Giải pháp giám sát và điều khiển trạm bơm từ xa qua mạng GPRS/3G

I. Giới thiệu

Trong hệ thống mạng cấp nước, chúng ta thường có nhiều trạm bơm có thể kể ra như sau :

• Trạm bơm cấp 1 ( Hay còn gọi là trạm bơm nước thô): Bơm nước từ công trình thu đến trạm xử lý (Vd: bơ giếng khoan, sông hồ...).

• Trạm bơm cấp 2: Bơm nước từ bể chứa nước sạch vào mạng lưới tiêu thụ hoặc bể chứa áp lực.
• Trạm bơm tăng áp: Được sử dụng để tăng áp lực cục bộ trên mạng lưới để cấp nước cho khu nhà cao tầng đột xuất .
• Trạm bơm cấp nước tuần hoàn: Thường sử dụng trong hệ thống cấp nước tuần hoàn của các nhà máy , xí nghiệp, khu công nghiệp... 
• ….

Các trạm bơm này phân bố trong một không gian rộng lớn, cách xa nhà máy, cách xa trung tâm điều khiển và thông thường ở Việt Nam hiện tại ở mỗi trạm bơm phải có một đội vận hành giám sát và điều khiển thay ca làm việc 24/24 khá tốn kém mà hiệu quả chưa cao.

Nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động, ứng dụng các công nghệ tiên tiến vào việc quản lý vận hành và khai thác các trạm bơm, chúng tôi xin giới thiệu giải pháp giám sát và điều khiển các trạm bơm từ xa tập trung qua mạng GPRS/3G.

Trong hệ thống này, tại mỗi trạm bơm sẽ có một bộ điều khiển PLC để giám sát và điều khiển các bơm trong trạm, các bộ PLC này được tích hợp sẵn modem GPRS/3G bên trong nên chúng ta chỉ cần lắp đặt thêm một bộ Simcard vào các bộ PLC này để gởi dữ liệu về trung tâm qua mạng GPRS/3G.

Thông trường, trung tâm giám sát và điều khiển được đặt tại nhà máy xử lý nước và khi xây dựng nhà máy đã có phần mềm giám sát và điểu khiển (SCADA) của riêng nhà máy. Phần mềm giám sát và điều khiển các trạm bơm có thể tích hợp chung với phần mềm giám sát này của nhà máy hoặc xây dựng một hệ thống độc lập.

II.  Tổng quan về hệ thống

Một cách tổng quan về hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, tập trung các trạm bơm qua mạng GPRS/3G có thể hình dung như hình dưới đây :

Trong đó, tại mỗi trạm bơm chúng ta sẽ có một bộ điều khiển PLC, bộ PLC này đảm nhận toàn bộ việc giám sát và điều khiển các bơm trong trạm, giám sát các giá trị đo lường như mực nước bồn bể, áp lực, lưu lượng, các thông số chất lượng nước … và gởi toàn bộ dữ liệu về trung tâm qua mạng GPRS/3G.

Tại trung tâm, thông thường được đặt tại nhà máy xử lý nước và khi xây dựng nhà máy chúng ta đã có phần mềm giám sát và điểu khiển (SCADA) của riêng nhà máy. Phần mềm giám sát và điều khiển các trạm bơm có thể tích hợp chung với phần mềm giám sát của nhà máy hoặc xây dựng một hệ thống mới độc lập.

Các bộ PLC này là loại chuyên dụng cho việc giám sát và điều khiển từ xa qua mạng điện thoại di động, được tích hợp modem GSM bên trong, chúng ta chỉ cần lắp đặt vào các bộ PLC này một Simcard (có thể là của Vinaphone, Mobi, Viettel…) đăng ký dịch vụ GPRS/3G là nó có thể kết nối với trung tâm. Tại trung tâm, để kết nối đến các trạm bơm thì máy chủ phải kết nối với mạng Internet để truyền nhận dữ liệu từ các trạm gởi về.

Số lượng các trạm trong toàn hệ thống là không giới hạn, do đó, ngoài việc giám sát các trạm bơm, chúng ta hoàn toàn có khả năng mở rộng hệ thống để giám sát thêm các trạm như đo mực nước bồn bể, đo áp lực, lưu lượng, phân tích chất lượng nước, điều khiển các DMA …

2.1 Bộ điều khiển tại mỗi trạm bơm

Trong các hệ thống mạng cấp nước ở Việt Nam, ngoại trừ các hệ thống mới được xây dựng thì các trạm bơm thường có các hệ thống điều khiển hiện đại, còn rất nhiều các trạm bơm được xây dựng từ lâu và có các đặc điểm chung như sau :

• Điều khiển lưu lượng/áp lực :
  • Điều chỉnh bằng van đầu ra theo đặc tính Q-H
  • Hoặc tắt/mở bơm
  • Hạn chế:
    • Điều khiển thô
    • Tiêu tốn nhiều năng lượng
    • Gây tổn hao, hư hỏng thiết bị

Từ đó, dẫn đến những yêu cầu bức thiết :

• Tài nguyên nước hạn chế – thất thoát quá lớn
• Điện bơm nước –  chiếm >30% cơ cấu giá nước
• Chi phí vận hành & bảo dưỡng cao

GIẢI PHÁP BIẾN TẦN CHO CÁC TRẠM BƠM :

