TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng cho các trạm bơm Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: Viện: Điện HÀ NỘI, 10 2020 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng cho các trạm bơm” Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Thu Hà LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học là TS. Nguyễn Thu Hà. Cô đã tạo điều kiện và gợi mở cho tôi nhiều ý tưởng, luôn tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian tôi nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn tới cô giáo Đinh Thị Lan Anh, anh Trần Thanh Hà, Giám đốc Công ty Cổ phần Giải pháp Công nghệ ELANI đã luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được làm việc, cung cấp nhiều thông tin, kiến thức quan trọng và được tham gia trực tiếp trong thực tế để tôi có thể hoàn thiện được đề tài của mình. Đồng thời tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Điều khiển tự động – Viện Điện, đã nhiệt tình có những góp ý xây dựng để tôi hoàn thành luận văn của mình. Tôi cũng xin được trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, Viện điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu để có thể hoàn thành luận văn này. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng cho các trạm bơm, đây là đề tài mang ý nhĩa thực tế triển khai ngoài công nghiệp và các công trình thủy lợi. Bên cạnh nhiệm vụ chính là tự động hóa trạm bơm thì bài toán giám sát và tiết kiệm năng lượng cũng là vấn đề cấp thiết được xem xét và giải quyết. Trên cơ sở đó, học viên chọn hệ thống trạm bơm để “nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng cho các trạm bơm” làm hướng nghiên cứu chính của đề tài này. Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2020 HỌC VIÊN Nguyễn Quang Tiến MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Mục đích của đề tài 1 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2 1.4 Ý nghĩa của đề tài 2 1.5 Nội dung của đề tài 3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG 4 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng 4 2.2 Mô hình phân cấp hệ thống 5 2.2.1 Mô hình phân cấp 5 2.2.2 Chức năng, nhiệm vụ từng cấp 6 2.3 Các thiết bị chính trong hệ thống 7 2.3.1 Các thiết bị điều khiển giám sát 7 2.3.2 Các thiết bị điều khiển tự động 9 2.3.3 Giao thức truyền thông 11 2.3.4. Các thiết bị phụ trợ 14 2.4 Các giải pháp điều khiển và giám sát năng lượng 14 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG CHO CÁC TRẠM BƠM 17 3.1 Các tiêu chuẩn thiết kế 17 3.2 Công nghệ và bài toán đặt ra cho các trạm bơm 17 3.2.1 Công nghệ trạm bơm hiện nay 17 3.2.2 Giới thiệu dự án 18 3.2.3 Yêu cầu bài toán đặt ra 19 3.2 Tính toán lựa chọn thiết bị 20 3.3.1 Hệ thống thiết bị điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu 21 3.3.2 Thiết bị hiện trường 25 3.3.4 Truyền dẫn và cấp nguồn 28 3.4 Triển khai hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm 28 3.4.1 Sơ đồ cấu trúc mạng và cấu trúc điều khiển 28 3.4.2 Sơ đồ đấu nối thiết bị hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm Ngòi Hiêng 30 3.4.3 Phần mềm lập trình, thuật toán và lưu đồ 34 3.5 Giao diện điều khiển và biểu đồ báo cáo 40 3.5.1 Giao diện màn hình điều khiển (HMI) 40 3.5.2 Biểu đồ năng lượng và biểu mẫu báo cáo 44 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 52 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích SCADA Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) HMI Human Machine Interface (Giao diện người – máy) PLC Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển Logic khả trình) GUI Graphical User Interface (Giao diện đồ họa người dùng) IO Input Output (Đầu vào đầu ra ra) CPU Central Processing Unit (Bộ xử lý trung tâm) RTU Remote Terminal Units (Thiết bị đầu cuối) RAM Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập tạm thời) WinCC Windows Control Center (Trung tâm điều khiển máy tính) DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.1 Bảng lựa chọn thiết bị chính hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm 27 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống SCADA 4 Hình 2.2. Sơ đồ phân cấp chức năng hệ thống điều khiển và giám sát 10 5 Hình 2.3 Máy chủ (Server) 7 Hình 2.4 Máy trạm (Workstation) 8 Hình 2.5 Giao diện HMI 8 Hình 2.6 Bộ điều khiển PLC 9 Hình 2.7 Cấu trúc PLC 10 Hình 2.8 Module IO 11 Hình 2.9 Các chuẩn truyền thông công nghiệp 9 11 Hình 2.10 Chuẩn truyền thông nối tiếp5 12 Hình 2.11 Chuẩn truyền thông Modbus 5 12 Hình 2.12 Chuẩn truyền thông Profibus 5 13 Hình 2.13 Chuẩn truyền thông Profinet 5 13 Hình 2.14 Hệ thống giám sát năng lượng của Schneider 8 14 Hình 2.15 Hệ thống giám sát năng lượng của Siemens 15 Hình 3.1 Dự án trạm bơm Ngòi Hiêng 18 Hình 3.2 Mặt bằng tổng thể trạm bơm Ngòi Hiêng 19 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển và thu thập dữ liệu trạm bơm Ngòi Hiêng 20 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạng cho trạm bơm Ngòi Hiêng 28 Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển cho trạm bơm Ngòi Hiêng 29 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối đầu vào số của bơm 30 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối đầu ra số của bơm 31 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Modbus của trạm bơm Ngòi Hiêng 32 Hình 3.9 Sơ đồ tín hiệu điều khiển bơm 33 Hình 3.10 Cấu trúc triển khai phần mềm 34 Hình 3.11 Lưu đồ lập trình tổng thể trạm bơm 35 Hình 3.12 Lưu đồ lập trình chế độ Auto 36 Hình 3.13 Cấu trúc chương trình chính trạm bơm Ngòi Hiêng 36 Hình 3.14 Chương trình chính của trạm bơm 37 Hình 3.15 Chương trình con đọc các thiết bị Modbus 38 Hình 3.16 Chương trình điều khiển động cơ bơm 38 Hình 3.17 Chương trình thiết lập mức nước của bể 39 Hình 3.18 Chương trình tổng hợp cảnh báo lỗi của hệ thống 40 Hình 3.19 Màn hình chính trạm