Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các công trình xây dựng và tòa nhà hiện đại, việc quản lý và vận hành đồng bộ các hệ thống kỹ thuật đóng vai trò then chốt nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tiêu hao năng lượng. Đối với hệ thống cấp nước sinh hoạt, việc duy trì áp suất nước ổn định trong mạng lưới đường ống thường gặp nhiều khó khăn do nhu cầu sử dụng thay đổi liên tục theo thời gian, dễ dẫn đến hiện tượng tụt áp hoặc quá áp gây bất tiện và hư hại thiết bị.

Hệ thống quản lý tòa nhà (Building Management System - BMS) là giải pháp tự động hóa giúp giám sát, điều khiển tập trung và xử lý kịp thời các sự cố kỹ thuật. Việc nghiên cứu ứng dụng cấu trúc BMS để giám sát và điều khiển hệ thống máy bơm nước tăng áp là yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo chất lượng cấp nước và nâng cao mức độ tự động hóa công trình.

Đề tài đặt ra 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Thiết kế và xây dựng mô hình hệ thống cấp nước dựa trên cấu trúc phân tầng BMS nhằm duy trì áp suất đường ống ổn định, sử dụng cảm biến áp suất để phản hồi tín hiệu về biến tần.
  2. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển hợp nhất thông qua nền tảng Web (lập trình trên Visual Studio Code) và phần mềm điều khiển BMS (BCS) tích hợp trên bộ điều khiển trung tâm BCU.
  3. Lắp đặt phần cứng, đấu nối truyền thông và vận hành thực nghiệm mô hình hệ thống bơm nước ở các chế độ điều khiển.
  4. Đánh giá, đo lường các kết quả vận hành thực tế của mô hình so với các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình trạm bơm nước tăng áp ứng dụng cấu trúc BMS. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thu thập dữ liệu áp suất, lưu lượng, cấu hình truyền thông công nghiệp Modbus RS485 và vận hành biến tần điều khiển động cơ bơm 3 pha nhằm duy trì áp suất đường ống tại giá trị đặt 1 bar theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình hệ thống

Hệ thống được xây dựng dựa trên kiến trúc phân tầng tiêu chuẩn của hệ thống BMS gồm 3 cấp:

  • Cấp quản trị (Management Level): Bao gồm máy tính, thiết bị di động truy cập qua mạng Internet và bộ điều khiển trung tâm BCU (Building Control Unit). Cấp này sử dụng phần mềm BCS (BMS Control Software) và giao diện Web để hiển thị trực quan dữ liệu, quản lý trạng thái thiết bị, lưu trữ thông số và thiết lập ngưỡng cảnh báo.
  • Cấp điều khiển (Control Level): Đảm nhiệm bởi bộ điều khiển kỹ thuật số trực tiếp DDC-C46 (Direct Digital Control). DDC giao tiếp trực tiếp với BCU qua giao thức Modbus RTU (RS485), đồng thời đọc tín hiệu từ các cảm biến, nút nhấn và xuất tín hiệu điều khiển đóng cắt rơ le, van điện từ và biến tần.
  • Cấp trường (Field Level): Gồm máy bơm nước 3 pha, biến tần LS iG5A, cảm biến áp suất 4–20 mA, cảm biến lưu lượng FS400A-G1, van điện từ 12 VDC, van một chiều đồng và hệ thống nút bấm điều khiển.

Thuật toán điều khiển chính là giải thuật PID (Proportional - Integral - Derivative) tích hợp trong biến tần để duy trì áp suất nước cố định ở mức 1 bar theo tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt TCXDVN 33:2006. Thuật toán hoạt động dựa trên việc tính toán sai lệch giữa giá trị áp suất đặt ($SP$) và giá trị phản hồi ($PV$) từ cảm biến:

  • Khâu tỉ lệ ($P$): Điều chỉnh ngõ ra tỉ lệ thuận với sai số tức thời.
  • Khâu tích phân ($I$): Triệt tiêu sai số xác lập dựa trên tích lũy sai số theo thời gian.
  • Khâu vi phân ($D$): Dự đoán xu hướng thay đổi của áp suất để giảm thiểu hiện tượng vọt lố.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán thủy lực: Tính toán áp suất danh định trong đường ống theo công thức: $$P = d \cdot h = 10.000 \cdot 10 = 100.000\text{ Pa} = 1\text{ bar}$$ Trong đó $d$ là trọng lượng riêng của nước ($10.000\text{ N/m}^3$), $h$ là cột áp ($10\text{ m}$). Dựa trên kết quả tính toán và thông số ngõ ra của bơm AJS37FT, nhóm tác giả lựa chọn ống nhựa PVC-U đường kính $\Phi 34\text{ mm}$, độ dày $1.9\text{ mm}$, có mức chịu áp tối đa $12\text{ bar}$.
  • Phương pháp thiết kế mô hình: Ứng dụng phần mềm AutoCAD để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tủ điều khiển, sử dụng phần mềm Revit để dựng mô hình không gian 3D và SketchUp để trực quan hóa cấu trúc vật lý trước khi thi công.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo phần cứng, hiệu chỉnh thông số PID bằng phương pháp thủ công (Manual Tuning), cấu hình địa chỉ thanh ghi truyền thông Modbus RS485 và lập trình luồng dữ liệu Node-RED kết nối Firebase Realtime Database.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Danh mục thiết bị phần cứng

