Đồ án thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất ứng dụng PLC S7-1200, màn hình HMI và giám sát qua Web server tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

• Tác giả: Mai Đỗ Quốc An
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Thái
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất

Hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất là một giải pháp tự động hóa hiện đại trong lĩnh vực cấp thoát nước công nghiệp và dân dụng. Đây là đề tài tốt nghiệp được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Điện Công nghiệp, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Văn Thái. Nhóm sinh viên Mai Đỗ Quốc An và Nguyễn Phúc Thịnh đã nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình hoàn chỉnh vào năm 2023. Hệ thống sử dụng PLC S7-1200 của Siemens làm bộ điều khiển trung tâm. Giao diện HMI được tích hợp để người vận hành theo dõi và điều chỉnh thông số. Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng giám sát từ xa qua Webserver. Nguyên lý hoạt động dựa trên cơ chế luân phiên giữa các máy bơm nhằm duy trì áp suất ổn định trong đường ống. Khi áp suất giảm xuống dưới ngưỡng đặt, hệ thống tự động kích hoạt bơm dự phòng. Điều này giúp tránh tình trạng một máy bơm hoạt động quá tải. Hệ thống đảm bảo cung cấp nước liên tục, ổn định và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

1.1. Mục tiêu và phạm vi đề tài nghiên cứu

Đề tài hướng đến xây dựng một hệ thống điều khiển tự động có khả năng ổn định áp suất nước trong đường ống thông qua cơ chế luân phiên nhiều máy bơm. Mục tiêu chính là thiết kế mạch điều khiển, lập trình PLC S7-1200 và xây dựng giao diện HMI trực quan. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống cấp nước quy mô vừa và nhỏ, phù hợp với các tòa nhà, khu dân cư hoặc xí nghiệp sản xuất. Hệ thống cho phép người vận hành cài đặt thời gian cao điểm, theo dõi trạng thái bơm và nhận cảnh báo sự cố theo thời gian thực.

1.2. Ý nghĩa thực tiễn của hệ thống bơm luân phiên

Hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành công nghiệp cấp thoát nước. Việc luân phiên hoạt động giữa các máy bơm giúp phân bổ đều thời gian vận hành, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì. Áp suất ổn định trong đường ống đảm bảo chất lượng cấp nước đồng đều. Tính năng giám sát từ xa qua Webserver giúp kỹ thuật viên phát hiện và xử lý sự cố nhanh chóng mà không cần có mặt trực tiếp tại hiện trường, tiết kiệm nhân lực và thời gian vận hành.

II. Phân tích vấn đề và yêu cầu kỹ thuật hệ thống bơm

Trong các hệ thống cấp nước truyền thống, việc chỉ sử dụng một máy bơm duy nhất tạo ra nhiều rủi ro kỹ thuật. Khi áp suất không ổn định, người dùng cuối bị ảnh hưởng trực tiếp. Máy bơm hoạt động liên tục không nghỉ sẽ nhanh hỏng và tốn nhiều chi phí sửa chữa. Đây là bài toán thực tiễn cần giải quyết triệt để. Hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Trước tiên, áp suất đầu ra phải duy trì trong dải giá trị cho phép, không được vượt ngưỡng trên hoặc xuống dưới ngưỡng dưới. Thứ hai, hệ thống phải tự động chuyển đổi giữa các máy bơm mà không gây gián đoạn nguồn cung. Thứ ba, giao diện người dùng cần hiển thị rõ ràng trạng thái vận hành, giá trị áp suất tức thời và lịch sử hoạt động. Ngoài ra, hệ thống cần có khả năng cài đặt giờ cao điểm để điều chỉnh công suất bơm phù hợp với nhu cầu sử dụng theo từng khung giờ trong ngày. Tất cả các yêu cầu này đặt ra thách thức lớn cho việc lựa chọn giải pháp điều khiển phù hợp.

2.1. Những hạn chế của hệ thống bơm đơn truyền thống

Hệ thống bơm đơn hoạt động theo nguyên lý bật/tắt thủ công hoặc tự động đơn giản thường gặp nhiều nhược điểm. Áp suất dao động lớn khi lưu lượng tiêu thụ thay đổi đột ngột. Máy bơm không có dự phòng nên khi hỏng hóc, toàn bộ hệ thống ngừng hoạt động. Tuổi thọ máy bơm giảm nhanh do số lần khởi động lớn trong ngày. Không có công cụ giám sát từ xa khiến việc phát hiện sự cố chậm trễ, dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp và người dùng cuối.

2.2. Yêu cầu đối với bộ điều khiển và cảm biến áp suất

Bộ điều khiển cần xử lý tín hiệu phản hồi từ cảm biến áp suất theo thời gian thực với độ trễ tối thiểu. Cảm biến áp suất phải có độ chính xác cao, dải đo phù hợp và tín hiệu đầu ra dạng analog 4–20 mA hoặc 0–10 V để tương thích với module đầu vào của PLC. Bộ điều khiển PLC S7-1200 được chọn vì khả năng xử lý nhanh, hỗ trợ nhiều module mở rộng và tích hợp tốt với phần mềm TIA Portal. Luật điều khiển PI được áp dụng vì phù hợp với đối tượng quán tính bậc nhất, đảm bảo sai lệch tĩnh bằng không và đáp ứng nhanh theo tải.