bơm 41 Hình 3.20 Giao diện cài đặt thông số mức nước bể chứa 41 Hình 3.21 Giao diện cài đặt thông số cảnh báo nhiệt độ bảo vệ động cơ 42 Hình 3.22 Single line kết nối đồng hồ với bơm để lấy tín hiệu 42 Hình 3.23 Báo lỗi khi bật tắt bơm 43 Hình 3.24 Giao diện hiển thị các thông số tham chiếu của 1 bơm 43 Hình 3.25 Biểu đồ tổng hợp dữ liệu năng lượng theo ngày 45 Hình 3.26 Dữ liệu năng lượng tiêu thụ theo giờ 46 Hình 3.27 Dữ liệu năng lượng tiêu thụ theo ngày 47 Hình 3.29 Mẫu Exel báo cáo năng lượng tiêu thụ theo ngày 48 Hình 3.28 Mẫu Exel báo cáo năng lượng tiêu thụ theo giờ 48 Hình 3.30 Một số hình ảnh thi công thực tế lắp đặt tủ PLC, tủ điều khiển giám sát hệ thống tại trạm bơm Ngòi Hiêng 49 CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống điều khiển tự động và giám sát, thu thập dữ liệu (SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition) nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát 6 Hệ thống SCADA là hệ thống tự động hóa, với chức năng quản lý và giám sát toàn bộ hệ thống điện của tòa nhà, nhà máy hay khu công nghiệp giúp nâng cao hiệu quả công trình, hiện đại hoá, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, bảo vệ môi trường. SCADA thực hiện việc giám sát hệ thống điện qua thiết bị theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: U, I, kW, kWh, kVA,... Đây là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của tòa nhà, nhà máy hay trong sản xuất công nghiệp. Quản lý tốt các tham số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của tòa nhà, nhà máy; nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối mạng, thể hiện thông số trên màn hình máy tính và lưu trữ dữ liệu. Hệ thống SCADA giúp quản lý các khoản đầu tư cho toàn bộ hệ thống điện một cách hiệu quả nhất. Các ứng dụng của hệ thống tự động và giám sát, thu thập dữ liệu là rất nhiều. Tùy thuộc vào quy mô công trình cũng như yêu cầu của chủ đầu tư, mà sẽ có các ứng dụng, mục đích riêng cho mỗi công trình khác nhau. Qua một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống SCADA với sự hướng dẫn của cô Nguyễn Thu Hà, em quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển tự động và giám sát năng lượng cho các trạm bơm” là đề tài luận văn tốt nghiệp năm học 2019 2020. 1.2 Mục đích của đề tài Các mục tiêu của đề tài bao gồm: 1. Tìm hiểu tổng quan về hệ thống điều khiển tự động, giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) 2. Thiết kế, ứng dụng hệ thống SCADA cho việc điều khiển tự động các trạm bơm 3. Thu thập, giám sát và lập biều đồ báo cáo dữ liệu năng lượng tiêu thụ 4. Ứng dụng vào trạm bơm cụ thể ở Việt Nam 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Trạm bơm tiêu được xây dựng để bơm nước từ kênh tiêu hở, từ các hố móng của vùng ngập nước... Ở nước ta do các sông chia cắt ruộng đất thành từng vùng có đê ngăn lũ bảo vệ, do vậy về mùa mưa, lũ mực nước sông lên cao hơn mặt ruộng trong đồng, nước thừa trong đồng không tiêu tự chảy ra sông. Sở NNPTNT cho biết, theo đánh giá hiện trạng hệ thống công trình thủy lợi hiện có nhiều công trình không còn đáp ứng được cho việc tiêu úng đã gây ra thiệt hại lớn cho ngành nông nghiệp của
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG
Tổng quan hệ thống điều khiển tự động, giám sát năng lượng
Hệ thống điều khiển tự động, giám sát, thu thập năng lượng, còn được gọi là SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) [10], có cấu trúc chung:
Sơ đồ hệ thống SCADA (hình 2.1) bao gồm các thành phần như:
- Hệ thống thiết bị trung tâm: các máy tính giám sát, Server trung tâm, phần mềm, trạm vận hành
- Hệ thống dây tín hiệu truyền thông
- Hệ thống thiết bị điều khiển: các bộ điều khiển chuyên dụng (PID), các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller), các module I/O
- Hệ thống thiết bị trường: thiết bị chấp hành, cảm biến, thiết bị đo đạc, chuyển đổi tín hiệu
Trong hệ thống điều khiển giám sát, cảm biến và cơ cấu chấp hành là cầu nối giữa thiết bị điều khiển và quá trình kỹ thuật, trong khi hệ thống giám sát kết nối người với máy Các thiết bị và bộ phận trong hệ thống được kết nối theo kiểu điểm - điểm hoặc qua mạng truyền thông Tín hiệu từ cảm biến có thể là nhị phân, số hoặc tương tự, và khi được xử lý trong máy tính, chúng cần được chuyển đổi để phù hợp với chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.
Mô hình phân cấp hệ thống
Hình 2.2 Sơ đồ phân cấp chức năng hệ thống điều khiển và giám sát [10]
Toàn bộ hệ thống điều khiển giám sát được phân chia thành các cấp chức năng như hình vẽ minh hoạ dưới đây:
Phân cấp chức năng giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị Mô hình phân cấp chức năng có thể thay đổi dựa trên mức độ tự động hóa và cấu trúc cụ thể của hệ thống.
Cấp chấp hành đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu khi cần thiết Hầu hết các thiết bị cảm biến và chấp hành đều được trang bị hệ thống điều khiển riêng, giúp thực hiện đo lường và truyền động một cách chính xác và nhạy bén Ngoài ra, các thiết bị thông minh với bộ vi xử lý có khả năng xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi truyền lên cấp điều khiển cao hơn.
Cấp điều khiển có nhiệm vụ chính là nhận và xử lý thông tin từ các bộ cảm biến theo thuật toán nhất định, sau đó truyền đạt kết quả xuống các bộ chấp hành Máy tính thực hiện việc theo dõi các công cụ đo lường và tự động thực hiện các thao tác như mở/đóng van, điều chỉnh cần gạt và núm xoay Đặc điểm nổi bật của cấp điều khiển là khả năng xử lý thông tin hiệu quả.
Cấp điều khiển giám sát đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và vận hành các quá trình kỹ thuật Nó hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, theo dõi và giám sát hoạt động, cũng như xử lý các tình huống bất thường Bên cạnh đó, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức.