Điều khiển lưu lượng/áp lực:

• • Theo giá trị cài đặt
  • Điều khiển vòng kín à tăng độ chính xác
  • Ưu điểm:
    • Điều khiển chính xác ±1% & vô cấp
    • Đáp ứng nhanh < 5-10s
    • Giảm tiêu hao năng lượng – lên tới 20-30%.
    • Kéo dài tuổi thọ thiết bị (motor, van, đường ống...)
  • Các tiện ích lựa chọn khác (ACS800):
    • Hổ trợ bảo trì với chức năng anti-jamp
    • Tính toán lưu lượng bơm (không cần FT, sai số ± 5 -10%)
    • Giám sát năng lượng
  • Điều khiển, giám sát:
    • Điều khiển: bằng tay/tự động, theo nhiều mức cài đặt trong ngày
    • Bảo vệ: quá tải, bể/xì ống, cạn nước...
    • Tăng/giảm áp ‘mịn‘ chống sốc
    • Khóa chéo tín hiệu: mức nước, van đóng/mở
    • Hiển thị: áp lực, dòng điện...
    • Báo cáo: chạy dừng, cảnh báo...

Các tính năng khác: 

• Thống kê điện năng tiêu thụ

• Điều khiển phối hợp nhiều bơm
• Giám sát điều khiển từ xa qua mạng GPRS/3G

MỞ RỘNG TRẠM VỚI NHIỀU BƠM :

Với một trạm có nhiều bơm, chúng ta có hai giải pháp:

1. Cascade: 1 biến tần, Tại môt thời điểm điều khiển tốc độ 1 bơm và on/off cho các bơm còn lại
2. Master/Slave: nhiều biến tần điều khiển tốc độ cho tất cả các bơm và các biến tần kết nối mạng với nhau.

Ưu điểm:

1. Tiết kiệm năng lượng
2. Điều độ thời gian cho mổi bơm
3. Tránh áp lực cao(thừa) trên đường ống

BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC GPRS/3G :

Bộ điều khiển PLC tích hợp modem GSM/GPRS của hãng Phoenix Contact :

1. Giám sát và điều khiển toàn bộ trạm bơm theo các chế độ vận hành khách nhau.
2. Điều khiển biến tần/ nối mạng các biến tần.
3. Giám sát các giá trị đo lường : Áp lực, lưu lượng, mực nước bồn bể, chất lượng nước, điện áp., dòng điện, điện năng tiêu thụ...
4. Giám sát các trạng thái : Bơm chạy/dừng/trip, thời gian hoạt động/dừng, trạng thái cảnh báo : áp lực cao/thấp , mực nước cao/thấp, thông số điện năng …
5. Tích hợp modem GSM/GPRS bên trong, có khả năng kết nối và truyền dữ liệu về trung tâm qua mạng GPRS/3G.
6. …

2.2 Trung tâm giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu

Trung tâm giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu thường được đặt tại nhà máy xử lý nước, có thể tích hợp chung với hệ thống giám sát và điều khiển của nhà máy đang có sẵn (Hệ thống SCADA nhà máy)  hoặc xây dựng một hệ thống hoàn toàn mới và độc lập, phần mền giám sát và điều khiển này sẽ có các đặc điểm chính như sau :

Thể hiện vị trí và trạng thái hoạt động của các trạm bơm trên bản đồ :

Thể hiện chi tiết trạng thái và các thông số hoạt động của các bơm :

Lưu trữ các giá trị : Áp lực, lưu lượng, mực nước, điện năng … :

Hoặc xem dưới dạng đồ thị :

Cài đặt các thông số vận hành :

 Lưu trữ các thông báo cảnh báo :

II.  Truyền thông qua mạng GPRS/3G

Thực tế hiện tại ở Việt Nam, một số các trạm bơm đang được kết nối về trung tâm qua các mạng cáp quang, mạng ADSL, mạng SHDSL, Wireless … Đặc điểm chung của các mạng truyền thông này là tốn kém nhiều chi phí, cả chi phí xây dựng ban đầu củng như chi phí duy trì, bảo dưỡng...

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mới, truyền thông qua mạng điện thoại di động (GPRS/3G) đã có những bước phát triển vượt bậc trên toàn thế giới củng như ở Việt Nam trong mấy năm gần đây, xu hướng sử dụng dịch vụ truyền thông qua mạng di động đang phát triển mạnh mẽ và có những ứng dụng rất hữu ích.

Đặc điểm nổi trội của công nghệ truyền thông qua mạng di động là chi phí thấp, chi phí đầu tư xây dựng ban đầu rất thấp, chi phí thuê bao hàng tháng củng rất thấp, ví dụ thời điểm hiện tại ở Việt Nam, chúng ta có thể nêu ra số gói thuê bao truyền thông mạng 3G có thể sử dụng cho một trạm bơm như sau :

• Mạng Vinaphone : Gói thuê bao M25, miễn phí 100MB/tháng, cước 25,000 VND
• Mạng Mobifone : Gói thuê bao M25, miễn phí 100MB/tháng, cước 25,000 VND
• Mạng Viettel : Gói thuê bao MI25, miễn phí 120MB/tháng, cước 25,000 VND

Thông tin liên hệ : Ks. Nguyễn Thạc Ban (Công ty CP Công nghệ Bách Việt – Bavitech)