III. Giải pháp thiết kế và lập trình PLC S7 1200 với TIA Portal

Giải pháp kỹ thuật được lựa chọn dựa trên bộ PLC S7-1200 của Siemens kết hợp phần mềm lập trình TIA Portal. Đây là nền tảng tự động hóa mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp toàn cầu. TIA Portal cung cấp môi trường lập trình tích hợp, hỗ trợ cấu hình phần cứng, viết chương trình điều khiển và thiết kế giao diện HMI trong một công cụ duy nhất. Luật điều khiển PI được lập trình để duy trì áp suất đặt trong vòng điều khiển kín. Tín hiệu phản hồi từ cảm biến được so sánh với giá trị đặt. Sai lệch được xử lý qua bộ điều khiển PI để tính toán tín hiệu điều khiển đầu ra cho biến tần hoặc relay khởi động bơm. Cơ chế luân phiên được lập trình dựa trên điều kiện áp suất và thời gian hoạt động tích lũy của từng máy bơm. Máy bơm có thời gian hoạt động cao hơn sẽ được nghỉ, máy bơm dự phòng sẽ được kích hoạt. Giao diện HMI hiển thị áp suất tức thời, trạng thái từng máy bơm và cho phép cài đặt giờ cao điểm vận hành linh hoạt.

3.1. Cấu trúc phần cứng và sơ đồ đấu nối hệ thống

Phần cứng hệ thống gồm PLC S7-1200, module analog đầu vào, cảm biến áp suất, màn hình HMI và các relay điều khiển động cơ bơm. Cảm biến áp suất kết nối với module analog để PLC đọc giá trị áp suất liên tục. Các relay và contactor điều khiển việc đóng cắt nguồn điện cho từng máy bơm. Sơ đồ đấu nối được thiết kế theo tiêu chuẩn công nghiệp, đảm bảo an toàn điện và dễ bảo trì. Tủ điều khiển được bố trí gọn gàng với nhãn dán rõ ràng trên từng thiết bị và cáp kết nối.

3.2. Lập trình điều khiển PI và giám sát qua Webserver

Chương trình PLC được viết bằng ngôn ngữ Ladder trong TIA Portal, áp dụng luật điều khiển PI cho vòng điều khiển áp suất. Thành phần tích phân giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh trong trạng thái xác lập. Tính năng Webserver tích hợp trong S7-1200 cho phép người dùng truy cập dữ liệu hệ thống qua trình duyệt web mà không cần phần mềm chuyên dụng. Trang web giám sát hiển thị áp suất hiện tại, trạng thái bơm và lịch sử sự kiện. Đây là giải pháp IoT cơ bản nhưng hiệu quả, phù hợp với xu hướng số hóa trong vận hành công nghiệp hiện đại.

IV. Kết quả đạt được và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp

Hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất đã được thi công và vận hành thành công tại phòng thí nghiệm Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Kết quả kiểm tra cho thấy áp suất trong đường ống được duy trì ổn định trong dải giá trị đặt. Cơ chế luân phiên hoạt động chính xác theo thời gian tích lũy của từng bơm. Giao diện HMI phản ánh đúng trạng thái thực của hệ thống theo thời gian thực. Tính năng giám sát qua Webserver hoạt động ổn định trên nhiều thiết bị khác nhau. Tuy nhiên, hệ thống còn hạn chế là chưa hỗ trợ bơm nước lên các tầng cao vì chưa tích hợp biến tần điều chỉnh tốc độ bơm theo áp suất đo được. Đây là hướng cải tiến trong các nghiên cứu tiếp theo. Về khả năng ứng dụng, mô hình này phù hợp triển khai trong hệ thống cấp nước tòa nhà, khu công nghiệp và trạm bơm đô thị. Tính tự động hóa cao giúp giảm nhân lực vận hành và tăng độ tin cậy cung cấp nước liên tục.

4.1. Đánh giá hiệu quả và ưu điểm của hệ thống

Hệ thống đạt được mục tiêu ổn định áp suất nước trong đường ống thông qua quy trình tự động hóa ứng dụng PLC và HMI. Cơ chế luân phiên phân bổ đều thời gian hoạt động giữa các máy bơm, giảm nguy cơ hỏng hóc tập trung vào một thiết bị. Tính năng cài đặt giờ cao điểm vận hành giúp tối ưu chi phí điện năng. Giao diện thân thiện người dùng trên HMI và Webserver rút ngắn thời gian đào tạo vận hành. Đề tài thể hiện rõ tính thực tiễn và khả năng chuyển giao công nghệ vào sản xuất công nghiệp thực tế.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp biến tần để điều chỉnh tốc độ bơm liên tục, thay thế cho phương pháp đóng cắt relay, giúp tiết kiệm điện và giảm va đập thủy lực. Bổ sung chức năng bơm nước lên tầng cao thông qua tính toán lại áp suất đặt theo độ cao lắp đặt. Nâng cấp hệ thống giám sát lên nền tảng SCADA đầy đủ với khả năng lưu trữ dữ liệu dài hạn và phân tích xu hướng. Tích hợp cảnh báo qua SMS hoặc email khi phát hiện sự cố cũng là tính năng cần bổ sung để hoàn thiện hệ thống trong điều kiện vận hành thực tế.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống hạ tầng kỹ thuật như trạm cấp nước sạch, hệ thống xử lý nước thải, quản lý môi trường và các dây chuyền sản xuất công nghiệp, mạng lưới bơm chất lỏng giữ vai trò trung tâm nhằm duy trì áp lực và lưu lượng cung cấp liên tục. Trong thực tế vận hành, việc sử dụng một máy bơm đơn lẻ để đảm nhiệm toàn bộ phụ tải thường bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật: nguy cơ quá tải liên tục gây giảm tuổi thọ động cơ, thiếu tính dự phòng khi xảy ra sự cố hỏng hóc, và hiệu quả kinh tế thấp do chi phí bảo dưỡng tăng cao.

