Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp và hệ thống cung cấp hạ tầng kỹ thuật, hệ thống bơm đóng vai trò là phụ tải cốt lõi. Bất kỳ sự cố gián đoạn nào của hệ thống bơm cũng có thể dẫn đến đình trệ sản xuất, gây tổn thất kinh tế và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Trước yêu cầu nâng cao năng suất, tiết kiệm điện năng và tối ưu hóa quy trình vận hành, việc thay thế các cơ cấu điều khiển truyền thống (như cam cơ khí, mạch rơle - công tắc tơ tiếp điểm) bằng các giải pháp tự động hóa tích hợp bộ điều khiển lập trình logic (PLC) và biến tần đã trở thành xu hướng kỹ thuật thiết yếu.

Đề tài "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" do sinh viên Vũ Quốc Tưởng thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Đinh Thế Nam tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp) tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính làm việc của các loại máy bơm công nghiệp; phân tích các phương pháp ghép bơm nhằm đáp ứng yêu cầu biến động về lưu lượng và cột áp.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động, tập lệnh của bộ điều khiển khả trình PLC S7-200 (Siemens) và các đặc tính kỹ thuật, phương pháp cài đặt thông số của biến tần LS dòng iG5A.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho cụm bơm hoạt động luân phiên, bao gồm việc xây dựng yêu cầu công nghệ, thiết kế sơ đồ mạch động lực, sơ đồ đấu nối vào/ra cho PLC và lập trình thuật toán điều khiển hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào hệ thống truyền động và điều khiển điện tự động trong công nghiệp, áp dụng mô hình điều khiển bơm luân phiên kết hợp biến tần điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ và PLC quản lý chuyển đổi chu kỳ làm việc. Thời gian thực hiện từ năm 2018 đến năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý thủy lực máy bơm và lý thuyết điều khiển tự động trong truyền động điện:

  • Nguyên lý thủy lực học và máy thủy lực: Phân loại máy bơm theo cách cấp năng lượng (bơm thể tích, bơm động học) và theo cấu tạo cơ khí (bơm cánh quạt ly tâm, bơm pittông, bơm rotor); xây dựng phương trình đường đặc tính làm việc $H = f(Q)$ (cột áp theo lưu lượng) và $N = f(Q)$ (công suất theo lưu lượng) để xác định điểm làm việc và quy trình khởi động an toàn cho động cơ kéo.
  • Kỹ thuật điều khiển khả trình PLC: Ứng dụng kiến trúc vi xử lý và chu trình quét vòng lặp (Scan cycle) của dòng PLC Siemens S7-200; phương pháp tổ chức bộ nhớ (các vùng nhớ V, I, Q, M, SM, Timer, Counter); phương pháp lập trình cấu trúc theo tiêu chuẩn sơ đồ hình thang (LAD) và danh sách lệnh (STL).
  • Kỹ thuật biến đổi tần số (Inverter): Lý thuyết điều chỉnh tốc độ vô cấp cho động cơ không đồng bộ thông qua biến đổi tần số nguồn cấp của biến tần bán dẫn công suất; phương thức điều khiển đa cấp tốc độ, chế độ bảo vệ sự cố (quá áp, quá dòng, quá nhiệt) và tích hợp cổng truyền thông công nghiệp.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, tổng hợp tài liệu chuyên ngành cơ điện tử và thiết kế kỹ thuật hệ thống. Đồ án xây dựng bài toán công nghệ điều khiển luân phiên, tính toán mạch cấp nguồn động lực, xác định cấu hình cổng I/O phần cứng và thiết kế giải thuật phần mềm điều khiển trên máy tính thông qua phần mềm chuyên dụng họ STEP7-Micro.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển tích hợp hai cấp: cấp chấp hành truyền động lực (động cơ điện - biến tần - máy bơm) và cấp điều khiển logic trung tâm (PLC S7-200 cùng hệ thống cảm biến, thiết bị đo lường và nút ấn).