Trong hệ thống điều khiển và giám sát, ba cấp dưới thường được chú trọng, nhưng việc thể hiện hai cấp trên (Quản lý và Điều hành) giúp làm rõ mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể của các nhà máy Gần đây, với nhu cầu tự động hóa toàn diện ở cả cấp điều hành và quản lý, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết trong mô hình chức năng đã trở nên cấp thiết.
2.2.2 Chức năng, nhiệm vụ từng cấp
Hệ thống nhà máy được tổ chức thành nhiều cấp quản lý, mỗi cấp có nhiệm vụ riêng trong việc đo lường, thu thập và điều khiển các đối tượng như máy móc và thiết bị Những đối tượng này không chỉ phụ thuộc vào sự giám sát của cấp trên mà còn phải tuân theo quy trình vận hành và bảo dưỡng của các cấp thấp hơn Để hỗ trợ cho việc quản lý, mỗi cấp thường sử dụng hệ thống SCADA tự động hóa, thực hiện các phân tích và tính toán để đưa ra lệnh điều chỉnh các chỉ tiêu hoạt động Hệ thống SCADA của mỗi cấp được trang bị phần cứng và phần mềm chuyên dụng, giúp thu thập dữ liệu và giải quyết các bài toán điều khiển, từ đó cung cấp thông tin cho người vận hành và hệ thống SCADA liên quan.
Chức năng của mỗi cấp SCADA cung cấp những dịch vụ sau:
Thu thập từ xa thông qua đường truyền số liệu các thông tin về tình trạng hoạt động và tổ chức lưu giữ trong nhiều loại cơ sở dữ liệu, bao gồm số liệu lịch sử về đóng cắt, sự kiện thao tác và báo động.
- Dùng các dữ liệu trên để cung cấp các dịch vụ về điều khiển, giám sát sự hoạt động
- Hiển thị báo cáo tổng kết về quá trình hoạt động (trang màn hình, trang đồ thị, trang sự kiện, trang báo động, trang báo cáo dữ liệu…)
- Điều khiển từ xa quá trình hoạt động (đóng cắt các máy móc thiết bị, tăng giảm nấc phân áp …)
Chúng tôi cung cấp dịch vụ truyền số liệu trong hệ thống và ra bên ngoài, bao gồm việc đọc và viết số liệu từ PLC/RTU (Remote Terminal Unit) Đồng thời, chúng tôi cũng thực hiện việc gửi và trả lời các bản tin yêu cầu từ cấp trên liên quan đến số liệu và thao tác hệ thống.
SCADA là hệ thống kết hợp phần cứng và phần mềm, nhằm tự động hóa quản lý và giám sát điều khiển cho các thiết bị trong nhà máy Hệ thống này có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ tự động hóa, bao gồm thu thập dữ liệu giám sát từ xa, điều khiển đóng cắt thiết bị từ xa, và điều chỉnh tự động các đối tượng theo yêu cầu quản lý.
Các thiết bị chính trong hệ thống
2.3.1 Các thiết bị điều khiển giám sát
Khái niệm máy chủ (Server)
Máy chủ là một máy tính có kết nối mạng hoặc internet, sở hữu IP tĩnh và khả năng xử lý mạnh mẽ Nó được cài đặt các phần mềm nhằm cung cấp dịch vụ và tài nguyên cho các máy tính khác truy cập.
Máy chủ là một loại máy tính đặc biệt, được thiết kế với nhiều tính năng ưu việt hơn và có khả năng lưu trữ cũng như xử lý dữ liệu vượt trội so với máy tính thông thường.
Căn cứ theo phương pháp tạo ra máy chủ, người ta phân thành ba loại:
Máy chủ vật lý riêng (Dedicated Server) là một loại máy chủ hoạt động trên phần cứng và thiết bị hỗ trợ độc lập, bao gồm các thành phần như HDD, CPU, RAM và card mạng Việc nâng cấp các thành phần này giúp cải thiện hiệu suất và khả năng xử lý của máy chủ.
HMI hoặc thay đổi cấu hình của máy chủ riêng đòi hỏi phải thay đổi phần cứng của máy chủ.
Máy chủ ảo (VPS) là loại máy chủ được hình thành thông qua công nghệ ảo hóa, cho phép tách một máy chủ vật lý thành nhiều máy chủ ảo độc lập.
Máy chủ đám mây (Cloud Server) là sự kết hợp giữa nhiều máy chủ vật lý và hệ thống lưu trữ SAN, mang lại tốc độ truy xuất cao, giúp máy chủ hoạt động nhanh chóng và ổn định, đồng thời giảm thiểu tình trạng downtime.
Máy trạm (workstation) là loại máy tính chuyên dụng cho cá nhân và doanh nghiệp, được thiết kế để xử lý các ứng dụng kỹ thuật và khoa học Với cấu hình mạnh mẽ và hiệu suất vượt trội so với máy tính thông thường, máy trạm có khả năng đáp ứng nhu cầu của nhiều người dùng cùng lúc thông qua kết nối mạng.
Máy trạm được thiết kế với các linh kiện cao cấp, bao gồm CPU mạnh mẽ, card đồ họa tiên tiến, bộ nhớ lớn và khả năng xử lý đa nhiệm vượt trội Thiết bị này được tối ưu hóa để xử lý các dữ liệu phức tạp như bản vẽ kỹ thuật, công thức toán học và mô phỏng, mang lại hiệu suất làm việc tối ưu cho người dùng.
HMI là từ viết tắt của Human-Machine-
Giao diện, hay còn gọi là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc, là một phần quan trọng trong hệ thống HMI HMI cho phép con người tương tác với máy móc thông qua màn hình giao diện, mang lại nhiều lợi ích Các ưu điểm của HMI bao gồm cải thiện khả năng điều khiển, tăng cường hiệu suất làm việc và dễ dàng theo dõi quá trình vận hành.
- Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.
- Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết
- Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.
- Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức.
- Khả năng lưu trữ cao.
Ngoài ra, phần điều khiển giám sát còn có các phần mềm, trạm vận hành, điều khiển….
