

Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày
càng tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiêm năng lượng. Các
nghành công nghiệp nói chung và ngành nước nói chung vẫn sử dụng
công nghệ truyền động không thích hợp,điều khiển thụ động, không linh
hoạt. Đối với nhà máy nước, yếu tố cấu thành giá nước bị chi phối phần
lớn bởi chi phí điện bơm nước( 30-35%). Trước đây tồn tại quan điểm
việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém và không
mang lại hiệu quả thiết thực. Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra
việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm
cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và giảm được chi phí
cho công tác quản lý vạn hành thiết bị.Máy bơm và quạt gió là những ứng
dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng.
Trong phạm vi đồ án, chúng ta chỉ đề cập tới việc sử dụng thiết bị biền
tần trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm và ổn
định áp suất trong đường ống cấp nước.

Đối với các hệ thống bơm cấp nước trong thực tế,người ta sử dụng máy
bơm công suất lớn, biến tần công suất lớn để bơm cấp nước cho cả khu
dân cư, thành phố, cho cả khu công nghiệp. Với đề tài này,chúng em đã
mô hình hòa hệ thống nên chỉ sử dụng biến tần công suất nhỏ và động cơ
không đồng bộ để mô tả sự hoạt động của hê thống với tín hiệu giả đưa
về tư triết áp. Một phần vì các máy bơm ba pha thường rất to và nặng kéo
theo hệ thống sẽ không đơn giản, lý do nữa là chi phí cho một đồ án như
vậy là quá lớn với khả năng của chúng em. Để thực hiện được đề tài
chúng em đã:
- Nghiên cứu kĩ hệ thống bơm cấp nước trong thực tế, nắm rõ trình
tự điều khiển từng máy bơm
- Tìm hiểu về biến tần sử dụng
- Lựa chọn biến tần và động cơ có công suất hợp lý

- Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời.
- Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thủy lực.
Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm
được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường
ống do chấn động khi đóng mở van gây nên,đồng thời các máy bơm cung
cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới.
Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều
khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần
là thiết bị điều chỉnh biến đổi quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số
của dòng điện cung cấp cho động cơ.
123456789:;<3=>;?67@A62>B7>C621
Đầu ra của PLC được nối với biến tần để điều khiển biến tần và từ đây
biến tần điều khiển tốc độ động cơ.
Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu
lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ.
Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về PLC.PLC sẽ so sánh giá trị
truyền về này với giá trị đặt để từ đó ra lệnh cho biến tần giúp thay đổi
tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi tần số dòng điện đưa vào đông cơ
để đảm bảo áp suất nước trong đường ống là ổn định.
Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể
như sau:
- Điều chỉnh tốc độ quay khi áp suất thay đổi.
- Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm
bơm.Một thiết bị biến tần có thể điều khiển tới 5 máy bơm.
11>DE627>F9:;<3=>;?6GEH
Có 3 phương thức điều khiển các máy bơm:
I
trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hut hồi tiếp về PLC.Bộ vi xử
lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt.Trên cơ sở
kết quả so sánh PLC sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù

11>T62D3:;?H=>;:;<3=>;?67C9:UGEHGV627>;S7GWG;S6
7X6
- Hạn chế được dòng khởi động cao
- Tiết kiệm năng lượng
- Điều khiển linh hoạt các máy bơm
- Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400Kw
- Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt
- Tăng tốc nhanh giúp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ
- Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc quá điện áp khi khởi
động
- Bảo vệ được động cơ khi :ngắn mạch,mất pha,lệch pha,quá tải,quá
dòng,quá nhiệt…
- Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows
- Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm
- Mô-men khơỉ động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng
- Dễ dàng lắp đặt vận hành
- Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần
11Y7Z>A[7:U629\]>B7>C62(được điều khiển theo hình thức biến
tần điều khiển một bơm)
Trong hệ thống có tất cả là 2 máy bơm:một máy bơm 3 pha và một
máy bơm 1 pha.Biến tần sẽ điều khiển trực tiếp máy bơm 3 pha,máy bơm
1 pha sẽ bơm dự phòng khi mà máy bơm 3 pha chạy hết công suất định
mức mà áp suất vẫm chưa ổn định ở giá trị setpoint.Máy bơm dự phòng
này sẽ được điều khiển trực tiếp bằng điện lưới 220V.
Khởi động hệ thống lên thì máy bơm 3 pha được điều khiển bằng biến
tần sẽ được động cơ chạy cho tới khi đạt được áp suất đặt,khi áp suất
trong đường ống đã bằng áp suất đặt thì biến tần sẽ giữ ổn định tốc độ của
máy bơm này.Trường hợp tải thay đổi tức là áp suất thay đổi,tùy theo tải
tăng hay giảm thì biến tần sẽ điều khiển máy bơm chạy nhanh hay chậm.
Khi tải tăng tức là áp suất giảm,lúc này muốn ổn định áp suất thì biến

