Một hệ SCADA nhà máy cấp nước phải phủ cả hai phần: dây chuyền xử lý nằm trong khuôn viên nhà máy và các trạm bơm, bể chứa nằm rải rác trên mạng lưới. Bài viết nêu điểm đo theo từng công đoạn, cách truyền dữ liệu từ trạm ở xa, cách chống sét cho tủ ngoài trời và thiết bị Advantech tương ứng.
Khác biệt lớn nhất của ngành nước so với nhà máy sản xuất là địa bàn. Điểm đo nằm ngoài trời, cách xa nhau, nhiều điểm không có người trực và không có sẵn đường cáp. Vì vậy phần khó của dự án thường không nằm ở phần mềm mà nằm ở truyền dẫn và ở độ bền thiết bị ngoài hiện trường.
Điểm đo theo từng công đoạn xử lý nước
| Công đoạn | Đo gì | Điều khiển gì |
|---|---|---|
| Thu nước thô | Mực nước nguồn, độ đục, lưu lượng vào | Bơm nước thô, cửa phai |
| Keo tụ và lắng | Độ đục sau lắng, lưu lượng hóa chất châm | Bơm định lượng theo lưu lượng nước vào |
| Lọc | Chênh áp qua bể lọc, thời gian chạy từ lần rửa trước | Chu trình rửa lọc, van khí và van nước rửa |
| Khử trùng | Lượng clo dư sau bể chứa | Bơm châm clo theo giá trị đặt |
| Bể chứa và bơm cấp hai | Mực nước bể, áp lực đầu ra, dòng điện từng bơm | Đóng cắt bơm theo mực nước và áp lực |
| Mạng lưới | Áp lực tại điểm bất lợi, lưu lượng theo phân vùng | Van giảm áp, lịch chạy trạm tăng áp |
Hai chỉ số ở cuối bảng phục vụ bài toán thất thoát nước. Muốn tính lượng nước không doanh thu theo từng phân vùng thì đồng hồ tổng của vùng và đồng hồ khách hàng phải đọc cùng một mốc thời gian, việc này chỉ làm được khi số liệu về tự động.
Truyền dữ liệu từ trạm bơm và bể chứa ở xa
Ba tình huống thường gặp, mỗi tình huống một cách xử lý.
Trạm nằm trong khuôn viên nhà máy, cách phòng điều khiển vài trăm mét: kéo cáp quang, đặt bộ chuyển đổi quang điện ở hai đầu, mạng chạy Modbus TCP. Trạm nằm ngoài mạng lưới, có điện lưới nhưng không có đường cáp: dùng gateway sóng di động, gắn hai thẻ SIM và bật bộ nhớ đệm để không mất số liệu khi mất sóng. Trạm chỉ có vài tín hiệu đơn giản như mức nước và trạng thái bơm: dùng module vào ra đọc tại chỗ rồi gửi qua cùng gateway đó, không cần đặt máy tính tại trạm.
Nguyên tắc chung khi thiết kế phần truyền dẫn là tách hai luồng. Luồng chu kỳ gửi giá trị đo theo thời gian đều đặn, chấp nhận chậm vài phút. Luồng sự kiện gửi ngay khi có mất điện, bơm dừng bất thường hoặc cửa tủ bị mở. Tách hai luồng giữ lưu lượng dữ liệu thấp mà cảnh báo vẫn tới kịp.
Chống sét và nối đất cho tủ ngoài trời
Trạm bơm ngoài trời là nơi hư hỏng thiết bị điện tử xảy ra nhiều nhất, phần lớn do quá áp lan truyền chứ không phải do sét đánh trực tiếp. Bốn việc cần làm.
- Bảo vệ đường nguồn theo cấp. Thiết bị cắt sét cấp một đặt tại tủ điện đầu vào, cấp hai đặt ngay trước thiết bị điều khiển. Chọn module vào ra có ghi rõ mức chống xung trên đầu vào nguồn để bớt một lớp rủi ro.
- Cách ly đường tín hiệu. Cảm biến mức nước và cảm biến áp lực đặt xa tủ, dây tín hiệu chạy ngoài trời. Dùng module vào ra có cách ly quang và dùng tín hiệu dòng 4 đến 20 mA thay cho tín hiệu áp để bớt ảnh hưởng của sụt áp trên dây dài.
- Chuyển tuyến truyền thông dài sang cáp quang. Hai đầu tuyến nằm ở hai hệ nối đất khác nhau, cáp đồng dẫn chênh lệch điện thế giữa hai hệ đi thẳng vào cổng mạng. Cáp quang cắt hẳn đường lan truyền đó.
- Nối đất về một điểm. Vỏ tủ, thanh nối đất của thiết bị chống sét và màn chắn cáp tín hiệu phải quy về cùng một điểm nối đất. Đo điện trở tiếp địa sau khi lắp và đo lại định kỳ, vì giá trị này thay đổi theo mùa.
Ngoài quá áp, tủ ngoài trời còn chịu nhiệt độ cao vào buổi trưa và độ ẩm cao vào mùa mưa. Chọn thiết bị theo dải nhiệt độ làm việc ghi trong tài liệu chứ không theo nhiệt độ không khí, vì nhiệt độ bên trong tủ kín phơi nắng cao hơn nhiệt độ ngoài trời đáng kể.