2.3.2 Các thiết bị điều khiển tự động
Bộ điều khiển lập trình PLC
Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable
Bộ điều khiển lập trình (PLC) là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện nhiều trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các ngõ vào hoặc qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì hoặc sự kiện đếm PLC thường được sử dụng để thay thế các mạch relay trong thực tế Thiết bị này hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu ra và đầu vào, với sự thay đổi ở đầu vào dẫn đến sự thay đổi tương ứng ở đầu ra.
Tất cả các PLC hiện nay đều gồm có thành phần chính như sau:
- Bộ nhớ chương trình RAM, ROM
- Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật toán
- Các module vào/ra tín hiệu
Nguyên lý hoạt động của PLC
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC bằng cách đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ Sau đó, nó thực hiện từng lệnh theo thứ tự, đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái đầu ra này được gửi đến các thiết bị liên kết để thực thi, và toàn bộ quá trình thực thi phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau
- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu
- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong PLC, dữ liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các module vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus có 8 đường, cho phép truyền 8 bit của 1 byte đồng thời, tức là theo phương thức song song.
Khi một module đầu vào nhận địa chỉ trên Bus Địa Chỉ, nó sẽ chuyển toàn bộ trạng thái đầu vào vào Bus Dữ Liệu Nếu địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Bus Địa Chỉ, module đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Bus Dữ Liệu Bus Điều Khiển sẽ truyền các tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một khoảng thời gian giới hạn.
Hệ thống Bus có vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và thiết bị I/O Ngoài ra, CPU được cung cấp một xung Clock với tần số 1,8 MHz, điều này không chỉ quyết định tốc độ hoạt động của PLC mà còn ảnh hưởng đến các yếu tố về định thời và đồng hồ của hệ thống.
Các module vào ra Input, Output (I/O)
Các đường tín hiệu từ bộ cảm biến được nối vào các module (các đầu vào của PLC gọi là các module
Input), các cơ cấu chấp hành được nối với các module ra (các đầu ra của PLC gọi là các module
Mỗi đơn vị I/O có một địa chỉ duy nhất, và trạng thái của các kênh I/O được hiển thị qua các đèn LED trên các module, giúp việc kiểm tra hoạt động nhập xuất trở nên dễ dàng và đơn giản hơn.
Hình 2.9 Các chuẩn truyền thông công nghiệp [9]
Trong ngành công nghiệp, có nhiều chuẩn truyền thông được thiết kế để kết nối thiết bị trường công nghiệp với các module I/O Những chuẩn này được xác định dựa trên các giao thức cụ thể, là tập hợp quy tắc cho việc giao tiếp giữa các thiết bị Từ các giao thức này, các chuẩn truyền thông được phân loại thành nhiều loại khác nhau.
Các giải pháp điều khiển và giám sát năng lượng
Hình 2.14 Hệ thống giám sát năng lượng của Schneider [8]
Hiện nay, nhu cầu về hệ thống điều khiển tự động và giám sát tiêu thụ năng lượng đang gia tăng mạnh mẽ Để đáp ứng nhu cầu này, các hãng sản xuất thiết bị điều khiển như Siemens, Schneider và Beckhoff đang phát triển nhiều giải pháp hiệu quả.
Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng của Schneider sử dụng các phần mềm bản quyền như EcoStruxure và StruxureWare Power Monitoring Expert Edition, cung cấp các tính năng đa dạng cho từng đối tượng, cấu hình thiết bị và quản lý cơ sở dữ liệu hiệu quả.
Hình 2.15 Hệ thống giám sát năng lượng của Siemens
Hệ thống giám sát và quản lý năng lượng của Siemens sử dụng phần mềm Power Monitoring Software để đảm bảo tính đồng bộ cho các thiết bị giám sát năng lượng Hệ thống này bao gồm các sản phẩm Siemens PACs, thiết bị đóng cắt dòng 3VA/3WL/3VL và các thiết bị khác, tất cả đều dựa trên chuẩn truyền thông Modbus.
Việc sử dụng phần mềm của các hãng cung cấp đầy đủ chỉ tiêu và thông số giám sát, quản lý và tiết kiệm năng lượng thường đi kèm với chi phí đầu tư cao cho bản quyền Hiện nay, mức độ phức tạp và xu hướng giám sát năng lượng tại các trạm bơm chưa phổ biến, khiến cho việc áp dụng phần mềm bản quyền chưa hợp lý về mặt chi phí Do đó, lựa chọn sử dụng phần mềm tự lập trình trên nền tảng TIA Portal để giám sát năng lượng là phù hợp với điều kiện của các trạm bơm tại Việt Nam Đây cũng là phương án mà học viện đã quyết định áp dụng cho các công trình thực tế và cho luận văn này Những đặc điểm chính của hệ thống tự tích hợp cho phần mềm giám sát năng lượng sẽ được liệt kê trong bài viết.
- Tận dụng PLC, phần cứng cấp trường và hệ SCADA hiện có
- Phương thức triển khai ít phức tạp, truy cập cơ sở dữ liệu tự tạo trực tiếp
- Giá thành triển khai hợp lý, hiệu quả
Áp dụng cho các nhà máy với nhu cầu quản lý năng lượng không quá phức tạp, giải pháp này giúp thay thế các thao tác thủ công của con người, từ đó tiết kiệm chi phí triển khai hiệu quả.
THIẾT KẾ, TRIỂN KHAI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG CHO CÁC TRẠM BƠM
Các tiêu chuẩn thiết kế
- TCVN 11996-4:2017 (IEC 61850-4:2011): Mạng và hệ thống truyền thông trong tự động hóa
- IEC 61850: tiêu chuẩn truyền thông quốc tế mới cho các ứng dụng tự động hoá trạm.
- TCVN 6615-1:2009 (IEC 61058-1:2008) về thiết bị đóng cắt dùng cho thiết bị
- TCVN 5699-1:2010 (IEC 60335-1:2010) về thiết bị điện gia dụng và thiết bị điện tương tự
- Chống quá áp, quá dòng để bảo vệ đường dây và thiết bị thông tin – yêu cầu kỹ thuật: TCN 68-140:1995
- Phòng chống ảnh hưởng của đường dây điện lực đến các hệ thống thông tin – yêu cầu kỹ thuật: TCN 68-161:1995
Công nghệ và bài toán đặt ra cho các trạm bơm
3.2.1 Công nghệ trạm bơm hiện nay
Từ lâu, nhiều công nghệ đã được phát triển để điều khiển trạm bơm, trong đó SCADA (Kiểm soát giám sát và thu thập dữ liệu) là một giải pháp phổ biến trong ngành tự động hóa Hệ thống SCADA kết hợp với PLC mang lại nhiều ưu điểm, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong việc quản lý và giám sát các quy trình.
