Điều khiển và giám sát hệ thống cấp nước cho tòa nhà cao tầng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO MÔN HỌC
Đề tài :
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
HỆ THỐNG CẤP NƯỚC CHO TÒA NHÀ CAO TẦNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SINH VIÊN THỰC HIỆN

: ThS.ĐỖ THỊ MAI
: NGUYỄN TRUNG KIÊN
TRẦN VĂN KIÊN

LỚP

: TỰ ĐỘNG HÓA K14A

Thái Nguyên, Ngày 22 tháng 10 năm 2019
LỜI NÓI ĐẦU

1


Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao, trong đó vấn
đề điều khiển tự động luôn là mối quan tâm hàng đầu trong các ứng dụng khoa học
sản xuất. Nó đòi hỏi sự chính xác, tính tiêu chuẩn và khả năng xử lý nhanh ở mức
hoàn hảo, chỉ như vậy mới đáp ứng được nhu cầu ngày càng gia tăng của xã hội.
Từ các hệ thống máy tính to lớn cồng kềnh và phức tạp, các nhà khoa học
không ngừng cải tiến và hoàn thành cả phần cứng lẫn phần mềm để đáp ứng các yêu

cầu trong công nghiệp với các sản phẩm gọn nhẹ, tiện dụng, độ linh hoạt cao, giá
thành rẻ. Từ đó bộ lập trình PLC được ra đời. Cùng với đó là các phần mềm điều
khiển và giám sát hệ thống tự động cũng được phát triển nhằm tăng tính tương tác
giữa người dùng và hệ thống tự động, giúp cho quá trình điều khiển được thực hiện dễ
dàng.
Từ những yêu cầu cấp thiết về việc phát triển phần mềm điều khiển và giám sát
hệ thống mạng điện hạ thế bằng PLC và SCADA, đề tài sẽ nghiên cứu và phát triển
các phần mềm điều khiển cho các mô-đun PLC. Mục tiêu của đề tài đó là nghiêu cứu,
phát triển các phần mềm giám sát, điều khiển hiệu quả, đáp ứng nhu cầu làm việc và
học tập trong nhà trường.
Với đề tài báo cáo môn học lần này, em lựa chọn đề tài “Điều khiển và giám sát
hệ thống cấp nước cho tòa nhà cao tầng”. Đề tài gồm 5 chương :







CHƯƠNG 1 Hệ thống điều khiển giám sát.
CHƯƠNG 2 Tổng quan về đối tượng điều khiển giám sát.
CHƯƠNG 3 Phân thích và thiết kế mô hình hệ thống.
CHƯƠNG 4 Lập trình điều khiển hệ thống.
CHƯƠNG 5 Xây dựng giao diện giám sát hệ thống.

Do điều kiện, kiến thức và thời gian còn hạn chế nên trong đề tài này chưa
được hoàn thiện một cách tốt nhất. Em kính mong các thầy cô giáo góp ý để em có
thể hoàn thành bài tập lớn này hoàn thiện hơn sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 – HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN GIẢM SÁT

1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển giám sát
1.1.1 Định nghĩa SCADA.
SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu.

Hình 1.1 Đối tượng điều khiển của hệ thống SCADA
Đây là hệ thống hỗ trợ con người trong việc giám sát, điều khiển các hệ
thống điều khiển tự động như: Nhà máy sản xuất, trong các hệ thống thông tin
viễn thông, hệ thống điện lưới và các nhà máy cung cấp nước sạch… Để làm
được công việc đó thì hệ SCADA phải có các hệ thống sau:



Hệ thống truy cập dữ liệu



Hệ thống truyền tải dữ liệu



Dao diện người - máy HMI (Humen Machine Interface)

HMI sử dụng ở cấp điều khiển giám sát và ở các cấp dưới hơn, để thuận
tiện hơn cho người vận hành hệ thống hoặc thiết bị. Các loại dao diện HMI bao
gồm:



PO-Perator Panel: Màn hình vận hành



TP-Touch Panel: Màn hình cảm ứng

3




Multy Panel…

Do sự phát triển của các chuẩn truyền thông công nghiệp và các phần mềm
công nghiệp, nên việc chú trọng vào thiết kế một hệ SCADA là lựa chọn công
cụ phần mềm để thiết kế giao diện HMI và giải pháp tích hợp hệ thống là vấn
đề cốt lõi để xây dựng một hệ thu thập và điều khiển giám sát.

1.1.2 Các loại hệ thống SCADA.
Hệ thống SCADA được chia thành 4 nhóm chính với các chức năng như
sau: Là hệ SCADA mang tính độc lập hoặc được nối mạng, hệ SCADA không
có khả năng đồ họa và một loại có khả năng xử lý đồ họa thông tin thời gian
thực.

