Thiết kế hệ thống điện điều khiển chiller công suất lạnh 30RT bằng máy tính dùng PLC Siemen S7-1200

Đồ án thiết kế hệ thống điện điều khiển chiller 30RT dùng PLC S7-1200 - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Ngô Tấn Hải
• Người hướng dẫn: GVC. Lại Hoài Nam
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điện điều khiển chiller công suất lạnh 30RT bằng máy tính dùng PLC Siemen S7-1200
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống điều khiển chiller 30RT dùng PLC S7 1200

Tòa nhà thương mại UOA Tower II đòi hỏi hệ thống điều hòa không khí vận hành liên tục và ổn định. Cụm máy làm lạnh nước Chiller công suất 30RT đóng vai trò cung cấp nguồn nhiệt ẩm tiêu chuẩn. Việc áp dụng bộ điều khiển lập trình Siemens SIMATIC S7-1200 thay thế các mạch rơ le cổ điển mang lại bước chuyển biến lớn về tự động hóa tòa nhà. Bộ xử lý S7-1200 tích hợp cổng truyền thông PROFINET chuẩn công nghiệp. Thiết bị xử lý tín hiệu analog và digital từ các cảm biến đo lường áp suất, nhiệt độ và lưu lượng nước. Dữ liệu vận hành được truyền dẫn trực tiếp lên máy tính quản trị thông qua giao diện TIA Portal. Cấu trúc điều khiển phân tán giúp quản lý quy trình khép kín của chu trình làm lạnh. Máy nén, bơm tuần hoàn và tháp giải nhiệt phối hợp nhịp nhàng theo các kịch bản lập sẵn. Hệ thống phản ứng nhanh trước các biến động phụ tải nhiệt từ không gian làm việc. Giải pháp bảo đảm tính đồng bộ kỹ thuật cao và độ tin cậy trong môi trường cao ốc văn phòng cao tầng.

1.1. Cấu trúc phần cứng và truyền thông của PLC S7 1200

PLC Siemens S7-1200 sở hữu thiết kế module linh hoạt và kích thước nhỏ gọn. Bộ điều khiển CPU tích hợp sẵn các kênh vào ra số cùng ngõ vào tương tự tiêu chuẩn. Khả năng mở rộng thông qua các board tín hiệu giúp đáp ứng đầy đủ yêu cầu giám sát cụm chiller 30RT. Cổng mạng PROFINET đóng vai trò huyết mạch trong việc kết nối máy tính điều khiển và biến tần. Đèn báo trạng thái LED trên mặt trước cung cấp thông tin trực quan về chế độ RUN, STOP hoặc cảnh báo ERROR. Tốc độ quét chu kỳ nhanh của vi xử lý bảo đảm tín hiệu ngắt bảo vệ được thi hành tức thì khi xảy ra sự cố.

1.2. Vai trò của cụm chiller 30RT trong vận hành UOA Tower II

Chiller giải nhiệt nước công suất 30RT đảm nhận nhiệm vụ cung cấp nước lạnh cho hệ thống FCU và AHU. Nước lạnh đi qua dàn trao đổi nhiệt để làm mát các khu vực văn phòng làm việc. Tòa nhà UOA Tower II có đặc thù tải nhiệt thay đổi mạnh theo khung giờ hoạt động. Việc duy trì ổn định nhiệt độ nước cấp 7 độ C và nước hồi 12 độ C là điều kiện tiên quyết. Nếu thiếu hệ thống điều khiển tự động, chiller sẽ hoạt động sai lệch điểm tối ưu. Hậu quả dẫn tới tăng đột biến chi phí điện năng và suy giảm tiện nghi nhiệt của người thuê văn phòng.

II. Phân tích thách thức vận hành chiller 30RT tại UOA Tower II

Vận hành chiller công suất 30RT tại cao ốc UOA Tower II đối mặt nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp. Hệ thống truyền thống sử dụng phương thức đóng cắt trực tiếp hoặc rơ le nhiệt đơn thuần. Cách làm cũ tạo ra các cú sốc dòng điện lớn khi khởi động máy nén. Sự thay đổi tải đột ngột trong giờ cao điểm dễ gây ra hiện tượng áp suất ngưng tụ tăng cao bất thường. Nhiệt độ dầu bôi trơn máy nén không được giám sát liên tục dẫn đến nguy cơ kẹt trục hoặc hỏng bạc lót. Đồng thời, lưu lượng nước làm mát qua bình ngưng dao động thất thường do bơm hoạt động cố định. Tình trạng này làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và tăng nguy cơ bám cặn trong ống truyền nhiệt. Phương thức quản lý thủ công cũng cản trở khả năng phát hiện lỗi rò rỉ môi chất lạnh. Sự cố không được cô lập kịp thời thường lan rộng sang các thiết bị phụ trợ. Do đó, bài toán đặt ra là cần cơ chế bảo vệ liên động đa tầng bằng thuật toán lập trình logic.

2.1. Hạn chế của mạch relay điều khiển chiller kiểu cũ

Tủ điện điều khiển chiller sử dụng rơ le truyền thống chứa đựng nhiều mối nối tiếp điểm cơ khí. Các tiếp điểm dễ bị mài mòn, oxy hóa và phát sinh tia lửa điện theo thời gian. Mạch cơ khí không có khả năng tự động ghi nhận nhật ký lỗi vận hành. Kỹ sư vận hành gặp nhiều khó khăn khi truy tìm nguyên nhân hỏng hóc thực sự. Độ trễ tác động của rơ le nhiệt thường chậm hơn các biến cố áp suất đột biến trong chu trình gas lạnh. Điều này gây nguy hiểm trực tiếp cho cuộn dây động cơ máy nén 30RT đắt tiền. Sự thiếu hụt truyền thông dữ liệu biến chiller thành một điểm mù trong hệ thống quản lý tòa nhà.

2.2. Tổn thất điện năng khi thiếu điều biến biến tần

Máy nén vận hành ở tốc độ định mức liên tục sẽ tiêu thụ nguồn điện năng lãng phí. Khi phụ tải văn phòng giảm vào buổi chiều hoặc ngày nghỉ, chiller vẫn chạy hết công suất. Chu kỳ khởi động và dừng máy nén liên tục làm sụt áp mạng điện nội bộ tòa nhà UOA Tower II. Hiện tượng này tạo xung dòng điện gấp nhiều lần dòng làm việc danh định. Động cơ chịu ứng suất cơ học và nhiệt lượng gia tăng trên cuộn dây stator. Thiếu điều khiển biến tần khiến hệ thống không thể bám sát đường cong phụ tải thực. Chi phí điện năng của tòa nhà vì vậy tăng cao đột biến hàng tháng.