- Hệ thống được tối ưu hóa, đơn giản cho người vận hành, tuy nhiên vẫn đảm bảo được công việc giám sát hệ thống
- Cấu trúc truyền thông công nghiệp được sử dụng rộng rãi với tốc độ truyền cao, đơn giản, hiệu quả
- Dễ dàng phát hiện lỗi khi có sự số, giúp cho việc kiểm tra, bảo trì, nâng cấp một cách thuận tiện
- Có khả năng nâng cấp hệ thống sau này
Để giới hạn phạm vi đề tài và phù hợp với định hướng phát triển của công ty, tôi đã chọn dự án Trạm bơm Ngòi Hiêng làm ví dụ điển hình Đây là dự án đầu tiên mà chủ đầu tư yêu cầu điều khiển bơm và thu thập, giám sát năng lượng điện tiêu thụ, nhằm cung cấp biểu đồ và dữ liệu báo cáo chi tiết.
Ngòi Hiêng, tọa lạc tại xã Phụ Khánh và Lệnh Khanh, là một trong hai ngòi lớn của huyện Hạ Hòa, Phú Thọ Ngòi này có vai trò quan trọng trong việc tiêu nước cho các xã như Đan Hà, Đan Thượng, Lệnh Khanh và Phụ Khánh.
Do lòng ngòi có độ dốc nhỏ và bị bùn đất bồi lấp hàng năm, mặt cắt của nó ngày càng thu hẹp Thiếu trạm bơm tiêu khiến việc thoát nước chậm, đặc biệt trong mùa mưa lớn, dẫn đến tình trạng ngập úng trên diện tích trồng lúa, gây thiệt hại nặng nề, thậm chí một số diện tích bị mất trắng.
Dự án cải tạo, nâng cấp trạm bơm Ngòi Hiêng với tổng mức đầu tư 238 tỷ đồng, do Sở NN và PTNT tỉnh làm chủ đầu tư, đã được phê duyệt nhằm giải quyết vấn đề tiêu thoát nước Dự án bao gồm xây dựng trạm bơm tiêu kiểu buồng ướt và lắp đặt 5 tổ máy bơm trục đứng, mỗi tổ máy có công suất 15.300m³/h, cùng với 1 tổ máy bơm tưới kiểu chìm, công suất 600m³/h, hỗ trợ tưới cho các xã như Mai Tùng, Vụ Cầu Khi hoàn thành, dự án sẽ góp phần phòng chống thiên tai, lũ lụt, đảm bảo ổn định sản xuất nông nghiệp, tăng năng suất cây trồng và vật nuôi, đồng thời thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội tại địa phương.
3.2.3 Yêu cầu bài toán đặt ra
Trạm bơm Ngòi Hiêng được thiết kế để tiêu thoát nước cho 3.044ha đất nông nghiệp trong mùa mưa, sử dụng 5 máy bơm công suất lớn 15.300m³/h (mỗi máy có công suất 450kW) Để đáp ứng yêu cầu quản lý, bài toán điều khiển trạm bơm đã được xây dựng với sơ đồ cấu trúc điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu.
Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển và thu thập dữ liệu trạm bơm Ngòi Hiêng
Các bơm sẽ được kết nối với tủ điện điều khiển, cùng với các cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo điện và cảm biến mức nước, tất cả sẽ được liên kết về bàn điều khiển trung tâm.
Hệ thống bơm được thiết kế với khả năng điều khiển bằng tay thông qua bàn điều khiển và màn hình giám sát, đồng thời hỗ trợ điều khiển tự động Hệ thống này cũng thu thập dữ liệu năng lượng, cho phép giám sát hiệu quả qua màn hình máy tính tại phòng kỹ thuật.
- Dữ liệu được đưa về lưu trữ tại Server, có thể xuất ra, in báo cáo về quá trình hoạt động, sử dụng năng lượng của các bơm
3.3 Tính toán lựa chọn thiết bị
Hệ thống sử dụng thiết bị PLC Siemens để đồng bộ hóa với các hệ thống điều khiển trạm bơm hiện có, thông qua các module I/O và module truyền thông, đáp ứng hiệu quả yêu cầu kết nối dữ liệu.
Tính toán lựa chọn thiết bị
- Hệ thống màn hình giám sát, điều khiển, thu thập dữ liệu đặt tại phòng điều khiển trung tâm
- Ưu điểm của hệ thống
Hệ thống hoạt động độc lập
Vận hành dễ dàng, đồng bộ, giao diện trực quan, dễ sử dụng
Dễ dàng cài đặt, sửa chữa khi có sự cố
3.3.1 Hệ thống thiết bị điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu
Các thiết bị điều khiển và giám sát cần đáp ứng yêu cầu về lưu trữ và xử lý dữ liệu nhanh chóng, chính xác, với màn hình hiển thị đầy đủ và chi tiết Bộ điều khiển PLC cho phép gắn nhiều module trên bảng nối đa năng của hệ thống, và số lượng I/O có thể mở rộng thông qua việc thêm các thẻ bổ sung Các module I/O phải đảm bảo đúng dạng tín hiệu và số kênh vào ra cần thiết.
Hệ thống máy chủ HP DL380 Gen10 hiệu quả trong việc thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu, sau đó gửi dữ liệu đến các máy trạm Với thiết kế gọn gàng và dễ lắp đặt, hệ thống này là lựa chọn lý tưởng cho các doanh nghiệp cần tối ưu hóa quy trình quản lý dữ liệu.