Để khắc phục các bất cập này, giải pháp vận hành bơm luân phiên được ứng dụng nhằm phân bổ thời gian hoạt động đồng đều giữa các máy bơm, san bằng hao mòn cơ khí và duy trì sự ổn định của hệ thống khi có sự cố tại một bơm bất kỳ. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là phải kiểm soát chính xác áp suất đường ống trong điều kiện nhu cầu tiêu thụ nước biến thiên liên tục giữa các khung giờ cao điểm và thấp điểm, đồng thời hạn chế tiêu hao điện năng không cần thiết. Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất" được thực hiện bởi sinh viên Mai Đỗ Quốc An và Nguyễn Phúc Thịnh (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) nhằm giải quyết bài toán tự động hóa quá trình điều áp đường ống thông qua việc tích hợp bộ điều khiển logic khả trình (PLC) và biến tần.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về điều khiển áp suất, nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, thuật toán điều khiển PID và giao thức truyền thông công nghiệp Modbus RS485.
2. Thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình phần cứng gồm tủ điện điều khiển, đường ống áp suất, cụm động cơ bơm ba pha, cảm biến áp suất và biến tần.
3. Lập trình chương trình điều khiển cho PLC S7-1200 xử lý thuật toán luân phiên, gọi bơm theo giờ cao điểm và thuật toán điều áp PID.
4. Cấu hình truyền thông công nghiệp giữa PLC S7-1200 và biến tần INVT GD20 qua mạng RS485.
5. Thiết kế giao diện giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) trên màn hình KTP700 Basic và phần mềm WinCC Unified để phục vụ cài đặt tham số, giám sát áp suất và cảnh báo lỗi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển tự động bơm luân phiên, thuật toán điều khiển áp suất PID (luật PI), giao thức truyền thông Modbus RTU qua chuẩn RS485, thiết bị điều khiển PLC S7-1200 và biến tần INVT GD20.
• Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm (3DVisionLab); điều khiển và giám sát thông qua màn hình HMI và phần mềm WinCC Unified; đối tượng chấp hành là 2 động cơ bơm ba pha công suất nhỏ (175W, 380V); hệ thống tập trung vào nhiệm vụ duy trì áp suất đường ống ngang, chưa triển khai bơm đẩy nước lên các độ cao thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Để xây dựng hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất, tác giả đã kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết (nghiên cứu tài liệu chuyên ngành tự động hóa, tài liệu kỹ thuật của Siemens và INVT) và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (thiết kế, đấu nối tủ điện, viết mã lệnh điều khiển và đo đạc thông số thực tế).

Về mặt lý thuyết điều khiển hệ thống bơm, tác giả phân tích và so sánh các phương pháp điều áp:

• Phương pháp cơ học dùng van điều khiển áp suất hoặc van điều khiển lưu lượng: Tiêu hao cơ năng, độ linh hoạt thấp, gây tổn hao áp suất lớn và đóng mở gây rung giật cơ khí.
• Phương pháp điều khiển bằng cảm biến lưu lượng: Phản hồi theo lưu lượng nhưng không trực tiếp giải quyết bài toán ổn định áp lực theo yêu cầu tải phân tán.
• Phương pháp truyền động bằng biến tần kết hợp thuật toán PID: Điều chỉnh tần số nguồn cấp nhằm thay đổi tốc độ quay của động cơ theo giá trị đặt trước, loại bỏ gián đoạn do van cơ, tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Về luật điều khiển PID, dựa trên cơ sở lý thuyết chỉnh định tham số của Åström và Hägglund, tác giả lựa chọn cấu trúc điều khiển PI (Tỉ lệ - Tích phân) cho hệ thống. Do đối tượng điều khiển áp suất chất lỏng phản ứng nhanh hơn cơ cấu chấp hành, hệ thống có đặc tính của khâu quán tính bậc nhất và có tích phân tự nhiên, luật PI đảm bảo triệt tiêu sai lệch tĩnh xác lập ($e = SP - PV$) mà không gây dao động lớn. Khâu vi phân (D) bị loại bỏ do phép đo áp suất chất lỏng trong đường ống thường chứa nhiễu tần số cao, thành phần D dễ khuếch đại nhiễu làm hệ thống mất ổn định.

Về nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha, tác giả so sánh ba phương án:

• Điều chỉnh điện trở mạch rôto: Chỉ áp dụng cho động cơ rôto dây quấn, gây tổn hao công suất trên điện trở, hiệu suất thấp.
• Điều chỉnh giảm điện áp stato: Dải điều chỉnh hẹp khi tải không đổi, mômen giảm theo bình phương điện áp stato ($M \propto U^2$).
• Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho stato: Phương pháp tối ưu thông qua biến tần. Khi thay đổi tần số $f$, để giữ cho từ thông và khả năng chịu tải của động cơ không đổi, hệ thống áp dụng nguyên lý điều khiển tỉ số điện áp trên tần số không đổi ($V/f = const$), giới hạn điện áp không vượt quá 10% định mức cách điện của cuộn dây.