STT Tên thiết bị / Linh kiện Thông số kỹ thuật chính Số lượng Chức năng trong hệ thống
1 Bộ điều khiển BCU PNTECH Nguồn 24 VDC, hỗ trợ Modbus RTU/TCP, tích hợp Node-RED 01 Bộ điều khiển trung tâm, kết nối cơ sở dữ liệu
2 Bộ điều khiển DDC-C46 Nguồn 24 VDC, cổng UI (Universal Input), ngõ ra Relay NO 01 Bộ điều khiển cục bộ, thu thập tín hiệu và kích van
3 Biến tần LS iG5A Công suất 0.4 kW, 3 pha 220V/380V, truyền thông RS485 01 Điều khiển tốc độ động cơ bơm theo thuật toán PID
4 Máy bơm nước AJS37FT Bơm 3 pha, công suất 0.37 kW (0.4 kW), đấu hình sao 01 Động lực bơm tăng áp cho hệ thống đường ống
5 Cảm biến áp suất Dải đo 0–10 bar, ngõ ra dòng 4–20 mA, nguồn 9–32 VDC, ren G1/4 01 Đo áp suất đường ống, phản hồi tín hiệu về biến tần
6 Cảm biến lưu lượng FS400A-G1 Dải đo 1–60 L/phút, nguồn 5–24 VDC, đường kính ngoài 32.5 mm 01 Đo lưu lượng dòng chảy qua đường ống
7 Van điện từ (Solenoid Valve) Điện áp 12 VDC, dải áp suất chịu đựng tối đa 0.8 MPa, ren 21 mm 02 Đóng/mở các nhánh xả nước của mô hình
8 Van một chiều Đồng thau, đĩa van bọc NBR, kiểu lá lật ren, dải DN15–DN100 02 Ngăn dòng chảy ngược, bảo vệ bơm
9 Rơ le trung gian Omron LY2N 8 chân, cuộn hút 12 VDC, tiếp điểm NO/NC 02 Đệm công suất điều khiển van điện từ
10 Aptomat MCB GE 2P/6A Dòng định mức 6A, bảo vệ ngắn mạch và quá tải 01 Đóng cắt nguồn điện chính
11 Vi điều khiển Arduino Uno Đọc xung cảm biến lưu lượng và mức nước 01 Chuyển đổi dữ liệu cảm biến truyền sang DDC

Cấu hình biến tần LS iG5A và truyền thông Modbus

Biến tần được thiết lập hoạt động ở chế độ điều khiển qua mạng truyền thông RS485 với giao thức Modbus RTU. Các tham số cài đặt chính bao gồm:

  • Thông số động cơ: $H30 = 0.4\text{ kW}$ (công suất), $H31 = 2$ (số cực), $H32 = 0\text{ Hz}$ (tần số trượt), $H33 = 1\text{ A}$ (dòng định mức), $H34 = 0.5\text{ A}$ (dòng không tải), $H36 = 70%$ (hiệu suất).
  • Thông số truyền thông RS485: DRV = 3 (nhận lệnh chạy qua RS485), FRQ = 7 (nhận tần số đặt qua RS485), I59 = 0 (Modbus RTU), I60 = 3 (địa chỉ trạm biến tần), I61 = 3 (Baud rate 9600 bps), I64 = 5\text{ ms} (thời gian thực thi), I65 = 0 (None Parity, 1 Stop bit).
  • Cấu hình giải thuật PID: H49 = 1 (kích hoạt chế độ PID), H50 = 0 (chọn tín hiệu phản hồi dòng 0–20 mA qua chân terminal "I"), H51 / H52 / H53 (cài đặt hệ số Kp, Ki, Kd), H61 (thời gian trễ chuyển sang chế độ ngủ Sleep), H63 (ngưỡng tần số đánh thức Wake-up).
  • Bản đồ thanh ghi Modbus (Modbus Memory Map):
Địa chỉ Hex Địa chỉ Dec Tên thông số Mô tả chức năng / Giá trị gán
0x0004 4 Parameter Lock Mở/khóa cài đặt thông số biến tần
0x0005 5 Frequency Reference Đặt tần số hoạt động (Hz)
0x0006 6 Run Command Lệnh điều khiển: 1=Stop, 2=Chạy thuận, 4=Chạy nghịch, 8=Reset lỗi, 16=Dừng khẩn
0x0007 7 Acceleration Time Thời gian tăng tốc (giá trị cài đặt: 80)
0x0008 8 Deceleration Time Thời gian giảm tốc (giá trị cài đặt: 80)
0x0009 9 Output Current Đọc giá trị dòng điện ngõ ra
0x000A 10 Output Frequency Đọc giá trị tần số ngõ ra hiện tại
0x000B 11 Output Voltage Đọc giá trị điện áp ngõ ra
0x0015 21 RPM Tốc độ vòng quay của động cơ bơm
0x001E 30 PID Feedback Giá trị phản hồi áp suất thực tế
0x0388 904 PID Reference Giá trị áp suất đặt mục tiêu

Luồng xử lý phần mềm và giao diện giám sát

  • Phần mềm DDC-C46 Configurator: Được sử dụng để cấu hình các chân ngõ vào UI (Universal Input) đọc tín hiệu nút nhấn chuyển chế độ Local/Remote (chân UI05, UI06), nút điều khiển van (UI01, UI02), và gán các kênh ngõ ra Relay NO1, NO2 kích hoạt van điện từ.
  • Phần mềm BCS trên BCU: Khởi tạo danh sách các điểm dữ liệu (Points List), quản lý giao tiếp giữa BCU và DDC-C46. Phần mềm cung cấp giao diện quản trị gồm các phân hệ: Dashboard (tổng quan hệ thống), Building (sơ đồ mặt bằng), Devices (danh sách thiết bị), Control (điều khiển thông số), System (cấu hình hệ thống), Alarm (so sánh ngưỡng đặt để kích hoạt cảnh báo), Setting (thiết lập giao diện).
  • Tích hợp Node-RED và Firebase Realtime Database: Bộ điều khiển BCU chạy môi trường Node-RED thực hiện đọc các thanh ghi Modbus từ DDC, đóng gói dữ liệu và gửi lên Firebase Realtime Database qua khối http request và firebase node. Giao diện Web Client (HTML/CSS/JS) lắng nghe sự thay đổi dữ liệu trên Firebase để hiển thị biểu đồ áp suất, lưu lượng và gửi ngược lệnh điều khiển về phần cứng theo thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống cấp nước sinh hoạt trong các tòa nhà, phân tích các hạn chế của phương pháp điều khiển đóng ngắt truyền thống dẫn đến áp suất không ổn định. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, cấu trúc phân tầng BMS cần triển khai, phạm vi áp dụng thực tế và đề cương chi tiết của đồ án tốt nghiệp.

Chapter 2: Model Design and Supervisory Interface

Chương 2 tập trung vào việc tính toán, thiết kế hệ thống:

  • Xác định yêu cầu kỹ thuật: Duy trì áp suất mạng ống ở mức 1 bar theo tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006.
  • Trình bày nguyên lý thuật toán PID và phương pháp chỉnh định thủ công các tham số $P$, $I$, $D$.
  • Tính toán thủy lực chọn đường ống dẫn nước PVC-U $\Phi 34\text{ mm}$ dày $1.9\text{ mm}$ chịu áp $12\text{ bar}$.
  • Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển: CB 6A bảo vệ biến tần, nguồn switching 24 VDC cấp nguồn cho BCU/DDC, nguồn 12 VDC cấp cho rơ le và van điện từ.
  • Trình bày cấu trúc và tính năng của phần mềm cấu hình DDC-C46 Configurator cùng phần mềm quản lý tòa nhà BMS Control Software (BCS).

