Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong cơ cấu vận hành tại các nhà máy xử lý và phân phối nước sạch, chi phí năng lượng điện tiêu thụ cho các trạm bơm chiếm tỷ trọng đáng kể, dao động từ 30% đến 35% tổng giá thành sản xuất nước. Mặt khác, theo các dữ liệu thống kê được tác giả dẫn giải, thế giới đang đối mặt với khủng hoảng tài nguyên nước khi 102 quốc gia với khoảng 3,9 tỷ dân chịu tác động trực tiếp của biến đổi khí hậu; trong đó 70% lượng nước được dùng cho nông nghiệp, 23% cho công nghiệp và 7% cho sinh hoạt. Thực tế vận hành mạng lưới cấp nước công cộng và công nghiệp ở Việt Nam vẫn còn tồn tại các hệ truyền động điều khiển thụ động, đóng cắt trực tiếp, gây hao phí điện năng và tạo hiện tượng sụt áp hoặc tăng áp đột ngột. Sự biến động áp suất trong đường ống không chỉ dẫn đến tình trạng rò rỉ, vỡ ống gây thất thoát nước sạch mà còn khiến áp lực nước tại các điểm tiêu thụ cuối nguồn không ổn định, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống dân sinh và các dây chuyền sản xuất.

Từ thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc nghiên cứu, tính toán và chế tạo mô hình thực nghiệm hệ thống cung cấp nước ổn định áp suất ứng dụng biến tần phối hợp bộ điều khiển lập trình và hệ thống giám sát SCADA.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Nghiên cứu hệ thống bơm nước trong thực tế, nắm vững quy trình công nghệ, trình tự điều khiển và phương pháp vận hành trạm bơm.
  2. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và cấu hình thông số của biến tần chuyên dụng ngành nước.
  3. Xây dựng chương trình điều khiển tự động trên bộ điều khiển logic khả trình (PLC).
  4. Thực hiện điều khiển trực tiếp thông qua cơ cấu nút nhấn cơ học và giao diện cục bộ trên màn hình HMI.
  5. Thiết kế giao diện SCADA trên nền tảng WinCC Unified nhằm giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển gián tiếp thiết bị.
  6. Thiết lập cấu hình truyền thông để đưa giao diện giám sát lên máy chủ Webserver phục vụ theo dõi từ xa.
  7. Xây dựng chức năng lưu trữ dữ liệu và xuất báo cáo lịch sử vận hành bơm trên giao diện điều khiển.

Nhiệm vụ thực nghiệm đặt ra là tính toán, thiết kế và thi công mô hình trạm bơm thực nghiệm có tổng công suất cấp nước đạt 7,2 m³/h. Cấu hình cơ điện gồm 02 máy bơm 3 pha công suất 0,5 HP/bơm (lưu lượng định mức 3,6 m³/h, khả năng hút sâu 8 m, cột áp đẩy cao 32 m), kết hợp hệ thống đo lường cảm biến áp suất, van phân phối, tủ điều khiển tích hợp PLC, biến tần và máy tính điều khiển trung tâm.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian nghiên cứu: Giới hạn trong quy mô mô hình thực nghiệm trạm bơm cấp nước sinh hoạt đặt tại phòng thực hành Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Nội dung kỹ thuật: Giới hạn ở giải pháp điều khiển tần số cấp cho động cơ bơm thông qua biến tần Danfoss nhằm ổn định áp suất vòng kín trên đường ống chính; điều khiển giám sát qua PLC Siemens S7-1200, truyền thông Modbus RTU và phần mềm SCADA WinCC Unified kết hợp Webserver.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên quy luật tỉ lệ thức của bơm ly tâm (Affinity Laws) và lý thuyết điều khiển tự động vòng kín phản hồi âm:

  • Quan hệ giữa các thông số làm việc của bơm ly tâm theo tốc độ quay của động cơ ($n$): Lưu lượng nước ($Q$) tỉ lệ thuận bậc nhất với tốc độ ($Q \propto n$); Cột áp ($H$) tỉ lệ với bình phương tốc độ ($H \propto n^2$); Công suất thủy lực tiêu thụ ($P$) tỉ lệ với lập phương tốc độ ($P \propto n^3$). Tác giả đã phân tích ví dụ định lượng: khi hệ thống giảm tốc độ hoạt động xuống mức 80% định mức, công suất tiêu thụ của máy bơm giảm xuống còn xấp xỉ 51% (tương ứng $0,8^3 \approx 0,512$), qua đó tiết kiệm được 49% điện năng so với phương pháp chạy đầy tải liên tục.
  • Lý thuyết khởi động và điều khiển động cơ: So sánh giữa phương pháp truyền thống (cấp nguồn trực tiếp qua Contactor, mạch sao - tam giác kết hợp công tắc áp suất Pressure Switch của Danfoss đóng ngắt theo ngưỡng chênh lệch Range - Diff) và phương pháp truyền động biến tần dùng bộ biến đổi AC-DC-AC (chỉnh lưu Diode/SCR, mạch lọc DC bus và nghịch lưu IGBT điều chế độ rộng xung).
  • Lý thuyết điều khiển quá trình: Ứng dụng thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) để xử lý sai lệch giữa giá trị áp suất cài đặt (Setpoint) và giá trị áp suất thực tế phản hồi từ cảm biến.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất (Siemens, Danfoss, Omron, Hanyoung), giáo trình điều khiển logic, mạng truyền thông công nghiệp và các tiêu chuẩn thiết kế trạm bơm thực tế (như trạm bơm Hóa An - Đồng Nai, trạm bơm Hòa Phú - Củ Chi).
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật và mô phỏng 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng mô hình kết cấu cơ khí, khung bệ đỡ, bồn chứa và đường ống; sử dụng AutoCAD để lập sơ đồ bố trí thiết bị tủ điện, sơ đồ mạch động lực và sơ đồ mạch điều khiển 4 trang chi tiết.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thi công lắp ráp phần cứng hoàn chỉnh; lập trình thuật toán điều khiển trên phần mềm TIA Portal (ngôn ngữ Ladder); sử dụng công cụ Auto Tuning/Fine Tuning tích hợp của Siemens để xác định các hệ số bộ điều khiển PID; đo đạc và đánh giá khả năng duy trì áp lực nước khi thay đổi số lượng van phụ tải xả nước mở đồng thời.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được chia thành ba phân hệ chính: kết cấu cơ khí - thủy lực, hệ thống điện động lực - điều khiển, và hệ thống phần mềm SCADA thu thập dữ liệu.

[Bồn chứa nước] ---> [Cụm 02 Bơm Adelino 0.5HP] ---> [Đường ống PVC D42 & Cảm biến Danfoss MBS 3000] ---> [4 Van xả tải]
                             ^
                             | (Cấp nguồn U, V, W)
             [02 Biến tần Danfoss VLT FC 202 (1.5 kW)]
                             ^
                             | (Truyền thông RS485 / Modbus RTU)
           [PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C + Board CB 1241]
                             ^
                             | (Ethernet / PROFINET)
            [Màn hình HMI TP700 Comfort & Máy tính WinCC Unified]

1. Kiến trúc phần cứng và thiết bị điều khiển

Hệ thống sử dụng các trang thiết bị chuẩn công nghiệp với thông số kỹ thuật được lựa chọn qua tính toán:

Tên thiết bị Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Động cơ bơm Adelino AJS37FT 0,5 HP (370 W), 3 pha 380 V, lưu lượng 3,6 m³/h, đẩy cao 32 m, hút sâu 8 m Bơm tăng áp, duy trì dòng lưu chất trong mạng ống
Biến tần Danfoss VLT AQUA Drive FC 202 Công suất 1,5 kW, nguồn cấp 3 pha 380-480 V, tích hợp bộ lọc RFI Điều chế tần số nguồn cấp động cơ bơm, bảo vệ động cơ
Bộ điều khiển logic Siemens SIMATIC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/RLY (Mã 6ES7214-1BG40-0XB0), 14 ngõ vào DI, 10 ngõ ra DQ Relay, 2 ngõ vào AI Xử lý trung tâm, thực thi giải thuật PID và logic chuyển mạch
Bo mạch truyền thông Siemens CB 1241 Chuẩn truyền thông vật lý RS485 Giao tiếp truyền thông mạng Modbus RTU giữa PLC và 02 biến tần
Cảm biến áp suất Danfoss MBS 3000 Tín hiệu ngõ ra dòng 4 - 20 mA, kết cấu chống rung và chống sốc cơ học Đo áp lực trực tiếp trên đường ống phân phối chính
Bộ chuyển đổi tín hiệu XY-IT0V Chuyển đổi dòng - áp (4-20 mA sang 0-10 VDC) Phù hợp hóa tín hiệu cảm biến với kênh ngõ vào analog AI0.1 của PLC
Màn hình giám sát HMI Siemens SIMATIC TP700 Comfort Mã 6AV2124-0GC01-0AX0, màn hình màu TFT 7 inch, hỗ trợ PROFINET Giám sát trạng thái, nhập thông số vận hành tại chỗ ở mặt tủ
Bộ báo mức nước Hanyoung FS-3A Đế điện cực 3 que, điện áp cấp 220 VAC Phát hiện cạn nước trong bồn, tác động tiếp điểm liên động bảo vệ bơm
Khí cụ đóng cắt Siemens MCB Dòng đóng cắt C10 (1 pha) và C20 (3 pha) Bảo vệ quá tải và ngắn mạch nguồn động lực và điều khiển

Hệ thống điều khiển số bố trí các đầu vào/ra cụ thể: ngõ vào số I0.0 nhận tín hiệu tiếp điểm rơ-le mức nước cạn RL; I0.1 nhận trạng thái chuyển mạch Auto; I0.2 và I0.3 nhận trạng thái đang chạy của bơm 1 (RR1) và bơm 2 (RR2); I0.4 và I0.5 nhận tín hiệu sự cố ngắt (Trip) của biến tần 1 (RTR1) và biến tần 2 (RTR2); ngõ vào tương tự AI0.1 nhận tín hiệu áp suất đường ống sau chuyển đổi.

2. Xây dựng giải thuật và lập trình điều khiển

Chương trình điều khiển nạp vào CPU 1214C trên môi trường TIA Portal được tổ chức theo cấu trúc module hóa thông qua các khối tổ chức và hàm chức năng:

  • Khối truyền thông nối tiếp: Sử dụng hàm MB_COMMLOAD_DB để khởi tạo cổng giao tiếp RS485 (cài đặt tốc độ Baud, tính chẵn lẻ, thời gian chờ) và hàm MB_MASTER_DB để đọc/ghi các thanh ghi trạng thái, tần số đặt, tần số phản hồi và dòng điện làm việc tới biến tần Danfoss FC 202 theo giao thức Modbus RTU.
  • Khối điều khiển quá trình: Sử dụng hàm công nghệ PID_Compact tích hợp sẵn trong tập lệnh Siemens. Thuật toán tự động dò tham số (Pre-tuning và Fine-tuning) được kích hoạt trong giai đoạn chạy thử nghiệm, đưa ra các hệ số tỉ lệ ($Gain$), thời gian tích phân ($T_i$) và thời gian vi phân ($T_d$) tối ưu để hệ thống triệt tiêu sai lệch áp suất nhanh nhất mà không gây vọt lố hay hiện tượng va đập thủy lực (búa nước).
  • Khối logic phân loại chế độ vận hành: Khối Auto_Off_Man quản lý việc chuyển đổi giữa chế độ điều khiển bằng tay (vận hành bơm theo tốc độ cố định đặt trên HMI/biến tần) và chế độ tự động (PLC tự điều phối biến tần duy trì áp suất).
  • Khối xử lý cảnh báo và thời gian thực: Khối Alarm giám sát các lỗi quá dòng, cạn nước bồn chứa, lỗi biến tần; khối Working Day dùng lệnh RD_LOC_T (Read Local Time) và WR_LOC_T (Write Local Time) để đồng bộ thời gian thực phục vụ ghi nhật ký vận hành.