Về thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu tương tự (Analog): Tín hiệu áp suất từ cảm biến được chuyển đổi thành dòng điện hoặc điện áp chuẩn (0–10V hoặc 4–20mA), đưa vào module Analog Input của PLC. Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) biến đổi dải đo vật lý thành giá trị số nguyên trong thanh ghi PLC, sau đó được lập trình quy đổi ngược lại thang đo kỹ thuật phục vụ thuật toán so sánh.

Về giao thức truyền thông: Hệ thống sử dụng giao thức Modbus RTU trên nền tảng lớp vật lý RS485 chuẩn 2 dây (A+ và B-). Đường truyền hoạt động theo nguyên tắc bán song công (half-duplex) với tín hiệu vi sai cân bằng (mức điện áp logic "1" từ +2V đến +6V, logic "0" từ -2V đến -6V), kết nối dây xoắn chống nhiễu 24AWG và lắp đặt trở đầu cuối $120,\Omega$ để chống phản xạ sóng tín hiệu trên đường truyền dài.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tán gồm khối điều khiển trung tâm, khối chấp hành công suất, khối đo lường cảm biến và khối giao diện người - máy (HMI/SCADA).

Khối chức năng	Thiết bị / Mã hiệu	Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển logic khả trình	Siemens S7-1200 (CPU 1214C AC/DC/RLY, mã 6ES7214-1BG40-0XB0)	Nguồn cấp: 85–264V AC; 14 DI (24V DC), 10 DO (Relay 2A), 2 AI (0–10V DC); Bộ nhớ: 100 KB; Tốc độ: 0,1 $\mu$s/lệnh Boolean	Điều khiển trung tâm, tính toán giải thuật PI, xử lý logic luân phiên và chuyển mạch
Module mở rộng Analog	Siemens SM1231 4AI (mã 6ES7231-4HD32-0XB0)	4 ngõ vào Analog (0–10V, 0–5V, 0–2.5V, 0–20mA, 4–20mA); Độ phân giải: 12-bit + sign (13-bit ADC); Nguồn 24V DC	Đọc tín hiệu áp suất từ cảm biến đường ống
Module truyền thông	Siemens CM1241 RS422/485 (mã 6ES7 241-1CH32-0XB0)	Cổng giao tiếp chuẩn 9 chân D-sub, hỗ trợ giao thức Modbus RTU	Kết nối truyền thông nối tiếp giữa PLC S7-1200 và biến tần
Biến tần công nghiệp	INVT GD20 (mã GD20-0G7R-4)	Nguồn vào/ra: 380V/380V; Công suất: 0,75 kW; Trọng lượng: 1,0 kg; Kích thước: 242 x 130 x 120 mm	Điều chỉnh tần số nguồn cấp, thay đổi tốc độ quay của động cơ bơm
Động cơ bơm	Động cơ ba pha (2 bộ)	Điện áp: 380V; Công suất: 175W	Cơ cấu chấp hành bơm nước tạo áp lực
Màn hình hiển thị	Siemens HMI KTP700 Basic (mã 6AV2123-2GB03-0AX0)	Màn hình 7 inch TFT, giao diện cảm ứng và phím chức năng	Cài đặt thông số áp suất, thời gian chu kỳ, hiển thị đồ thị và cảnh báo
Cảm biến áp suất	Cảm biến áp suất nước	Ngõ ra Analog tuyến tính	Đo áp suất đường ống cấp nước
Thiết bị đóng cắt & bảo vệ	CB 3P, CB 2P 10A, 4 Contactor 220V, 2 Rơ le nhiệt	Nguồn động lực 3 pha và điều khiển 1 pha 220V	Đóng ngắt lưới trực tiếp (K2, K4), bảo vệ quá tải và cách ly mạch
Bộ nguồn công nghiệp	Nguồn tổ ong	Ngõ vào: 110/220V AC, ngõ ra: 24V DC – 10A	Cấp nguồn cho PLC, cảm biến và rơ le trung gian

Quy trình vận hành logic của hệ thống được lập trình bằng ngôn ngữ LAD (Ladder Logic) trên phần mềm TIA Portal với ba chế độ hoạt động chính:

1. Chế độ điều khiển bằng tay (Manual):

   • Chuyển mạch Switch ở vị trí Manual (địa chỉ vào I0.2). Bơm 1 và Bơm 2 được khởi động/dừng độc lập thông qua các nút nhấn Start/Stop trên bảng điều khiển, chạy trực tiếp từ điện lưới thông qua contactor K2 và K4.
   • Cơ chế bảo vệ: Khi người vận hành kích hoạt bơm, nếu cảm biến đo được áp suất đường ống không tăng sau một khoảng thời gian quy định, hệ thống tự động khóa liên động, kích hoạt báo lỗi và ngắt bơm để chống chạy khô.

2. Chế độ điều khiển tự động (Auto): Người dùng thiết lập giá trị áp suất đặt ($SP$) và thời gian chu kỳ luân phiên trên màn hình HMI hoặc giao diện WinCC Unified. Quá trình vận hành phân chia thành ba trường hợp:

   • Giờ thấp điểm (nhu cầu tiêu thụ thấp): Hệ thống chỉ vận hành một máy bơm thông qua biến tần và điều áp theo thuật toán PI. Bơm 1 và Bơm 2 hoạt động luân phiên thay thế nhau sau mỗi chu kỳ định sẵn. Nếu trong quá trình chạy, áp suất đường ống đạt ngưỡng và không bị tụt (không có tải tiêu thụ), bơm sẽ tự động dừng nghỉ. Khi áp suất tụt xuống dưới ngưỡng đặt, bơm sẽ tái khởi động.
   • Giờ cao điểm (nhu cầu tiêu thụ tăng cao): Khởi đầu, Bơm 1 hoạt động qua biến tần điều áp PI. Khi phụ tải nước tăng đến mức biến tần phải tăng tần số lên cực đại ($50,\text{Hz}$), hệ thống đếm thời gian $t = 20,\text{giây}$. Nếu sau $20,\text{giây}$ áp suất vẫn chưa đạt giá trị đặt, Bơm 1 được chuyển mạch sang chạy trực tiếp bằng điện lưới, đồng thời PLC điều khiển khởi động Bơm 2 chạy qua biến tần để tiếp tục điều áp PI. Khi phụ tải giảm, tần số biến tần của Bơm 2 giảm xuống dưới $20,\text{Hz}$ liên tục trong $t = 10,\text{giây}$, hệ thống sẽ ngắt Bơm 1 (chạy lưới) và duy trì Bơm 2 hoạt động qua biến tần. Quy trình diễn ra tương tự theo chiều ngược lại nếu Bơm 2 là bơm khởi động trước.
   • Tự ngắt khi không tải: Trường hợp chỉ có 1 bơm đang hoạt động qua biến tần mà tần số điều khiển giảm xuống mức $\le 20,\text{Hz}$ (hệ thống không có lưu lượng tiêu thụ), sau thời gian trễ $t = 20,\text{giây}$, PLC sẽ xuất lệnh dừng bơm hoàn toàn cho đến khi áp suất đường ống suy giảm làm tần số yêu cầu tăng trở lại.
   • Chế độ xử lý sự cố lỗi bơm: Nếu một trong hai bơm gặp sự cố quá tải nhiệt (rơ le nhiệt nhảy), tín hiệu tiếp điểm phụ đưa về PLC sẽ tự động cô lập bơm bị sự cố và chuyển toàn bộ quyền vận hành sang bơm còn lại chạy qua biến tần theo thuật toán PI đơn bơm.

3. Chế độ ưu tiên: Cho phép người vận hành ấn định một máy bơm ưu tiên chạy qua biến tần cố định để tối ưu hóa theo dõi thiết bị.

Giao diện điều khiển và giám sát SCADA được thiết kế trên nền tảng WinCC Unified V17 và nạp xuống màn hình HMI KTP700 Basic, bao gồm:

• Trang chủ (Home screen): Hiển thị trạng thái kết nối, lựa chọn các chế độ Manual / Auto / Ưu tiên.
• Trang điều khiển (Control screen): Cho phép nhập thông số cài đặt áp suất, thời gian chu kỳ luân phiên, hiển thị tần số ngõ ra của biến tần, trạng thái đóng ngắt của các contactor, công tắc phao báo cạn bể nước (I0.3).
• Trang đồ thị (Trend screen): Vẽ biểu đồ thời gian thực so sánh giữa áp suất đặt ($SP$) và áp suất phản hồi từ cảm biến ($PV$), hiển thị nhật ký cảnh báo lỗi quá tải và lỗi áp suất đường ống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu cấp nước liên tục, an toàn và tiết kiệm điện năng trong công nghiệp và dân dụng. Tác giả chỉ rõ nhược điểm của các trạm bơm đơn lẻ truyền thống và đưa ra giải pháp ứng dụng PLC S7-1200 kết hợp biến tần INVT GD20 và thuật toán PID. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, phạm vi đối tượng thực hiện (mô hình điều khiển luân phiên 2 bơm), phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm, và bố cục 5 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung hệ thống hóa các nguyên lý kỹ thuật làm nền tảng cho đồ án:

• Tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ thống bơm luân phiên và nguyên tắc ổn định áp lực mạng lưới đường ống thông qua việc biến thiên tần số dòng điện.
• Lý thuyết điều khiển PID: Phân tích cấu trúc vòng kín, đánh giá các phương pháp chỉnh định tham số PID (dựa trên đặc tính, mô hình mẫu, tối ưu hóa và kinh nghiệm), phân tích cấu trúc toán học của sai số $e = SP - PV$. Từ đó, tác giả luận giải lý do lựa chọn luật điều khiển PI dựa trên đặc tính trễ thấp và quán tính bậc nhất của áp suất thủy lực.
• Kỹ thuật xử lý tín hiệu Analog trong PLC: Trình bày sơ đồ chuyển đổi tín hiệu cảm biến dạng dòng điện (4–20mA) hoặc điện áp (0–10V) qua module chuyển đổi ADC thành chuỗi bit nhị phân để PLC xử lý.
• Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba pha: So sánh các phương pháp điều khiển phía rôto, giảm áp stato và phương pháp thay đổi tần số theo đường đặc tính $V/f = const$.
• Cơ sở truyền thông công nghiệp: Giới thiệu giao thức Modbus RTU và chuẩn truyền dẫn vi sai RS485 2 dây, các thông số tốc độ baud, bit kiểm tra, khoảng cách truyền dẫn và điện trở phối hợp trở kháng đầu cuối $120,\Omega$.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật, trình bày toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế hệ thống:

• Xây dựng sơ đồ khối chức năng bao gồm PLC trung tâm, biến tần INVT, module Analog SM1231, module truyền thông CM1241, màn hình HMI, cảm biến áp lực và cụm contactor/động cơ.
• Trình bày thông số kỹ thuật chi tiết của các thiết bị được lựa chọn: PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (mã 6ES7214-1BG40-0XB0), module SM1231 (6ES7231-4HD32-0XB0), module CM1241 (6ES7 241-1CH32-0XB0), biến tần INVT GD20-0G7R-4 (0,75kW, 380V), động cơ bơm ba pha công suất 175W.
• Thiết kế mạch điện: Bản vẽ sơ đồ mạch động lực cấp nguồn 3 pha, sơ đồ mạch điều khiển 220V/24V DC, sơ đồ bố trí thiết bị bên trong tủ điện, bảng phân bổ địa chỉ I/O của PLC (bao gồm I0.2 cho switch chế độ, I0.3 cho phao báo cạn, Q0.3 cho Contactor 4...).
• Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát, lưu đồ thuật toán chế độ luân phiên, lưu đồ gọi bơm giờ cao điểm theo ngưỡng tần số ($50,\text{Hz}$ trong $20,\text{s}$, $<20,\text{Hz}$ trong $10,\text{s}$) và lưu đồ bảo vệ sự cố rơ le nhiệt.
• Lập trình phần mềm: Khởi tạo cấu hình phần cứng trên TIA Portal, xây dựng bảng tag biến nhớ, lập trình khối hàm PID_Compact và các network điều khiển logic luân phiên bằng ngôn ngữ LAD.
• Thiết kế giao diện HMI/WinCC Unified: Xây dựng các trang màn hình đồ họa điều khiển, trang hiển thị biểu đồ áp suất thời gian thực và cấu hình truyền thông dữ liệu.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 ghi nhận các kết quả thực nghiệm sau quá trình thi công và thử nghiệm:

• Kết quả phần cứng: Hoàn thiện tủ điện công nghiệp đạt yêu cầu về thẩm mỹ và an toàn điện, bố trí dây dẫn qua máng cáp gọn gàng; hoàn thiện mô hình cơ khí đường ống áp suất kết nối với 2 động cơ bơm ba pha.
• Kết quả phần mềm và vận hành: Giao diện HMI KTP700 Basic hoạt động ổn định, hiển thị đầy đủ các thông số áp suất thực tế, tần số vận hành, trạng thái các bơm; hệ thống chuyển đổi nhịp nhàng giữa hai chế độ Manual và Auto.
• Đánh giá khả năng ổn định áp suất: Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ qua biến tần để duy trì áp suất đường ống bám sát giá trị đặt; thuật toán luân phiên hoạt động chính xác theo thời gian chu kỳ; chức năng chuyển mạch giờ cao điểm (gọi thêm bơm chạy điện lưới khi tần số đạt $50,\text{Hz}$ sau $20,\text{s}$ và ngắt bơm khi tần số giảm dưới $20,\text{Hz}$ sau $10,\text{s}$) hoạt động đúng kịch bản đề ra.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài: thi công thành công hệ thống phần cứng, thiết lập liên kết truyền thông Modbus RS485 tin cậy giữa PLC và biến tần, thực hiện thành công thuật toán PI ổn định áp suất kết hợp luân phiên và bảo vệ sự cố. Đồng thời, chương này chỉ ra các điểm hạn chế về quy mô công suất và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể được kiểm chứng trên mô hình thực nghiệm:

• Thi công hoàn chỉnh tủ điện điều khiển công nghiệp tích hợp PLC S7-1200 CPU 1214C, biến tần INVT GD20, module mở rộng analog SM1231, module truyền thông CM1241 và hệ thống khí cụ đóng cắt bảo vệ (CB, Contactor, Rơ le nhiệt).
• Thiết lập thành công liên kết truyền thông công nghiệp Modbus RTU qua mạng 2 dây RS485 giữa PLC S7-1200 và biến tần INVT GD20, cho phép ghi tần số điều khiển và đọc trạng thái hoạt động của biến tần mà không cần dùng dây nối cứng cho từng chức năng.
• Ứng dụng thành công thuật toán điều khiển PI trên PLC S7-1200 để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ bơm thông qua biến tần, duy trì áp suất đường ống luôn bám sát giá trị áp suất cài đặt trên HMI.
• Xây dựng hoàn chỉnh thuật toán luân phiên và chuyển mạch gọi bơm tự động theo tải tiêu thụ thực tế:
  • Khung giờ thấp điểm: Luân phiên từng bơm chạy qua biến tần theo chu kỳ cài đặt, tự ngắt khi áp suất đạt đỉnh và tự chạy lại khi sụt áp.
  • Khung giờ cao điểm: Gọi thêm bơm thứ hai khi tần số đạt cực đại $50,\text{Hz}$ trong $t = 20,\text{s}$ (bơm 1 chuyển sang chạy điện lưới, bơm 2 chạy biến tần điều áp PI), và tự động ngắt bơm chạy lưới khi tần số giảm dưới $20,\text{Hz}$ trong $t = 10,\text{s}$.
  • Bảo vệ không tải: Tự ngắt toàn bộ bơm khi tần số biến tần duy trì $\le 20,\text{Hz}$ trong $t = 20,\text{s}$.
  • Tự động phát hiện lỗi quá tải nhiệt (nhảy rơ le nhiệt) hoặc lỗi mất áp lực ở chế độ Manual để dừng bơm cảnh báo.
• Thiết kế giao diện giám sát HMI KTP700 Basic và WinCC Unified V17 với các trang đồ thị thời gian thực, đáp ứng đầy đủ yêu cầu theo dõi và vận hành hệ thống.