Chapter 3: Model Construction, Monitoring and Control Interface

Chương 3 mô tả chi tiết quy trình 9 bước thi công mô hình và thiết lập phần mềm:

  • Thi công đường ống nước, bồn chứa, lắp bình tích áp, gắn cảm biến áp suất và cảm biến lưu lượng.
  • Bố trí thiết bị trên bảng gá tủ điện: MCB, rơ le Omron LY2N, domino đấu dây, nguồn 12V/24V, BCU và DDC-C46.
  • Thực hiện quy trình cấu hình biến tần LS iG5A (thông số động cơ, truyền thông Modbus RS485, ánh xạ thanh ghi ghi I74–I77, cấu hình dải điện áp/dòng điện ngõ vào $I7 - I15$, thiết lập chế độ Sleep/Wake-up $H61, H63$).
  • Cấu hình cổng vào/ra trên DDC-C46 và thiết lập danh sách điểm dữ liệu (Points) trên phần mềm BCU.
  • Lập trình luồng xử lý trên Node-RED: sử dụng các khối inject, http request, function, filter, firebase để truyền nhận dữ liệu giữa biến tần, DDC và cơ sở dữ liệu Firebase.
  • Xây dựng giao diện Website điều khiển và giám sát đáp ứng (Responsive Design) bằng Visual Studio Code với các tính năng đăng nhập, theo dõi biểu đồ áp suất, lưu lượng và công tắc điều khiển van, biến tần.

Chapter 4: Model Operation and Results Evaluation

Chương 4 kiểm tra và đánh giá hoạt động của hệ thống qua lưu đồ vận hành:

  • Kiểm tra an toàn phần cứng và thông mạch toàn bộ hệ thống điện.
  • Vận hành ở chế độ cục bộ (Local Mode): Kiểm tra phản hồi của hệ thống khi thao tác qua nút nhấn cơ trên mặt tủ điều khiển, kiểm tra trạng thái đóng/mở van điện từ và khởi động biến tần.
  • Vận hành ở chế độ từ xa (Remote Mode): Thao tác điều khiển đóng ngắt bơm, điều chỉnh van qua giao diện Web và BCS; kiểm tra tốc độ phản hồi dữ liệu từ cảm biến áp suất và lưu lượng lên giao diện giám sát; kiểm tra khả năng bám giá trị áp suất đặt 1 bar của biến tần khi thay đổi mức độ mở van xả.

Chapter 5: Conclusion and Future Work

Chương 5 đúc kết các kết quả nghiên cứu đã hoàn thành, chỉ rõ các mục tiêu đã đạt được về mô hình vật lý, hệ thống điều khiển truyền thông công nghiệp và nền tảng giám sát Web/Cloud, đồng thời đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Hoàn thiện mô hình thực nghiệm: Chế tạo thành công mô hình trạm bơm tăng áp hoàn chỉnh bao gồm hệ thống đường ống PVC-U chịu áp 12 bar, cụm bơm 3 pha 0.37 kW, bình tích áp, bồn chứa nước, van một chiều, 2 van điện từ và tủ điện điều khiển đạt tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật (sử dụng aptomat 6A, rơ le trung gian cách ly nguồn 12VDC/24VDC).
  2. Thiết lập thành công mạng truyền thông công nghiệp: Kết nối đồng bộ bộ điều khiển BCU, DDC-C46 và biến tần LS iG5A qua chuẩn vật lý RS485, giao thức Modbus RTU ở tốc độ truyền 9600 bps, truyền nhận chính xác các giá trị thanh ghi trạng thái, tần số, dòng điện, điện áp và tốc độ động cơ.
  3. Duy trì áp suất ổn định: Ứng dụng thành công giải thuật PID trên biến tần iG5A nhận tín hiệu dòng 4–20 mA từ cảm biến áp suất (0–10 bar) để tự động thay đổi tần số điều khiển động cơ bơm, duy trì áp suất đường ống ổn định tại ngưỡng 1 bar theo tiêu chuẩn TCXDVN 33:2006.
  4. Hệ thống điều khiển và giám sát đa nền tảng:
    • Vận hành đồng thời hai chế độ: Cục bộ (Local) qua nút nhấn và Từ xa (Remote) qua giao diện Web / phần mềm BCS.
    • Xây dựng luồng dữ liệu thời gian thực thông qua Node-RED và Firebase Realtime Database, cho phép giám sát thông số áp suất, lưu lượng nước (1–60 L/phút) và trạng thái van/bơm từ xa qua Internet.

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng một giải pháp kỹ thuật tích hợp hoàn chỉnh từ phần cứng cấp trường đến phần mềm quản trị cấp cao theo đúng kiến trúc tiêu chuẩn của hệ thống BMS tòa nhà.
  • Minh chứng tính khả thi của việc tích hợp các thiết bị điều khiển công nghiệp chuyên dụng (DDC, BCU PNTECH, biến tần LS) với nền tảng công nghệ Web mở (Node-RED, Firebase, HTML/JS) nhằm giảm thiểu chi phí phát triển giao diện giám sát SCADA/BMS.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mô hình thực nghiệm có công suất nhỏ (động cơ bơm 0.37 kW), hệ thống đường ống ngắn nên chưa phản ánh toàn diện các hiện tượng quá độ phức tạp (như hiện tượng búa nước lớn) thường xảy ra trong các tòa nhà cao tầng thực tế.
    • Việc chỉnh định tham số PID ($Kp, Ki, Kd$) trên biến tần thực hiện bằng phương pháp thủ công, đòi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng hệ thống thành trạm bơm đa bơm (kết hợp bơm chính, bơm phụ, bơm dự phòng luân phiên) để mô phỏng chính xác hệ thống cấp nước tăng áp quy mô lớn.
    • Nâng cấp thuật toán tự động nhận dạng và chỉnh định thông số PID (Auto-tuning PID) nhằm tối ưu hóa khả năng thích nghi khi tải tiêu thụ nước thay đổi đột ngột.
    • Khai thác tính năng cảnh báo tự động (Tab Alarm) để gửi thông báo tức thời qua SMS hoặc Email khi phát hiện sự cố rò rỉ đường ống, tụt áp hoặc quá tải động cơ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Công trình Tòa nhà: Tham khảo phương pháp xây dựng đồ án tốt nghiệp tích hợp phần cứng - phần mềm; quy trình thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển cho biến tần.
  • Kỹ sư Cơ điện (MEP) và Kỹ sư BMS: Tham khảo chi tiết bản đồ thanh ghi Modbus RTU của biến tần LS iG5A, cách đấu nối giao tiếp giữa DDC-C46 và biến tần, cũng như phương pháp kết nối dữ liệu từ thiết bị điều khiển công nghiệp lên Cloud thông qua Node-RED.

Câu hỏi thường gặp

1. Áp suất mục tiêu mà hệ thống cần duy trì là bao nhiêu và căn cứ theo tiêu chuẩn nào? Hệ thống được thiết kế để duy trì áp suất ổn định tại mức 1 bar trong đường ống, căn cứ theo tiêu chuẩn thiết kế cấp thoát nước bên trong công trình TCXDVN 33:2006.

2. Giao thức truyền thông nào được sử dụng để kết nối BCU, DDC và biến tần LS iG5A? Hệ thống sử dụng giao thức truyền thông công nghiệp Modbus RTU qua chuẩn vật lý RS485 với các thông số cấu hình: Baud rate 9600 bps, Parity: None, Stop bit: 1, địa chỉ trạm của biến tần là 3 (I60 = 3).

3. Biến tần LS iG5A thu thập tín hiệu áp suất phản hồi từ cảm biến qua chân nào? Biến tần nhận tín hiệu dòng điện 4–20 mA từ cảm biến áp suất qua chân terminal ngõ vào "I" (tương ứng cài đặt hàm H50 = 0), đại diện cho dải áp suất đo 0–10 bar của cảm biến.

4. Dữ liệu từ bộ điều khiển trung tâm BCU được đồng bộ hóa lên giao diện Website bằng giải pháp kỹ thuật nào? Dữ liệu đọc từ các thanh ghi DDC được xử lý bởi môi trường Node-RED tích hợp sẵn trên BCU, sau đó truyền nhận thời gian thực với cơ sở dữ liệu đám mây Firebase Realtime Database qua các khối http request và firebase node, từ đó cập nhật trực tiếp lên giao diện Web được lập trình bằng HTML/CSS/JavaScript.

5. Đường ống dẫn nước trong mô hình sử dụng loại vật liệu và quy cách kích thước nào? Mô hình sử dụng ống nhựa PVC-U có đường kính ngoài $\Phi 34\text{ mm}$, độ dày thành ống $1.9\text{ mm}$, có khả năng chịu áp suất danh định tối đa $12\text{ bar}$, tương thích với kích thước đầu ra của máy bơm AJS37FT (0.37 kW).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Application of BMS for Monitoring and Controlling Water Pump System" của nhóm sinh viên Lê Ngọc Nam và Nguyễn Hữu Lợi đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Đề tài đã xây dựng thành công mô hình trạm bơm nước tăng áp ứng dụng cấu trúc phân tầng BMS, tự động duy trì áp suất đường ống ở mức 1 bar bằng giải thuật PID trên biến tần LS iG5A. Đồng thời, hệ thống triển khai hoàn chỉnh giải pháp điều khiển, giám sát đa nền tảng kết hợp giữa bộ điều khiển chuyên dụng DDC/BCU, phần mềm quản lý BCS, môi trường Node-RED, cơ sở dữ liệu Firebase và giao diện Web từ xa.