3. Thiết kế giao diện SCADA và Webserver

Giao diện điều khiển giám sát được thiết kế trên WinCC Unified gồm 5 màn hình chức năng chính:

  • Trang 1 (Giao diện đăng nhập và điều hướng): Phân quyền truy cập người vận hành, thiết lập bảo mật hệ thống.
  • Trang 2 (Giao diện màn hình chính): Hiển thị sơ đồ công nghệ tổng thể trạm bơm, trạng thái đóng cắt các van, trạng thái hoạt động thực của bơm 1 và bơm 2, giá trị số đo áp suất thực tế và cột nước bồn dự trữ.
  • Trang 3 (Giao diện điều khiển chế độ Manual): Cho phép người vận hành can thiệp cưỡng bức đóng/ngắt độc lập từng bơm, đặt tần số chạy thử cho từng biến tần.
  • Trang 4 (Giao diện điều khiển chế độ Auto và đồ thị Trend): Cung cấp trường nhập giá trị áp suất mong muốn (Setpoint), hiển thị đồ thị diễn biến áp suất theo thời gian thực (Real-time Trend Curve) để quan sát độ đáp ứng và sai số xác lập.
  • Trang 5 (Giao diện báo cáo và cảnh báo Alarm): Hiển thị danh sách các sự cố được gắn nhãn thời gian thực, lưu trữ lịch sử báo động và xuất dữ liệu thống kê chu kỳ bơm.

Toàn bộ hệ thống giao diện được đóng gói và cấu hình dịch vụ Webserver tích hợp sẵn trên WinCC Unified, cho phép các thiết bị ngoại vi kết nối mạng LAN/Internet thông qua trình duyệt web chuẩn HTML5 để giám sát thông số từ xa mà không cần cài đặt phần mềm chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu tối ưu hóa năng lượng trong ngành cấp nước sạch và yêu cầu hiện đại hóa hạ tầng đô thị. Tác giả chỉ ra rằng chi phí điện năng vận hành động cơ bơm chiếm tới 30-35% giá thành nước sạch thương phẩm. Việc thiếu hụt các cơ chế tự động duy trì áp suất đường ống tạo ra hai nguy cơ: sụt áp làm gián đoạn nguồn cấp nước tới người dùng hoặc quá áp gây nứt vỡ, rò rỉ mạng lưới phân phối. Nội dung chương công bố mục tiêu chế tạo mô hình thực nghiệm bơm ổn định áp suất kết hợp biến tần, PLC S7-1200 và SCADA WinCC Unified có khả năng quản lý từ xa qua Webserver; đồng thời vạch rõ phạm vi nghiên cứu thực nghiệm với 02 động cơ bơm 0,5 HP có tổng lưu lượng 7,2 m³/h.