a) Hệ thống SCADA mờ (Blind).
Đây là hệ thống SCADA hết sức giản đơn, nó không có một bộ phận
giám sát mà chỉ có nhiệm vụ là thu thập và xử lý dữ liệu bằng đồ thị.
Ưu điểm của nó là: Do công nghệ cấu thành mạng đơn giản nên có giá
thành thấp
b) Hệ thống SCADA độc lập.
Đây là hệ có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với một bộ vi xử lý. Hệ
này chỉ điều khiển được một hoặc hai máy móc, nên chủ yếu sử dụng ở trong các
đơn vị sản xuất có quy mô nhỏ và vừa...
c) Hệ thống SCADA Mạng.
Đây là hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu với nhiều bộ vi
xử lý. Các máy tính giám sát nối mạng với nhau. Thường chúng được sử dụng
nhiều trong các dây chuyền sản xuất nơi có nhiều máy móc cần phải điều khiển.
Thông qua các mạng truyền thông, toàn bộ hệ thống được kết nối với
phòng điều khiển cấp phân xưởng, phòng giám sát cấp công ty. Hoặc có nhận tín
hiệu điều khiển trực tiếp từ phòng quản lý và phòng thiết kế.
d) Hệ thống SCADA xử lí đồ họa thông tin thời gian thực.
Hệ thống có khả năng giám sát và thu thập dữ liệu. Nhờ các thông tin đã
được thu thập trước của máy tính mà hệ có khả năng mô phỏng quá trình hoạt
động của hệ thống sản xuất. Nhờ máy tính ghi lại toàn bộ dữ liệu quá trình hoạt
động của hệ thống nên khi xảy ra sự cố thì hệ thống có thể báo cho người vận
hành, hoặc tự động xử lý lỗi xảy ra đó.
e) Đánh giá một hệ SCADA.
Để đánh giá một hệ điều khiển và giám sát SCADA thì cần phải phân

4


tích các đặc điểm của hệ thống theo một số tiêu chuẩn như:

 Khả năng hỗ trợ của công cụ phần mềm điều khiển việc thực hiện
xây dựng các màn hình giao diện.

•

Số lượng và chất lượng của các thành phần đồ họa có sẵn,
khả năng truy cập và cách kết nối dữ liệu từ các quá trình kỹ
thuật có tốt không.

•

Tính năng mở của hệ thống, chuẩn hóa các giao diện quá
trình, khả năng hỗ trợ xây dựng các chức năng trao đổi tin tức
(Messaging), xử lý sự kiện và sự cố (Event and Alarm), lưu
trữ thông tin (Archive and history) và lập báo cáo (Reporting)

•

Tính thời gian thực và hiệu suất trao đổi thông tin, với nền
Windown thì hỗ trợ sử dụng mô hình phần mềm ActiveX
Control và OPC.

•

Xem xét giá thành tổng thể của hệ thống

1.1.3 Sự phân cấp quản lí của hệ thống SCADA.
Việc giám sát, thu thập số liệu và điều khiển là rất cần thiết đối với một hệ
thống công nghiệp bất kỳ. Đặc thù của hệ tự động là quy mô của hệ thống sản xuất rất
lớn, trải trên một không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với các chức năng,

nguyên lý làm việc khác nhau. Do đó việc sử dụng một hệ thống điều khiển trung tâm
để đảm nhận tất cả các chức năng giám sát và điều khiển là hết sức phức tạp. Chính vì
vậy mà tùy theo mức độ quan trọng và yêu cầu những tính năng giám sát, điều khiển
mà các chức năng giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu được phân phối và phân
cấp cho các thiết bị khác nhau.
Cấp thứ nhất:
Là các phần tử có chức năng:
- Giám sát các thông số vận hành của hệ thống, ra lệnh cho các phần tử chấp
hành thực hiện chức năng điều khiển, ghi chụp, phân tích sự cố xảy ra trong quá trình
hoạt động của hệ thống.
- Thu thập số liệu, thông số vận hành ở các chế độ bình thường để gửi lên các
máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server) hoặc các thiết bị đầu cuối RTU
(Remote Terminal Unit). Trong các hệ thống hiện đại, các phần tử này được gọi chung
là các thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligent Electronic Devices).
Cấp thứ hai
Là các trạm điều khiển SS (Substation Server) và RTU có chức năng chủ yếu là
thu thập số liệu từ các IED do nó quản lý, lưu lại trong cơ sở dữ liệu phục vụ các nhu

5


cầu đọc dữ liệu tại chỗ qua các giao diện người máy HMI (Human Machine Interface)
và truyền dữ liệu thu thập được lên cấp quản lý cao hơn theo các chuẩn truyền thông.
Cấp thứ ba
Cấp thứ ba là trung tâm điều khiển toàn hệ thống, nơi thực hiện việc thu thập số
liệu từ các Điều khiển trạm SS (Substation Server) và RTU, thực hiện các chức năng
tính toán, đánh giá trạng thái của hệ thống, thực hiện các chức năng điều khiển quan
trọng, lên kế hoạch vận hành toàn hệ thống.
Do quy mô rộng lớn của hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại, các trạm
điều khiển trung tâm còn có thể được chia thành các cấp điều khiển trung tâm (Central

Control) và các trạm điều khiển vùng (Area Control Center).
Luồng thông tin trong hệ thống điều khiển tích hợp:

Hình 1.2 Phân cấp chức năng trong hệ SCADA
Bảng 1.1. Bảng chức năng nhiệm vụ các cấp trong hệ SCADA
Level
Level I

Level II

Chức năng, nhiệm vụ
Thu thập dữ liệu quá trình công nghệ thời gian thực;
Tính toán theo algorithm và đưa ra tín hiệu điều khiển theo qui luật
cho trước;
Báo hiệu về việc vượt quá ngưởng cho phép của các thông số;
Block những hành động lổi của Operator và thiết bị điều khiển;
Ngăn ngừa xãy ra Alarm.
Thu thập thông tin từ cấp dưới, xữ lý, lưu trữ và monitoring;