động này một số chức năng chính sau:
 Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về
CPU của S7-200.
 Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này.
 Điều khiển: S7-200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu
cầu.
 Giám sát: S7-200 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt
động.
 Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: sử dụng phần mềm giao
diện người máy (HMI) WinCC.
 Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với
biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo
dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất.
Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có
thể sử dụng cùng lúc hai bơm nếu cần. Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng
chạy trực tiếp thông qua côngtắctơ như là một bơm nền và bơm có biến
tần sẽ chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải.
11/E:a=>C;>B7>C62
Hình 1 sơ đồ khối hệ thống
b)&-#c
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHN DNG
11#d62e3]6f<6>g6h[62e3O7@i6>
!   +,-*./0123
Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các dữ liệu vào-
ra thực nghiệm được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ
thống (system identification). Khái niệm nhận dạng hệ thống được định
nghĩa trong chuẩn IEC 60050- 351 là “ những thủ tục suy luận một mô
hình toán học biễn diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống
từ đáp ứng của nó với một tín hiệu đầu vào xác định, ví dụ hàm bậc
thang, một xung hoặc nhiễu ồn trắng”. [Nguyên văn tiếng Anh: “ The

toán học phù hợp cho đối tượng. Trong điều khiển quá trình với các
phương pháp kinh điển, mô hình tuyến tính bậc nhất và bậc hai (có hoặc
không có trễ, có hoặc không dao động, có hoặc không thành phần tích
phân) là những dạng thực dụng nhất. Sau đó là xác định các tham số của
mô hình. Để nhận dạng được các tham số này, tác động tín hiệu kích
thích phù hợp đến đầu vào của quá trình, ghi lại đáp ứng đầu ra của quá
trình, từ đó xác định các tham số phù hợp với mô hình đang sử dụng.
Cuối cùng là bước mô phỏng – kiểm chứng – đánh giá mô hình được xác
định ở các bước trên với sự trợ giúp của máy tính.
!  ! :/;<0=$/(>20?*@)A
B
Đối tượng ở đây là động cơ Bơm nước
Hàm truyền của ĐC bơm được xác định bằng phương pháp thực
nghiệm.
Cấp công suất tối đa cho bơm, áp suất nước do bơm tạo ra tăng dần.Sau 1
thời gian áp suất đạt đến giá trị bão hòa.Đặc tính áp suất theo thời gian có
thể biểu diễn như hình (2.2a).Do đặc tính chính xác của DDC bơm khá
phức tạp nên ta xấp xĩ bằng đáp ứng gần đúng như ở hình (2.2b).
Công suất P=100% Áp suất đầu ra
Hình 2.1: Sơ đồ khối mô tả đối tượng điều khiển
P(atm) P(atm)
K K
t(sec) t(sec)
Động cơ bơm
a) L T b) L T
Hình 2.2: Đặc tính của động cơ bơm
a) Đặc tính chính xác b) Đặc tính gần đúng

Ta xác định hàm truyền gần đúng của động cơ bơm dùng định nghĩa:
W(p) =

+
Suy ra hàm truyền đạt của động cơ bơm:
W(p) =
1
2
.
1
C 9


C 9
−
+
Trong đó:
k: hệ số khuếch đại tĩnh
T1 thời gian trễ xấp xĩ
T2: hằng số thời gian
!  ! ! :/;/)DA)20?*
Như đã trình bày ở phần trên, đối tượng điều khiển là động cư bơm có
hàm truyền đạt của mô hình toán học quán tính bậc nhất có trễ:

1
2
( )
1
C 9

E 9 
C 9
−

08.0
×+
×−
≈
−
Suy ra
)(
)(
5027
854.3
)(
2
9
9?
99
9
9E =
++
+−
=
Theo phương pháp số TUSTIN vẽ y(p) => y(t) thì:
Từ hàm ảnh p ta chuyển sang miền hàm ảnh z:
1
1
.
2
+
−
=
F

)45450()8100()45450(
)8.685(170)8.685(
)(
2222
2222
F
F?
CCFCFCC
CCFCFCC
FE =
+−+−+++
+++−
=
=>
)()45450()(.)8100()(.)45450(
)().8.685()(.170)(.)8.685(
2222
2222
F?CCF?FCF?FCC
FCCFFCFFCC
+−+−+++=
+++−
Từ đó ta tra bảng ảnh gốc:
- Hàm gốc pt sai phân: y(k) = y(z)
y(k+1) = z.y(z)
y(k+n) = z
)(. F?