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC

Chương 2 trình bày tổng quan cấu trúc mạng lưới cấp thoát nước đô thị từ khâu thu gom nguồn nước mặt/ngầm, qua các trạm xử lý (như Trạm nước số 3 Nhà máy nước Thủ Đức), hệ thống bể chứa, đài nước điều hòa đến mạng lưới đường ống truyền tải. Tác giả tiến hành so sánh chuyên sâu hai giải pháp công nghệ:

  • Phương pháp cấp nguồn trực tiếp (không sử dụng biến tần): Động cơ khởi động trực tiếp hoặc qua mạch sao - tam giác; việc duy trì áp suất dựa vào công tắc áp lực Danfoss theo nguyên lý đóng cắt hai vị trí (On/Off). Nhược điểm là dòng khởi động tăng vọt từ 4-7 lần dòng định mức, gây sốc cơ khí, sụt áp lưới và không thể điều chỉnh mịn áp suất.
  • Phương pháp sử dụng biến tần: Điều khiển tốc độ quay của động cơ theo thuật toán tỷ lệ thức thủy lực. Biến tần giúp động cơ tăng tốc êm, giảm dòng khởi động, bảo vệ quá dòng, quá áp và tiết kiệm tới 49% điện năng tiêu thụ khi hoạt động ở mức 80% tốc độ định mức.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Nội dung chương 3 chiếm dung lượng kỹ thuật lớn nhất trong đồ án, bao gồm các bước tính toán và lựa chọn thiết bị chi tiết:

  • Thiết kế cơ khí: Ứng dụng phần mềm SolidWorks dựng mô hình khung đế thép, bể nước kích thước tiêu chuẩn và bố trí hệ thống đường ống phân phối PVC Bình Minh.
  • Thiết kế điện: Lập bản vẽ bố trí mặt trước tủ điện (màn hình HMI TP700 Comfort, 02 màn hình LCP của biến tần Danfoss, chuyển mạch Auto/Man, đèn chỉ thị màu xanh ON, màu vàng TRIP) và bên trong tủ điện (khối PLC S7-1200, 02 biến tần Danfoss FC 202, bộ nguồn PM 1207 24V, cụm rơ-le trung gian Omron, bộ báo mức nước Hanyoung FS-3A).
  • Lựa chọn thiết bị: Động cơ bơm tăng áp Adelino AJS37FT (0,5 HP, 3 pha), cảm biến áp suất Danfoss MBS 3000 (tín hiệu ra 4-20 mA), bộ chuyển đổi tín hiệu cách ly XY-IT0V (chuyển đổi 4-20 mA sang 0-10 VDC), các aptomat bảo vệ Siemens MCB C10 và C20, cáp điện lực đồng Vĩnh Thịnh 4 mm².

CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Chương 4 tập trung vào quy trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ đến thực tế:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật: Thiết lập lưu đồ điều khiển chính, nhánh điều khiển tại chỗ (Local), nhánh điều khiển từ xa (Remote), lưu đồ khóa liên động bảo vệ (ngắt hệ thống khi cạn nước hoặc quá tải) và cấu trúc thuật toán PID kín.
  • Lập trình hệ thống PLC: Triển khai các khối hàm MB_COMMLOAD_DB, MB_MASTER_DB để truyền thông RS485 với 02 biến tần Danfoss; cấu hình khối PID_Compact và thực hiện chu trình Auto Tuning/Fine Tuning để tự động tính toán bộ tham số PID điều khiển tốc độ bơm.
  • Thiết kế SCADA: Xây dựng 5 trang màn hình chuyên biệt trên WinCC Unified, liên kết biến dữ liệu (Tags) nội bộ PLC với các đối tượng đồ họa trực quan và thiết lập máy chủ Webserver để chia sẻ giao diện lên trình duyệt máy tính cá nhân.

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Chương 5 báo cáo kết quả thi công thực tế và kiểm thử chức năng vận hành của hệ thống:

  • Hoàn thiện phần cứng: Thi công khung đế cơ khí chịu lực vững chắc, lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống đường ống cấp nước có 4 nhánh van mô phỏng phụ tải tiêu thụ, đấu nối hoàn thiện tủ điện điều khiển công nghiệp đảm bảo tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật.
  • Kết quả vận hành phần mềm: Giao diện SCADA hiển thị trực quan thông số áp suất, trạng thái bơm, lưu đồ cảnh báo lỗi tức thời khi phát hiện sự cố cạn nước hoặc ngắt biến tần.
  • Kết quả thực nghiệm vận hành tải: Hệ thống được thử nghiệm qua 4 kịch bản thay đổi tải tương ứng mở lần lượt từ 1 van, 2 van, 3 van đến 4 van xả đồng thời. Biến tần tự động điều chỉnh tăng giảm tần số linh hoạt dưới sự chỉ đạo của thuật toán PID trên PLC S7-1200, đưa áp suất đường ống trở về trạng thái ổn định bám sát giá trị đặt Setpoint với thời gian quá độ ngắn và không xuất hiện hiện tượng vọt lố nguy hiểm.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương cuối tóm lược toàn bộ khối lượng công việc nhóm nghiên cứu đã hoàn thành: làm chủ công nghệ điều khiển áp suất bằng biến tần, ứng dụng thành công kỹ thuật truyền thông Modbus RTU công nghiệp và công nghệ SCADA nền Webserver. Đồng thời, nhóm tác giả chỉ ra các giới hạn hiện tại của mô hình và đề xuất các định hướng nghiên cứu nâng cao cho hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình trạm bơm thực nghiệm hoạt động ổn định với công suất tổng đạt 7,2 m³/h sử dụng 02 bơm Adelino 0,5 HP kết hợp đường ống dẫn nước PVC Bình Minh và 4 van xả mô phỏng phụ tải.
  • Thiết kế và lắp ráp hoàn chỉnh tủ điện điều khiển công nghiệp đạt tiêu chuẩn thẩm mỹ và an toàn cơ điện, tích hợp bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, 02 biến tần chuyên dụng Danfoss FC 202 (1,5 kW), màn hình cảm ứng HMI TP700 Comfort, bộ nguồn PM 1207 và các khí cụ bảo vệ MCB Siemens.
  • Thiết lập thành công mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU qua cổng RS485 (module CB 1241) kết nối PLC với 02 biến tần Danfoss, đảm bảo việc đọc/ghi dữ liệu liên tục không xảy ra lỗi gián đoạn truyền thông.
  • Ứng dụng giải thuật PID tự động dò thông số (Auto Tuning) trên PLC S7-1200, kiểm soát chính xác tốc độ động cơ theo tín hiệu dòng 4-20 mA từ cảm biến Danfoss MBS 3000 đưa về qua bộ chuyển đổi XY-IT0V (0-10 VDC).

Kết quả kiểm thử vận hành hệ thống tại các chế độ tải mô phỏng được ghi nhận trong báo cáo đồ án:

Kịch bản phụ tải Trạng thái hệ thống van Phản hồi của hệ thống điều khiển Kết quả duy trì áp suất
Mức tải 1 Mở 01 van xả Bơm 1 chạy ở tần số thấp, điều chỉnh tốc độ quay giảm Áp suất trên đường ống giữ ổn định tại giá trị Setpoint
Mức tải 2 Mở 02 van xả Biến tần tăng nhẹ tần số cấp nguồn cho bơm 1 Áp suất dao động nhỏ trong thời gian ngắn rồi hồi phục về Setpoint
Mức tải 3 Mở 03 van xả Bơm 1 tăng tốc độ lên mức cao, sẵn sàng gọi bơm phụ nếu áp tiếp tục tụt Hệ thống duy trì áp suất định mức, dòng điện trong giới hạn an toàn
Mức tải 4 Mở toàn bộ 04 van xả Hệ thống huy động tối đa công suất bơm để bù sụt áp lớn Hệ thống duy trì được mức áp lực cài đặt, đáp ứng đủ lưu lượng xả

2. Đóng góp kỹ thuật của đề tài

So với các mô hình điều khiển bơm truyền thống chỉ dùng rơ-le áp suất đóng cắt trực tiếp hoặc các mô hình thực tập cũ tại phòng thí nghiệm, công trình này có các đóng góp tự thân bao gồm:

  • Tích hợp thành công giải pháp điều khiển vòng kín biến tần chuyên dụng Danfoss VLT FC 202 với PLC Siemens, loại bỏ triệt để hiện tượng sụt áp, sốc dòng và búa nước trên hệ thống đường ống.
  • Triển khai thành công công nghệ SCADA hiện đại dựa trên nền tảng WinCC Unified kết hợp Webserver, cho phép người quản lý có thể giám sát trạng thái và điều khiển trạm bơm thông qua mạng Internet/LAN trên các trình duyệt chuẩn mà không bị phụ thuộc vào trạm kỹ thuật tại chỗ.
  • Xây dựng tài liệu thiết kế hoàn chỉnh từ bản vẽ kết cấu cơ khí 3D (SolidWorks), bản vẽ điện 4 trang (AutoCAD) đến toàn bộ mã nguồn chương trình Ladder điều khiển và cấu hình thông số biến tần, tạo thành một hệ thống tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng thực hành cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nội dung công bố trong báo cáo, nhóm nghiên cứu đã tự xác định một số hạn chế mang tính khách quan và định hướng mở rộng đề tài:

  • Hạn chế: Do kinh phí đầu tư có hạn, đề tài chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm với hai động cơ bơm công suất nhỏ (0,5 HP), chưa có điều kiện thử nghiệm trên hệ thống động cơ bơm công nghiệp công suất lớn (hàng chục đến hàng trăm kW) tại các nhà máy nước thực tế như trạm Hóa An hay Hòa Phú. Ngoài ra, việc chuyển đổi tín hiệu analog vẫn phải qua module trung gian XY-IT0V (từ dòng 4-20 mA sang áp 0-10 V) do hạn chế kênh đọc tương tự nguyên bản của CPU 1214C.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng hệ thống điều khiển luân phiên đa bơm (Multi-pump cascade control) tự động đổi vai trò bơm chính và bơm phụ theo số giờ hoạt động để cân bằng tuổi thọ thiết bị.
    2. Nâng cấp hệ thống giám sát SCADA ứng dụng giao thức IIoT (như MQTT hoặc OPC UA) để truyền dữ liệu lên nền tảng đám mây (Cloud), phục vụ phân tích dữ liệu lớn.
    3. Bổ sung các cảm biến đo lưu lượng nước điện từ để kết hợp bài toán điều khiển tối ưu đồng thời cả áp suất và lưu lượng mạng lưới cấp nước.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao đối với:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Cơ điện tử: Có thể khai thác đồ án làm tài liệu học tập, đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về lập trình PLC S7-1200, thuật toán điều khiển quá trình PID Compact, cấu hình biến tần công nghiệp Danfoss và thiết kế SCADA WinCC Unified.
  • Kỹ sư thiết kế, vận hành hệ thống cấp thoát nước, trạm bơm tăng áp tòa nhà (Booster Pump System), hệ thống HVAC: Có thể tham khảo phương pháp tính toán mạch động lực, lựa chọn thiết bị đóng cắt MCB, quy chuẩn đấu nối tiếp điểm relay, cấu hình truyền thông Modbus RTU và sơ đồ mạch điện 4 trang có sẵn trong báo cáo.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Toàn bộ phụ lục B với bảng thông số cài đặt cụ thể trên biến tần Danfoss FC 202, phụ lục A về cấu trúc chương trình Ladder (các khối MB_COMMLOAD_DB, MB_MASTER_DB, PID_Compact) và quy trình thực hiện Auto Tuning dò tìm bộ số PID trong TIA Portal.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng phương pháp nào để truyền thông giữa PLC S7-1200 và 02 biến tần Danfoss FC 202?
Hệ thống sử dụng mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU trên nền tảng lớp vật lý RS485 thông qua bo mạch truyền thông Siemens Signal Board CB 1241 gắn trực tiếp lên mặt trước của CPU 1214C. Trong chương trình PLC, các khối hàm chức năng MB_COMMLOAD_DB và MB_MASTER_DB được lập trình để thực hiện tác vụ đọc và ghi dữ liệu tần số, dòng điện và mã lệnh điều khiển.