Thiết bị Advantech cho hệ thống cấp nước
| Vai trò | Model | Thông số theo tài liệu hãng | Ghi chú khi lắp |
|---|---|---|---|
| Truyền dữ liệu qua sóng di động | EKI-1321 | Hỗ trợ bốn băng tần GSM/GPRS, hai khe SIM cho dự phòng nhà mạng, khe thẻ SDHC để đệm dữ liệu, 2 đầu vào số, bảo vệ tĩnh điện 15 kV trên mọi tín hiệu nối tiếp, cách ly 1,5 kV | Trạm bơm ngoài mạng lưới, không có đường cáp |
| Đọc trạng thái tủ và bơm | ADAM-4051 | 16 kênh vào số, nhận tiếp điểm khô hoặc tiếp điểm có điện, mức 10 đến 50 V, chống quá áp 70 VDC, cách ly quang 2.500 VDC | Cách ly quang là lý do chính chọn mã này cho tủ ngoài trời |
| Xuất lệnh đóng cắt | ADAM-4056S | 12 kênh ra số kiểu hở cực thu, chịu tới 40 V và 200 mA mỗi kênh, nguồn 10 đến 30 VDC | Đấu qua relay trung gian khi tải là contactor bơm |
| Đọc cảm biến mức và áp lực | ADAM-4117 | 8 kênh vào analog độc lập, phát hiện đứt mạch vòng 4 đến 20 mA, nguồn 10 đến 48 VDC, chống xung 1 kV trên đầu vào nguồn | Phát hiện đứt mạch giúp phân biệt cảm biến hỏng với mức nước bằng không |
| Đưa thiết bị nối tiếp lên mạng | EKI-1524 | 2 cổng Ethernet cho dự phòng mạng, tạo cổng COM ảo trên máy tính, tốc độ tới 921,6 kbps, bảo vệ tĩnh điện 15 kV trên tín hiệu nối tiếp | Đồng hồ lưu lượng và bộ phân tích clo chỉ có cổng nối tiếp |
| Tuyến cáp quang trong nhà máy | EKI-2541S | 1 cổng Ethernet 10/100 Mbps và 1 cổng quang SC, nguồn kép 12 đến 48 VDC, gá DIN rail, có chức năng báo lỗi liên kết | Nối nhà hóa chất, nhà bơm với phòng điều khiển |
| Máy gom dữ liệu và chạy giám sát | ARK-2121F | Máy hộp không quạt, nhiều cổng COM và LAN, gá tủ điện | Đặt tại phòng điều khiển nhà máy, lưu lịch sử tại chỗ |
Chọn thiết bị cho nhà máy cấp nước
Năm thông tin cần chuẩn bị: số trạm ngoài mạng lưới và điều kiện truyền dẫn tại mỗi trạm, danh sách tín hiệu của từng trạm chia theo số và analog, giao thức của các thiết bị phân tích sẵn có, điều kiện lắp đặt của tủ là trong nhà hay ngoài trời, và mức dự phòng yêu cầu cho đường truyền về trung tâm.
Module vào ra và gateway nằm trong danh mục Embedded IoT Solutions, máy gom dữ liệu chọn theo máy tính không quạt. Trang sản phẩm hai mã dùng nhiều tại trạm xa: EKI-1321 và ADAM-4051. Phần lớp phần mềm phía trên nằm ở bài phần mềm SCADA là gì, còn bài hệ thống giám sát chất lượng nước đi sâu vào nhóm chỉ tiêu chất lượng.
Phần kiến thức nền về phân loại máy theo môi trường lắp đặt có tại danh mục máy tính công nghiệp Advantech trên IPC247. Khi cần lọc model theo điều kiện ngoài trời và số cổng, dùng công cụ chọn máy theo yêu cầu.
Câu hỏi thường gặp về SCADA cấp nước
Trạm bơm ở xa không có cáp thì truyền dữ liệu bằng gì?
Dùng bộ gateway có sóng di động, gắn hai thẻ SIM của hai nhà mạng để không phụ thuộc một nhà mạng duy nhất. Thiết bị nên có bộ nhớ đệm để lưu số liệu trong lúc mất sóng và gửi bù khi sóng trở lại. Trạm quan trọng thì vẫn nên có kênh dự phòng thứ hai, ví dụ tin nhắn cảnh báo khi kênh chính hỏng.
Chu kỳ gửi dữ liệu từ trạm bơm nên đặt bao nhiêu?
Với mức nước bể và áp lực đường ống, chu kỳ một tới năm phút là đủ cho vận hành. Với cảnh báo như mất điện, bơm dừng hay cửa tủ bị mở, phải gửi ngay theo sự kiện chứ không chờ chu kỳ. Cách kết hợp này giữ lưu lượng dữ liệu ở mức thấp mà vẫn không chậm cảnh báo.
Tủ điều khiển ngoài trời cần chống sét như thế nào?
Chống sét cần làm trên cả ba đường vào tủ: đường nguồn, đường tín hiệu đo và đường truyền thông. Đường nguồn lắp thiết bị cắt sét theo cấp, đường tín hiệu dùng module có cách ly, đường truyền thông dài nên chuyển sang cáp quang. Toàn bộ vỏ tủ và thanh nối đất phải về chung một điểm nối đất, có đo điện trở tiếp địa sau khi lắp.
Vì sao tuyến truyền thông dài nên dùng cáp quang?
Hai đầu của một tuyến dài thường nằm trên hai hệ nối đất khác nhau, chênh lệch điện thế giữa hai hệ có thể phá hỏng cổng mạng khi có sét đánh gần. Cáp quang không dẫn điện nên cắt hẳn đường lan truyền đó, đồng thời không bị nhiễu từ động cơ và biến tần dọc tuyến.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