Kiến trúc phần cứng và thiết bị điều khiển

  1. Bộ biến tần LS (iG5A Series):

    • Đóng vai trò biến đổi điện áp và tần số cấp nguồn cho động cơ máy bơm, cho phép điều chỉnh vô cấp dải tần từ 0.1 Hz đến 400 Hz.
    • Nhóm thông số điều khiển phân tầng: Nhóm cơ bản (DRV) định cấu hình thời gian tăng/giảm tốc và tần số đặt; Nhóm chức năng 1 (FU1) thiết lập tần số cực đại, đặc tuyến mô-men và bảo vệ nhiệt; Nhóm chức năng 2 (FU2) quản lý hiển thị và chế độ điều khiển PID; Nhóm vào/ra (I/O) cài đặt các ngõ vào đa chức năng (P1–P3), chọn tín hiệu Analog chuẩn (0–10V, 4–20mA) và cổng giao tiếp RS-485.
    • Bố trí lắp đặt đảm bảo khoảng cách thông gió tản nhiệt: tối thiểu 150 mm theo chiều đứng và 50 mm theo chiều ngang; cấp nguồn qua aptomat khối (MCCB) riêng biệt để chống ngắn mạch.

  2. Bộ điều khiển khả trình Siemens S7-200:

    • Sử dụng các dòng CPU tiêu chuẩn (CPU 212, CPU 214 hoặc CPU 216) với khả năng mở rộng linh hoạt các module tín hiệu số và module tương tự.
    • Giao thức ghép nối truyền thông sử dụng cổng nối tiếp chuẩn RS-485 qua đầu nối Sub-D 9 chân (chuẩn PPI), kết nối với máy tính lập trình cá nhân (PC) thông qua cáp chuyển đổi PC/PPI (RS-232/RS-485).

Giải pháp kỹ thuật luân phiên và bảo vệ

Hệ thống thiết kế nhằm luân chuyển thời gian vận hành giữa các máy bơm trong trạm bơm, chống tình trạng một máy bơm chạy liên tục gây quá nhiệt, giảm tuổi thọ hoặc một máy nghỉ quá lâu dẫn đến kẹt cánh dẫn, gỉ sét. Mạch điều khiển tích hợp các tín hiệu giám sát:

  • Bảo vệ chống chạy cạn: Cảm biến mức nước tại bể hút tự động ngắt hệ thống khi mức nước thấp hơn ngưỡng cho phép nhằm tránh bơm chạy không tải phá hủy phớt và buồng bơm.
  • Bảo vệ áp suất đường ống: Thiết bị đo áp lực tại ống đẩy phát hiện hiện tượng quá áp hoặc mất áp để kịp thời đóng/cắt bơm và điều chỉnh tần số làm việc của biến tần.
  • Chế độ dừng khẩn cấp (Emergency Stop) kết nối trực tiếp đến chân BX của biến tần và ngõ vào ngắt của PLC để dừng tức thời hệ thống khi có sự cố.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống bơm

Chương 1 trình bày toàn diện nền tảng lý thuyết về máy bơm công nghiệp, phân loại, cấu tạo cơ khí và các quy luật thủy lực chi phối hoạt động của hệ thống trạm bơm:

  • Khái niệm và vai trò: Khẳng định bơm là máy thủy lực truyền năng lượng cơ học từ động cơ kéo sang dòng chất lỏng để tăng áp năng và động năng.
  • Phân loại chi tiết:
    • Theo nguyên lý làm việc: Bơm thể tích (bơm pittông, bơm rotor) hoạt động dựa trên sự biến thiên thể tích làm việc; Bơm động học (bơm ly tâm, bơm hướng trục, bơm xoáy lốc, bơm tia, bơm chấn động, bơm điện từ) truyền động năng trực tiếp cho chất lỏng qua chuyển động của cánh quạt hoặc trường lực.
    • Theo kết cấu cơ khí: Nhấn mạnh cấu tạo bơm ly tâm gồm bánh công tác, trục bơm, bộ phận dẫn hướng vào, bộ phận dẫn hướng ra, ống hút và van giữ nước (van đáy/lúp-bê); cấu tạo bơm pittông chuyển động tịnh tiến gồm xilanh, pittông, ống hút, ống đẩy và van một chiều.
  • Đặc tính làm việc:
    • Đối với bơm ly tâm: Đường đặc tính $N(Q)$ cho thấy công suất đạt cực tiểu khi lưu lượng $Q = 0$. Do đó, quy trình mở máy tiêu chuẩn là đóng van trên đường ống đẩy để giảm dòng khởi động, sau đó phải mở van trong vòng 1-2 phút nhằm tránh chất lỏng trong buồng bơm bị quá nhiệt do toàn bộ công suất chuyển hóa thành nhiệt năng.
    • Đối với bơm pittông: Lưu lượng và áp suất có biên độ dao động chu kỳ; giải pháp ổn định mô-men tải cho động cơ là lắp đặt bình điều hòa khí hoặc dùng bơm tác dụng kép/đa xilanh.
  • Phương pháp ghép bơm: Phân tích toán học và thực nghiệm về hai phương pháp ghép cụm bơm trong hệ thống phân phối:
    • Ghép song song: Áp dụng khi cần tăng lưu lượng ($H_1 = H_2 = \dots = H_n$). Tổng lưu lượng làm việc nhỏ hơn tổng lưu lượng riêng rẽ; khuyến nghị chọn các máy bơm có đường đặc tính đồng nhất và độ dốc nhỏ.
    • Ghép nối tiếp: Áp dụng khi cần tăng cột áp với lưu lượng qua các bơm là như nhau. Yêu cầu chọn bơm có đặc tính dốc lớn và bơm đặt ở tầng sau phải có độ bền cơ học cao để chịu được tổng áp suất tích lũy.