- Hàm gốc pt vi phân:
)(. 9?9

)()45450()1().8100(340
)2(
2
222
++
+−−+−−
=+
CC
?CC?CC
?
Rút gọn biểu thức:

)08.008.1(
)()08.008.1()1().16.02(8.6
)2(
2
222
++
+−−+−−
=+
CC
?CC?CC
? Biểu thức trên chỉ ra: đáp ứng đầu ra của hệ thống thay đổi thế nào khi
các kích thích đầu vào thay đổi sau mỗi lần lấy mấu. Trong đó y(k) và
y(k+1) lần lượt là các đáp ứng đầu ra thu được sau 2 lần lấy mẫu trước
đó.


ứng quá độ rất được ưa chuộng với những người làn thực tế, bởi tính trực
quan và đơn giản. Tất nhiên, mức độ chính xác của các mô hình nhận
được thường là ở mức độ khiêm tốn bởi hai lí do:
• Mô hình sử dụng thường đơn giản (bậc thấp)
• Ảnh hưởng của nhiễu không được giải quyết tốt
Song đối với mức độ yêu cầu của một phần không nhỏ các bài toán
điều khiển quá trình thì người ta có thể bằng lòng với cách làm này.
Có 3 phương pháp để xác định các hệ số của mô hình FOPDT, đó là:
• Phương pháp kẻ tiếp tuyến
• Phương pháp hai điểm quy chiếu
• Phương pháp diện tích
Đối với phương pháp 1, việc kẻ tiếp tuyến để ước lượng các tham
số mô hình mang tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi
trên máy tính. Hơn nữa, nhiễu quá trình và thiếu đo có thể gây sai lệnh rất
lớn trong kết quả. Vì vậy, trong thực tế ta nên tránh áp dụng phương
pháp này.
Trong khi đó, nhược điểm của phương pháp 3 là khối lượng tính
toán xấp xỉ tích phân là rất lớn. Thêm nữa, kết quả tính toán các tham số
thời gian phụ thuộc một cách tương đối nhạy cảm vào các giá trị ước
lượng cho các hệ số khuếch đại tĩnh k. Chỉ cần giá trị k có sai số tương
đối nhỏ cũng có thể dẫn tới sai số lớn trong tính toán T1 và T2.
Vì vậy, để khắc phục một phần nhược điểm của phương pháp kẻ
tiếp tuyến cũng như giảm bớt khối lượng tinh toán xấp xỉ tích phân của
phương pháp diện tích nói trên ta có thể áp dụng phương pháp hai điểm
quy chiếu. Trong phương pháp này, ta dùng hai điểm quy chiếu tương
ứng với các giá trị 0,283∆y∞ và 0,632∆y∞ thay cho chỉ sủ dụng một
điểm.
Output
1.051.061.0
51.0)27.061.0(5.1)(5.1
7.1
1
7.1
221
122
CC
C

?

Tương tự, nếu tiếp tục giảm chu kỳ lấy mẫu, ta có các kết quả sau:
• T=0.005s
⇒



==
==
590.0005.0.118
255.0005.0.51
2
1





=−=

C


Và được tổng hợp trong bảng dưới đây:
Thời gian lấy mẫu T (s) 0,0100 0,0050 0,0016 0,0010 0,0008
Hệ số khuếch đại tĩnh k 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7
Thời gian trễ xấp xỉ T1 (s) 0,1000 0,0875 0,0824 0,0820 0,0812
Hằng số thời gian T2 0,5100 0,5025 0,5016 0,5010 0,5004
• Nhận xét :
Tại giá trị chu kỳ lấy mẫu T = 0,0008 (giây), ta có:
Sai số tương đối:



=−=
=−=
0004,05,05004,0
0012,008,00812,0
2
1
C
C
ε
ε

Đây là những sai số chấp nhận được. Như vậy, khi giảm dần chu
kỳ lấy mẫu (tức là tăng tần xuất lấy mẫu), ta nhận thấy, các giá trị T1
và T2 dần tiến đến sát giá trị ban đầu được xác định qua thực nghiệm
(T1= 0,08 ; T2 = 0,5). Nói cách khác, quá trình nhận dạng đối tượng
dựa trên đáp ứng quá độ theo phương pháp kinh điển đã kiểm chứng

thuần túy và 3% thực hiện luật PID đầy đủ, còn lại là những dạng dẫn
xuất khác.
Setpoint
output
process
+
-
e(t)
Kp
dt
de(t)
t
0
Kd
Ki
e(t)dt
t
0
Hình 2 sơ đồ khối bộ PID
! 5  !4H;6IJ
Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ PID được phân loại thành
5 nhóm chính như sau:
- Các phương pháp dựa trên đặc tính sử dụng một số đặc điểm của quá
trình và tính toán các tham số bộ điều khiển để thu được các đặc tính
vòng kín mong muốn.
- Các phương pháp mô hình mẫu tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô
hình toán học của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở
( đưa ra dưới dạng hàm truyền đạt hoặc đặc tính đáp ứng tần số ).
- Các phương pháp nắn đặc tính tần số theo quan điểm thiết kế truyền
thông, sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình đáp ứng tần số

tính tích phân nên sử dụng luật P cho điều khiển lỏng và luật luật PI cho
điều khiển chặt (thời gian tích phân lớn ). Nhưng do yêu cầu cao hơn về
độ chính xác vì lý do an toàn trong quá trình đo. Ngoài ra còn khâu PID
thường đáp ứng với khâu quán tính bậc 2. Và thành phần vi phân D ýt
sử dụng bởi thực sự không cần thiết, hơn nữa phép đo áp suất ýt khi có
sự ảnh hưởng của nhiễu. Nên trong quá trình đo áp suất không sử dụng
luật PID.
Cách chọn luật điều khiển cũng như sự cần thiết sử dụng các sách lược
bổ sung tóm tắt trong bảng sau:
ST
T
Điều kiện
1 1
à k8
θ
Điều
khiển
lỏng
Điều khiển chặt
Nhiễu đo lớn Giới hạn
điều
khiển nhỏ
Nhiễu đo
nhỏ và giới
hạn điều
khiển lớn
1

1
1

θ
< <
< <
PI
PI PI or
PID
PDI
4
1 1
2 2
0,15; 1,5
0.3; 2


θ
θ
< >
> <
P or
PI
PI PI or
PID
PI or PID
5

1
2
0,3
2
θ


G L
ω
=
và
1
1
2
C
C
θ
=

Từ các hệ số trên áp dụng vào quá trình đo áp suất với đối tượng điều
khiển có hàm truyền đạt được xác định ở phần dưới:

0.08
1.7
W( )
1 0.5
9
9 
9
−
=
+
Khi đó ta xác định được:

1
1

e(t) + K
I
∫
dt)t(e

K
P
: hệ số khâu tỉ lệ.
K
I
: hệ số khâu tích phân.
K
D
:hệ số khâu vi phân.
Biến đổi Laplace:
( ) 1
W ( ) . 1
( )
6I 
9
 9
9 
 9 C
 
= = +
 ÷
 ÷
 
trong đó:
,

2. .( 1)


 C F
C F
+
−
=
( )
( )
F
F


! 5 ! !P)99/9Q/;)DA6IJ)O10M+1D
+Phương pháp 1:
Sử dụng dạng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của đối tượng
điều khiển

( )
.
1
KD
R
R
 
R
C
−
=

C
 C

PI
2
1
0,9
.
C
 C
3,3T
1
PID
2
1
1,2C
C
2 T
1
0,5 T
1
! 5 ! 5T$9U0#1)91)
sB6>) : chuyển đổi từ hệ liên tục sang hế gián đoạn
Cú pháp
sysd = c2d(sys,Ts,’method’)
Ts : là thời gian trích mẫu
với ’method’ là:
‘zoh’ chuyến sang hệ gián doạn thừa nhận một khâu giữ bậc 0 ở ngõ vào
‘foh’ chuyến sang hệ gián doạn thừa nhận một khâu giữ bậc 1 ở ngõ vào
‘tustin’ chuyến sang hệ gián doạn sử dụng phép gần đúng song tuyến

Transfer function:
-3.4 s + 85

s^2 + 27 s + 50Transfer function:
-0.01309 z^2 + 0.00374 z + 0.01683

z^2 - 1.758 z + 0.7624

Sampling time: 0.01
num1 =
0 3.7500 14.2040
den1 =
1 0

Transfer function:
3.75 s + 14.2

sTransfer function:
3.821 z - 3.679

z - 1

Sampling time: 0.01