6


Level III

Đưa ra tín hiệu điều khiển trên cơ sở phân tích thông tin;
Chuyển thông tin về việc sản xuất ở các xưởng, xí nghiệp cho cấp
cao hơn;
Tính toán những thông số thứ cấp, trong đó, chỉ số chất lượng sản
phẩm, chỉ số kinh tế-kỹ thuật;
Lưu trữ thông tin;

Đưa ra các report;
Chuẩn đoán về sự hư hỏng của các phần tử trong hệ thống;
Xác định thông số, cấu hình của các thiết bị điều khiển và những bộ
điều khiển cục bộ của Level 1;
Thay đổi cấu trúc các hệ thống điều khiển cục bộ, thay đổi trạng thái
làm việc của các thiết bị điều khiển.
Tối ưu các chỉ số kinh tế về sản xuất;
Điều khiển theo các chỉ số kinh tế, kinh tế-kỹ thuật;
Quản lý tài nguyên của công ty;
Lưu trữ thông tin;
Đưa ra kế hoạch sản xuất.

1.1.4 Chức năng của hệ thống SCADA.
- Chức năng giám sát: Giám sát và đảm bảo tính chính xác của toàn bộ các thông số
vận hành của hệ thống
- Chức năng điều khiển:
+ Điều khiển quá trình chính xác, tin cậy
+ Cài đặt các thông số từ xa khi có nhu cầu thay đổi cấu trúc, quy mô hệ thống,
yêu cầu công nghệ dẫn tới một số thông số vận hành hệ thống bị thay đổi theo.
- Chức năng quản lý, lưu trữ dữ liệu:
+ Giám sát sự cố xảy ra trong quá trình hoạt động của hệ thống, cảnh báo sự cố
bằng âm thanh, màu sắc, hoặc thông báo trên màn hình hiển thị
+ Ghi nhận, lưu trữ dữ liệu, thông tin vận hành, thông tin sự cố hệ thống
(logging/archiving)
+ Lập biểu đồ (Trending): các sản phẩm SCADA đều được hỗ trợ tiện ích lập
biểu đồ
+ Điều khiển báo động (Alarm handing): thực hiện báo động dựa trên kiểm tra
giới hạn và trạng thái thực hiện trên các server

7

+ Xuất báo cáo (Report Generation): xuất báo cáo dưới dạng truy vấn SQL cho
lưu trữ file, bảng ghi sự kiện dạng text, file sự kiện dạng html,...báo cáo có thể xuất, in
hoặc lưu trữ tự động.
- Tính năng thời gian thực:
SCADA là một hệ thống điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu trong thời
gian thực, do đó tính năng thời gian thực của hệ thống là rất cân thiết và quan trọng.
Tính năng thời gian thực ảnh hưởng tới độ chính xác, đúng đắn của các kết quả đầu ra.
Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật
nhanh mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời đối với các yêu cầu và tác động bên
ngoài.
Một hệ thống có tính năng thời gian thực yêu cầu hệ thống BUS phải có những tính
năng: Độ nhanh nhạy, tính tiền định, độ tin cậy,kịp thời, tính bền vững.
- Kiểm soát truy cập:
Người dùng được chỉ định vào các nhóm, mỗi nhóm đều được định nghĩa quyền
truy cập đọc/ghi (read/write) các thông số của quá trình điều khiển.

1.2 Cấu trúc hệ thống SCADA.
Trong các hệ thống SCADA thì các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng
vai trò là giao diện giữa thiết bị điều khiển với quá trình sản xuất. Còn hệ thống
điều khiển giám sát đóng vai trò là giao diện giữa người và máy. Các thiết bị và
các bộ phận của hệ thống được ghép nối với nhau theo kiểu điểm - điểm (Point
to Point), hoặc thông qua mạng truyền thông công nghiệp.
Tín hiệu thu được từ cảm biến có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số
hoặc tím hiệu tương tự. Khi xử lý trong máy tính chúng ta phải được chuyển
đổi cho phù hợp với các chuẩn giao diện vào/ra của máy tính.

Các thành phần chính:



Giao diện quá trình: Là các phần tử chấp hành, cảm biến, thiết bị đo, các
thiết bị chuyển đổi…



Thiết bị điều khiển tự động: Bao gồm các bộ điều khiển logic khả trình
PLC (Programable Logic Controller), bộ điều khiển chuyên dụng tỷ lệ vi
tích phân PID, các thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ CDC (Compact Digital
Controller) và máy tính điều khiển với các phần mềm điều khiển chuyên
dụng.



Hệ thống điều khiển giám sát: Bao gồm các phần mềm hỗ trợ và giao

8


diện người-máy HMI (Human Machine Interface), các trạm kỹ thuật,
trạm vận hành giám sát và điều khiển cao cấp.



Hệ thống truyền thông: gồm các thiết bị được ghép nối điểm - điểm
(Point to Point), Bus cảm biến/chấp hành, bus trường, bus hệ thống.