2. Tại sao hệ thống cần sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu XY-IT0V?
Cảm biến áp suất Danfoss MBS 3000 xuất tín hiệu ngõ ra dạng dòng điện công nghiệp tiêu chuẩn 4 - 20 mA. Trong khi đó, các kênh ngõ vào tương tự tích hợp sẵn trên CPU S7-1200 1214C (kênh AI0.1) chỉ nhận trực tiếp dải điện áp 0 - 10 VDC. Do đó, bộ chuyển đổi XY-IT0V đóng vai trò chuyển đổi cách ly tín hiệu dòng 4 - 20 mA thành tín hiệu áp 0 - 10 VDC tương thích với cổng vào của PLC.

3. Thuật toán PID trong đồ án được thiết lập và dò tham số bằng cách nào?
Nhóm tác giả sử dụng khối công nghệ PID_Compact tích hợp trong phần mềm TIA Portal của Siemens. Thay vì tính toán thông số lý thuyết thủ công, nhóm kích hoạt tính năng dò tự động (Auto Tuning gồm Pre-tuning và Fine-tuning) trực tiếp trên CPU 1214C để phần mềm tự động thu thập đáp ứng thời gian thực của hệ thống, từ đó tính toán và cài đặt bộ hệ số $Gain$, $T_i$, $T_d$ tối ưu nhằm ổn định áp suất mà không gây hiện tượng vọt lố.

4. Khi xảy ra sự cố cạn nước trong bồn chứa, hệ thống bảo vệ như thế nào?
Hệ thống bố trí bộ điều khiển mức nước Hanyoung FS-3A kết hợp đế điện cực 3 que gắn trong bồn. Khi mức nước xuống dưới que đo quy định, tiếp điểm của rơ-le báo mức RL sẽ ngắt tín hiệu vào chân ngõ vào số I0.0 của PLC. Lúc này, chương trình PLC sẽ lập tức khóa liên động ngắt lệnh kích chạy bơm, xuất tín hiệu cảnh báo lên màn hình HMI/SCADA nhằm chống hiện tượng chạy không tải gây cháy hỏng động cơ bơm Adelino.

5. Giao diện giám sát từ xa qua Webserver hoạt động dựa trên nền tảng phần mềm nào?
Giao diện giám sát được xây dựng trên công nghệ WinCC Unified của Siemens. Dự án SCADA sau khi hoàn thiện được kích hoạt tính năng Webserver nội tại, cho phép xuất bản giao diện vận hành dưới dạng các trang web chuẩn HTML5, giúp người vận hành có thể truy cập bằng trình duyệt trên máy tính hoặc thiết bị di động trong mạng để giám sát và thao tác điều khiển mà không cần cài đặt phần mềm TIA Portal.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng SCADA vào hệ thống ổn định áp suất nước" của nhóm tác giả Trần An Lộc và Dương Minh Phúc đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa trạm bơm cấp nước thực nghiệm từ khâu tính toán cơ khí, thiết kế mạch điện đến lập trình thuật toán điều khiển vòng kín. Việc tích hợp thành công PLC Siemens S7-1200, biến tần chuyên dụng Danfoss FC 202 và hệ thống giám sát SCADA WinCC Unified trên nền Webserver đã chứng minh tính hiệu quả rõ rệt trong việc duy trì áp suất đường ống ổn định và tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ. Đây là một công trình nghiên cứu ứng dụng có cấu trúc chặt chẽ, dữ liệu kỹ thuật thực tế phong phú và có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho công tác đào tạo cũng như triển khai kỹ thuật ngành Tự động hóa.