Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư

Tiểu luận đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thông cấp nước tự động cho nhà chung cư

• Tác giả: Nguyễn Đương Tiến
• Người hướng dẫn: ThS. Vũ Duy Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: LỜI MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Ý nghĩa khoa học của đề tài
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẤP NƯỚC
• 2.1. Tìm hiểu về đối tượng
• 2.2. Giải pháp công nghê đang được sử dụng
• 2.3. Lựa chọn giải pháp
• 2.4. Nguyên tắc điều khiển hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 5. CHƯƠNG 5: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ CHƯƠNG TRÌNH
• DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển cấp nước tự động

Hệ thống điều khiển cấp nước tự động cho chung cư là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa việc cung cấp nước cho các tòa nhà cao tầng. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đảm bảo áp lực nước ổn định, đáp ứng nhu cầu sử dụng của cư dân. Việc áp dụng công nghệ PLC (Programmable Logic Controller) trong hệ thống này cho phép điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Hệ thống sử dụng các cảm biến áp suất để theo dõi và điều chỉnh lưu lượng nước, từ đó giảm thiểu tình trạng lãng phí năng lượng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Theo nghiên cứu, việc tự động hóa trong cấp nước không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Lý do chọn đề tài

Nhu cầu sử dụng nước trong các khu chung cư ngày càng tăng cao, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng. Việc cấp nước tự động giúp giảm thiểu công sức lao động và tăng cường hiệu quả sử dụng tài nguyên. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Việc áp dụng công nghệ mới vào hệ thống cấp nước là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế một hệ thống điều khiển cấp nước tự động cho chung cư, nhằm đảm bảo cung cấp nước ổn định và tiết kiệm năng lượng. Hệ thống sẽ sử dụng các thiết bị như biến tần, cảm biến áp suất, và PLC để điều chỉnh lưu lượng nước theo nhu cầu sử dụng thực tế. Nghiên cứu cũng hướng đến việc tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành hệ thống.

II. Thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển cấp nước bao gồm việc lựa chọn các thiết bị phù hợp và xây dựng sơ đồ mạch điều khiển. Hệ thống sẽ sử dụng PLC S7-300 để điều khiển các bơm nước, đảm bảo áp suất và lưu lượng nước luôn ổn định. Các cảm biến áp suất sẽ cung cấp thông tin phản hồi về PLC, từ đó PLC sẽ điều chỉnh tốc độ của bơm thông qua biến tần. Việc sử dụng van điện và sensor mực nước cũng là một phần quan trọng trong thiết kế, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn.

2.1. Cấu trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng của hệ thống bao gồm các thành phần chính như bơm nước, biến tần, PLC, và các cảm biến. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động của hệ thống. Bơm nước sẽ được điều khiển bởi biến tần, giúp điều chỉnh tốc độ bơm theo nhu cầu sử dụng. PLC sẽ xử lý tín hiệu từ các cảm biến và đưa ra lệnh điều khiển cho bơm. Cấu trúc này không chỉ giúp hệ thống hoạt động ổn định mà còn dễ dàng bảo trì và nâng cấp.

2.2. Mô hình thực tế

Mô hình thực tế của hệ thống cấp nước tự động được xây dựng dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và yêu cầu thực tế. Mô hình này sẽ bao gồm các thiết bị như bể chứa nước, đường ống, và các thiết bị điều khiển. Việc mô phỏng hoạt động của hệ thống trên phần mềm như Simatic WinCC giúp kiểm tra tính khả thi và hiệu quả của thiết kế trước khi triển khai thực tế. Mô hình thực tế cũng sẽ giúp đánh giá được hiệu suất hoạt động của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.

III. Ứng dụng và lợi ích của hệ thống

Hệ thống điều khiển cấp nước tự động mang lại nhiều lợi ích cho các khu chung cư. Đầu tiên, hệ thống giúp tiết kiệm năng lượng nhờ vào việc điều chỉnh tốc độ bơm theo nhu cầu sử dụng thực tế. Thứ hai, việc tự động hóa giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó giảm thiểu sai sót và tăng cường độ tin cậy của hệ thống. Cuối cùng, hệ thống còn giúp bảo vệ môi trường bằng cách giảm thiểu lãng phí nước và năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng hệ thống này có thể giảm tới 30% chi phí vận hành so với các phương pháp truyền thống.

3.1. Tiết kiệm năng lượng

Hệ thống cấp nước tự động giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách điều chỉnh tốc độ bơm theo nhu cầu sử dụng. Khi nhu cầu sử dụng nước thấp, bơm sẽ hoạt động ở tốc độ thấp hơn, từ đó giảm thiểu tiêu thụ điện năng. Việc này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Theo các nghiên cứu, việc sử dụng biến tần trong hệ thống bơm có thể tiết kiệm tới 50% năng lượng tiêu thụ.