Hình 1.3 Minh họa cấu trúc cơ bản hệ SCADA

Hình 1.4. Minh họa hê thống SCADA hiện đại
Bảng 1.2. Một số hệ thống SCADA tiêu biểu

9


SCADA
Intouch
WinCC
Trace Mode
Vijeo Look
LabView
Citect

Company
Wonderware
Siemens
AdAstra
Schneider Electric
National Instrument
Ci Technologies

Country
USA
Germany
Russia
France
USA
Australia

1.3 Cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển giảm sát

-

-

-

-

-

Một mạng SCADA về bản chất là sự kết hợp của các máy chủ, máy tớ và các
thiết bị trường được kết nối với nhau bởi mạng truyền thông. Thông tin sử dụng bởi
các máy chủ được thu thập bửi các bộ điều khiển/cảm biến. Các máy tớ là các giao
tiếp được sử dụng bởi người vậ hành để tương tác với hệ thống. Các máy chủ thường
được đặt tại các nhà máy chính/trạm chính. Chúng truyền thông với các bộ điều khiển
cục bộ hoặc ở các vị trí xa.
Cơ cấu cơ bản của hệ thống SCADA như sau:
Trạm thu thập dữ liệu trung gian: là khối thiết bị vào/a đầu cuối từ xa RTU hoặc các
khối (bộ) vi điều khiển logic lập trình PLC có chức năng giao tiếp với các thiết bị
chấp hành (cảm biến cấp trường, cơ cấu chấp hành...)
Trạm điều khiển giám sát trung tâm: là một hay nhiều máy chủ trung tâm (Center host
computer server).
Giao diện người – máy (Human – Machine Interface): là các bộ hiển thị quá trình hoạt
động của hệ thống.
Hệ thống truyền thông: bao gồm các mạng truyền thông công nghiệp, các thiết bị viễn
thông và các thiết bị chuyển đổi dòng kênh có chức năng truyền dữ liệu cấp trường
đến các khối điều khiển và máy chủ.
Một hệ thống SCADA (điều khiển, giám sát và thu thập các dữ liệu) là một hệ thống

bao gồm các thiết bị đầu cuối (hay RTU) thu thập các dữ liệu của hệ thống sau đó liên
kết trở về trạm chủ thông qua hệ thống giao tiếp. Trạm chủ hiển thị dữ liệu thu thập
được và cho phép người vận hành thực hiện các tác vụ điều khiển từ xa.
Đối với một hệ thống SCADA phức tạp cần thiết phải có 5 cấp:
- Các thiết bị cấp trường và cấp điều khiển
- Các thiết bị đầu cuối RTU
- Hệ thống giao tiếp
- Các trạm chủ (MTU)
- Bộ phận xử lý dữ liệu
Bộ RTU cung cấp goao thức kết nối tới các cảm biến tương tự (analog) và cảm
biến số tương tự ứng với mỗi tín hiệu thực tế.

10


Hệ thống truyền thông mạng cung cấp giao thức truyền thông giữa trạm chủ và
các thiết bị ở xa. Việc truyền thông này có thể sử dụng dây dẫn tín hiệu, cáp quang,
dây điện thoại, thậm chí có thể sử dụng tín hiệu vệ tinh. Các giao thức cụ thể và kiểm
tra phát hiện lỗi được sử dụng hiệu quả và tối quá trình truyền dữ liệu.
Trạm chủ chủ (hoặc trạm con) thu thập dữ liệu từ các bộ RTU khác nhau và
cung cấp một giap diện để hiển thị thông tin và diều khiển các thiết bị ở xa.
1.4 Cấu trúc phần mềm của hệ thống điều khiển giảm sát.
Phần mềm SCADA có thể chua thành hai loại là bản quyền hoặc mở. Những
công ty phát triển phần mềm bản quyền để giao tiếp với phần cứng của họ. Các hệ
thống này được bán giống như cung cấp các giải pháp theo dạng
“ chìa khóa trao tay”. Vấn đề chính của hệ thống này là quá phụ thuộc vào nhà cung
cấp. Hệ thống phần mềm đã trở nên phổ biến vì khả năng tương tác mà chúng mang
lại cho hệ thống. Khae năng tương tác là khả năng để kết hợp các thiết bị của nhiều
nhà sản xuất trên cùng một hệ thống.
WINCC là một trong những gói phần mềm mở có trên thị trường hệ thống

SCADA. Ngoài ra, một số gói phần mềm SCADA hiện nay được tích hợp luôn việc
quản lý năng lương hệ thống nhà máy toàn diện.
Hệ thống WinCC bao gồm các hệ thống con:
• Hệ thống đồ họa (Graphics system)
• Ghi nhận cảnh báo (Alarm logging)
• Hệ thống lưu trữ (Archiving System)
• Hệ thống báo cáo (Report system)
• Truyền thông (Communication)
• Quản trị người dùng (user administration)
Hệ thống WinCC gồm có phần mềm cấu hình (Configuration Software) và phần
mềm thực thi (Runtime software).
• Phần mềm cấu hình dùng để tạo ra project
• Phần mềm thực thi dùng để thực thi project trong khi xử lý.