Về mặt đóng góp so với các nghiên cứu trước được tác giả tự xác định: Đề tài đã xây dựng một giải pháp điều khiển tự động hóa khép kín có tính đồng bộ cao từ phần cứng đến phần mềm; kết hợp đồng thời giải thuật điều áp PI qua biến tần với quy trình luân phiên đa bơm và cơ chế chuyển mạch giờ cao điểm linh hoạt theo ngưỡng tần số và thời gian trễ thực tế, giúp tối ưu hóa thời gian vận hành và nâng cao tính an toàn cho hệ thống cấp nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được ghi nhận trực tiếp từ văn bản báo cáo và nhận xét của giáo viên hướng dẫn (TS. Nguyễn Văn Thái):

• Hạn chế lớn nhất của mô hình là chưa cho phép thực hiện nhiệm vụ đưa nước lên các độ cao thực tế (chưa kiểm nghiệm được cột áp tĩnh lớn trong hệ thống nhà cao tầng hoặc tháp nước).
• Quy mô mô hình mang tính chất thí nghiệm, sử dụng hai động cơ bơm ba pha công suất nhỏ ($175,\text{W}$, $380,\text{V}$) và biến tần công suất nhỏ ($0,75,\text{kW}$), chưa phản ánh hết các quán tính thủy lực lớn và hiện tượng búa nước thường gặp trong các trạm bơm công nghiệp công suất lớn.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Mở rộng mô hình cơ khí thủy lực để kiểm nghiệm khả năng điều khiển đẩy nước lên cao theo các yêu cầu cột áp thực tế.
• Tối ưu hóa các thông số chỉnh định của bộ điều khiển PI nhằm rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ khi phụ tải thay đổi đột ngột.
• Phát triển và nâng cấp hệ thống giám sát qua Webserver của PLC S7-1200 nhằm cho phép người quản trị theo dõi, chẩn đoán lỗi và điều khiển hệ thống từ xa thông qua trình duyệt web trên thiết bị di động hoặc máy tính mà không cần phụ thuộc vào mạng cục bộ tại tủ điện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Tự động hóa, Điện công nghiệp và Kỹ thuật Cơ điện tử:

• Phần thiết kế phần cứng và lập trình kết nối truyền thông: Tài liệu hướng dẫn chi tiết cách cấu hình module CM1241 RS422/485 trên TIA Portal để giao tiếp Modbus RTU với biến tần của hãng thứ ba (INVT GD20), rất có giá trị đối với các đề tài liên quan đến tích hợp thiết bị nhiều hãng.
• Phần giải thuật điều khiển và lưu đồ quy trình: Cung cấp giải pháp mẫu hoàn chỉnh về thuật toán luân phiên bơm kết hợp chuyển mạch động học giữa chạy biến tần (PID) và chạy trực tiếp điện lưới (Direct On-Line) dựa trên các ngưỡng tần số ($50,\text{Hz}$, $20,\text{Hz}$) và bộ định thời.
• Tài liệu phục vụ tốt cho sinh viên làm đồ án tốt nghiệp, bài tập lớn môn học Điều khiển logic và PLC, Thực tập Hệ thống SCADA/HMI hoặc các dự án thiết kế tủ điện điều khiển trạm bơm tăng áp tòa nhà.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn luật điều khiển PI thay vì sử dụng luật PID đầy đủ để ổn định áp suất?
Dựa trên lý thuyết của Åström và Hägglund, đối tượng điều khiển áp suất trong hệ thống có đặc tính của khâu quán tính bậc nhất và có thành phần tích phân tự nhiên. Quá trình đáp ứng của cảm biến áp suất và biến tần diễn ra nhanh. Thành phần vi phân (D) trong thực tế không được sử dụng vì đường ống áp suất chất lỏng rất dễ xuất hiện các xung dao động và nhiễu đo lường tần số cao; nếu dùng khâu D, các dao động này sẽ bị khuếch đại gây rung lắc cơ cấu chấp hành và mất ổn định hệ thống. Do đó, luật PI là phương án tối ưu để triệt tiêu sai số xác lập và bảo đảm an toàn.

2. Kịch bản chuyển mạch sang giờ cao điểm khi nhu cầu tiêu thụ nước tăng cao diễn ra như thế nào?
Khi nhu cầu dùng nước tăng, biến tần tăng dần tốc độ bơm đang chạy (ví dụ Bơm 1) để duy trì áp suất. Nếu tần số tăng đến mức cực đại $50,\text{Hz}$ mà áp suất vẫn chưa đạt giá trị đặt, PLC sẽ kích hoạt bộ đếm thời gian $t = 20,\text{giây}$. Sau $20,\text{giây}$, nếu trạng thái thiếu áp vẫn duy trì, PLC điều khiển đóng contactor chuyển Bơm 1 sang chạy trực tiếp bằng nguồn điện lưới, đồng thời xuất lệnh gọi Bơm 2 khởi động qua biến tần để tiếp tục điều áp theo thuật toán PI.

3. Khi phụ tải tiêu thụ giảm trong giờ cao điểm, hệ thống xử lý ngắt bơm chạy lưới theo quy trình nào?
Khi nước tiêu thụ giảm, áp suất đường ống tăng làm biến tần tự động giảm tần số của bơm đang điều khiển (Bơm 2). Nếu tần số giảm xuống dưới ngưỡng $20,\text{Hz}$ liên tục trong thời gian $t = 10,\text{giây}$ (báo hiệu 2 bơm đang chạy gây thừa áp suất), PLC sẽ phát lệnh ngắt contactor của Bơm 1 (bơm đang chạy điện lưới), chỉ giữ lại Bơm 2 tiếp tục chạy qua biến tần điều áp theo PI.