III. Giải pháp điều khiển chiller 30RT dùng PLC S7 1200 tối ưu

Giải pháp điều khiển cụm chiller 30RT sử dụng PLC Siemens S7-1200 và phần mềm TIA Portal V15. Thuật toán điều khiển PID tích hợp trực tiếp trong khối hàm CPU để kiểm soát biến tần. Biến tần điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ máy nén một cách mượt mà. Tốc độ quay của trục nén thay đổi linh hoạt theo nhiệt độ nước hồi đo được. Khi nhiệt độ nước đạt ngưỡng cài đặt, tần số giảm xuống mức vận hành duy trì. Các ngõ vào analog tiếp nhận liên tục tín hiệu từ cảm biến áp suất cao, áp suất thấp và cảm biến nhiệt độ PT100. Chương trình điều khiển lập trình các logic liên động an toàn tuyệt đối. Máy nén chỉ khởi động khi bơm nước giải nhiệt và quạt tháp giải nhiệt đã chạy ổn định. Mọi bất thường về dòng điện hoặc nhiệt độ cuộn dây đều kích hoạt quy trình dừng khẩn cấp. Màn hình giám sát trên máy tính hiển thị biểu đồ thời gian thực của toàn bộ chu trình nhiệt.

3.1. Thiết lập thuật toán PID và cấu hình TIA Portal V15

Khối hàm PID_Compact trong TIA Portal V15 thực hiện tính toán sai số giữa nhiệt độ nước đặt trước và nhiệt độ đo thực. Bộ thông số khuếch đại tỷ lệ, tích phân và vi phân được tự động tối ưu hóa qua chức năng Fine Tuning. Tín hiệu đầu ra PID chuyển đổi thành dải xung analog 0-10V hoặc 4-20mA để điều khiển trực tiếp biến tần. Kỹ sư dễ dàng thiết lập bảng biến PLC Tags và khối tổ chức Main OB1. Cơ chế mô phỏng PLCSIM cho phép kiểm thử logic trước khi nạp vào phần cứng CPU. Quy trình này loại bỏ hoàn toàn các xung đột thuật toán trong giai đoạn chạy thử.

3.2. Mạch bảo vệ đa tầng và giám sát thông số vận hành

PLC S7-1200 liên tục đọc trạng thái từ rơ le áp suất thấp LP và áp suất cao HP trên đường ống gas lạnh. Khi áp suất vượt ngưỡng an toàn, tiếp điểm bảo vệ gửi tín hiệu ngắt phần cứng tới CPU trong vòng mili giây. Cảm biến dòng điện và rơ le bảo vệ mất pha, lệch pha ngăn ngừa triệt để nguy cơ cháy cuộn dây máy nén 30RT. Công tắc dòng chảy flow switch đặt tại đường ống nước lạnh giám sát lưu thông chất lỏng. Nếu thiếu dòng chảy, hệ thống lập tức khóa lệnh khởi động máy nén để chống đóng băng dàn bay hơi. Các đèn LED báo hiệu trạng thái RUN, ERROR và MAINT giúp quan sát tức thời tình trạng tủ điện.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tế hệ thống chiller 30RT S7 1200

Hệ thống điện điều khiển chiller 30RT dùng PLC S7-1200 khẳng định giá trị ứng dụng cao tại UOA Tower II. Kết quả vận hành cho thấy tính ổn định vượt trội so với các giải pháp điều khiển cũ. Khả năng duy trì sai số nhiệt độ nước cấp trong khoảng cộng trừ 0.5 độ C nâng cao chất lượng tiện nghi nhiệt. Việc áp dụng biến tần phối hợp thuật toán PID giúp tiết kiệm từ 20 đến 30 phần trăm lượng điện tiêu thụ máy nén. Dòng điện khởi động êm dịu triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng sụt áp lưới điện tòa nhà. Đồng thời, mô hình số hóa phối hợp phần mềm Revit hỗ trợ công tác bố trí không gian tủ điện chuẩn xác. Quá trình kiểm tra bảo trì diễn ra thuận lợi nhờ hệ thống mã lỗi rõ ràng và đèn báo chỉ thị chính xác. Đây là giải pháp tự động hóa tiêu chuẩn, có thể nhân rộng cho nhiều dự án văn phòng và trung tâm thương mại hiện đại.

4.1. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng và ổn định tải lạnh

Khả năng biến thiên liên tục dải công suất giúp chiller tránh lãng phí năng lượng dư thừa. Hệ thống vận hành theo đúng nhu cầu sử dụng thực của các tầng tại tòa nhà UOA Tower II. Khi nhiệt độ môi trường giảm hoặc số người trong văn phòng ít đi, PLC giảm công suất phát của máy nén. Lượng điện năng tiết kiệm đạt hiệu quả cao nhất trong khung giờ tải thấp. Ngoài ra, nhiệt độ nước lạnh cấp đi luôn duy trì độ lệch nhiệt độ ổn định. Dàn trao đổi nhiệt hoạt động ở chế độ tối ưu và giảm hao mòn cơ khí đáng kể.

4.2. Khả năng mở rộng giám sát SCADA và quản lý từ xa

Giao thức PROFINET tích hợp sẵn trên CPU S7-1200 tạo tiền đề mở rộng liên kết SCADA toàn diện. Kỹ sư vận hành có thể giám sát áp suất, nhiệt độ và dòng điện máy nén qua mạng nội bộ. Dữ liệu thời gian thực được trích xuất để phân tích hiệu suất COP định kỳ. Tính năng này hỗ trợ đắc lực công tác bảo trì dự đoán và ngăn ngừa sự cố tiềm ẩn. Khi phát sinh sự cố, hệ thống tự động gửi thông báo chi tiết mã lỗi đến phòng điều khiển trung tâm. Mô hình quản lý thông minh này đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn vận hành tòa nhà hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật điều hòa không khí và làm lạnh công nghiệp, hệ thống làm mát nước (Water Chiller) giữ vai trò trung tâm trong việc duy trì vi khí hậu và phục vụ các quy trình công nghệ quy mô lớn. Các hệ thống điều khiển Chiller truyền thống chủ yếu dựa trên mạng lưới rơ-le cơ điện và các mạch tương tự, bộc lộ nhiều hạn chế về kích thước tủ điện, mức tiêu hao năng lượng, độ tin cậy trong môi trường rung động, độ ẩm cao cũng như sự thiếu linh hoạt khi cần sửa đổi thuật toán vận hành. Sự phát triển của các bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và biến tần (VFD) đã đặt ra yêu cầu hiện đại hóa hệ thống điều khiển nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ, nâng cao độ an toàn và tự động hóa toàn diện quá trình vận hành.