3.2. Tăng cường độ tin cậy

Hệ thống điều khiển cấp nước tự động giúp tăng cường độ tin cậy của việc cung cấp nước. Nhờ vào việc sử dụng các cảm biến và PLC, hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh và phản hồi nhanh chóng với các thay đổi trong nhu cầu sử dụng nước. Điều này giúp đảm bảo rằng cư dân luôn có đủ nước sử dụng, ngay cả trong những thời điểm cao điểm. Hệ thống cũng có khả năng tự chẩn đoán và phát hiện sự cố, từ đó giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình đô thị hóa và phát triển công nghiệp, các tòa nhà chung cư cao tầng và khu dân cư tập trung xuất hiện ngày càng nhiều, kéo theo nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt biến động phức tạp giữa các khung giờ trong ngày (cao điểm và thấp điểm). Ở các hệ thống cấp nước truyền thống, máy bơm thường hoạt động liên tục ở chế độ đầy tải hoặc đóng/ngắt đơn giản bằng phao cơ, rơle. Phương thức này gây ra nhiều nhược điểm lớn: áp lực nước trên đường ống tăng cao không cần thiết khi nhu cầu dùng nước giảm, gây lãng phí điện năng tiêu thụ, sốc áp dẫn đến nguy cơ vỡ đường ống và làm suy giảm tuổi thọ cơ khí của máy bơm.

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư" do sinh viên Nguyễn Đương Tiến và Vương Văn Sơn (Lớp Trang bị điện trong CN & GTVT - Khóa K58, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Vũ Duy Nghĩa vào năm 2021. Đề tài tập trung giải quyết bài toán tự động hóa quá trình ổn định áp suất đường ống cấp nước và mức nước bể chứa theo thời gian thực thông qua việc ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC kết hợp biến tần.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan hệ thống bơm cấp nước trong thực tế và xác định trình tự điều khiển tối ưu cho từng máy bơm.
2. Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ và phương thức lập trình của bộ điều khiển khả trình PLC Siemens Simatic S7-300.
3. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, cấu tạo và cách sử dụng thiết bị biến tần trong điều khiển tốc độ động cơ máy bơm.
4. Lựa chọn các thiết bị động lực (máy bơm, biến tần, thiết bị đóng cắt - bảo vệ) và thiết bị đo lường (cảm biến áp suất, phao điện, đồng hồ nước) có thông số kỹ thuật phù hợp với phụ tải tính toán.
5. Xây dựng cấu hình truyền thông và giao tiếp giữa PLC S7-300 với biến tần và màn hình HMI.
6. Lập trình chương trình điều khiển máy bơm trên phần mềm Simatic Manager (Step 7) và thiết kế giao diện vận hành, giám sát SCADA trên phần mềm Simatic WinCC Explorer.

Về đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cấp nước sinh hoạt tự động cho nhà chung cư cao tầng, bao gồm trạm bơm cấp nước (2 bơm chính hoạt động luân phiên, 1 bơm dự phòng), biến tần, cảm biến áp suất, bể chứa ngầm và đài nước/bể mái.
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào việc tính toán lý thuyết chọn thiết bị cho mô hình cấp nước chung cư quy mô 800 - 1600 người, xây dựng thuật toán điều khiển, viết chương trình điều khiển PLC và mô phỏng hoạt động trên phần mềm chuyên dụng (PLCSim và WinCC), chưa triển khai lắp đặt phần cứng quy mô công nghiệp trên thực địa do giới hạn về kinh phí và điều kiện thí nghiệm.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên nguyên lý điều khiển truyền động điện và thủy lực công trình:

• Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ: Tốc độ quay của từ trường động cơ được xác định theo biểu thức: $$n = \frac{60f}{p}$$ (trong đó: $n$ là tốc độ động cơ tính bằng vòng/phút, $f$ là tần số nguồn điện cấp vào động cơ tính bằng Hz, $p$ là số cặp cực). Biến tần thực hiện biến đổi điện áp và tần số cấp cho động cơ thông qua mạch chỉnh lưu cầu diode, khâu lọc trung gian và nghịch lưu sử dụng van bán dẫn IGBT kết hợp phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), cho phép điều chỉnh trơn lưu lượng và cột áp của bơm bám sát phụ tải.
• Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cảm biến áp suất: Tín hiệu cơ học tác động lên màng cảm biến được chuyển đổi tuyến tính sang tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn công nghiệp 4 - 20 mA theo phương trình: $$y = ax + b$$ (với $y$ là giá trị dòng điện ngõ ra tính bằng mA, $x$ là áp suất đo được, $b = 4\text{ mA}$, hệ số góc $a = \frac{20 - 4}{\text{Thang đo cảm biến}}$).
• Tiêu chuẩn tính toán xây dựng và thủy lực: Áp dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 4513-1988 (Cấp nước bên trong - Tiêu chuẩn thiết kế) và TCXDVN 33:2006 (Cấp nước - Mạng lưới đường ống và công trình - Tiêu chuẩn thiết kế) để xác định biểu đồ dùng nước theo giờ, dung tích bể chứa ngầm và cỡ đồng hồ đo nước.

Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh: Đánh giá ưu nhược điểm của các giải pháp công nghệ điều khiển cấp nước (ON/OFF, thay đổi góc mở van, rơle điện từ, vi xử lý, vi điều khiển và PLC) để lựa chọn giải pháp điều khiển tối ưu.
• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Xác định biểu đồ lưu lượng phụ tải 24 giờ, tính chọn công suất bơm, chọn dòng định mức cho thiết bị đóng cắt MCB, Contactor, Relay nhiệt, và tính toán dung tích bể ngầm, đường kính ống dẫn $D = \sqrt{\frac{4Q}{\pi \cdot V}}$.
• Phương pháp mô phỏng hệ thống: Sử dụng phần mềm Simatic Manager Step 7 để lập trình khối hàm điều khiển, phần mềm S7-PLCSim để kiểm tra logic hoạt động và phần mềm Simatic WinCC Explorer để thiết kế giao diện giám sát HMI/SCADA.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Lời mở đầu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa hệ thống cấp nước sinh hoạt trong các công trình dân dụng nhằm khắc phục tình trạng lãng phí điện năng và hư hỏng đường ống. Tác giả xác định rõ các mục tiêu nghiên cứu cụ thể, ý nghĩa khoa học của đề tài trong việc làm chủ công nghệ điều khiển tự động hóa quá trình duy trì áp suất chất lỏng, đồng thời giới hạn phạm vi nghiên cứu ở mức độ xây dựng thuật toán, cấu hình thiết bị và mô phỏng trên phần mềm.

Chương 2: Tổng quan hệ thống cấp nước

Nội dung chương 2 phân tích chuyên sâu về đối tượng công nghệ và cấu tạo các phần tử trong hệ thống:

• Đánh giá thực trạng các trạm bơm hiện nay: thường bố trí từ 2 bơm trở lên hoạt động song song vào đường ống chính và luôn có bơm dự phòng.
• So sánh các phương thức điều khiển truyền thống (điều khiển ON/OFF, thay đổi góc mở van bằng tay/van điện, mạch rơle cơ học, mạch vi xử lý/vi điều khiển) với phương pháp sử dụng PLC kết hợp biến tần.
• Phân tích 3 phương thức vận hành trạm bơm: điều khiển theo mực nước, điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển 1 bơm kết hợp khởi động mềm, và điều khiển theo hình thức chủ động/thụ động (phương án được nhóm tác giả lựa chọn).
• Khảo sát nguyên lý cấu tạo của thiết bị mạch động lực: bơm ly tâm trục ngang, biến tần Shihlin, van một chiều lá lật Inox, phao điện Baren, bình tích áp Varem, đồng hồ đo lưu lượng nước.
• Khảo sát thiết bị mạch điều khiển: cấu trúc phần cứng PLC S7-300 CPU 313C, các chuẩn mạng công nghiệp (Profibus, CAN, DeviceNet, AS-i), các ngôn ngữ lập trình theo tiêu chuẩn IEC (LAD, STL, FBD, SCL), giao diện người - máy HMI Weintek và cảm biến áp suất dải đo ngõ ra 4 - 20 mA.

Chương 3: Tính toán lựa chọn thiết bị mạch động lực

Chương 3 trình bày các bước tính toán công suất và thông số kỹ thuật cho hệ thống cấp nước chung cư:

• Biểu đồ phụ tải nước: Tính toán cho chung cư quy mô 800 người (tiêu chuẩn 200 l/người/ngày-đêm, lưu lượng $Q = 160\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$, hệ số không điều hòa giờ $K_h = 2$). Giờ tiêu thụ cao điểm tập trung vào khung giờ 18h - 20h (chiếm $8{,}5%$ $Q_{\text{ngày-đêm}}$, tương đương $13{,}6\text{ m}^3/\text{h}$).
• Chọn máy bơm: Với cột áp yêu cầu $H = 40\text{ m}$, bơm đặt sâu dưới hầm $5\text{ m}$, lưu lượng $13{,}6\text{ m}^3/\text{h}$, công suất tính toán yêu cầu là $4{,}84\text{ kW}$. Tác giả chọn máy bơm công nghiệp CM40-200B (LD Italy) công suất $5{,}5\text{ kW}$ ($7{,}5\text{ HP}$), điện áp 380V, dòng định mức 12,7A, lưu lượng $9 - 42\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $44{,}9 - 27{,}9\text{ m}$.
• Chọn biến tần: Sử dụng 2 biến tần Shihlin dòng SF-040-11K/7.5K-G (công suất $7{,}5\text{ kW}$ cho tải nặng, $11\text{ kW}$ cho tải nhẹ, dòng định mức ngõ ra 32/24A, hỗ trợ giao thức truyền thông RS485).
• Chọn thiết bị đóng cắt, bảo vệ mạch động lực:
  • Dòng điện định mức tính toán: $I_{\text{đm}} = 13{,}06\text{ A}$.
  • Chọn MCB Schneider mã EZC100B3020 ($I_{\text{đm}} = 20\text{ A}$).
  • Chọn Contactor Schneider mã LC1D12 ($I_{\text{đm}} = 12\text{ A}$ ở chế độ tải AC-3).
  • Chọn Relay nhiệt Schneider mã RLE21 (cho khởi động trực tiếp) và RLE14 (cho khởi động $\text{Y}/\Delta$).
• Tính toán công trình thu và phụ kiện:
  • Tính toán cho quy mô mở rộng 1600 người kết hợp dịch vụ công cộng ($10%$ lưu lượng): tổng lưu lượng $Q_{\text{tc}} = 352\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$ (chọn $360\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$). Dung tích bể chứa nước ngầm tính toán $Q_{\text{bể}} = 1{,}6 \times 360 = 576\text{ m}^3 \rightarrow$ chọn bể dung tích $600\text{ m}^3$.
  • Chọn đồng hồ đo nước Komax kiểu cánh quạt trục ngang, cỡ danh định DN50 (áp lực 16 bar, tiêu chuẩn BS, cấp B).
  • Trang bị bình tích áp Varem dung tích 500 lít, áp lực 10 bar và phao điện Baren.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

Nội dung chương 4 tập trung vào cấu hình phần cứng điều khiển và xây dựng giao diện vận hành:

• Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-300 CPU 313C-2DP (mã đặt hàng 6ES7313-6CG04-0AB0) tích hợp sẵn cổng Profibus-DP.
• Lựa chọn module mở rộng tín hiệu tương tự Analog SM 334 (mã 6ES7334-0CE01-0AA0) để đọc tín hiệu 4 - 20 mA từ cảm biến áp suất.
• Lựa chọn cảm biến áp suất công nghiệp dải đo 0 - 50 bar (mã M5256-C3079E-050BG) và màn hình HMI Weintek MT6071IP.
• Thiết kế giao diện SCADA trên phần mềm Simatic WinCC Explorer bao gồm: màn hình tổng thể giám sát trạng thái đường ống và mức bồn nước, cụm nút bấm điều khiển chuyển đổi chế độ Tự động (Auto) / Bằng tay (Man), các ô cài đặt giá trị áp suất đặt (Set Point), khối hiển thị cảnh báo sự cố quá tải động cơ, và bảng trích xuất dữ liệu thông số vận hành báo cáo hàng ngày.

Chương 5: Thuật toán điều khiển và chương trình

Chương 5 hiện thực hóa logic điều khiển của hệ thống thông qua việc lập trình trên Step 7 và chạy mô phỏng:

• Xây dựng thuật toán điều khiển: Biến tần 1 điều khiển luân phiên Bơm 1 và Bơm 2 theo thời gian thực cài đặt sẵn nhằm cân bằng thời gian vận hành giữa các máy bơm; bơm tự động ngắt khi phao báo đầy bể mái hoặc phao báo cạn bể ngầm.
• Thuật toán ổn định áp suất: Khi áp suất đo được tại đường ống cấp lên đài nước thấp hơn giá trị đặt, biến tần tăng tần số điều khiển động cơ; khi áp suất đạt điểm đặt, biến tần duy trì tốc độ; khi áp suất vượt ngưỡng, biến tần giảm dần tần số.
• Vận hành bơm tăng cường: Trong khung giờ cao điểm, nếu Bơm 1 (hoặc Bơm 2) đã hoạt động hết công suất mà áp suất tại cảm biến đầu ra đài nước vẫn chưa đạt giá trị cài đặt, Biến tần 2 sẽ được kích hoạt để khởi động Bơm 3 nhằm bù áp tức thời.
• Chạy thử nghiệm mô phỏng trên Simatic Manager, nạp chương trình vào PLCSim và liên kết với WinCC để kiểm chứng các kịch bản: chạy tự động, chạy bằng tay từng bơm, dừng khẩn cấp, xuất báo cáo và xử lý sự cố quá tải.

---

Thiết kế kỹ thuật và triển khai mô phỏng

Cấu hình phần cứng và thiết bị lựa chọn

Hệ thống được thiết kế bao gồm mạch động lực 3 pha 380V và mạch điều khiển PLC kết hợp truyền thông công nghiệp.