4. Hệ thống xử lý sự cố quá tải động cơ và bảo vệ đường ống ra sao?
Hệ thống sử dụng các tiếp điểm phụ của rơ le nhiệt gắn tại mạch động lực của từng bơm đưa về ngõ vào số của PLC. Nếu một bơm bị quá tải làm nhảy rơ le nhiệt, PLC lập tức cách ly bơm đó và tự động chuyển mạch điều khiển sang bơm còn lại chạy qua biến tần. Ngoài ra, ở chế độ Manual, nếu khởi động bơm mà cảm biến áp suất ghi nhận áp lực đường ống không tăng, hệ thống sẽ tự động dừng bơm và báo lỗi để tránh hư hỏng máy bơm do chạy không có nước.

5. Cấu hình phần cứng thu thập tín hiệu áp suất tương tự (Analog) từ cảm biến sử dụng thiết bị nào?
Hệ thống sử dụng module mở rộng Siemens SM1231 4AI (mã sản phẩm 6ES7231-4HD32-0XB0). Module này hỗ trợ 4 ngõ vào Analog với các dải đo $0\text{–}10,\text{V}$, $0\text{–}5,\text{V}$, $0\text{–}2.5,\text{V}$, $0\text{–}20,\text{mA}$, hoặc $4\text{–}20,\text{mA}$, sử dụng bộ chuyển đổi ADC độ phân giải 12-bit cộng dấu (13-bit ADC), cấp nguồn $24,\text{V DC}$, giúp chuyển đổi giá trị áp suất thực tế thành dữ liệu số nguyên để PLC S7-1200 tính toán sai lệch điều khiển.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống bơm luân phiên ổn định áp suất" của nhóm tác giả Mai Đỗ Quốc An và Nguyễn Phúc Thịnh đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và thi công một mô hình tự động hóa cấp nước hoàn chỉnh. Bằng việc kết hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, biến tần INVT GD20 qua mạng truyền thông Modbus RS485 và thuật toán điều áp PI, hệ thống đã giải quyết thành công bài toán giữ ổn định áp suất đường ống và luân phiên tải làm việc giữa các máy bơm. Các kịch bản gọi bơm giờ cao điểm theo ngưỡng tần số và thời gian trễ được kiểm nghiệm vận hành chính xác, mở ra giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao cho các hệ thống cung cấp nước công nghiệp và dân dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Trình bày tổng quan sơ bộ về các yêu cầu của bài báo cáo như lí do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu đề tài. • Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày phương pháp điều khiển áp suất bằng PID, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ, xử lý tín hiệu cảm biến analog, truyền thông Modbus RS485 cho biến tần và PLC. • Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương này đưa ra các yêu cầu đề bài, lựa chọn thiết bị, thiết kế phần cứng và giao diện hệ thống. • Chương 4: Kết quả thực hiện Kết quả đạt được của đề tài.

• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Trình bày kết quả mà nhóm đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những hạn chế và đưa ra hướng phát triển cho đề tài. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bơm nước là một phần không thể thiếu trong quá trình vận hành của nhiều hệ thống, đặc biệt là trong các hệ thống cung cấp nước, hệ thống xử lý nước thải, hệ thống quản lý môi trường, và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. Tác động của hoạt động bơm không chỉ đảm bảo nguồn cung cấp nước ổn định mà còn có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của các thiết bị khác trong hệ thống. Bơm nước hoạt động bằng cách tạo áp lực và lực hút để chuyển động nước hoặc chất lỏng từ một bể lưu trữ sang một điểm cao hơn hoặc từ một thùng chứa sang một hệ thống ống dẫn.

Khi hoạt động, bơm tạo ra áp lực nước để thúc đẩy nước di chuyển từ một nơi đến nơi khác. Các bơm có thể hoạt động bằng nhiều loại năng lượng khác nhau, bao gồm điện, dầu diesel hoặc xăng. Tuy nhiên, khi sử dụng một bơm duy nhất để vận hành toàn bộ hệ thống, có thể gây ra các vấn đề liên quan đến độ tin cậy, hiệu quả vận hành và chi phí bảo trì. Vì vậy, người ta thường sử dụng bơm luân phiên để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

Việc sử dụng bơm luân phiên cho phép nhiều bơm hoạt động lần lượt lấy chỗ nhau, giảm thiểu tình trạng quá tải đột ngột cho một bơm và tăng độ tin cậy của hệ thống. Ngoài ra, khi có lỗi xảy ra tại một bơm, các bơm còn lại vẫn có thể tiếp tục hoạt động để đảm bảo tiếp tục cung cấp nước hoặc chất lỏng vào hệ thống. Các phương pháp điều khiển hệ thống bơm luân phiên Có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống bơm được sử dụng, phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Dưới đây là một số phương pháp điều khiển phổ biến: - Điều khiển bằng van điều khiển áp suất: Phương pháp này sử dụng van điều khiển áp suất để điều chỉnh áp suất trong hệ thống bơm.

Nếu áp suất tăng quá cao, van sẽ đóng lại, ngăn chặn sự cung cấp nước liên tục trong hệ thống. Khi áp suất giảm, van mở lại, bơm sẽ hoạt động trở lại để cung cấp nước cho hệ thống. - Điều khiển bằng van điều khiển lưu lượng: Phương pháp này sử dụng van điều khiển lưu lượng để điều chỉnh lưu lượng nước trong hệ thống bơm. Các van điều khiển lưu lượng được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng của các đường ống nước, đảm bảo rằng lưu lượng được phân bổ đều trong hệ thống bơm.