- HPE ProLiant DL380 Gen10 826.556-B21 bố trí một cặp CPU Intel Xeon Gold 2.3GHz 5118 lõi 12 nhân với 64GB bộ nhớ DDR4, cho phép cấu hình tới 24 ổ đĩa SFF
- Có 2 cổng USB 3.0, một ổ đĩa quang DisplayPort plus và chỗ cho hai SFF ổ đĩa bên dưới, nâng cấp tối đa lên đến 30 ổ cứng
- Hỗ trợ 3TB DDR4 bộ nhớ thông minh và có thể xử lý tới 192GB bộ nhớ NVDIMM liên tục của HPE
- HPE ProLiant DL380 Gen10 bao gồm cả card Riser PCI-Express 3 khe với không gian cho riser bậc ba 2 khe trên PSU
Máy trạm có nhiệm vụ nhận thông tin từ máy chủ và hiển thị các chức năng điều khiển, giám sát và xuất dữ liệu Để đáp ứng tốt các yêu cầu này, bạn nên chọn máy tính và màn hình của HP với cấu hình hợp lý.
Máy tính S01-PF0102D với cấu hình đảm bảo yêu cầu:
- Cấu hình với bộ vi xử lý Intel Core i5-9400 bộ nhớ đệm cache 9M; 4.10 GHz Bộ nhớ RAM 4GB
- Card đồ họa Intel® UHD Graphics 630 giúp trải nghiệm ổn định, thao tác mượt mà
- Cổng kết nối cần thiết như cổng USB 2.0, USB 3.1 Gen 1, HDMI, VGA
- Hỗ trợ ổ đĩa quang DVD có thể đọc được hầu hết các định dạng đĩa như
- Trang bị cổng kết nối mạng LAN, mạng Wi-Fi và với các phụ kiện Bluetooth
Màn hình 1FH45AA HP có cấu hình:
- Độ phân giải Full HD
Màn hình được trang bị đầy đủ các chế độ điều chỉnh nghiêng, cao, xoay và có khả năng điều chỉnh độ cao lên đến 150mm Bên cạnh đó, tính năng xoay trục cho phép người dùng tùy chỉnh chế độ xem dọc hoặc ngang, đặc biệt hữu ích khi sử dụng nhiều màn hình.
- Sử dụng đầy đủ các cổng kết nối VGA, HDMI, DisplayPort Kết nối các phụ kiện USB tiện lợi với hai cổng USB 3.0
Hệ thống điều khiển trạm bơm sử dụng PLC Siemens S7-1200, với cấu hình phù hợp để đáp ứng yêu cầu bài toán Thiết kế hệ thống không quá phức tạp và chi phí hợp lý, đảm bảo hiệu quả trong việc điều khiển các thiết bị của trạm bơm.
Hệ thống điều khiển sử dụng 5 bơm, với mỗi bơm cung cấp 4 tín hiệu đầu vào số gồm Start, Stop, mức và lỗi, yêu cầu tối thiểu 20 tín hiệu đầu vào DI Để điều khiển các bơm, mỗi bơm cần 2 tín hiệu đầu ra Start và Stop, do đó cần tối thiểu 10 tín hiệu đầu ra DO, cùng với các tín hiệu dự phòng mở rộng.
- Bộ switch mạng để kết nối PLC với Server/ PC/ máy tính lập trình
- Bộ chuyển đổi truyền thông để kết nối hệ thống PLC với lên mạngInternet bên ngoài
Bộ lập trình CPU 1215C (14 DI 24V DC; 10 DO Relay ; 2 AI, 2AO),
PS 24V DC (2 PROFINET PORT) Siemens
Với các tính năng nổi bật:
- Thiết bị được tích hợp Profinet
- Có thể truyền thông Profibus thông qua module mở rộng PROFIBUS DP master và PROFIBUS DP slave
- Điều khiển bằng thiết bị di động thông qua module GPRS
Các module đầu vào, đầu ra đáp ứng đủ được số lượng yêu cầu về điểm kết nối, đồng bộ với hệ thống PLC S7-1200 Siemens
Module Digital input, 16 DI, 24V DC
Tính năng nổi bật module PLC 6ES7221-1BH32-0XB0 Siemens
- 1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB)
- Có thể có lớn nhất 3 module truyền thông (CM)
- Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn
- Thiết kế kiểu dáng kích thước nhỏ gọn thuận tiện cho việc lắp đặt
- Dải nhiệt độ hoạt động rộng, duy trì hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt
- Độ bền cao, sử dụng lâu bền với thời gian
- Hoạt động ổn định chính xác và hiệu quả
Module Digital Output, 16DO, 24VDC Đặc điểm nổi bật bộ lập trình 6ES7222-1HH32-0XB0 Siemens
- Sản phẩm dùng để kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở
- Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo
- Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet
- TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol
- Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn
- Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC
Module Analog Input, SM 1231, 8 AI, 24VDC Ưu điểm nổi bật của module 6ES7231-4HF32-0XB0 Siemens
- Thiết kế vô cùng nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ dễ dàng di chuyển
- Tháo/lắp và cài đặt module đơn giản, dễ sử dụng
- Sản phẩm được làm từ những vật liệu bền vững, chịu nhiệt tốt, an toàn cho người dùng
- Làm việc tốt trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ thấp nhất có thể -40 độ C, nhiệt độ cao nhất 70 độ C
- Hoạt động ổn định và hiệu quả mang đến hiệu suất cao
- Độ bền cơ học tốt, sử dụng lâu dài ít hư hỏng, giá thành phù hợp với người dùng
Module giao tiếp CM 1241, RS422/485, 24VDC
Tính năng nổi bật về bộ lập trình PLC 6ES7241-1CH32-0XB0 Siemens
- Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC
- Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở
- Bộ điều khiển mở rộng từ S7 -1200 với phương án mở rộng linh hoạt:
1 bo mạch tín hiệu (SB) và 1 bo mạch truyền thông (CB)
Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn
Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo.
Hỗ trợ 16 kết nối Ethernet,TCP/IP, ISO on TCP, và S7 Protocol.
Switch mạng CSM 1277, 4 port, 24VDC
Tính năng bộ switch mạng 6GK7277-1AA10-0AA0 Siemens
- Kết nối SIMATIC S7-1200 và tối đa 3 nút khác với Ethernet công nghiệp với 10/100 Mbit/s
- Là loại Switch không được quản lý, 4 cổng RJ45
Bộ xử lý truyền thông 6GK7243-1BX30-0XE0
Bộ xử lý truyền thông CP 1243-1 cho phép kết nối SIMATIC S7-1200 qua giao diện Ethernet bổ sung, đồng thời hỗ trợ kết nối với các trung tâm điều khiển thông qua các giao thức như DNP3, IEC 60870 và TeleControl Basic Thiết bị này cũng cung cấp tính năng bảo mật với tường lửa và VPN, đảm bảo an toàn cho dữ liệu truyền tải.