Hạng mục thiết bị	Tên / Mã thiết bị	Thông số kỹ thuật chính	Số lượng
Máy bơm nước	CM40-200B (LD Italy)	$5{,}5\text{ kW}$ ($7{,}5\text{ HP}$), 380V, 12,7A, $H = 44{,}9 - 27{,}9\text{ m}$, $Q = 9 - 42\text{ m}^3/\text{h}$	03 bộ
Biến tần	Shihlin SF-040-11K/7.5K-G	$7{,}5\text{ kW}$ (tải nặng) / $11\text{ kW}$ (tải nhẹ), 3 pha 380V, 32/24A, RS485	02 bộ
Bộ điều khiển PLC	Siemens S7-300 CPU 313C-2DP	Mã: 6ES7313-6CG04-0AB0, tích hợp DI/DO, cổng Profibus-DP	01 bộ
Module Analog	Siemens SM 334	Mã: 6ES7334-0CE01-0AA0, xử lý tín hiệu tương tự ngõ vào/ra	01 bộ
Cảm biến áp suất	M5256-C3079E-050BG	Dải đo 0 - 50 bar, tín hiệu ngõ ra 4 - 20 mA	02 bộ
Màn hình HMI	Weintek MT6071IP	Màn hình cảm ứng hiển thị và cài đặt thông số	01 bộ
Aptomat (MCB)	Schneider EZC100B3020	3 cực, dòng định mức $I_{\text{đm}} = 20\text{ A}$	03 bộ
Contactor	Schneider LC1D12	Điện áp cuộn hút định mức, dòng $I_{\text{đm}} = 12\text{ A}$ (AC-3)	03 bộ
Relay nhiệt	Schneider RLE21 / RLE14	Bảo vệ quá tải động cơ	03 bộ
Bình tích áp	Varem	Dung tích 500 lít, áp lực làm việc 10 bar, ruột cao su EPDM	02 bộ
Đồng hồ đo nước	Komax DN50	Kiểu cánh quạt trục ngang, áp lực 16 bar, cấp B	01 bộ
Bể chứa nước ngầm	Bể xây / lắp ghép	Dung tích tính toán $600\text{ m}^3$	01 hệ thống

Quy trình điều khiển và kiểm thử mô phỏng

Hệ thống điều khiển được cấu hình và kiểm thử qua các bước mô phỏng:

1. Lập trình logic trên Step 7: Khai báo cấu hình phần cứng (Hardware Configuration) với CPU 313C-2DP và module SM 334; lập trình các khối chức năng xử lý tín hiệu Analog (Scale/Unscale), khối điều khiển luân phiên động cơ theo bộ đếm thời gian và khối logic an toàn.
2. Mô phỏng điều khiển bằng S7-PLCSim: Kết nối chương trình Step 7 với phần mềm PLCSim để kiểm tra tín hiệu đầu vào số (nút bấm, công tắc, phao điện) và đầu vào tương tự (mô phỏng áp suất thay đổi từ 4 đến 20 mA).
3. Giám sát trên Simatic WinCC: Tạo các Tag liên kết giữa WinCC và PLCSim, thiết kế giao diện đồ họa trực quan hiển thị đường ống, mức nước bể mái/bể ngầm, hiển thị số đo áp suất thực tế, trạng thái màu sắc của máy bơm (chạy, dừng, lỗi), các nút chức năng chuyển chế độ Auto/Man và bảng lưu trữ dữ liệu báo cáo hằng ngày.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

• Hoàn thành tính toán nhu cầu dùng nước và lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ thống cấp nước nhà chung cư.
• Xây dựng thành công thuật toán điều khiển tự động ổn định áp suất mạng lưới đường ống, sử dụng tín hiệu phản hồi dòng 4 - 20 mA từ cảm biến áp suất để điều khiển vô cấp tốc độ động cơ máy bơm qua biến tần.
• Thiết lập giải pháp vận hành luân phiên hai máy bơm chính theo thời gian thực, kết hợp tự động gọi máy bơm số 3 chạy bù áp trong giờ cao điểm khi phụ tải tăng đột biến.
• Thiết kế giao diện SCADA trên WinCC Explorer cho phép người vận hành giám sát trực quan các thông số áp suất, lưu lượng, trạng thái bơm, chuyển đổi chế độ vận hành bằng tay/tự động và theo dõi lịch sử sự cố.

Đóng góp của đề tài

• So với các hệ thống cấp nước đóng/ngắt ON-OFF hoặc chạy đầy tải truyền thống, giải pháp của đồ án giúp giảm dòng khởi động động cơ, hạn chế hiện tượng sụt áp lưới điện, tránh hiện tượng va đập thủy lực (sốc áp) gây vỡ đường ống, và tiết kiệm đáng kể năng lượng điện tiêu thụ trong các khung giờ thấp điểm.
• Cung cấp một phương án thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn chỉnh ứng dụng họ PLC S7-300 và WinCC có tính kế thừa, dễ dàng mở rộng quy mô phần cứng và phụ tải khi nhu cầu sử dụng của công trình gia tăng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Do giới hạn về thời gian thực hiện và điều kiện kinh phí của sinh viên, đề tài chưa thể triển khai thi công, lắp đặt và chạy thử nghiệm trên mô hình phần cứng thực tế với động cơ công suất lớn ngoài hiện trường, mà toàn bộ quá trình vận hành và kiểm tra thuật toán đều được thực hiện thông qua phần mềm mô phỏng (PLCSim kết hợp WinCC Explorer).
• Hướng phát triển: Tác giả đề xuất mở rộng ứng dụng giải pháp điều khiển ổn định áp suất chất lưu bằng PLC và biến tần sang các lĩnh vực công nghiệp khác như: hệ thống cấp than và điều khiển nhiệt độ áp suất cho lò hơi/lò nhiệt, hệ thống điều hòa không khí trung tâm (HVAC), cũng như tích hợp các thuật toán điều khiển hiện đại (như bộ điều khiển PID tối ưu) vào hệ thống thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa, Điện công nghiệp và Hệ thống cấp thoát nước công trình.

Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:

• Quy trình tính toán lựa chọn thiết bị mạch động lực (bơm ly tâm, biến tần, MCB, Contactor, Relay nhiệt) và thủy lực bể chứa theo các tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành.
• Phương pháp xử lý tín hiệu tương tự Analog 4 - 20 mA từ cảm biến áp suất trên PLC Siemens S7-300.
• Cấu trúc chương trình điều khiển luân phiên kết hợp điều khiển theo biến tần và kỹ thuật thiết kế giao diện SCADA/HMI trên phần mềm Simatic WinCC Explorer.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn phương thức điều khiển máy bơm nào giữa các giải pháp công nghệ đã khảo sát?
Tác giả lựa chọn phương thức điều khiển theo hình thức chủ động/thụ động: mỗi máy bơm được điều khiển bởi một bộ biến tần (trong đó có biến tần chủ động tiếp nhận tín hiệu phản hồi áp lực và biến tần thụ động phối hợp điều khiển tốc độ), giúp hệ thống vận hành linh hoạt và triệt tiêu hiện tượng va đập thủy lực.

2. Công suất động cơ máy bơm và thông số biến tần được tính chọn trong đồ án là bao nhiêu?
Đồ án tính chọn máy bơm công nghiệp CM40-200B có công suất định mức $5{,}5\text{ kW}$ ($7{,}5\text{ HP}$), điện áp 3 pha 380V, lưu lượng $9 - 42\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $44{,}9 - 27{,}9\text{ m}$. Thiết bị biến tần được chọn là 2 bộ biến tần Shihlin dòng SF-040-11K/7.5K-G ($7{,}5\text{ kW}$ cho tải nặng, $11\text{ kW}$ cho tải nhẹ, dòng định mức 32/24A).

3. Tín hiệu từ cảm biến áp suất được chuyển đổi và xử lý trong hệ thống như thế nào?
Cảm biến áp suất dải đo 0 - 50 bar (mã M5256-C3079E-050BG) biến đổi áp suất cơ học thành tín hiệu dòng điện Analog 4 - 20 mA theo phương trình tuyến tính $y = ax + b$ (với độ nhạy $a = 0{,}32\text{ mA/bar}$). Tín hiệu này được đưa về module Analog SM 334 của PLC S7-300 để so sánh với giá trị áp suất cài đặt, từ đó PLC ra lệnh cho biến tần điều chỉnh tần số ngõ ra.

4. Trong trường hợp nào thì máy bơm số 3 (bơm tăng cường/dự phòng) được kích hoạt?
Máy bơm 3 được điều khiển bởi Biến tần 2 và chỉ hoạt động khi: lượng nước trên đài nước còn quá ít không đủ cấp trong giờ cao điểm, hoặc khi Bơm 1 (hoặc Bơm 2) đã vận hành hết công suất định mức mà tín hiệu áp suất báo về từ cảm biến tại đầu ra đài nước vẫn chưa đạt giá trị áp suất đặt.

5. Các phần mềm chuyên dụng nào đã được sử dụng để lập trình và mô phỏng hệ thống?
Hệ thống sử dụng phần mềm Simatic Manager (Step 7) để viết chương trình điều khiển logic cho PLC S7-300 CPU 313C-2DP, phần mềm S7-PLCSim để chạy mô phỏng kiểm thử chương trình, và phần mềm Simatic WinCC Explorer để thiết kế giao diện vận hành, giám sát SCADA và xuất báo cáo dữ liệu.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Đương Tiến và Vương Văn Sơn đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế hệ thống điều khiển tự động ổn định áp suất cấp nước cho nhà chung cư bằng việc kết hợp PLC Siemens S7-300, biến tần Shihlin và mạng cảm biến áp suất. Toàn bộ quy trình tính toán phụ tải, lựa chọn thiết bị mạch động lực, cấu hình điều khiển và thiết kế giao diện SCADA trên WinCC được trình bày rõ ràng, có căn cứ khoa học theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, đảm bảo khả năng cấp nước liên tục, an toàn cho đường ống và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho công trình dân dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước ngày càng phát triển, song song với đó là việc ứng dụng những khoa học tiến bộ nhất vào hoạt động sản xuất. Việc tự động hóa trong lĩnh vực sản xuất đã được sử dụng rộng rãi qua đó thuật ngữ giám sát dần được hình thành. Việc giám sát các hoạt động của hệ thống dần được thực hiện bởi các phương tiện máy móc kỹ thuật mới, giảm bớt lại các công việc của con người. Hiện nay, như chúng ta biết là nhu cầu sử dụng nước ở mỗi thời điểm là không giống nhau.