Chương 2: Tổng quan về PLC và biến tần

Chương 2 cung cấp cơ sở kỹ thuật chi tiết về hai thiết bị tự động hóa cốt lõi được ứng dụng trong đề tài:

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật các dòng biến tần LS iG5A:

Dòng định mức Điện áp cấp Dải công suất tải Dải tần số ra Tín hiệu điều khiển I/O Điều kiện môi trường
Loại 230V (1 Pha / 3 Pha) $200 - 230\text{ VAC}$ $0.5\text{ HP} - 5.0\text{ HP}$ ($0.4 - 4.0\text{ kW}$) $0.1 - 400\text{ Hz}$ 3 ngõ vào đa chức năng (P1-P3), Ngõ vào Analog (0-10V, 4-20mA), Rơle lỗi 30A-30C Nhiệt độ: $-10^\circ\text{C} \text{ đến } 40^\circ\text{C}$; Độ ẩm: $< 90%\text{ RH}$; Áp suất: $86 - 106\text{ kPa}$
Loại 460V (3 Pha) $380 - 460\text{ VAC}$ $0.5\text{ HP} - 5.7\text{ HP}$ ($0.4 - 4.0\text{ kW}$) $0.1 - 400\text{ Hz}$ Chân chạy thuận/nghịch (FX/RX), Dừng khẩn cấp (BX), Truyền thông RS-485 Nhiệt độ: $-10^\circ\text{C} \text{ đến } 40^\circ\text{C}$; Độ ẩm: $< 90%\text{ RH}$; Áp suất: $86 - 106\text{ kPa}$
  • Bộ điều khiển khả trình PLC S7-200 (Siemens):
    • Khảo sát các dòng CPU tiêu biểu: CPU 212 (8 DI / 6 DO, tối đa 2 module mở rộng), CPU 214 (14 DI / 10 DO, tối đa 7 module mở rộng), CPU 216 (24 DI / 16 DO, tối đa 14 module mở rộng).
    • Kiến trúc phân vùng bộ nhớ: Vùng nhớ chương trình (Program memory), vùng tham số (Parameter memory), vùng dữ liệu (Data memory chia thành các miền V, I, Q, M, SM), và vùng đối tượng (Timers, Counters, Accumulators). Dữ liệu được bảo toàn khi mất điện nhờ tụ dung lượng cao và pin phụ trợ.
    • Cấu trúc chu kỳ quét (Scan cycle): Quá trình xử lý lặp tuần tự gồm 4 giai đoạn: Đọc trạng thái ngõ vào vật lý vào vùng đệm ảo (Input Image) $\rightarrow$ Thực thi tuần tự chương trình logic (Main, Subroutines, Interrupts) $\rightarrow$ Xử lý truyền thông và tự chẩn đoán lỗi $\rightarrow$ Chuyển giá trị từ vùng đệm ảo (Output Image) ra ngõ ra vật lý.
    • Tập lệnh lập trình cơ bản trên phần mềm STEP7-Micro:
      • Nhóm lệnh vào/ra và gán logic: LD, LDN, LDI, LDNI, =, =I.
      • Nhóm lệnh nhớ và thao tác mảng bít: S (Set), R (Reset), SI, RI (tác động tức thời từ 1 đến 255 bít).
      • Nhóm toán tử logic Boolean: A (And), O (Or), AN (And Not), ON (Or Not).
      • Nhóm định thời gian (Timer): Gồm kiểu không nhớ TON (On-Delay) và có nhớ TONR (Retentive On-Delay), hỗ trợ 3 độ phân giải (1ms, 10ms, 100ms) với dải giá trị đặt lên đến $32.767\text{ s}$.
      • Nhóm đếm (Counter): Bộ đếm tiến CTU và bộ đếm tiến/lùi CTUD hoạt động theo sườn lên tín hiệu xung, giới hạn đếm từ $-32.768$ đến $+32.767$.
      • Nhóm lệnh so sánh (==, >=, <=) và tập lệnh số học cơ bản (cộng, trừ, nhân, chia, chuyển đổi số nguyên/số thực, khai căn).

Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống

Chương 3 triển khai cụ thể bài toán thiết kế kỹ thuật ứng dụng cho trạm bơm công nghiệp:

  • Xây dựng yêu cầu công nghệ: Định nghĩa quy trình làm việc tự động của hệ thống bơm luân phiên. Các máy bơm hoạt động tuần tự theo thời gian cài đặt sẵn; khi một bơm gặp sự cố (báo lỗi từ rơle nhiệt hoặc tiếp điểm 30A-30C của biến tần), PLC lập tức ngắt bơm đó và tự động kích hoạt bơm dự phòng hoạt động thay thế, đảm bảo lưu lượng cấp không bị gián đoạn.
  • Sơ đồ mạch động lực: Thiết kế mạng phân phối điện gồm hệ thống áptômát bảo vệ nhánh, khởi động từ (contactor) đóng cắt mạch chuyển đổi động cơ giữa nguồn lưới trực tiếp và nguồn ngõ ra từ biến tần, bộ lọc và rơle nhiệt bảo vệ quá tải.
  • Sơ đồ đấu nối ngõ vào/ra (I/O) PLC: Phân bổ các địa chỉ đầu vào cho nút ấn điều khiển (Start, Stop, Reset, Auto/Man), phao báo mức nước bể hút/bể chứa, tín hiệu báo lỗi biến tần; phân bổ các đầu ra điều khiển cuộn hút khởi động từ, ngõ vào kích chạy biến tần và hệ thống đèn báo trạng thái.
  • Chương trình điều khiển: Lập trình giải thuật điều khiển hệ thống trên phần mềm STEP7-Micro/WIN bằng ngôn ngữ sơ đồ hình thang (LAD), tổ chức cấu trúc gồm chương trình chính (Main) quản lý chế độ chạy chung và các khối chức năng con luân chuyển bơm theo thời gian định sẵn của Timer.

Kết quả và đóng góp

  1. Kết quả kỹ thuật đạt được:

    • Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết vận hành của các loại máy bơm công nghiệp, đưa ra các nguyên tắc thủy lực khi ghép nối tiếp và song song nhiều máy bơm.
    • Xây dựng hoàn chỉnh tài liệu cấu hình phần cứng, bảng tra cứu thông số cài đặt cho dòng biến tần LS iG5A và quy cách đấu nối an toàn điện công nghiệp.
    • Thiết lập bảng phân công địa chỉ cổng I/O và mã nguồn chương trình điều khiển PLC S7-200 thực thi chính xác thuật toán chuyển mạch luân phiên và tự động khóa liên động an toàn khi xảy ra lỗi.

