < 90% RH
Áp suất làm việc 86 – 106 kPa 86 – 106 kPa
  • Nhóm DRV (Drive Group): Cài đặt tần số cơ bản, thời gian tăng tốc/giảm tốc, hướng quay và chế độ chạy.
  • Nhóm FU1 (Function Group 1): Cài đặt tần số cực đại, đặc tuyến mô-men xoắn, các ngưỡng bảo vệ quá tải, quá nhiệt.
  • Nhóm FU2 (Function Group 2): Chọn đại lượng hiển thị, khôi phục thông số xuất xưởng (factory reset), khóa dữ liệu bảo vệ và chế độ điều khiển PID.
  • Nhóm I/O (Input/Output Group): Cài đặt chức năng các chân đa cấp tốc độ, cấu hình giao tiếp mạng RS-485 và chuẩn Modbus.
  • Yêu cầu lắp đặt và sơ đồ đấu nối: Biến tần cần duy trì khoảng cách tối thiểu 150 mm theo chiều đứng và 50 mm theo chiều ngang so với thành tủ hoặc thiết bị lân cận. Nguồn cấp vào các trạm R, S, T (hoặc R, T cho loại 1 pha) qua thiết bị ngắt mạch MCCB; động cơ 3 pha nối vào các đầu ra U, V, W. Mạch điều khiển gồm các chân số đa chức năng P1, P2, P3, chân chạy thuận FX, chạy nghịch RX, chạy nhắp J, dừng khẩn cấp BX, chân reset lỗi RST, cùng các đầu vào Analog tần số chuẩn VR (nguồn 12V), V1 (0–10V), I (4–20mA) và tiếp điểm rơle báo lỗi 30A-30C.

2. Bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-200

  • Cấu hình phần cứng: Cấu trúc dạng module gồm khối vi xử lý CPU, khối cấp nguồn PSCN 24VDC, module mở rộng vào/ra và module ghép nối truyền thông.
    • CPU 212: Tích hợp 8 cổng vào / 6 cổng ra số, khả năng mở rộng tối đa 2 module.
    • CPU 214: Tích hợp 14 cổng vào / 10 cổng ra số, khả năng mở rộng tối đa 7 module.
    • CPU 216: Tích hợp 24 cổng vào / 16 cổng ra số, khả năng mở rộng tối đa 14 module.
  • Tổ chức bộ nhớ S7-200:
    • Vùng nhớ chương trình (Program Memory): Lưu mã điều khiển bằng EEPROM/RAM.
    • Vùng nhớ tham số (Parameter Memory): Lưu trữ địa chỉ trạm, mật khẩu, từ khóa cấu hình.
    • Vùng nhớ dữ liệu (Data Memory): Phân chia thành các miền biến số V, bộ đệm cổng vào I, bộ đệm cổng ra Q, cờ nhớ nội M và miền nhớ đặc biệt SM.
    • Vùng nhớ đối tượng (Object Memory): Lưu trạng thái và giá trị tức thời của Timer, Counter, bộ đếm tốc độ cao (HSC) và các thanh ghi tích lũy AC.
  • Chu trình quét (Scan Cycle): Quá trình xử lý diễn ra lặp tuần hoàn gồm 4 giai đoạn: (1) Đọc dữ liệu từ cổng vào vật lý vào vùng đệm ảo; (2) Thực thi lệnh chương trình từ đầu đến lệnh kết thúc MEND; (3) Truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi phần cứng; (4) Cập nhật dữ liệu từ vùng đệm ảo ra các cổng xuất vật lý.
  • Tập lệnh cơ bản:
    • Lệnh vào/ra và logic: LD, LDN, LDI, LDNI, gán đầu ra =, Set (S), Reset (R), cùng các toán tử Boolean A, AN, O, ON.
    • Lệnh định thời Timer: Gồm loại trễ không nhớ TON (tự reset khi đầu vào ngắt) và loại trễ có nhớ TONR (giữ nguyên giá trị khi đầu vào ngắt, chỉ reset bằng lệnh R). Cung cấp 3 cấp độ phân giải: 1ms, 10ms và 100ms với dải đặt thời gian tối đa 3276,7s.
    • Lệnh đếm Counter: Gồm bộ đếm tiến CTU và bộ đếm tiến/lùi CTUD với giá trị đếm cực đại lên tới 32.767.
    • Lệnh so sánh và số học: Các lệnh so sánh theo kiểu dữ liệu Byte (B), Integer (I), Double Integer (D), Real (R) (==, >=, <=) và các phép tính cộng, trừ, nhân, chia, lấy căn bậc hai.

Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống

Chương này trình bày giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm xây dựng hệ thống bơm luân phiên:

  • Yêu cầu công nghệ:
    • Đảm bảo cung cấp lưu lượng và áp suất ổn định theo tải tiêu thụ.
    • Thực hiện chế độ chạy luân phiên giữa các máy bơm theo thời gian định trước để cân bằng hao mòn cơ khí và số giờ vận hành của từng tổ máy.
    • Tự động chuyển đổi máy bơm dự phòng khi bơm đang chạy gặp sự cố quá tải hoặc mất áp lực.
    • Bảo vệ an toàn chống chạy không tải khi mực nước bể hút xuống thấp (cạn bể) và bảo vệ chống quá áp trên đường ống đẩy.
  • Thiết kế mạch động lực: Hệ thống sử dụng nguồn 3 pha cấp qua aptomat khối MCCB chính. Mỗi động cơ bơm được trang bị hai nhánh contactor: một nhánh kết nối qua đầu ra của biến tần LS iG5A (chạy điều chỉnh tốc độ) và một nhánh đóng trực tiếp vào lưới điện qua rơle nhiệt bảo vệ (khi chuyển đổi bơm trực tiếp hoặc vận hành bằng tay). Khóa liên động điện và cơ khí giữa các contactor được bố trí để ngăn ngừa ngắn mạch giữa đầu ra biến tần và nguồn lưới.
  • Thiết kế mạch điều khiển và kết nối PLC:
    • Tín hiệu đầu vào (Inputs): Kết nối với các nút ấn Start, Stop, Emergency Stop, chuyển mạch Auto/Man, tín hiệu phao báo cạn bể hút, phao báo tràn bể chứa, cảm biến áp suất trên đường ống đẩy và tiếp điểm báo lỗi từ biến tần/rơle nhiệt.
    • Tín hiệu đầu ra (Outputs): Điều khiển cuộn hút của các contactor chuyển mạch động cơ, các rơle trung gian kích hoạt chân chạy thuận FX, chọn cấp tốc độ P1–P3 của biến tần và hệ thống đèn báo trạng thái (Bơm chạy, Bơm nghỉ, Báo lỗi).
  • Xây dựng chương trình điều khiển: Viết bằng ngôn ngữ LAD trên STEP 7-Micro/WIN. Chương trình gồm khối điều khiển chế độ khởi động, khối định thời gian luân phiên sử dụng Timer TON, khối giám sát áp suất/mực nước, và khối xử lý ngắt chuyển mạch an toàn khi xảy ra sự cố quá tải.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và phân bổ thiết bị

Hệ thống điều khiển trạm bơm luân phiên được cấu hình từ các phần tử tự động hóa công nghiệp tiêu chuẩn:

[ Nguồn điện 3 Pha / 1 Pha ]
          [ MCCB ]
[Contactor Lưới] [Biến tần LS iG5A]
    [ Rơle Nhiệt ]
     [ Động cơ Bơm ]

Bảng phân bổ cổng ghép nối PLC S7-200

Nhóm tín hiệu Ký hiệu chân Địa chỉ PLC Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Đầu vào số (DI) Start / Stop I0.0 / I0.1 Nút ấn khởi động và dừng toàn bộ hệ thống
Auto / Man I0.2 Chuyển mạch chế độ Tự động hoặc Bằng tay
Low Level I0.3 Phao báo cạn bể hút (ngắt bơm bảo vệ không tải)
High Level I0.4 Phao báo đầy bể chứa (ngắt bơm chống tràn)
Pressure Sw I0.5 Công tắc áp suất giám sát đường ống đẩy
Inverter Fault I0.6 Tín hiệu tiếp điểm báo sự cố từ chân 30A-30C của biến tần
OL Relay I0.7 Tiếp điểm rơle nhiệt bảo vệ quá tải động cơ
Đầu ra số (DO) Run Inverter Q0.0 Kích chân FX trên biến tần để chạy động cơ
Speed Select Q0.1 Kích chân P1/P2 điều khiển tốc độ biến tần
Contactor M1 Q0.2 Đóng contactor cấp nguồn biến tần cho Bơm 1
Contactor M2 Q0.3 Đóng contactor cấp nguồn biến tần cho Bơm 2
Contactor Direct Q0.4 Đóng contactor chạy trực tiếp lưới khi chuyển cấp
Alarm Horn/Lamp Q0.5 Còi và đèn tín hiệu cảnh báo sự cố