11


Hình 1.19 Kiểu hệ thống SCADA điển hình
Theo hình 1.19, đầu tiên, dựa vào các trình biên tập trong phần mềm cấu hình,
ta tạo ra project. Tất cả các trình biên tập đều lưu trữ thông tin của project trong cơ sở
dữ liệu cấu hình (CS database). Khi thực thi, thông tin của project được đọc ra từ CS
database bởi phần mềm thực thi và project được thực thi. Dữ liệu hiện tại của project
được lưu tạm tại cơ sở dữ liệu thực thi (RT database).
• Hệ thống đồ họa hiển thị graphic trên màn hình, đồng thời cũng nhận các thiết
lập (input) từ người vận hành như khi người vận hành nhấp nút nhấn hay nhập giá trị.
• Việc giao tiếp giữa WinCC và hệ thống tự động được thực hiện bởi driver
giao
tiếp hay còn gọi là các kênh (channels). Các kênh này có nhiệm vụ thu thập các
giá trị quá trình cần thiết cho các thành phần trong WinCC, đọc giá trị các tag từ
hệ thống tự động và ghi các giá trị mới trở lại hệ thống tự động.

• Việc trao đổi dữ liệu giữa WinCC và các ứng dụng khác có thể được thực hiện
bằng OPC, OLE hay ODBC.
• Hệ thống lưu trữ lưu giá trị của quá trình vào nơi lưu trữ giá trị quá trình. Các
giá trị quá trình được lưu trữ được dùng để vẽ đồ thị (trend), đưa ra báo cáo

12


(report), ...
• Các gía trị của quá trình được theo dõi bởi tính năng ghi nhận cảnh báo
(Alarm logging). Nếu một giá trị giới hạn bị tràn, Alarm logging sẽ tạo ra một
message để cảnh báo. Và hệ thống message cũng nhận các xác nhận
(acknowledgements) từ người vận hành và quản lý các trạng thái của message. Alarm
logging lưu trữ tất cả các message vào nơi lưu trữ message.
• Quá trình sẽ được báo cáo bởi hệ thống báo cáo (Report system) theo yêu cầu
hoặc theo thời điểm định trước. Nơi lưu trữ giá trị quá trình và message được sử
dụng cho mục đích này.
1.5 Giải pháp mạng truyền thông cho hệ thống diều khiển giám sát.
Mang máy tính cục bộ (LAN — Local Area Networks) là việc chia sẻ thông tin
và tài nguyên hệ thống. Để cho phép tất cả các Nút (tNođe) trên mạng SCADA có thể
chia sẻ thông tin thì chúng cần phải được kết nổi bới một số giao thức truyền dẫn.
Phương pháp để kết nối này được gọi là giáo thức mạng, các nút cần chỉa giao thức
truyền điện này trong một cách nào đó để cho phép tất cả các nút có thể truy cập mà
không mất bất kỹ một nút nào đó đã được thiết lập,
Mạng LAN là một giao thức giao tiếp giữa các may tỉnh, may chủ server, thiết
bị đầu cuối, máy trạm (workstation) và nhiều thiết bị ngoại vị thông mình khác. Các
thiết bị này thương được gọi là Device hay Host, Mạng LAN cho phép truy cập để các
thiết bị cụ thể chia sẻ bởi nhiều người dùng, với khả năng kết nối giữa tát cá các trạm
trên cùng mạng với nhau. Mạng LAN thường được sở hữu và quản lý bởi cá nhân hay
trong hệ thông cục bò.

Ethernet được sứ đụng rộng rãi nhất trong hệ thông mạng LAN ngày này vì giá
thành rẻ và dễ sữ dụng. Việc kết nối hệ thống mạng SCADA qua mạng LAN cho phép
bất kỳ ai trong công ty có phần mềm bản quyên và được cho phép truy cập đếu có thể
truy cập vào hệ thống. Kế từ khi đữ liệu được xáy dựng trở thành cơ sở dữ liệu, người
dùng có thế bị hạn chế để đọc các thông tin, Và vấn đề về an toàn (security) rõ rằng là
một mới quan tắm hàng đầu và hệ thống SCADA hiện nay có thể giải quyết văn để
này.

13


Hình 1.20 Hệ thống SCADA trao đổi dữ liệu qua mạng Ethernet

14


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP NƯỚC

2.1 Khảo sát dây chuyền thực tế
2.1.1 Đặc điểm về hệ thống cấp nước cho nhà cao tầng

a. Đăc điểm về kiến trúc.
Công trình nhà cao tầng thường có kiến trúc rất phong phú và đa dạng.

- Về chắc năng sử dụng nhà cao tầng là công trình đa năng, có nhiều chức năng
khác nhau như văn phòng, khách sạn, nhà ở cho thuê, siêu thị…
- Nhà cao tầng có chiều cao lớn nên khi thiết kế phải có giải pháp để đảm bảo áp
lực tự do giữa các tầng là tương đương nhau.
- Nhà cao tầng thường có nhiều hệ thống kỹ thuật vì vậy thường đặt các hệ thống
trong hộp kỹ thuật.

- Nhà cao tầng đặc biệt là nhà có nhiều chức năng khác nhau thường có các tầng
kỹ thuật.
- Việc tổ chức mặt bằng trong nhà cao tầng rất phức tạp do đó phải có giải pháp
phù hợp khi thiết kế hệ thông cấp thoát nước.
b. Đặc điểm về kết cấu.
-

-

Nhà cao tầng thường có lõi, vách cứng, để tránh sự giảm yếu tiết diện cần hạn chế các
tuyến kỹ thuật cắt qua khu vực này.
Nhà cao tầng có chiều cao lớn, độ chênh cao giữa các tầng trên cùng với các tầng dưới
cùng rất lớn nên khi thiết kế phải có các giải pháp để đảm bảo áp lực tự do giữa các
tầng là tương đương nhau.
Nhà cao tầng có nhiều khối nên thường có các khe lún rất đa dạng nên hạn chế đặt các
tuyến kỹ thuật qua các khe lún.

c. Đặc điểm về phòng cháy chữa cháy
-

-

Nhà cao tầng có số lượng người và tài sản lớn nên việc đảm bảo an toàn phòng cháy
chữa cháy là vấn đề được đặc biệt quan tâm. Việc tổ chức thoát nạn thường rất khó
khan.
Chất chữa chấy dự trữ trong công trình thường không đáp ứng đủ nhu cầu chữa cháy
hoặc kém hiệu quả.
Nước trong hệ thống cấp nước thô thì rất yếu không đủ cung cấp.
Giao thong không thuận lợi do người và phương tiện tham gia giao thông cao nên gây
cản trở cho lực lượng chữa cháy.

15


d. Đặc điểm về trang thiết bị trong nhà cao tầng
Tùy thuộc vào chức năng sử dụng của từng loại nhà mà công trình có thể được
trang bị các hệ thống kỹ thuật:
- Hệ thống cấp thoát nước sinh hoạt, sản xuất, thoát nước mái.
- Hệ thống thu gom chất thải rắn.
- Hệ thống cứu hỏa và báo cháy.
- Hệ thống điều hòa không khí.
- Hệ thống cung cấp điện động lực và chiếu sang.
- Hệ thống thong hơi.
- Hệ thống cung cấp khí đốt…
2.2 Giải pháp cấp nước cho nhà cao tầng
Nhà cao tầng thường có chiều cao lớn, độ chênh áp lực tại các tầng lớn nên khi
thiết kế phải dùng sơ đồ phân vùng cấp nước để đảm bảo lưu lượng và áp lực giữa các
tầng. áp lực trong hệ thống đường ống cấp nước được tạo ra bằng hệ thống thiết bị bơm
áp lực hoặc bằng các bể dự trữ nước được đặt ở tầng cao nhất của công trình (áp lực
nước rơi tự do).
Áp lực nước có thể được tính toán cho toàn bộ hệ thống của công trình hoặc có
thể phân chia thành các vùng cấp nước riêng biệt. Mỗi vùng cung cấp nước cho 1 số
tầng nhất định. Số tầng trong mỗi vùng không nhất thiết phải bằng nhau mà còn phụ
thuộc vào các giải pháp thiết kế cụ thể sao cho đảm bảo áp lực đồng đều cho toàn bộ hệ
thống đường ống cấp nước.
Nếu trong các nhà cao tầng cũng dùng sơ đồ hệ thống cấp nước giống như hệ
thống cấp nước cho nhà thấp tầng, nghĩa là chỉ dùng 1 loại máy bơm cấp nước cho toàn
ngôi nhà và két nước đặt ở tầng cao nhất thì sẽ có nhiều bất lợi cụ thể:
Về vấn đề hiệu quả kinh tế: trong nhà cao tầng, các thiết bị vệ sinh được trang bị
hoàn chỉnh, số lượng thiết bị nhiều, tiêu chuẩn dung nước cao, lưu lượng tính toán lớn

nên đường kính các ống đứng phân phối cũng khá lớn. Nếu bố trí đường ống chính
phân phối phía trên, bơm nước lên két rồi từ két phân phối xuống các tầng dưới thì
đường ống đứng có dạng phía trên to, phía dưới nhỏ, dung tích két nước lớn, ảnh
hưởng đến kết cấu của nhà. Ngược lại, nếu bố trí đường ống chính phân phối ở dưới
dẫn lên các tầng, đường ống dẫn nước lên và xuống két chung thì dung tích két nước
nhỏ hơn nhưng đường ống đứng cấp nước có dạng: dưới to trên nhỏ, điều đó làm cho
áp lực tự do ở các tầng dưới càng lớn. Cả 2 trường hợp đều dẫn đến giá thành xây dựng
mạng lưới lớn vì các đoạn ống phía đầu phải có đường kính lớn để tải lưu lượng cho
các đoạn sau. Nếu so sánh với phương án phân ra từng vùng cấp nước thì đường kính
ống sẽ nhỏ hơn, giá thành xây dựng hệ thống sẽ giảm.
Về vấn đề áp lực dư và phân phối nước đều: nếu nhà cao tầng chỉ có 1 máy bơm
thì áp lực của máy bơm phải đảm bảo đưa nước lên tầng cao nhất, đảm bảo nhu cầu
dùng nước của các thiết bị ở tầng cao nhất. Như vậy, áp lực nước ở tầng dưới sẽ quá

16


lớn. Theo tính toán sơ bộ thì áp lực cần thiết cho ngôi nhà 10 tầng là 35 ÷ 50m, 15 tầng
là 60 ÷ 70m, 20 tầng là 75 ÷ 85m. Lúc đó áp lực nước tại chân các ống đứng ở tầng 1
cũng tương ứng là 35 ÷ 50m, 60 ÷ 70m và 75 ÷ 85m. Điều đó dẫn tới việc khử áp lực
dư ở các tầng dưới đảm bảo áp lực tự do ở các thiết bị tương đối đều nhau để phân phối
nước đều, chế độ làm việc của hệ thống sát với tính toán sẽ gặp nhiều khó khăn. áp lực
dư quá lớn cũng gây trở ngại cho người sử dụng, khó điều chỉnh nhiệt độ khi dùng vòi
trộn nóng lạnh, gây ồn khi sử dụng,…
Trong sơ đồ phân vùng cấp nước nếu bố trí đường ống chính phân phối từ dưới
lên, để đảm bảo việc phân phối nước đều tại các tầng thì vận tốc nước trong đường ống
phải lớn hơn vận tốc kinh tế. Từ đó dẫn tới làm tăng tổn thất trong đường ống ⇒ áp lực
máy bơm tăng ⇒ không kinh tế.
Nếu bố trí đường ống chính phân phối từ trên xuống, thì áp lực của máy bơm so
với trường hợp trên là không thay đổi. Các đường trục chính cấp xuống các tầng có thể

giảm tiết diện ống sao cho tổn thất trong các tầng bằng chiều cao hình học của tầng để
đảm bảo việc khử áp lực dư tại các tầng dưới. Trong trường hợp này, đối với nhà cao
tầng sẽ kinh tế hơn vì giảm được giá thành xây dựng mạng lưới do việc giảm tiết diện
ống.
Về vấn đề tiêu hao điện năng cho máy bơm: khi ngôi nhà cao tầng chỉ dùng 1
máy bơm chung thì máy bơm phải đủ được lưu lượng cung cấp cho toàn ngôi nhà và
áp lực phải đảm bảo đưa được nước lên tầng cao nhất ⇒ năng lượng điện tiêu thụ tỷ lệ
thuận với lưu lượng và cột áp của máy bơm ⇒ điện năng tiêu thụ lớn hơn so với trường
hợp tách thành nhiều máy bơm cung cấp cho từng vùng riêng biệt với lưu lượng và áp
lực phù hợp cho từng vùng.
Tóm lại, Để giảm giá thành xây dựng mạng lưới, giảm độ chênh áp giữa các
tầng, thuận tiện cho việc phân phối nước đến các tầng và để giảm chi phí điện năng cho
việc bơm nước, cần phải phân vùng cấp nước có hệ thống hoạt động độc lập với nhau.
Thông thường phân chia số tầng nhà thành các vùng khác nhau, mỗi vùng từ 4 đến 5
tầng. Việc phân phối vùng cấp nước có thể thực hiện bằng 2 cách :

- Phân vùng song son.
- Phân vùng nối tiếp,
gài ra còn phân vùng cân bằng bể chứa với thiết bị điều hoà áp lực và phân vùng
theo ống đứng cấp nước.
2.3 Lĩnh vực ứng dụng. Ưu điểm và nhược điểm.
Hệ thống cung cấp nước cho nhà cao tầng được ứng dụng vào các hệ thống cấp
nước như nhà chung cư, hoặc các căn hộ gia đình có nhiều tầng.

2.3.1 Ưu điểm
Hệ thống bơm nước tự động lên các tầng sẽ giúp con người không tốn
nhiều công sức để quản lý lượng nước tiêu dùng. Hệ thống hoạt động ổn định

17

sẽ giúp toà nhà luôn luôn có nước để sinh hoạt
2.3.2 Nhược điểm
Chi phí thiết kế ban đầu cao so với các phương pháp thông thường.
2.4 Xây dựng sơ đồ công nghệ hệ thống.

Cảm
biến đo
mức
nước ở
các tầng

Khối xử lý thông tin qua
máy tính và PLC S7 300.

Điều khiển và giám
sát trên máy tính.

Điều
khiển
máy
bơm

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống
Sơ đồ công nghệ của hệ thống được hoạt động như sau: hệ thống có các
cảm biến đo mức nước ở các tầng có số thứ tự là 1,2,3,4,5,6. Khi các cảm
biến 1,3,5 có tín hiệu thì hệ thống bơm nước đang hoạt động, tới khi các cảm

18

biến 2,4,6 phát hiện thấy nước thì các bể chứa đã đầy nước báo tín hiệu về
khối xử lý PLC S7 300 để dừng động cơ máy bơm.
2.5 Tính cấp tiết xây dụng hệ thống điều khiển giảm sát cho hệ thống cấp nước.
- Hệ thống cấp nước nhà cao tầng phải đảm bảo liên tục 24/24h.
- Đảm bảo hệ thống cấp nước nhà cao tầng phải cấp đủ nước cho các thiết
bị, đảm bảo áp lực tự do tối thiểu tại các thiết bị dùng nước.
- Đảm bảo chi phí lắp đặt, đường ống ở mức tối thiểu.
- Lựa chọn phương án thiết kế dựa trên yếu tố kỹ thuật và hướng dẫn của
tiêu chuẩn và quy phạm ban hành.
- Đảm bảo quá trình sử dụng, sửa chữa được dễ dàng, tiện lợi.

