Chương 1: Giới thiệu đề tài • Chương 2: Cơ sở lí thuyết • Chương 3: Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình 2 • Chương 4: Xây dựng thuật toán, lập trình và kết nối cho hệ thống ổn định áp suất • Chương 5: Kết quả đạt được • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về hệ thống Hệ thống ổn định áp suất trong cung cấp nước là một phần không thể thiếu trong việc đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và liên tục của các hệ thống cấp nước hiện đại. Với mục tiêu giữ áp suất nước luôn ở mức ổn định, hệ thống này giúp đảm bảo nước được cung cấp đều đặn đến mọi khu vực, đáp ứng nhu cầu của người dân và các ngành công nghiệp một cách tối ưu.
Việc duy trì áp suất cân bằng là chìa khóa để đảm bảo hiệu quả hoạt động và độ bền của hệ thống cấp nước. Nó giúp ngăn ngừa các sự cố như vỡ ống do áp suất quá cao hoặc sự cố do áp suất giảm đột ngột, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí sửa chữa. Hơn nữa, áp suất ổn định đảm bảo rằng nước có thể được cung cấp đến tất cả các khu vực tiêu thụ, kể cả những nơi có độ cao lớn hoặc ở xa. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tòa nhà cao tầng, khu vực ngoại ô hoặc các khu công nghiệp cần lượng nước lớn và ổn định.
Ổn định áp suất cũng giúp giảm thiểu tình trạng thất thoát nước do rò rỉ, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng nước và bảo vệ tài nguyên nước. Ngoài ra, việc duy trì áp suất ổn định còn giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giảm hao phí điện năng của các máy bơm và thiết bị khác, từ đó tiết kiệm chi phí vận hành. Hệ thống ổn định áp suất dựa trên nguyên lý duy trì và điều chỉnh áp suất nước trong mạng lưới cấp nước. Thông thường hệ thống ổn định áp suất sẽ sử dụng bơm tăng áp (booster pumps) để duy trì và điều chỉnh áp suất nước trong mạng lưới cấp nước.
Bơm tăng áp hoạt động bằng cách cung cấp thêm năng lượng vào dòng chảy nước, tăng áp suất nước lên mức cần thiết để đảm bảo nó có thể di chuyển một cách hiệu quả qua các đường ống và đến mọi điểm tiêu thụ. Bơm tăng áp thường được cài đặt tại các điểm chiến lược trong hệ thống, đặc biệt là ở những khu vực có áp suất nước thấp hoặc yêu cầu tiêu thụ nước lớn. Các bơm này có thể được điều khiển tự động để bật tắt dựa trên áp suất hiện tại trong hệ thống, đảm bảo áp suất luôn nằm trong khoảng giá trị mong muốn mà không gây lãng phí năng lượng. Tổng quan về giải pháp Có nhiều giải pháp khác nhau để điều khiển bơm duy trì áp suất không đổi.
Tuy nhiên, giải pháp được áp dụng rộng rãi trong thực tế là giải pháp điều khiển động cơ trực tiếp và giải pháp sử dụng biến tần để điều khiển động cơ. Giải pháp điều khiển bơm không sử dụng biến tần Giải pháp này vận hành bơm thông qua contactor hoặc mạch khởi động sao tam giác cùng với công tắt áp suất. Giải pháp này có nguyên lí hoạt động như sau, công tắt áp suất liên tục giám sát áp suất nước trong đường ống. Nếu áp suất giảm xuống dưới một ngưỡng cài đặt nhất định (setpoint), công tắc sẽ phát tín hiệu để khởi động đông cơ.
Lúc này động cơ sẽ bắt đầu quay, điều này dẫn đến bơm bắt đầu hoạt động, bơm nước vào hệ thống và tăng áp suất nước. Bơm sẽ tiếp tục hoat động cho đến khi áp suất trong hệ thống đạt đến ngưỡng cài đặt. Khi áp suất đạt tới ngưỡng cài đặt này, công tắt áp suất sẽ phát tín hiệu để ngắt động cơ, ngừng hoạt động của bơm. Khi nhu cầu nước tăng lên hoạt có hiện tượng rò rỉ, áp suất trong hệ thống sẽ giảm.
Công tắt áp suất lại phát hiện sự giảm áp suất và khởi động động cơ, bắt đầu lại chu trình. Công tắc áp suất Bơm cấp nước Duy trì một áp Sử dụng contactor suất nhất định Cấp nước đến người sử dụng Hình 2. Sơ đồ giải pháp không sử dụng biến tần Giải pháp này ban đầu sẽ có lợi về chi phí thấp, tuy nhiên sẽ gây ra sự không ổn định của áp suất trong đường ống, dẫn đến bơm sẽ cần phải bật tắt liên tục để ổn định áp suất. Giải pháp điều khiển bơm sử dụng biến tần Giải pháp này sẽ sử dụng biến tần, cảm biến áp suất và bộ điều khiển lập trình PLC sử dụng PID.
Đây là một giải pháp tiên tiến và hiệu quả trong việc điều chỉnh và duy trì áp suất. Hoạt động của hệ thống này bắt đầu bằng việc cảm biến áp suất liên tục đo lường áp suất trong hệ thống và gửi tín hiệu tương ứng đến bộ điều khiển PLC. Bộ điều khiển 5 PLC, được lập trình với thuật toán PID, phân tích tín hiệu nhận được và đối chiếu với giá trị áp suất mong muốn. Nếu áp suất hiện tại khác với giá trị mục tiêu, PLC sẽ tính toán sự điều chỉnh cần thiết.
Kết quả của phép tính này là một tín hiệu điều khiển được gửi đến biến tần. Biến tần, sau khi nhận tín hiệu từ PLC, sẽ điều chỉnh tần số và điện áp cấp cho động cơ, từ đó kiểm soát tốc độ quay của động cơ và lực bơm tạo ra áp suất. Ví dụ, nếu áp suất thấp hơn giá trị đặt trước, biến tần sẽ tăng tốc độ động cơ để bơm nhanh hơn, tăng áp suất trong hệ thống. Ngược lại, nếu áp suất quá cao, biến tần sẽ giảm tốc độ động cơ để giảm áp suất.
Quá trình này diễn ra liên tục và nhanh chóng, nhờ vào phản hồi tức thì từ cảm biến áp suất và sự điều chỉnh chính xác từ bộ điều khiển PID trong PLC, đảm bảo áp suất luôn được duy trì ổn định ở mức mong muốn. Hệ thống này không chỉ giúp duy trì áp suất ổn định mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ, giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Cảm biến áp suất Bơm cấp nước Duy trì một áp Sử dụng biến tần suất nhất định Cấp nước đến người sử dụng Hình 2. Sơ đồ giải pháp sử dụng biến tần Phương pháp này sẽ duy trì áp suất bên trong đường ống tốt, sẽ không diễn ra hiện tượng bật tắt bơm liên tục, với khả năng của biến tần sẽ giúp dòng khởi động ổn định hơn, sẽ dàng bảo trì sửa chữa.
Nhưng giá thành đầu tư ban đầu sẽ cao. So sánh ưu nhược điểm của 2 giải pháp 2. Giải pháp điều khiển bơm không sử dụng biến tần ➢ Ưu điểm: Phương pháp này có chi phí đầu tư bản đầu thấp, phù hợp cho hầu hết các hộ gia đình. Cấu tạo và vận hành đơn giản, dễ dàng lắp đặt và bảo trì.
6 ➢ Nhược điểm: Động cơ hoạt động ở tốc độ cố định, không tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Việc khởi động và dừng động cơ đột ngột có thể tạo ra những dao động mạnh về áp suất của hệ thống, gây ra hiện tượng sốc áp và hao mòn thiết bị. Sẽ có nhiều rủi ro hơn trong quá trình điều khiển nếu không có biến tần trong hệ thống. Điều này là do biến tần bảo vệ động cơ, vì vậy chi phí thay động cơ sẽ cao hơn chi phí thay biến tần.
Giải pháp điều khiển bơm sử dụng biến tần ➢ Ưu điểm: Có thể nói rằng phương pháp hiện tại là tốt nhất vì nó sử dụng biến tần để điều khiển động cơ. Điều chỉnh động cơ một cách linh hoạt và phù hợp với yêu cầu giúp tiết kiệm năng lượng và duy trì áp lực nước ổn định trong hệ thống và ngăn chặn sốc áp trong đường ống. Ngoài ra, sử dụng biến tần còn giúp hạn chế sự mài mòn vật lí và tăng cường độ bền cho thiết bị bằng cách cung cấp hoạt động khởi động và dừng mượt mà. Hơn nữa, biến tần còn nổi tiếng với nhiều tính năng bảo vệ động cơ.
➢ Nhược điểm: Giá thành đầu tư cao, phức tạp trong quá trình sử dụng và bảo dưỡng. Kết luận: Tùy thuộc vào điều kiện ứng dụng và các yêu cầu kỹ thuật, có hai phương pháp điều khiển bơm trên điều có những ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, giải pháp tiên tiến và hiệu quả nhất hiện nay là giải pháp điều khiển bơm sử dụng biến tần kết hợp với thuật toán PID. Tổng quan về bộ điều khiển PID 2.
Giới thiệu về bộ điều khiển PID PID là một cơ chế điều khiển vòng lặp phản hồi phổ biến trong hệ thống kiểm soát tự động. Bộ điều khiển PID thường được áp dụng trong các hệ thống kiểm soát tự động (có tín hiệu phản hồi). Bộ điều khiển PID xác định sai lệch là sự khác biệt giữa các biến quá trình đo lường và giá trị đặt. Sau đó, nó giảm thiểu sai lệch này bằng cách tinh chỉnh các biến điều khiển.
Để đạt được hiệu quả tối đa, các thông số PID cần phải được tinh chỉnh phù hợp với từng đặc tính riêng của hệ thống. Mặc dù cách điều khiển không thay đổi, các thông số này phụ thuộc vào các đặc điểm cụ thể của hệ thống. Sơ đồ khối PID Thuật toán điều khiển PID sẽ gồm ba thông số: giá trị tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D) Trong đó: • P (Proportional): là phương pháp tinh chỉnh tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai số hiện tại, cung cấp một phản hồi trực tiếp với độ phù hợp lớn của sai số tại mỗi lần lấy mẫu. • I (Integral): là tích lũy sai số theo thời gian, nhằm giải thiểu tổng sai số bằng cách tạo ra tính hiệu điều khiển ổn định sửa chữa mọi sai lệnh liên tục so với giá trị thiết lập.
Nó không chỉ xem xét các sai số hiện tại mà còn xem xét các sai số trước đây. Thời gian lấy mẫu ngắn làm gia tăng tác động của điều khiển tích phân, giảm sai số và ổn định nhanh hơn. • D (Derivative): là phản ứng với độ biến đổi của sai số theo thời gian, ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển dựa trên sự biến đổi nhanh chóng của sai số theo thời gian. Nó giúp dự đoán xu hướng sai số tiếp theo và ổn định phản ứng của hệ thống đối với các thay đổi đột ngọt của đầu vào.
Thời gian lấy mẫu dài hơn làm tăng tính hiệu hiệu quả của điều khiển đạo hàm, cho phép bộ điều khiển đáp ứng nhanh chóng với các biến đổi đầu vào nhanh.