Thuật toán điều khiển luân phiên

Thuật toán vận hành tự động tuân thủ chu trình sau:

  1. Khi nhấn Start và mực nước bể hút đạt yêu cầu (I0.3 = 1), PLC kích hoạt Bơm 1 hoạt động thông qua biến tần theo tần số cài đặt trước.
  2. Bộ định thời Timer đếm thời gian vận hành liên tục của Bơm 1. Khi đạt giá trị đặt trước (Preset Time), PLC điều khiển giảm tốc Bơm 1, ngắt contactor Bơm 1 và đóng contactor Bơm 2, kích hoạt biến tần khởi động êm Bơm 2 để tiếp quản hệ thống.
  3. Nếu trong quá trình Bơm 1 đang chạy mà xảy ra lỗi quá nhiệt (I0.7) hoặc lỗi biến tần (I0.6), PLC lập tức ngắt lệnh điều khiển Bơm 1, phát còi cảnh báo và tự động khởi động Bơm 2 để duy trì hoạt động liên tục.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Hệ thống hóa lý thuyết máy bơm: Đồ án tổng hợp chi tiết đặc tính kỹ thuật của các dòng máy bơm công nghiệp, phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp ghép nối song song và nối tiếp nhằm đáp ứng bài toán tăng lưu lượng hoặc nâng cao cột áp.
  • Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ điện: Thiết kế đồng bộ sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển liên động, tích hợp bảo vệ ngắn mạch qua MCCB, bảo vệ quá tải qua rơle nhiệt và các chức năng tự ngắt khẩn cấp.
  • Chương trình điều khiển hoàn chỉnh: Lập trình thành công thuật toán luân phiên thời gian trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN cho PLC S7-200, kết hợp điều khiển khởi động mềm và thay đổi tốc độ vô cấp qua biến tần LS iG5A.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Đưa ra giải pháp kỹ thuật giải quyết hiện tượng mài mòn cơ khí không đồng đều giữa các tổ bơm trong trạm cấp nước bằng thuật toán luân phiên tự động.
  • Ứng dụng biến tần giúp giảm dòng khởi động, triệt tiêu hiện tượng sụt áp lưới và búa nước trong đường ống dẫn, góp phần tiết kiệm điện năng vận hành so với phương pháp đóng ngắt trực tiếp bằng contactor truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Đề tài mới dừng lại ở việc thiết kế sơ đồ nguyên lý, cấu hình tham số biến tần và lập trình mô phỏng thuật toán luân phiên cơ bản trên PLC S7-200.
    • Chưa tích hợp bộ điều khiển phản hồi vòng kín PID theo tín hiệu áp suất liên tục thực tế từ cảm biến áp suất Analog (0–10V hoặc 4–20mA) để tự động điều chỉnh tần số theo thời gian thực.
    • Chưa xây dựng giao diện giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) hoặc kết nối mạng truyền thông công nghiệp Modbus/RS-485 tới máy tính điều khiển trung tâm.
  • Hướng phát triển:
    • Bổ sung khối thuật toán điều khiển PID trong PLC S7-200 để ổn định áp suất đường ống tự động khi lưu lượng tiêu thụ biến động.
    • Thiết kế giao diện HMI (màn hình cảm ứng công nghiệp) giúp người vận hành theo dõi trực quan áp suất, lưu lượng, thời gian chạy và cài đặt thông số luân phiên trực tiếp không cần máy tính.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tra cứu có hệ thống về tập lệnh PLC Siemens S7-200 (Timer, Counter, so sánh, số học), quy trình phân bổ I/O và cấu trúc chương trình điều khiển dạng LAD.
  • Kỹ sư vận hành và bảo trì trạm bơm: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về sơ đồ chân, các nhóm tham số cài đặt (DRV, FU1, FU2, I/O) và tiêu chuẩn an toàn khi lắp đặt cơ khí - đấu nối điện cho biến tần LS iG5A.
  • Người làm đồ án tốt nghiệp: Đóng vai trò như một mẫu đề tài thiết kế hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh từ phần cơ sở lý thuyết máy thủy khí đến phần cứng điều khiển và phần mềm lập trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đối với bơm ly tâm, quy trình mở máy đúng kỹ thuật lại yêu cầu đóng van trên đường ống đẩy?