CHƯƠNG 3 – PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

19


3.1 Sơ đồ khối hệ thống.

Cảm biến

Bộ chuyển đổi tín
hiệu

Bộ xử lý PLC

Thiết bị chấp hành

Cảm biến: Dùng để thu thập các thông số dữ liệu ở các bể chứa
Bộ chuyển đổi tín hiệu: Dùng để chuyển đổi tín hiệu từ analog về digital

Bộ xử lý PLC: Dùng để điều khiển các thiết bị chấp hành khi nhận được các tín
hiệu từ cảm biến
Thiết bị chấp hành: Máy bơm hoạt động để bơm nước đảm bảo cho hệ thống.
3.2 Phân tích hoạt động của hệ thống.
Hệ thống bơm nước chạy nước lên cụm nước 1,2 và 3. Sự đóng mở
các van Van 1, Van 2, Van 3 phụ thuộc vào mực nước tại từng bình chứa nhận
biết bởi các cảm biến từ CB1 đến CB6, trong đó CB1,3,5 là cẩm biến mức
dưới và CB2,4,6 là cảm biến mức trên. Khi nhấn start, đèn báo hiệu hoạt
động sẽ được mở theo, lúc này máy bớm bắt đầu hoạt động theo hai chế độ:
 Chế độ bơm nước bằng tay
Ấn kích hoạt chế độ MANUAL máy bơm sẽ hoạt động khi mở bất
kỳ một trong ba Van 1,2,3 và sẽ dừng hoạt động khi 1 trong 3 bình chứa đầy
nước được nhận biết bởi cảm biến mức trên là CB2,4,6.
 Chế độ auto
Khi sử dụng chức năng này,nếu bất kì ở tầng nào hết nước thì máy
bơm tự động mở và hệ thống sẽ tự động mở van tầng đó rồi bơm đầy bể chứa
sau đó sẽ tự động đóng van lại.

3.3 Thông số cần điều khiển – giám sát.

20


Bảng xác định thông số điều khiển – giám sát
Dạng điều khiển
Công
đoạn /máy

Thông số

1

2

Bồn nước

1. Mức nước

Dải tín
hiệu
3

Đo
lường
4

Điều
Giám Cảnh
khiể
sát
báo
n
5
6
7

0,5 м

x

Bảo
vệ
8

x

3.4 Thiết bị phần cứng mô hình
3.4.1 Cảm biến đo mức nước

Hình 3.1 Cảm biến đo mức nước
Là loại phao kiểm soát toàn bộ mức nước, đưa ra tín hiệu analog 4-20mA, thân
làm bằng Inox, PVC, PP, nên co nhiều lựa chọn cho từng môi trường đo khác nhau,
loại này sử dụng tốt khi trong các phạm vi hẹp như các bể dạng ống, cảm biến siêu âm
không thể đo được. và có thể chịu được nhiệt độ cao.

21


3.4.2 Máy bơm nước
Máy bơm Panasonic GP-350JA có cấu trúc máy chắc chắn với lõi quay mô tơ
chính xác cao với lớp mạ chống gỉ sét, đảm bảo hoạt động liên tục không ngừng nghỉ
suốt 8 giờ. Thân mô tơ bằng nhôm đúc và nắp buồng bơm bằng đồng thau không gỉ
sét đảm bảo độ bền cao. Dây quấn bên trong motor của máy bơm đẩy cao Panasonic
GP-350JA bằng dây đồng.

Hình 3.2 Máy bơm nước
Máy bơm nước đẩy cao Panasonic GP-350JA trang bị rơ le nhiệt tự động ngắt
nguồn điện khi nhiệt độ bơm quá cao. Hai lớp bọc cách ly bảo vệ lõi tĩnh mô tơ chống
ăn mòn, giảm thiểu nguy cơ chạm điện tạo độ an toàn và tin cây cho người sử dụng.

22


Panasonic GP-350JA có khả năng hút nước ở độ sâu 9m, lưu lượng nước bơm
lớn 45 lít/phút giúp bơm nước cực nhanh, tiết kiệm điện tối đa, hoạt động êm ái, động
cơ cực khỏe với công suất 350W. Máy bơm nước Panasonic GP-350JA có thể dùng
bơm từ đường ống nước của nhà máy về bể chứa. Hút nước giếng khơi, giếng đào,
giếng khoan có độ sâu tối đa 9m. Vận chuyển nước lên bồn chứa nước trên cao của
các nhà cao tầng.
Thông số kỹ thuật
Kích thước
Họng hút xả
Loại máy bơm
Nguồn điện áp
Công suất
Lưu lượng nước
Độ hút sâu
Cột áp
Trọng lượng sản phẩm

271mm x 170mm x 258mm
2.54cm
Máy bơm nước đẩy cao
220V / 50Hz
350W
45 lít/phút
9m
45m
14kg

23


CHƯƠNG 4 – LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
4.1 Ngõ vào ra/ ra đấu nối PLC

24


Thống kê các bit đầu vào
Tên biến
START
STOP
CB1
CB2
CB3
CB4
CB5
CB6
MANUAL
AUTO
Van 1
Van 2
Van 3
Van 4
Van 5
Van 6

BIT
I0.0

I0.1
M2.0
M2.1
M2.2
M2.3
M2.4
M2.5
M0.0
M0.1
M1.0
M1.1
M1.2
M1.3
M1.4
M1.5

Thống kê các biến đầu ra
Tên biến
Đèn hệ thống
Máy bơm
V1
V2
V3

BIT
Q0.0
Q0.1
Q1.0
Q1.1
Q1.2

Thống kê các biến nhớ.
Tên biến
Tank1
Tank2
Tank3

BIT
MB20
MB22
MB24

25