Từ bối cảnh thực tế đó, đề tài "Thiết kế hệ thống điện điều khiển Chiller công suất lạnh 30RT bằng máy tính dùng PLC Siemen S7-1200" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Đề tài tập trung giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Nhiệm vụ 1: Thiết kế và xây dựng hệ thống điện điều khiển tự động hóa cho cụm máy làm lạnh Water Chiller công suất 30RT sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 kết hợp phần mềm TIA Portal V15.
2. Nhiệm vụ 2: Xây dựng giải pháp điều khiển tự động vòng kín sử dụng thuật toán PID trên PLC để điều khiển biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ máy nén theo phụ tải lạnh thực tế.
3. Nhiệm vụ 3: Lập trình các mạch logic bảo vệ an toàn cho máy nén và các thiết bị liên quan (bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, quạt tháp giải nhiệt) trước các nguy cơ sự cố về áp suất, nhiệt độ, quá tải và dòng chảy.
4. Nhiệm vụ 4: Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển và cảnh báo lỗi trên màn hình HMI KTP900 Basic PN và máy tính theo thời gian thực.
5. Nhiệm vụ 5: Thi công, đấu nối tủ điện điều khiển phần cứng thực tế và ứng dụng phần mềm Autodesk Revit 2024 dựng mô hình không gian 3D hệ thống Chiller lắp đặt cho công trình tòa nhà UOA Tower II.

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống làm lạnh Water Chiller giải nhiệt nước công suất 30RT; nguyên lý làm việc của PLC Siemens S7-1200, biến tần Schneider ATV71; các cảm biến đo lường nhiệt độ, áp suất, công tắc dòng chảy; thuật toán điều khiển phản hồi PID.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Không gian: Hệ thống thiết bị điều khiển thực tế được chế tạo và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành; đối tượng công trình khảo sát mô phỏng 3D là hệ thống HVAC tại tòa nhà văn phòng UOA Tower II.
  • Thời gian: Đồ án hoàn thành vào tháng 07 năm 2025.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nguyên lý nhiệt động học của chu trình làm lạnh nén hơi một cấp giải nhiệt nước, phân tích thông qua đồ thị áp suất - entanpi ($\lg P - h$) và nhiệt độ - entropi ($T - s$). Về mặt điều khiển tự động, đề tài ứng dụng lý thuyết điều khiển phản hồi vòng kín theo thuật toán Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân (PID) nhằm tính toán sai lệch giữa nhiệt độ nước lạnh cài đặt và nhiệt độ nước thực tế để điều biến tần số ngõ ra của biến tần. Cấu trúc phần mềm điều khiển tuân thủ các quy định về chuẩn ngôn ngữ lập trình PLC theo tiêu chuẩn IEC 61311-3.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật, mô hình hóa và thực nghiệm chế tạo:

• Phương pháp mô hình hóa công trình: Sử dụng phần mềm Autodesk Revit 2024 để dựng không gian kỹ thuật 3D, bố trí các cụm thiết bị Chiller, trạm bơm nước lạnh, bơm giải nhiệt tại tầng hầm, cụm tháp giải nhiệt tại tầng mái, cùng mạng lưới đường ống và thiết bị xử lý không khí (AHU, FCU).
• Phương pháp lập trình điều khiển: Sử dụng phần mềm TIA Portal V15 để cấu hình phần cứng, lập trình logic bằng ngôn ngữ Ladder (LAD), tổ chức các khối hàm OB, FB, FC, DB, xử lý khối chuẩn hóa và tỷ lệ tín hiệu tương tự (NORM_X, SCALE_X), thiết lập vòng lặp PID Compact.
• Phương pháp thiết kế và thi công phần cứng: Tính toán lựa chọn khí cụ đóng cắt, bảo vệ, dây dẫn, lập bảng khối lượng thiết bị, bố trí layout và tiến hành đấu nối dây vật lý cho tủ điện điều khiển.
• Phương pháp thực nghiệm vận hành: Nạp chương trình vào CPU thực tế, kiểm tra đáp ứng của hệ thống qua các chế độ vận hành bằng tay (MAN), tự động (AUTO) và theo lịch thời gian thực (Schedule), đồng thời mô phỏng tín hiệu sự cố để kiểm chứng các khối hàm bảo vệ liên động.

Nguồn dữ liệu

Nghiên cứu sử dụng tài liệu thông số kỹ thuật (datasheet/manual) chính hãng từ Siemens (tài liệu PLC S7-1200, HMI Basic), Schneider Electric (biến tần Altivar ATV71), Sensys, EMA; bản vẽ kiến trúc và cơ điện của tòa nhà UOA Tower II; cùng dữ liệu thực nghiệm đo đạc điện áp, dòng điện và tín hiệu analog thu thập trực tiếp trong quá trình chạy thử.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Cấu hình phần cứng và khí cụ điện

Hệ thống điện điều khiển được cấu hình từ các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn, đảm bảo tính đồng bộ trong giao tiếp và xử lý tín hiệu:

STT	Thiết bị	Mã hiệu / Quy cách kỹ thuật	Vai trò trong hệ thống
1	Bộ xử lý trung tâm (CPU)	Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/Rly (6ES7 212-1BE40-0XB0, Firmware V4.2)	Xử lý logic trung tâm, điều hành chu trình quét và giao tiếp mạng
2	Module mở rộng ngõ vào Analog	Siemens SM 1231 AI 4x13 bit	Thu thập tín hiệu dòng/áp từ cảm biến áp suất và nhiệt độ
3	Module mở rộng Analog In/Out	Siemens SM 1234 AI 4 / AQ 2 (13-14 bit)	Đọc tín hiệu cảm biến và xuất tín hiệu analog 0–10V / 4–20mA điều khiển biến tần
4	Màn hình giao diện vận hành	Siemens HMI KTP900 Basic PN	Màn hình cảm ứng 9 inch, hiển thị giao diện SCADA/HMI tại chỗ
5	Biến tần điều khiển máy nén	Schneider ATV71	Điều chỉnh vô cấp tần số động cơ máy nén lạnh 30RT theo thuật toán PID
6	Cảm biến áp suất môi chất	Sensys M5256	Giám sát áp suất đầu hút (LP) và áp suất đầu đẩy (HP) của máy nén
7	Cảm biến áp suất dầu bôi trơn	EMA PB1165	Giám sát chênh lệch áp suất dầu bảo vệ trục khuỷu và ổ bi máy nén
8	Cảm biến nhiệt độ	Pt100 loại 3 dây kết hợp bộ chuyển đổi	Đo nhiệt độ nước lạnh cấp (CHWS), nước lạnh hồi (CHWR), nước giải nhiệt vào/ra (CWI, CWO)
9	Thiết bị bảo vệ dòng chảy	Water Flow Switch (FS COND, FS EVAP)	Kiểm tra sự hiện diện của lưu lượng tuần hoàn qua bình ngưng và bình bay hơi
10	Rơ-le bảo vệ pha	Rơ-le giám sát điện áp 3 pha	Ngắt hệ thống khi xảy ra hiện tượng mất pha, lệch pha hoặc đảo thứ tự pha
11	Khí cụ phụ trợ	Bộ nguồn xung 24VDC, rơ-le trung gian, contactor	Cấp nguồn một chiều cho cảm biến/PLC và cách ly tín hiệu ngõ ra điều khiển

Kiến trúc phần mềm và giải pháp điều khiển

Chương trình điều khiển được viết trên phần mềm TIA Portal V15 với cấu trúc module hóa thông qua khối tổ chức chính Main [OB1]:

• Khối xử lý tín hiệu Analog: Tín hiệu dòng điện (4–20mA) hoặc điện áp (0–10V) từ cảm biến áp suất Sensys và cảm biến nhiệt độ Pt100 được chuyển đổi thành các giá trị vật lý thực (bar, °C) thông qua việc cấu hình kênh Analog trên SM 1231/SM 1234.
• Vòng điều khiển PID cho biến tần: Khối hàm điều khiển PID sử dụng tín hiệu sai số giữa nhiệt độ nước lạnh cấp thực tế và giá trị đặt (Setpoint) để xuất tín hiệu tần số analog đưa vào ngõ nhận của biến tần Schneider ATV71. Qua đó, tốc độ quay của máy nén được điều chỉnh tương ứng với tải lạnh thực tế thay vì vận hành ở định mức cố định.
• Mạch logic liên động an toàn (Interlock): Hệ thống cài đặt chuỗi khởi động tuần tự bắt buộc: quạt tháp giải nhiệt và bơm nước giải nhiệt hoạt động $\rightarrow$ bơm nước lạnh hoạt động $\rightarrow$ công tắc dòng chảy (FS COND, FS EVAP) đóng mạch báo lưu lượng ổn định $\rightarrow$ máy nén mới được phép cấp lệnh khởi động. Khi dừng hệ thống, chu trình dừng diễn ra theo thứ tự ngược lại để giải nhiệt hoàn toàn cho máy nén.
• Hệ thống bảo vệ sự cố đa tầng: Các khối logic ngắt khẩn cấp và cảnh báo được lập trình riêng biệt cho từng lỗi:
  • Áp suất thấp (Low Pressure - LP) & Áp suất cao (High Pressure - HP): Tự động khóa mạch điều khiển máy nén khi áp suất vượt ngưỡng an toàn.
  • Áp suất dầu (Oil Pressure - OP): Ngắt máy nén khi chênh lệch áp suất dầu bôi trơn giảm dưới mức cho phép trong một khoảng thời gian trễ xác định.
  • Bảo vệ chống đông (Freezing Protection): Ngắt máy nén khi nhiệt độ nước lạnh xuống quá thấp nhằm tránh đóng băng gây nứt vỡ bình bay hơi.
  • Bảo vệ quá tải và nhiệt độ: Thu thập tín hiệu tiếp điểm rơ-le nhiệt bảo vệ động cơ máy nén, bơm tháp, bơm nước lạnh, quạt tháp và bảo vệ quá nhiệt cuộn dây.

Thiết kế giao diện HMI KTP900 Basic PN

Giao diện vận hành được xây dựng với cấu trúc các Tab chuyên biệt kết nối qua giao thức PROFINET Ethernet:

• Tab Main & Control: Cung cấp tổng quan trạng thái làm việc, hiển thị sơ đồ công nghệ, cho phép chọn chế độ vận hành (MAN / AUTO / Schedule).
• Tab MAN (Manual): Cho phép người vận hành bật/tắt thủ công từng thiết bị riêng lẻ (bơm, quạt, máy nén) để phục vụ công tác bảo trì, kiểm tra thiết bị.
• Tab AUTO: Tự động điều hành toàn bộ quy trình khởi động, điều biến tốc độ máy nén theo PID và dừng hệ thống theo chuỗi liên động.
• Tab Schedule (Thời gian thực): Lập trình cài đặt khung giờ làm việc và ngày nghỉ tự động cho hệ thống dựa trên đồng hồ thời gian thực (Real-time clock) của CPU.
• Tab Alarms & Instruction: Hiển thị danh sách chi tiết các lỗi thời gian thực, lưu trữ nhật ký sự cố và tích hợp hướng dẫn quy trình khắc phục sự cố cho kỹ thuật viên.
• Tab Trend: Vẽ đồ thị biến thiên thời gian thực của áp suất đầu hút, áp suất đầu đẩy và nhiệt độ nước lạnh, hỗ trợ đánh giá hiệu quả vận hành.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu vai trò của ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt trong điều hòa không khí, phân tích quá trình chuyển dịch công nghệ từ mạch rơ-le cơ điện sang bộ điều khiển lập trình PLC. Tác giả trình bày các ưu thế kỹ thuật của PLC như khả năng tiết kiệm không gian lắp đặt tủ điện, tiêu thụ năng lượng thấp, vận hành bền bỉ trong môi trường công nghiệp có bụi và rung chấn, cùng tính linh hoạt trong cập nhật phần mềm. Chương này xác định rõ mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng nghiên cứu và phạm vi kỹ thuật của đề tài xoay quanh việc tự động hóa cụm Chiller 30RT.

Chương 2: Giới thiệu về điều khiển và kết nối PLC S7-1200

Chương 2 trình bày kiến trúc phần cứng của dòng PLC Siemens S7-1200. Tác giả lập bảng giải thích trạng thái chỉ thị của các đèn LED trên CPU (RUN/STOP, ERROR, MAINT) và đèn tín hiệu cổng Ethernet (RX/TX). Nội dung chương đi sâu vào cấu trúc mở rộng phần cứng bao gồm bảng tín hiệu gắn trên mặt CPU (Signal Board - SB), các module mở rộng tín hiệu vào/ra gắn bên phải (Signal Module - SM như SM 1221, SM 1222, SM 1223, SM 1231, SM 1234) và các module truyền thông gắn bên trái (Communication Module - CM như RS232, RS485, Profibus). Chương này cũng hướng dẫn chi tiết sơ đồ đấu nối nguồn 220VAC, nguồn 24VDC, kỹ thuật kết nối ngõ vào số theo dạng hút dòng (Sink) hoặc cấp dòng (Source), cùng phương thức ghép nối ngõ ra dạng Relay và Transistor.

Chương 3: Tổng quan về PLC SIMATIC S7-1200

Nội dung chương tập trung vào cơ sở lập trình theo chuẩn IEC 61311-3 với các ngôn ngữ LAD, FBD, SCL/FCL, STL và SFC. Tác giả phân tích cấu trúc tổ chức bộ nhớ của S7-1200: vùng nhớ ảnh tiến trình ngõ vào (I), ngõ ra (Q), bộ nhớ cờ bit nội (M), bộ nhớ dữ liệu tạm (L) và khối dữ liệu (DB). Chương này giải thích sự khác biệt giữa việc truy xuất vùng nhớ thông thường qua chu kỳ quét và phương thức truy xuất tức thời (I_:P, Q_:P) trực tiếp từ phần cứng. Ngoài ra, chương 3 trình bày các bước cấu hình vùng nhớ hệ thống và xung nhịp (System and clock memory) trong TIA Portal và tổng hợp đặc tính các kiểu dữ liệu từ Bool, Byte, Word, Int, DInt đến Real, LReal, String.

Chương 4: Giới thiệu về phần mềm TIA Portal V15

Chương 4 khảo sát môi trường tích hợp TIA Portal V15, nêu cấu hình phần cứng máy tính khuyến nghị (CPU Core i5 trở lên, RAM tối thiểu 8GB, dung lượng đĩa trống 50GB, hệ điều hành Windows 7/10 Pro). Chương phân tích cấu trúc giao diện Portal View và Project View, hướng dẫn thao tác cấu hình thiết bị (Device Configuration), nạp phần mềm xuống CPU và thiết lập địa chỉ IP qua cổng PROFINET. Tác giả phân tích chức năng các khối lập trình (OB, FB, FC, DB), nguyên lý làm việc của các bộ định thời (Timer TP, TON, TOF, TONR), các bộ đếm (Counter CTU, CTD, CTUD), các tập lệnh so sánh, lệnh toán học và nguyên lý cấu hình thuật toán PID Compact ứng dụng trong điều khiển hệ thống Chiller.

Chương 5: Hệ thống Water Chiller giải nhiệt nước và dựng công trình tòa nhà UOA Tower II trên phần mềm Revit

Chương 5 phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống Chiller giải nhiệt nước thông qua đồ thị nhiệt động $\lg P - h$ và $T - s$. Tác giả xác định các thông số vận hành cốt lõi cần giám sát: áp suất đầu hút, áp suất đầu đẩy, áp suất dầu bôi trơn máy nén, nhiệt độ nước lạnh cấp/hồi và nhiệt độ nước giải nhiệt tháp làm mát. Phần tiếp theo của chương trình bày việc ứng dụng phần mềm Autodesk Revit 2024 để dựng mô hình thông tin công trình (BIM) cho tòa nhà UOA Tower II: xây dựng vị trí đặt cụm Chiller và bơm tuần hoàn tại tầng hầm, bố trí tháp giải nhiệt tại tầng mái, thiết kế mạng lưới đường ống cấp nước lạnh đến các dàn trao đổi nhiệt AHU và FCU tại các tầng sử dụng.

Chương 6: Chương trình điều khiển trên PLC SIMATIC S7-1200 và thiết kế tủ điện điều khiển

Đây là chương trọng tâm về mặt kỹ thuật, thuyết minh thông số chi tiết của các thiết bị: CPU S7-1200 1212C AC/DC/Rly, module SM 1231, SM 1234, biến tần Schneider ATV71, cảm biến Sensys M5256, cảm biến EMA PB1165, nhiệt điện trở Pt100, rơ-le bảo vệ pha và rơ-le dòng chảy. Tác giả trình bày chi tiết chương trình logic lập trình trên TIA Portal V15: các mạng lệnh (Network) xử lý analog, khối logic bảo vệ áp suất thấp, áp suất cao, áp suất dầu, chống đông, bảo vệ quá nhiệt/quá tải động cơ, mạch điều khiển chế độ làm lạnh nhanh và vòng điều khiển PID máy nén. Cuối chương, tác giả đưa ra bảng kê khối lượng thiết bị, bản vẽ bố trí layout mặt trong/mặt ngoài và sơ đồ đấu nối tủ điện điều khiển.

Chương 7: Thiết kế giao diện điều khiển hệ thống Water Chiller giải nhiệt nước hiển thị trên màn hình HMI KTP 900 Basic PN

Chương 7 trình bày quy trình thiết kế giao diện vận hành đồ họa trên màn hình Siemens HMI KTP900 Basic PN kết nối qua cổng Ethernet. Tác giả thuyết minh chức năng của từng trang giao diện (Tab): đăng nhập hệ thống, giám sát thông số thời gian thực, điều khiển chạy/dừng từng thiết bị ở chế độ MAN, khởi động tự động hệ thống ở chế độ AUTO, thiết lập lịch vận hành theo thời gian thực (Schedule), quản lý bảng cảnh báo lỗi (Alarms), hiển thị biểu đồ biến thiên thông số (Trend) và giao diện hướng dẫn thao tác vận hành chuẩn cho kỹ thuật viên.

Chương 8: Vận hành thử nghiệm

Chương 8 mô tả quá trình vận hành chạy thử thực tế của tủ điện điều khiển đã hoàn thiện gia công. Quá trình kiểm nghiệm được thực hiện trên ba phương thức: vận hành chế độ bằng tay (MAN) để kiểm tra tính độc lập của các ngõ ra; vận hành chế độ tự động (AUTO) để kiểm chứng chuỗi liên động an toàn và thuật toán PID; vận hành theo thời gian thực (Real-time) để xác nhận tính năng chạy/dừng theo lịch đặt trước. Chương này cũng ghi lại các kết quả kiểm tra phản ứng của hệ thống khi kích hoạt các tín hiệu báo lỗi giả lập (quá áp, tụt áp, ngắt dòng chảy, lệch pha), khẳng định hệ thống đóng ngắt bảo vệ chính xác và hiển thị đầy đủ thông tin cảnh báo trên HMI.

Chương 9: Phần kết luận

Chương 9 tóm tắt các kết quả kỹ thuật đạt được của đồ án tốt nghiệp, khẳng định việc hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu từ thiết kế, lập trình, chế tạo tủ điện điều khiển đến mô phỏng không gian kỹ thuật trên Revit. Đồng thời, chương trình bày các kiến nghị hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Thiết kế và thi công hoàn chỉnh tủ điện điều khiển: Chế tạo thành công tủ điện vật lý tích hợp CPU Siemens S7-1200 1212C (6ES7 212-1BE40-0XB0, firmware V4.2), module mở rộng SM 1231 AI 4x13bit, module SM 1234 AI4/AQ2, biến tần Schneider ATV71, màn hình HMI KTP900 Basic PN cùng hệ thống rơ-le, khí cụ bảo vệ đạt yêu cầu kỹ thuật công nghiệp.
• Tự động hóa chu trình vận hành: Lập trình điều khiển thành công 3 chế độ vận hành độc lập: chế độ MAN phục vụ bảo dưỡng, chế độ AUTO vận hành tự động theo chuỗi liên động thiết bị và chế độ Schedule tự động đóng/cắt theo thời gian thực kết hợp phân loại ngày làm việc và ngày nghỉ.
• Điều khiển tối ưu hóa năng lượng: Xây dựng thành công giải pháp điều khiển vòng kín PID trên TIA Portal V15 kết nối biến tần Schneider ATV71, tự động điều chỉnh tốc độ máy nén theo tải lạnh thực tế thông qua việc kiểm soát độ chênh nhiệt độ nước lạnh.
• Hệ thống an toàn và giám sát toàn diện: Triển khai đầy đủ các mạch logic bảo vệ tự động ngắt hệ thống khi xảy ra sự cố áp suất thấp, áp suất cao, áp suất dầu bôi trơn, quá nhiệt cuộn dây máy nén, mất pha, quá tải bơm/quạt và mất dòng chảy tuần hoàn qua bình ngưng/bình bay hơi.
• Mô hình hóa kỹ thuật 3D: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình không gian hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà UOA Tower II trên phần mềm Autodesk Revit 2024, thể hiện rõ vị trí lắp đặt cụm Chiller, bơm, tháp giải nhiệt và mạng lưới đường ống cấp nước lạnh đến hệ thống AHU/FCU.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

• Đề xuất giải pháp thay thế hoàn toàn hệ thống điều khiển rơ-le truyền thống bằng PLC S7-1200 kết hợp biến tần cho cụm Chiller 30RT, giúp giảm dòng khởi động, tăng tuổi thọ máy nén và tiết kiệm điện năng vận hành.
• Xây dựng quy trình khép kín từ khâu thiết kế thuật toán logic, mô hình hóa BIM/Revit công trình thực tế đến chế tạo tủ điện điều khiển vật lý và lập trình giao diện HMI trực quan phục vụ công tác giám sát, chẩn đoán sự cố tại chỗ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Quá trình vận hành thử nghiệm tủ điều khiển chủ yếu được tiến hành trong môi trường phòng thí nghiệm với các tín hiệu cảm biến và phụ tải mô phỏng, chưa được ghép nối trực tiếp và kiểm tra liên tục trong thời gian dài trên một cụm máy Chiller 30RT công nghiệp đang vận hành thực tế tại công trình.
• Đề tài chưa tích hợp kết nối truyền thông công nghiệp mở rộng với hệ thống quản lý tòa nhà thông minh tổng thể (Building Management System - BMS).

Hướng nghiên cứu tiếp

• Ghép nối tủ điện điều khiển với hệ thống Chiller vật lý hoàn chỉnh tại công trình để đo đạc, đánh giá chính xác các chỉ số tiêu thụ điện năng thực tế của biến tần ở các dải phụ tải khác nhau.
• Tích hợp thêm các module truyền thông công nghiệp (như CM 1241 RS485 / Modbus RTU hoặc BACnet) để truyền tải toàn bộ dữ liệu giám sát của Chiller về hệ thống BMS trung tâm của tòa nhà và triển khai giám sát qua nền tảng SCADA/IoT trên nền tảng điện toán đám mây.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị ứng dụng và tham khảo thực tiễn cao cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Điện lạnh, Tự động hóa và Kỹ thuật Cơ điện công trình (MEP):

• Phần lập trình PLC và thuật toán PID (Chương 4 & Chương 6): Cung cấp tài liệu hướng dẫn cụ thể về cách cấu hình phần cứng, chuẩn hóa tín hiệu cảm biến analog và thiết lập thuật toán điều khiển PID Compact trên phần mềm TIA Portal V15 kết nối điều khiển biến tần.
• Phần thiết kế tủ điện và sơ đồ đấu nối (Chương 2 & Chương 6): Cung cấp các bản vẽ layout tủ điện, bảng khối lượng thiết bị, cùng nguyên lý đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển Sink/Source và mạch liên động bảo vệ an toàn cho hệ thống Chiller giải nhiệt nước.
• Phần thiết kế giao diện HMI (Chương 7): Là tài liệu tham khảo trực quan cho việc xây dựng cấu trúc các màn hình SCADA/HMI công nghiệp với đầy đủ chức năng điều khiển, đặt lịch thời gian thực, quản lý cảnh báo và vẽ đồ thị xu hướng.
• Phần mô hình hóa Revit (Chương 5): Cung cấp phương pháp xây dựng mô hình BIM 3D cho hệ thống trạm máy lạnh trung tâm Chiller trong các công trình tòa nhà văn phòng quy mô lớn.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển Chiller 30RT trong đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC nào và cấu hình các module mở rộng ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/Rly (mã 6ES7 212-1BE40-0XB0, phiên bản Firmware V4.2), kết hợp với hai module mở rộng là module ngõ vào tương tự SM 1231 AI 4x13 bit và module ngõ vào/ra tương tự SM 1234 AI 4 / AQ 2 (độ phân giải 13–14 bit).

2. Biến tần nào được lựa chọn để điều khiển máy nén và nhận tín hiệu điều khiển gì từ PLC?
Hệ thống sử dụng biến tần Schneider ATV71. Biến tần nhận tín hiệu điều khiển tương tự (Analog 0–10V hoặc 4–20mA) xuất ra từ module SM 1234 của PLC dựa trên kết quả tính toán của thuật toán điều khiển PID trong TIA Portal V15 để điều chỉnh tốc độ vòng quay máy nén theo tải lạnh thực tế.

3. Các thông số vật lý và sự cố nào được lập trình mạch bảo vệ tự động cho máy nén và hệ thống Chiller?
Hệ thống được lập trình các mạch bảo vệ tự động bao gồm: áp suất đầu hút thấp (LP), áp suất đầu đẩy cao (HP), áp suất dầu bôi trơn máy nén (OP), bảo vệ chống đông nước lạnh (Freezing protection), bảo vệ mất pha/lệch pha, quá nhiệt cuộn dây máy nén, quá tải động cơ máy nén/bơm/quạt qua rơ-le nhiệt, và mất lưu lượng tuần hoàn nước thông qua hai công tắc dòng chảy FS COND (bình ngưng) và FS EVAP (bình bay hơi).

4. Màn hình HMI KTP900 Basic PN được thiết kế với các chế độ vận hành nào?
Giao diện HMI KTP900 Basic PN cung cấp 3 chế độ vận hành chính: chế độ điều khiển bằng tay (MAN) để kiểm tra đơn lẻ từng động cơ; chế độ điều khiển tự động (AUTO) điều hành chuỗi liên động tuần tự và điều chỉnh PID; và chế độ vận hành theo lịch thời gian thực (Schedule/Real-time) cho phép cài đặt khung giờ làm việc và ngày nghỉ tự động cho hệ thống.

5. Công trình thực tế nào được nhóm tác giả lựa chọn để dựng mô hình không gian 3D trên phần mềm Autodesk Revit 2024?
Nhóm tác giả lựa chọn công trình tòa nhà văn phòng UOA Tower II để dựng mô hình 3D hệ thống điều hòa không khí trên phần mềm Revit 2024, bao gồm việc bố trí cụm máy Chiller 30RT và trạm bơm tại tầng hầm, cụm tháp giải nhiệt tại tầng mái, cùng mạng lưới đường ống cấp nước lạnh kết nối đến các thiết bị xử lý không khí AHU và FCU tại các tầng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống điện điều khiển Chiller công suất lạnh 30RT bằng máy tính dùng PLC Siemen S7-1200" đã giải quyết trọn vẹn yêu cầu tự động hóa một hệ thống làm lạnh công nghiệp từ lý thuyết đến thực tiễn. Nghiên cứu tích hợp thành công bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, biến tần Schneider ATV71, màn hình HMI KTP900 Basic PN và phần mềm TIA Portal V15 để vận hành máy nén theo thuật toán PID, đồng thời thiết lập chuỗi logic bảo vệ an toàn toàn diện cho các thiết bị quan trọng. Việc hoàn thiện tủ điện điều khiển thực tế kết hợp với mô hình không gian kỹ thuật 3D trên Revit 2024 của tòa nhà UOA Tower II khẳng định tính khả thi, chuẩn mực kỹ thuật và giá trị ứng dụng cao của đề tài trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt - điện lạnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, công nghệ kỹ thuật nhiệt đã đạt được nhiều bước tiến đáng kể và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực điều hòa không khí. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ kéo theo mối liên kết ngày càng chặt chẽ giữa các ngành nghề khác nhau, tạo điều kiện thúc đẩy tiến bộ toàn diện. Các lĩnh vực như tự động hóa, kỹ thuật điện và công nghệ thông tin không chỉ phát triển mạnh mẽ một cách độc lập mà còn hỗ trợ trực tiếp cho sự đổi mới trong ngành kỹ thuật làm mát. Trong mọi hệ thống kỹ thuật, bộ phận điều khiển đóng vai trò trung tâm, chịu trách nhiệm phối hợp và điều hành hoạt động của các thiết bị.

Hệ thống điều khiển thường rất phức tạp, đòi hỏi phải xử lý nhiều thông số vật lý với độ chính xác cao. Chính vì vậy, việc chuyển từ các mạch điều khiển tương tự truyền thống sang các hệ thống điều khiển logic hiện đại là điều tất yếu. Trước đây, các hệ thống relay cơ điện là nền tảng của các mạch điều khiển, nhưng sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đã dẫn đến sự ra đời và phổ biến của các thiết bị điều khiển lập trình, đặc biệt là Bộ điều khiển logic lập trình (PLC). PLC đã mang đến một cuộc cách mạng trong lĩnh vực điều khiển nhờ tính ổn định cao và giao diện lập trình thân thiện với người dùng.

Sử dụng các mạch bán dẫn trạng thái rắn, PLC có khả năng chịu được điều kiện khắc nghiệt trong môi trường công nghiệp, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và giảm nhu cầu bảo trì. Hơn nữa, ngôn ngữ lập trình của PLC – thường được thiết kế dựa trên sơ đồ thang quen thuộc – giúp các kỹ sư và kỹ thuật viên dễ dàng tiếp cận, học hỏi và triển khai nhanh chóng. So với các hệ thống điều khiển truyền thống dùng relay, PLC mang lại nhiều lợi thế vượt trội. Trước hết là khả năng xử lý nhanh hơn, linh hoạt hơn, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm chi phí.

Ngoài ra, PLC còn có những 1 ưu điểm cụ thể như: Tiết kiệm không gian: Kích thước nhỏ gọn giúp PLC chiếm ít diện tích hơn so với tủ điều khiển sử dụng relay. Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ điện năng thấp hơn nhiều so với máy tính thông thường. Chịu được điều kiện công nghiệp khắc nghiệt: Vỏ bọc chắc chắn giúp PLC hoạt động ổn định trong môi trường có nhiều bụi, dầu mỡ, độ ẩm và rung động. Dễ dàng cập nhật chương trình: Việc thay đổi hoặc nâng cấp chương trình điều khiển có thể thực hiện nhanh chóng thông qua thẻ nhớ, phần mềm lập trình hoặc truyền tải qua mạng.2 Nhiệm vụ đề tài Trong bối cảnh hiện đại, sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học và công nghệ đã thúc đẩy nhiều ngành công nghiệp áp dụng tự động hóa, qua đó nâng cao hiệu quả năng lượng và sự dễ dàng trong vận hành.

Để đáp ứng các yêu cầu này, có nhiều giải pháp khác nhau, bao gồm các ứng dụng của vi điều khiển và bảng mạch. Trong số đó, việc triển khai Programmable Logic Controller (PLC) đã nổi lên như một phương pháp tiếp cận quan trọng để kiểm soát hệ thống. Đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả về mặt kinh tế là điều kiện tiên quyết thiết yếu đối với mọi hệ thống, đặc biệt là trong bối cảnh hệ thống làm lạnh. Việc ứng dụng PLC vào trong các hệ thống lạnh không chỉ đóng góp vai trò tối ưu vận hành hệ thống mang lại giá trị tiết kiệm năng lượng.

Đồng thời, còn giúp chẩn đoán, giám sát được nhiều sự cố trong hệ thống giúp người vận hành dễ dàng thực hiện kiểm tra khắc phục sự cố. Nhờ vào những ưu thế chính xác về thông số mà PLC có thể mang lại, việc ứng dụng PLC sẽ mang lại hiệu quả tích cực về kinh tế cho các hệ thống lạnh, do đó việc bắt kịp xu hướng phát triển của xã hội là vô cùng cần thiết. Vì thế nên đề tài “ Thiết kế hệ thống điện điều khiển chiller công suất lạnh 30RT” bằng máy tính dùng PLC Siemen S7 1200” đã được chọn.3 Mục tiêu nghiên cứu Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của PLC đối với thị trường công nghiệp Việt Nam và các thị trường công nghiệp quốc tế đều đã áp dụng vào để điều khiển tối ưu cho hệ thống lạnh. Để một hệ thống lạnh vận hành một cách an toàn hiệu quả cần phải kiểm soát được rất nhiều thông số liên quan như : áp suất môi chất , nhiệt độ nước vào, nhiệt độ nước ra,.

PLC sẽ giúp giải quyết các số liệu đó một cách đơn giản nhất. Các thông số như áp suất hay nhiệt độ sẽ cho người vận hành có cái nhìn tổng thế giúp dễ dàng đưa ra chẩn đoán, phương án phù hợp khi hệ thống xảy ra sự cố. Điều đó cho thấy tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ giúp tối ưu vận hành cho hệ thống. Bên cạnh đó việc ứng dụng biến tần để điều khiển tốc độ vòng quay phù hợp với tải thực tế, giúp cho hệ thống giảm được phần tiêu thụ điện năng của hệ thống, ứng dụng công nghệ hiện đại giúp cho hệ thống tối ưu hóa hoạt động và nâng cao khả năng điều khiển tự động hóa với nhiều chế độ làm việc khác nhau, tăng cường tuổi thọ cho hệ thống.4 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lạnh Chiller, nguyên lí hoạt động của PLC, biến tần, cảm biến, Cơ chế phản hồi các vòng điều khiển PID (Proportional Integral Derivative).

Dựng chương chình điều khiển hệ thống qua chương trình PID.5 Nội dung nghiên cứu Trọng tâm của đồ án tốt nghiệp sẽ đặt trong phạm vi nghiên cứu xoay quanh việc vận hành hiệu quả thông qua việc ứng dụng tự động hóa hoàn toàn cho hệ thống. Từ đó, phát triển các giải pháp bảo vệ cho máy nén dựa trên các sự cố phát sinh và thực hiện việc chế tạo tủ điều khiển đấu nối thực tế. Về mặt vận hành hệ thống: Tập trung vào phần lập trình điều khiển cho biến tần qua chương trình PID trên PLC S7-1200 đưa ra giải pháp điều khiển hiệu quả 3 dựa trên cơ sở lý thuyết. Giúp cho máy nén được điều khiển một cách an toàn, tự động hoàn toàn dễ dàng trong việc giám sát.

Về mặt bảo vệ thiết bị: điều bắt buộc là phải thừa nhận rằng sẽ có những thách thức phát sinh trong quá trình vận hành. Do đó, việc triển khai các giải pháp được cân nhắc kỹ lưỡng ngay từ đầu là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của hệ thống. Máy nén, thường được gọi là "trái tim" của hệ thống, đòi hỏi sự chú ý đặc biệt do vai trò quan trọng của nó trong việc duy trì hiệu suất tối ưu. Để tăng cường các biện pháp an toàn, việc kết hợp biến tần để điều khiển hoạt động của máy nén là điều cần thiết.

Thiết lập này tạo điều kiện cho việc giám sát thời gian thực và quản lý an toàn dựa trên nhiều tín hiệu áp suất khác nhau. Bằng cách chuyển đổi dữ liệu nhiệt độ thành tín hiệu tần số thông qua phần mềm TIA Portal V15, người vận hành có thể giải quyết và giảm thiểu hiệu quả các vấn đề liên quan đến đầu hút và đầu đẩy của máy nén, sự cố áp suất dầu, quá nhiệt máy nén,. Ngoài máy nén, phải mở rộng bảo vệ sang các thành phần khác như máy bơm nước và quạt. Các thiết bị này đóng góp đáng kể vào hiệu quả chung của hệ thống.

Việc triển khai chiến lược bảo vệ toàn diện đảm bảo rằng tất cả các thiết bị quan trọng đều hoạt động trong các thông số an toàn, do đó tăng cường độ tin cậy và ngăn ngừa thời gian ngừng hoạt động tốn kém do các lỗi không lường trước. Về các thông số của hệ thống: việc vận hành một hệ thống lạnh Water Chiller hay bất kỳ hệ thống lạnh nào khác, các thông số cho biết được tình trạng thực của hệ thống đó có ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất làm việc, lỗi tiềm tàng trong hệ thống. Đó là lý do tại sao ta cần phải quan tâm đến việc quản lý các thông số ví dụ như máy nén: Áp suất đầu hút và đầu đẩy của máy nén: máy nén được vận hành dưới áp suất hút và đẩy môi chất được tính toán để đảm bảo an toàn và đạt hiệu suất cao nhất, việc vận hành lâu dài sẽ cần phải duy trì các thông số với trạng thái hoạt động thích hợp mà không thay đổi đáng kể với thông số được cài đặt ban đầu. 4 Kiểm soát mức dầu của máy nén: dầu bôi trơn gây ra không ít sự cố cho các hệ thống lạnh,vì thế mà thông số áp suất dầu cũng rất cần phải được chú trọng Nhiệt độ nước đầu vào và đầu ra của các thành phần chính như tháp giải nhiệt, bình ngưng tụ và bình bay hơi: đóng vai trò là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt trong hệ thống.

Các chỉ số nhiệt độ này cung cấp thông tin chi tiết có giá trị về hiệu quả hoạt động của thiết bị, cho phép người vận hành xác định các vấn đề tiềm ẩn có thể phát sinh do sự biến động của các thông số này. Về mặt chẩn đoán sự cố: các thông số thay đổi có ảnh hưởng trực tiếp đến những lý do khiến hệ thống gặp sự cố dẫn đến không hoạt động tốt vì thế người thiết kế vận hành phải có kĩ năng chẩn đoán để điều chỉnh kịp thời. Có thể từ những thay đổi nhỏ khoanh vùng các sự cố liên quan phân tích đưa ra chẩn đoán mà hệ thống gặp phải và khắc phục. Để có thể làm được việc đó cần nắm rõ nguyên lý, các thông số liên quan đến hệ thống như áp suất, nhiệt độ, tần số,.Cuối cùng, là chẩn đoán chính xác hệ thống có đang làm việc tốt hay không.

Về mặt thi công đấu nối: Sau khi hoàn thành việc lập trình cho hệ thống là đến công đoạn đấu nối kết nối các thiết bị liên quan vào tủ điện điều khiển một cách gọn gàng và chính xác 5 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT NỐI PLC S7-1200 S7-1200 là dòng PLC của hãng Siemens ra đời năm 2009 dùng để thay thế dần S7-200. So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi bật hơn. S7- 1200 được thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh giúp những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7-1200.