Làm thế nào để có một hệ thống bơm biết được điều này và tự động điều chỉnh công suất bơm cho phù hợp với lượng tiêu thụ, giữ áp suất không đổi cho hệ thống là yêu cầu đặt ra. Vậy nên thay vì có một người túc trực điều khiển đóng cắt máy bơm nước cho tòa nhà, công trình thì chúng ta có thể ứng dụng PLC vào công việc này giúp tiết kiệm thời gian, tiền bạc về lâu dài.2 Mục tiêu nghiên cứu Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, người ta sử dụng máy bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu dân cư, thành phố, cho cả khu công nghiệp. Với đề tài này, chúng em đã mô hình hóa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần công suất nhỏ và bơm công suất nhỏ để mô tả hoạt động của hệ thống. Một phần vì máy bơm ba pha thường rất to và nặng kéo theo hệ thống sẽ không đơn giản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án như vậy là quá lớn với khả năng của chúng em.

Để thực hiện được đề tài chúng em đã: + Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình tự điều khiển từng máy bơm. + Tìm hiểu về PLC Simatic S7-300: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, cấu trúc bộ nhớ của PLC S7-300 + Tìm hiểu về cách sử dụng biến tần + Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 11 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 Đồ án tốt nghiệp Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư + Tìm hiểu giao tiếp giữa PLC S7-300 và biến tần + Lập trình PLC + Lập trình để điều khiển máy bơm + Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm Step7 dùng để lập trình cho PLC S7-300 và WinCC để thiết kế giao diện.3 Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài cho thấy việc ứng dụng của tự động hóa vào cuộc sống là rất cần thiết, nó giúp ta tiết kiệm được thời gian, công sức, tiền bạc nhưng vẫn mang lại hiệu quả kinh tế cao và hoạt động rất ổn định. Từ đề tài nghiên cứu về điều khiển ổn định áp suất nước cho đường ống nước, chúng ta có thể mở rộng cho hệ thống điều khiển lò nhiệt, hệ thống điều hòa không khí, … 1.4 Phạm vi nghiên cứu Từ những kiến thức cơ sở học được tại trường và ngoài thực tế, do còn hạn chế về kiến thức cũng như về khả năng kinh tế và thời gian có hạn nên chúng em chỉ có thể tạo mô hình mang tính chất mô phỏng cao để thể hiện quy trình hoạt động của hệ thống cấp nước trong thực tế. Trong đó, chúng em đã thực hiện một số công việc: + Lập trình PLC theo thuật toán đưa ra + Giao tiếp PLC với HMI giám sát hệ thống + Giao tiếp truyền thông PLC với biến tần + Thiết kế giao diện điều khiển tự động với WinCC + Lập trình PLC cho động cơ hoạt động theo giá trị áp suất yêu cầu + Điều khiển và giám sát hệ thống Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 12 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 Đồ án tốt nghiệp Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CẤP NƯỚC 2.1 Tìm hiểu về đối tượng 2.1 Ứng dụng Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóng chai, dầu ăn, sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng… Đặc biệt trong hệ thống cung cấp nước cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng, các khu công nghiệp.

Ví dụ thực tế: Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các thời điểm của ngày (cao điềm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được việc tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp, mức nước trên bồn chứa, và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước. Để đáp ứng nhu cầu áp lực nước trong hệ thống luôn đủ khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi bất thường, các bơm trong hệ thống luôn làm việc liên tục ở chế độ đầy tải. Tuy nhiên, điều này dẫn đến một số bất lợi sau: + Áp lực nước trong hệ thống đôi khi tăng quá cao không cần thiết, 1 số thời điểm nhu cầu sử dụng nước giảm xuống nhưng hệ thống bơm vẫn chạy đầy tải. Điều này gây lãng phí năng lượng rất lớn.

+ Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ cơ khí.2 Giải pháp công nghê đang được sử dụng Trong ngành công nghiệp hiện nay các hệ thống bơm ồn định mức hầu hết được thiết kế với các đặc điểm sau: + Trạm thường có tối thiểu 2 bơm trở lên, cùng cấp nước vào một đường ống chính. + Các bơm được khởi động trực tiếp hoặc sao/tam giác hoặc có thể dùng bộ khởi động mềm với các loại bơm công suất lớn và tất cả các động cơ đều hoạt động ở tốc độ định mức. Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 13 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 Đồ án tốt nghiệp Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư + Trong quá trình trạm bơm hoạt động, thường luôn luôn để một bơm ở chế độ dừng (mang tính dự phòng). + Việc điều chỉnh áp lực trên đường ống chính hay mức nước được thực hiện bằng các cách: a, Điều khiển ON/OFF: - Là kiểu điều khiển khi bơm nước tới một mức nào đó (đặt) thì cho bơm ngừnghoạt động, và khi nước được tiêu thụ và giảm xuống tới mức đặt thấp thì cho bơm chạy.

- Ưu điểm: Kiểu điều khiển ON/OFF dễ thiết kế, dễ điều khiển, giá thành thấp, phù hợp với chế độ Stand by. - Nhược điểm: hệ thống không ổn định, đáp ứng chậm và không tốt, mức nước liên tục giao động xung quanh điểm đặt, dòng điện khởi động lớn gây sụt áp, bơm đóng mở liên tục gây giảm tuổi thọ. b, Điều khiển thay đổi góc mở van: Để ổn định mức nước cũng như áp suất trong đường ống thì vấn đề quan tâm nhất là điều khiển lưu lượng nước bơm lên bồn để ổn định mực nước và áp suất theo một điểm đặt cố định. Có thể sử dụng van điện với tín hiệu phản hồi của cảm biến đưa về bộ điều khiển, bộ điều khiển xử lý đưa ra tín hiệu điều khiển đóng mở van để chỉnh lưu lượng bơm.

Hoặc sử dụng van tay để điều chỉnh trực tiếp. • Ưu điểm: Giá thành thấp, dễ thiết kế. - Nhược điểm: Các bơm vẫn chạy đầy tải và liên tục, điều này gây lãng phí năng lượng điện vì có những thời điểm nhu cầu xử dụng nước giảm xuống thì bơm chỉ cần chạy 50% hay 60% công suất là đáp đáp ứng được. Việc vận hành khó khăn và tốn chi phí nhân công vì phải cần công nhân vận hành trực tiếp để điều khiển góc mở van.

Các bơm phải chạy liên tục dẫn đến giảm tuổi thọ phần cơ khí. Khó kiểm soát áp lực nước làm ảnh hưởng tuổi thọ đường ống, ảnh hưởng tuổi thọ các mối nối. c, Mạch điều khiển dùng Rơles Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 14 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 Đồ án tốt nghiệp Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư Trong giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển công nghiệp vào khoảng 1960 và 1970, yêu cầu tự động hóa của hệ thống điều khiển được thực hiện bằng các Rơle điện từ nối với nhau bằng dây dẫn điện trong bảng điều khiển,sử dụng các cảm biến để duy trì ổn định mức nước trong bể chứa. Trong trường hợp bảng điều khiển có kích thước quá lớn đến nỗi không thể gắn toàn bộ lên trên tường và các dây nối cũng không hoàn toàn tốt vì thế thường xảy ra trục trặc trong hệ thống.

Một điểm quan trọng nữa là do thời gian làm việc của các Rơle có giới hạn nên khi thay thế cần phải ngưng toàn bộ hệ thống và dây nối cũng phải thay thế cho phù hợp, bảng điều khiển chỉ dùng cho một yêu cầu riêng biệt không thể thay đổi tức thời chức năng khác mà phải lắp ráp lại toàn bộ và trong trường hợp bảo trì cũng như sữa chữa cần đòi hỏi thợ chuyên nghiệp. Nói chung, hệ điều khiền dùng Rơle có những nhược điểm sau: + Tốn kém rất nhiều dây dẫn. + Thay thế phức tạp. + Cần công nhân sữa chữa tay nghề cao.

+ Công suất tiêu thụ lớn. + Thời gian sữa chữa lâu. + Khó cập nhật sơ đồ nên khó khăn cho công tác bảo trì cũng như thay thế. Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật số đặc biệt là cho ra đời các họ vi xử lý, vi điều khiển hay PLC đã giải quyết được những bế tắc và kinh tế hơn mà phương pháp dùng tiếp điểm không thực hiện được.

d, Mạch dùng kỹ thuật vi xử lý - Mạch dùng kỹ thuật vi xử lý có những ưu điểm sau: + Mạch có thể thay đổi một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm trong khi đó phần cứng không thay đổi mà mạch dùng Rơle không thể thực hiện được mà nếu có thể thực hiện được thì cũng cứng nhắc mà người công nhân cũng khó tiếp cận, dễ nhầm. + Số linh kiện để sử dụng trong mạch cũng ít hơn. Nguyễn Đương Tiến - Trang bị điện CN & GTVT – K58 15 Vương Văn Sơn - Trang bị điện CN & GTVT – K58 Đồ án tốt nghiệp Hệ thống cấp nước tự động cho nhà chung cư + Mạch đơn giản hơn so với mạch đếm sản phẩm dùng Rơle và có phần cài đặt số đếm ban đầu. + Mạch có thể lưu lại số liệu của các ca sản suất.