Gói phần mềm SIMATIC WinCC RT Professional, Powerpack 512 PowerTags là giấy phép bản quyền của Siemens, cho phép sử dụng phần mềm thời gian chạy trong TIA Portal Phần mềm này nâng cao số lượng biến bên ngoài từ 512 lên 2048, tương thích với phiên bản V15/Asia V15 mà không cần thay đổi phiên bản Giấy phép này chỉ cần một khóa cấp phép trên thẻ USB và không yêu cầu tài liệu, thuộc loại Class A.
Các thiết bị hiện trường bao gồm cảm biến mức, đồng hồ đo đa chức năng và đồng hồ đo nhiệt độ cho các bơm (vòng bi trước, bi sau, Rotor, Stator) Những thiết bị này phục vụ nhiều chức năng khác nhau, nhưng đều yêu cầu hoạt động đáng tin cậy và hiệu quả Chúng cần đảm bảo độ chính xác của dữ liệu đo lường và thời gian, cũng như độ chính xác của tín hiệu kết nối với bộ điều khiển.
Yêu cầu đồng hồ đo: Đồng hồ đo đa năng phải có các chức năng:
- Chức năng đo: V, A, Hz, PF, kW, kVA, kVAr, kWh, kVAh, KVArh, nhu cầu điện tối đa/ tối thiểu
- Màn hình hiển thị LCD
- Có thể cài đặt tỷ số phần sơ/thứ cấp của biến dòng (CT) và phần sơ/thứ cấp của biến áp (PT)
- Đồng hồ đo đa năng có chức năng cài đặt password
- Tùy chọn truyền thông MODBUS RTU (RS485)
Đồng hồ đo đa năng Selec MFM384C của hãng Selec/Ấn Độ là lựa chọn lý tưởng với thiết kế phù hợp để gắn lên panel.
Yêu cầu cảm biến đo mực nước
Cảm biến siêu âm hình trụ, với ngõ ra analog 4-20mA, 0-10VDC.
Tần số sóng siêu âm hoạt động 65-380Kz Đề xuất chọn cảm biến siêu âm E4PA-LS600-M1-N Omron
- Khoảng cách phát hiện: 400 đến 6,000 mm
- Nguồn cấp: 10-30VDC, 1800mW Max
- Ngõ ra: 4-20mA (tải 500Ω Max.); 0-10VDC (tải 1000Ω Min.)
- Độ chính xác: 0.1% FS Max
- Nhiệt độ làm việc: -10 ~ 55oC
- Cấp bảo vệ: IEC60529: IP65
Dưới đây là bảng tính toán lựa chọn các thiết bị chính phần điều khiển và giám sát trạm bơm Ngòi Hiêng, cụ thể như sau:
STT Thiết bị Mã thiết bị Hãng sản xuất Đơn vị Số lượng
1 Tủ điện hệ thống Việt
2 Máy chủ hệ thống HP HPE ProLiant
3 Máy tính vận hành HP +
4 Phần mềm cho máy tính trạm 6AV2105-
8 Analog input 8 AI; 13-bit 6ES7231-
12 Bộ xử lý truyền thông 6GK7243-
13 Máy in A4 đen trắng M402DN HP cái 1
14 Bộ lưu điện 2kVA online C2KR Santak cái 1
15 Modem internet TP-LINK TL-
16 Đồng hồ đo đếm điện năng MFM384C Selec Cái 5
17 Cảm biến siêu âm mực nước
Bảng 3.1 Bảng lựa chọn thiết bị chính hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm
3.3.4 Truyền dẫn và cấp nguồn
Hệ thống sử dụng dây dẫn cáp điều khiển với lưới chống nhiễu để truyền tín hiệu từ cảm biến đến bàn điều khiển trung tâm Tín hiệu cũng được truyền từ tủ PLC đến tủ điện có nguồn gốc từ Hàn Quốc.
Dùng cáp Profibus Siemens để kết nối từ bàn điều khiển về tủ điện, và kết nối từ tủ điện về tủ PLC
Cáp Industrial Ethernet FC TP Standard cable, GP 2x2 (PROFINET Type A) của Siemens để kết nối từ tủ PLC đến hệ thống giám sát, điều khiển.
Triển khai hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm
3.4.1 Sơ đồ cấu trúc mạng và cấu trúc điều khiển
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạng cho trạm bơm Ngòi Hiêng
Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạng cho trạm bơm Ngòi Hiêng
Sơ đồ cấu trúc hệ thống mạng cho trạm bơm bao gồm một hệ thống Server lưu trữ và cung cấp dữ liệu cho máy tính thông qua giao thức Ethernet Máy tính kết nối với CPU qua nền tảng Profinet, dựa trên chuẩn truyền thông của Ethernet và giao thức Profibus.
CPU kết nối với các đồng hồ qua giao thức Modbus RTU dựa trên chuẩn vật lý RS485, cho phép đọc giá trị từ các loại đồng hồ đo điện đa năng, đồng hồ đo mức và đồng hồ đo nhiệt độ (bao gồm vòng bi trước, bi sau, Rotor và Stator), sau đó phản hồi thông tin về cho CPU.
Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển cho trạm bơm Ngòi Hiêng
Sơ đồ điều khiển cho trạm bơm
Nước ngập vào đầu bể hút của các bơm 1-5, gây ra phản hồi từ các cảm biến mức đo mực nước về CPU CPU thu thập dữ liệu từ các đồng hồ mức và điều khiển hoạt động của máy bơm dựa trên thông tin này.
- Sử dụng máy cắt khởi động bằng cuộn kháng để khởi động máy bơm
- Các đồng hồ đa chức năng đo các thông số điện, thông số nhiệt độ của từng bơm và đồng thời phản hồi về CPU
CPU hiển thị trên màn hình/HMI các kết nối và tình trạng hoạt động của từng bơm, bao gồm thời gian hoạt động, nhiệt độ và các thông số điện năng Điều này giúp giám sát và thu thập dữ liệu về năng lượng tiêu thụ một cách hiệu quả.
