ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT HỆ THỐNG CẤP NƯỚC SẠCH - TỪ MÔ HÌNH ĐẾN THỰC TIỄN

Nước có một vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sinh hoạt hàng ngày của chúng ta và không thể thiếu với cuộc sống mọi người. Trong hệ thống cung cấp nước sạch của thành phố, khu đô thị, khu dân cư, nhà cao tầng… việc nhu cầu sử dụng nước luôn luôn thay đổi theo từng thời điểm dẫn đến áp lực trên đường ống thay đổi. Trong giờ thấp điểm rất ít người sử dụng, áp lực trên đường ống tăng có thể phá vỡ đường ống, ngược lại trong giờ cao điểm lượng sử dụng nước nhiều làm áp lực của hệ thống giảm dẫn đến ảnh hưởng đến lưu lượng của các hộ tiêu thụ và đặc biệt những hộ ở cuối nguồn có thể không có nước để sử dụng.  Để giải quyết vấn đề này, phương pháp cổ điển là xây dựng các tháp nước trên cao hoặc đối với nhà cao tầng sử dụng các bể chưa nước trên tầng mái để tạo ra áp lực nước theo yêu cầu và việc khống chế mức nước sử dụng các phao hoặc rơ le mức. Phương pháp này khá đơn giản, dễ thực hiện, thiết bị sử dụng thô sơ, nhờ có tháp nước nên dự trữ được nước khi nguồn nước sự cố. Nhưng nhược điểm rất lớn đó là chi phí xây dựng tháp cao, chiếm một không gian rất lớn và công tác vệ sinh, bảo trì bảo dưỡng rất khó khăn, an toàn thấp, Nước từ tháp sẻ tự chảy đến từng vòi nước với áp lực và vận tốc nước không đồng đều (Các tầng phía trên gần sẽ yếu hơn các tầng phía dưới).

Nhằm khắc phục nhược điểm trên Giảng viên Phạm Quang Thành - Khoa điện công nghiệp, trường cao đẳng nghề KTCN Việt Nam - Hàn Quốc đã nghiên cứu và xây dựng thành công mô hình Điều khiển giám sát hệ thống cấp nước sạch.

Hình 1. Mô hình điều khiển hệ thống cấp nước sạch

Hình 2. Sơ đồ hệ thống hệ thống điều khiển giám sát cấp nước sạch

Hình 3. Giao diện giám sát và điều khiển tổng quát

Hình 4. Giao diện giám sát sơ đồ nguyên lý

Mô hình được vận hành dựa trên nguyên tắc: Để ổn định áp lực ta cần có một cảm biến áp suất đặt ngay điểm cần ổn định, cảm biến áp suất sẽ chuyển đổi tín hiệu áp lực thành tín hiệu điện, làm khâu phản hồi đưa về bộ điều khiển áp suất, bộ điều khiển áp suất căn cứ vào giá trị áp suất đặt (áp suất mong muốn) và giá trị thực tế được phản hồi từ cảm biến đưa về bộ điều khiển PLC, bộ điều khiển PLC sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển cho biến tần, biến tần sẽ thay đổi tần số và điện áp vào động cơ làm cho tốc độ động cơ thay đổi sao cho áp suất trên đường ống ổn định. Khi lưu lượng người sử dụng tăng lên làm áp lực hệ thống giảm xuống thì qua cảm biến áp suất đưa tín hiệu về bộ điều khiển PLC, bộ điều khiển PLC sẽ tăng tín hiệu điều khiển làm tăng tần số và điện áp nguồn ra của biến tần, dẫn đến tăng tốc độ của động cơ làm tăng áp suất và lưu lượng nước về giá trị đặt. Khi lưu lượng người sử dụng giảm xuống làm áp lực hệ thống tăng lên thì qua cảm biến áp suất đưa tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ giảm tín hiệu điều khiển làm giảm tần số và điện áp nguồn ra của biến tần, dẫn đến giảm tốc độ của động cơ làm giảm áp suất và lưu lượng nước về giá trị đặt. HMI có nhiệm vụ là giao diện, giao tiếp giữa người và hệ thống. Tất cả các thông số của hệ thống đều cập nhật, hiển thị, người điều khiển có thể giám sát tất cả các trạng thái hoạt động của hệ. Như vậy con người sẽ không cần phải có mặt tại hiện trường mà có thể điều khiển cũng như giám sát được mọi hoạt động của hệ thống. Đặc biệt là lưu trữ thông tin, đưa ra các cảnh báo, chỉ dẫn khi có lỗi làm cho xử lý sự cố được dễ dàng nhanh chóng.