  2. Đóng góp của đồ án:

    • Đưa ra giải pháp công nghệ thay thế phương pháp điều khiển rơle truyền thống bằng PLC kết hợp biến tần, giúp tối ưu hóa hiệu suất vận hành cho các trạm bơm nước công nghiệp và sinh hoạt.
    • Cung cấp mô hình thiết kế kỹ thuật rõ ràng về mạch động lực và thuật toán điều khiển luân phiên có tính ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nội dung đề tài chủ yếu tập trung vào việc điều khiển luân phiên logic bật/tắt kết hợp biến tần nhiều cấp tốc độ cố định; chưa đi sâu xây dựng thuật toán điều khiển kín PID duy trì áp suất ổn định liên tục theo tín hiệu phản hồi từ cảm biến áp suất analog về PLC.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tích hợp vòng điều khiển phản hồi kín PID áp suất đường ống trực tiếp trên biến tần hoặc thông qua khối hàm chuyên dụng của PLC S7-200.
    • Thiết kế giao diện giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/HMI) kết nối qua cổng truyền thông RS-485 (Modbus/PPI) để quản lý trạm bơm từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Điện Tự Động Công Nghiệp, Tự Động Hóa, Cơ Điện Tử và Kỹ Thuật Điện đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống điều khiển trạm bơm, điều khiển truyền động điện.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống cấp thoát nước, xử lý nước thải công nghiệp cần tài liệu tra cứu về cách đấu nối, cài đặt thông số biến tần LS iG5A và kỹ thuật lập trình cơ bản trên dòng PLC Siemens S7-200.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đối với máy bơm ly tâm, khi khởi động lại cần đóng van trên đường ống đẩy?
Theo đường đặc tính công suất $N(Q)$ của bơm ly tâm, công suất tiêu thụ của động cơ đạt giá trị nhỏ nhất khi lưu lượng $Q = 0$. Việc đóng van ống đẩy lúc mở máy giúp động cơ khởi động nhẹ tải, hạn chế dòng khởi động quá lớn gây sụt áp hoặc nguy hiểm cho động cơ. Tuy nhiên, van phải được mở ra sau 1 đến 2 phút để tránh nước trong buồng bơm bị đun sôi do chuyển hóa năng lượng.

2. Biến tần LS dòng iG5A cung cấp các nhóm thông số cài đặt chính nào?
Biến tần LS iG5A phân chia thông số thành 4 nhóm chức năng: nhóm DRV (thông số cơ bản: điều chỉnh tần số, thời gian tăng/giảm tốc, chế độ chạy), nhóm FU1 (hàm chức năng 1: tần số cực đại, mô-men xoắn, bảo vệ quá tải/quá nhiệt), nhóm FU2 (hàm chức năng 2: hiển thị thông số, khôi phục mặc định nhà sản xuất, chạy chế độ PID), và nhóm I/O (chọn cấp tốc độ, cấu hình chân điều khiển đa chức năng và cổng truyền thông RS-485).

3. Khác biệt cơ bản giữa bộ định thời TON và TONR trong PLC Siemens S7-200 là gì?
Cả hai loại Timer đều bắt đầu tính thời gian trễ khi có sườn lên ở tín hiệu đầu vào. Khi tín hiệu đầu vào mất (về mức 0), TON (Timer không nhớ) sẽ tự động đặt lại (reset) giá trị đếm tức thời về 0; trong khi đó, TONR (Timer có nhớ) giữ nguyên giá trị đếm tích lũy và chỉ bị xóa khi có lệnh Reset (R) tác động trực tiếp vào bít điều khiển của Timer.

4. Khi cần tăng lưu lượng trong hệ thống cấp nước công nghiệp, phương pháp ghép bơm nào được áp dụng và cần lưu ý điều gì?
Để tăng lưu lượng, phương pháp ghép song song các máy bơm được sử dụng. Khi làm việc song song, các bơm phải hoạt động ở cùng một cột áp ($H_1 = H_2 = \dots = H_n$). Để đạt hiệu quả cao, cần chọn các máy bơm có đường đặc tính làm việc tương đồng và độ dốc nhỏ; đồng thời đường ống dẫn phải được tính toán để chịu được tổng áp lực khi toàn bộ các máy bơm cùng phát huy công suất.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Quốc Tưởng đã giải quyết trọn vẹn bài toán tổng quan về công nghệ bơm công nghiệp và thiết kế hệ thống điều khiển bơm luân phiên ứng dụng PLC Siemens S7-200 kết hợp biến tần LS iG5A. Bằng việc phân tích chi tiết từ đặc tính thủy lực, cấu trúc phần cứng đến giải thuật lập trình logic, đề tài đã đưa ra giải pháp kỹ thuật tự động hóa tin cậy, giúp nâng cao tính ổn định và bảo vệ an toàn cho hệ thống truyền động trạm bơm trong thực tế sản xuất công nghiệp.