Theo đường đặc tính công suất phụ thuộc lưu lượng $N(Q)$ của bơm ly tâm, công suất tiêu thụ của động cơ kéo đạt giá trị cực tiểu khi lưu lượng bằng 0 ($Q = 0$). Do đó, việc đóng van trên đường ống đẩy khi khởi động giúp giảm tải cơ học, làm cho dòng điện mở máy đạt giá trị nhỏ nhất, bảo vệ an toàn cho động cơ điện. Tuy nhiên, sau 1 đến 2 phút vận hành, van phải được mở ra ngay để tránh việc công suất động cơ chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt năng làm sôi nước và gây hỏng buồng bơm.

2. Khi nào cần áp dụng phương pháp ghép bơm song song và ghép bơm nối tiếp?

  • Ghép song song: Được áp dụng khi nhu cầu lưu lượng chất lỏng lớn mà một máy bơm đơn lẻ không thể đáp ứng (ví dụ: cấp nước giờ cao điểm, trạm bơm tiêu úng mùa lũ). Các bơm ghép song song phải làm việc ở cùng cột áp ($H_1 = H_2 = \dots = H_n$) và nên chọn loại có đường đặc tính gần giống nhau với độ dốc nhỏ.
  • Ghép nối tiếp: Được áp dụng khi cần đưa chất lỏng lên các vị trí có độ cao lớn hoặc đường ống có trở lực thủy lực cao vượt quá cột áp định mức của một bơm (như trạm bơm nước làm mát, bơm đẩy cao tầng). Các bơm ghép nối tiếp làm việc ở cùng lưu lượng và cần chọn bơm có đường đặc tính dốc lớn.

3. Sự khác nhau giữa Timer TON và TONR trong PLC Siemens S7-200 là gì?

  • Timer TON (On-Delay Timer - không nhớ): Bắt đầu đếm thời gian khi có tín hiệu kích hoạt ở đầu vào. Nếu tín hiệu đầu vào mất (về mức logic 0), giá trị đếm tức thời của Timer sẽ tự động bị xóa (Reset) về 0.
  • Timer TONR (Retentive On-Delay Timer - có nhớ): Bắt đầu đếm khi đầu vào kích hoạt. Khi đầu vào mất tín hiệu, giá trị đếm tức thời được lưu giữ nguyên vẹn. Khi đầu vào có tín hiệu trở lại, Timer tiếp tục đếm từ giá trị đã lưu cho đến khi đạt giá trị đặt. Timer TONR chỉ bị xóa về 0 khi có lệnh Reset (R) tác động trực tiếp vào bit của Timer đó.

4. Bảng điều khiển của biến tần LS iG5A được chia thành các nhóm thông số chính nào?

Biến tần LS iG5A tổ chức các tham số cài đặt thành 4 nhóm chức năng:

  • Nhóm DRV: Cài đặt thông số lái cơ bản (tần số hoạt động, thời gian tăng/giảm tốc, chế độ điều khiển).
  • Nhóm FU1: Cài đặt hàm chức năng cấp 1 (tần số trần, mô-men xoắn, ngưỡng bảo vệ quá nhiệt/quá tải).
  • Nhóm FU2: Cài đặt hàm chức năng cấp 2 (đại lượng hiển thị, khôi phục mặc định, khóa tham số, chế độ PID).
  • Nhóm I/O: Cấu hình chân vào/ra đa chức năng, dải tốc độ đa cấp và cổng truyền thông nối tiếp RS-485.

5. Yêu cầu khoảng cách tối thiểu khi lắp đặt biến tần LS iG5A trong tủ điện là bao nhiêu?

Để đảm bảo khả năng giải nhiệt đối lưu không khí và an toàn vận hành, biến tần LS iG5A phải được gắn cách vách tủ hoặc các thiết bị điện lân cận tối thiểu 150 mm theo chiều đứng (phía trên và phía dưới) và tối thiểu 50 mm theo chiều ngang (hai bên hông).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Quốc Tưởng đã nghiên cứu và giải quyết thành công bài toán tự động hóa trạm bơm công nghiệp thông qua việc kết hợp bộ điều khiển logic khả trình PLC Siemens S7-200 và biến tần LS iG5A. Công trình đã chuẩn hóa cơ sở lý thuyết máy thủy khí, thiết kế chi tiết hệ thống mạch động lực - điều khiển liên động và xây dựng thuật toán điều khiển luân phiên ổn định. Kết quả nghiên cứu đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của một đồ án kỹ sư Điện Tự động công nghiệp, mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho công tác học tập và ứng dụng thực tiễn.