Mô hình đã Giải quyết được bài toán ổn định áp lực cho đường ống nhằm đảm bảo an toàn cho đường ống cấp nước và lưu lượng sử dụng nước sạch đến từng vòi nước với các ưu điển vượt trội như: Không cần xây dựng tháp nước trên cao do đó giảm được giá thành đầu tư ban đầu, đảm bảo về mặt an toàn cho người vận hành; Cải tiến về mặt công nghệ cũng như thiết bị, thay thế các hệ thống ổn định áp lực cổ điển; Sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ là phương pháp tiên tiến, hiện đại, điều khiển theo nhiều dạng như : điều khiển không cảm biến, điều khiển vòng hở, điều khiển vòng kín, điều khiển vector từ trường và điều khiển theo đặc tính v/f. Trong hệ thống điều áp dung phương pháp này sẽ tiết kiệm được điện năng tiêu thụ từ 30-50%. Khi sử dụng biến tần hệ số công suất cos(j) luôn được giữ ở 0.98. Điều này đảm bảo cho lưới điện có hiệu suất sử dụng cao và giảm chi phí cho hệ thống bù công suất phản kháng. Ngoài ra khi sử dụng biến tần với chức năng khởi động và dừng mềm nên giải trừ được độ rung giật, tăng tuổi thọ cho hệ thống cơ khí đặc biệt là đường ống và các mặt bích; Sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC làm cho quá trình điều khiển rất linh hoạt với độ chính xác rất cao, hiệu suất lớn kết hợp HMI có nhiệm vụ là giao diện, giao tiếp giữa người và hệ thống. Tất cả các thông số của hệ thống đều cập nhật, hiển thị, người điều khiển có thể giám sát tất cả các trạng thái hoạt động của hệ. Như vậy con người sẽ không cần phải có mặt tại hiện trường mà có thể điều khiển cũng như giám sát được mọi hoạt động của hệ thống. Đặc biệt là lưu trữ thông tin, đưa ra các cảnh báo, chỉ dẫn khi có lỗi làm cho xử lý sự cố được dễ dàng nhanh chóng.

Giảng viên Phạm Quang Thành chia sẻ: hằng năm trường cao đẳng nghề KTCN Việt Nam - Hàn Quốc đều triển khai các công trình, đề tài, mô hình nghiên cứu mới để làm công cụ giảng dạy trong toàn thẻ giảng viên của trường. Việc nghiên cứu và sáng tạo ra các mô hình tốt đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nhà trường đã khó song việc triển khai áp dụng mô hình vào thực tiển sản xuất được các doanh nghiệp chấp nhận và đưa sản phẩm ra thị trường lại càng khó khăn hơn. Tuy vậy, từ hiệu quả của mô hình, từ sự kiên trì hoàn thiện sản phẩm và Được sự quan tâm, tạo điều kiện của Ban giám hiệu nhà trường tôi đã được tiếp cận với thực tiễn sản xuất của nhiều doanh nghiệp, việc triển khai giải pháp để giải quyết vấn đề về Điều khiển giám sát hệ thống cấp nước sạch dần được doanh nghiệp quan tâm, chập nhận và đặt hàng, điển hình như: Trạm cấp nước Nghi Xuân, Hà Tĩnh và Nhà máy thủy điện bản vẽ, hệ thống cấp nước sạch cho văn phòng điều hành nhà máy Royal Food, hệ thống tưới cây tự động cho nhà máy thực phẩm Masan, hệ thống tắm, phun sương trang trại bò sữa ... đã đặt hàng sản phẩm và áp dụng vào thực tế.  Kết quả Sản phẩm đã đáp ứng nhu cầu mong muốn các doanh nghiệp.

Hi vọng trong thời gian tới mô hình của anh nhanh chóng trở thành sản phẩm hàng hoá và được áp dụng nhiều trong thực tiễn cuộc sống sản xuất, đặc biệt là hệ thống cấp nước cho khu dân cư, nhà cao tầng, siêu thị. Hướng phát triển có thể áp dụng cho các máy nén khí ( máy nén khí thông thường, máy phun cát làm sạch bề mặt kim loại ..), máy thủy lực ( máy thử nghiệm sức bền, máy ép ...), hệ thống ổn định áp lực khí ga cấp cho lò nung của các nhà máy gạch, hệ thống ổn định áp suất hơi nước cấp cho các nhà máy thực phẩm ...

       Ngoài ra mô hình có thể ứng dụng trong công tác học tập, nghiên cứu khoa học cho các trường đại học, cao đẳng, trường dạy nghề, Đây là mô hình thí nghiệm rất hiệu quả cho các giáo viên trẻ trau dồi kỹ năng tay nghề nhằm bổ sung, kiểm chứng các kiến thức lý thuyết đã học, khai thác tốt các tính năng của PLC S7-200 được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay. Mô hình có thể làm công cụ cho các nghiên cứu hiệu quả cho các học viên cao học để viết chương trình, tìm các thông số tối ưu cho hệ thống ví dụ: Thực nghiệm các tính chất điều khiển của các thông số điều chỉnh PID trong các hệ thống tự động ổn định tốc độ, ổn định áp suất, nhiệt độ, lưu lượng ...Là mô hình thực nghiệm để tính chọn các thông số PID cho hệ thống trong thực tế mà chúng ta không có cơ hội thử nghiệm. Điều khiển giám sát không phải là mới lạ trên thế giới cũng như Việt Nam, nhưng việc tiếp cận vấn đề này của các giáo viên trẻ cũng như các giáo viên có kinh nghiệm trong các trường đào tạo nghề chưa được triển khai rộng rãi. Do đó mô hình này là một mô hình có tính áp dụng cao trong việc nghiên cứu điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu và thí nghiệm cho các môn học khác như: đo lường, thiết bị điện, kỹ thuật cảm biến, lý thuyết điều khiển tự động./.

Bài và ảnh: Nguyễn Hữu Hòa