- Máy bơm dừng khi nhận tín hiệu Stop từ màn điều khiển hoặc bơm lỗi hoặc khi cảm biến báo bể cạn
- Dữ liệu được lưu trữ tại Server, dùng để trích xuất báo cáo khi cần thiết
3.4.2 Sơ đồ đấu nối thiết bị hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm Ngòi Hiêng
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối đầu vào số của bơm
Sơ đồ kết nối đầu vào số (DI) của 1 bơm (các bơm khác tương tự):
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối đầu ra số của bơm
Sơ đồ kết nối đầu ra (DO) của trạm bơm, tín hiệu bơm hoạt động (tín hiệu bơm dừng tương tự):
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Modbus của trạm bơm Ngòi Hiêng
Sơ đồ kết nối Modbus của trạm bơm
Hình 3.9 Sơ đồ tín hiệu điều khiển bơm
Sơ đồ điều khiển bơm, chạy bơm (các tín hiệu dừng bơm tương tự)
3.4.3 Phần mềm lập trình, thuật toán và lưu đồ
Chương trình điều khiển, thu thập dữ liệu và giao diện người dùng HMI cho trạm bơm được phát triển trên nền tảng TIA Portal V14 Phần mềm này bao gồm các thành phần như STEP 7, PLC Simulator và WinCC, giúp tối ưu hóa quy trình vận hành và giám sát.
Siemens STEP 7 là môi trường lập trình chuyên dụng cho các PLC của Siemens, cung cấp các công cụ lập trình tối ưu và độc đáo Phần mềm này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng tạo logic có thể sử dụng lại, thiết kế chương trình có cấu trúc và tích hợp nhiều thiết bị tự động hóa.
PLC Simulator là phần mềm mô phỏng hoạt động của PLC, cho phép người dùng thử nghiệm chương trình mà không cần tải xuống hệ thống PLC thực tế.
WinCC, một phần của TIA Portal từ SIEMENS, cung cấp môi trường lập trình và cấu hình ứng dụng HMI nhất quán Nó cho phép nhà phát triển kết nối người vận hành với thiết bị tự động hóa, bao gồm các chức năng như trực quan hóa, điều khiển vận hành, hiển thị cảnh báo, thu thập dữ liệu năng lượng tiêu thụ, lưu trữ giá trị quy trình, lịch sử báo động và quản lý quá trình vận hành máy WinCC được thiết kế để hoạt động trên hệ điều hành Microsoft Windows.
Hình 3.10 Cấu trúc triển khai phần mềm
Cấu trúc triển khai phần mềm:
Hình 3.11 Lưu đồ lập trình tổng thể trạm bơm
- WinCC VB Script: Dùng để kết nối với database và đưa lệnh ghi dữ liệu [2]
- SQL Server: dùng để quản lý các database [3]
- QL Server Reporting Services (SSRS) trên nền Visual Studio dùng để tạo Report [4]
Lưu đồ thuật toán điều khiển
Lưu đồ lập trình tổng thể hệ thống điều khiển và giám sát năng lượng trạm bơm
Chương trình bắt đầu khởi động, tín hiệu vào chương trình Auto bằng 1 là đúng thì bơm sẽ chạy, còn tín hiệu Auto bằng
1 là Sai thì sẽ chuyển sang chế độ khởi động bằng tay Khi tín hiệu Stop bằng 1 thì bơm dừng, kết thúc quá trình.
Lưu đồ lập trình chế độ điều khiển tự động (Auto)
Khi khởi động chế độ Auto, chương trình sẽ kiểm tra mức nước Nếu tín hiệu L#1 đúng và tín hiệu H (mức nước cao) bằng 1, một bơm sẽ được kích hoạt Nếu tín hiệu HH (mức nước rất cao) cũng bằng 1, hai bơm sẽ hoạt động Quá trình sẽ kết thúc khi tín hiệu L=1 Nếu tín hiệu H hoặc HH không đúng, chương trình sẽ kiểm tra lại Hệ thống bơm hoạt động ưu tiên dựa trên thời gian hoạt động của từng bơm, đảm bảo hiệu quả trong việc điều chỉnh mức nước trong bể chứa.
Trong chế độ Auto, bơm hoạt động theo thứ tự ưu tiên, với bơm hoạt động trước khi có ít hơn Nếu bơm gặp sự cố hoặc bị hỏng, bơm tiếp theo sẽ tự động kích hoạt theo phương thức dự phòng nóng.
Hình 3.13 Cấu trúc chương trình chính trạm bơm Ngòi Hiêng
Trên đây là sơ đồ của 1 chương trình chính, bao gồm các chương trình con:
Chương trình con Subroutine được thiết kế để giao tiếp với thiết bị Modbus, bao gồm hai phần chính: chương trình Add Data và chương trình Receive Data Chương trình Add Data cho phép người dùng chèn địa chỉ thiết bị, gán vùng nhớ cho dữ liệu và yêu cầu các thông tin cần thiết Trong khi đó, chương trình Receive Data đảm nhiệm việc tiếp nhận và xử lý dữ liệu sau khi đã thực hiện lệnh chèn.
Chương trình điều khiển bơm được thiết kế cho năm bơm giống nhau, giúp tối ưu hóa quy trình bằng cách chỉ gọi đối tượng bơm cần thiết, từ đó giảm thiểu việc lập lại mã cho từng bơm.
Chương trình cảnh báo (Alarm) được thiết kế để tổng hợp và thông báo tất cả các lỗi như chạm đất, lỗi báo mức, quá nhiệt động cơ, cũng như các sự cố trong quá trình chạy hoặc dừng máy.
Chương trình chính của trạm bơm (Main OB1):
Hình 3.14 Chương trình chính của trạm bơm
Hình 3.15 Chương trình con đọc các thiết bị Modbus
Chương trình chính của trạm bơm bao gồm việc thiết lập các chương trình con để đọc giá trị Modbus, gán giá trị cho cảm biến báo mức nước, điều khiển hoạt động và dừng bơm, cũng như phát cảnh báo cho hệ thống.
Chương trình con đọc các thiết bị Modbus:
Chương trình này thực hiện việc truyền tải dữ liệu từ các thiết bị thông qua giao thức Modbus RTU, bao gồm việc đọc dữ liệu và trả về kết quả của dữ liệu đã được đọc.
Hình 3.16 Chương trình điều khiển động cơ bơm
Chương trình con điều khiển các hoạt động bơm: