Kiến trúc SCADA cho trạm bơm: PLC – HMI – RTU

Một trạm bơm hiện đại không chỉ cần bơm tốt và tủ điện “chạy được”, mà cần một kiến trúc điều khiển–giám sát đủ sâu để vận hành ổn định, giảm sự cố và tối ưu chi phí dài hạn. Khi quy mô trạm bơm tăng (nhiều bơm, nhiều tuyến, nhiều điểm đo), hoặc khi trạm nằm xa trung tâm vận hành, việc dùng rời rạc vài bộ điều khiển đơn lẻ sẽ nhanh chóng bộc lộ điểm yếu: khó chẩn đoán nguyên nhân, dữ liệu mất, báo động giả, lịch sử không đủ để phân tích, không có báo cáo KPI, và khó mở rộng thêm cảm biến hay thêm tuyến bơm.

1) SCADA trong trạm bơm là gì và khác gì so với “tủ điều khiển” thông thường?

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) là hệ thống giám sát – điều khiển cấp cao – thu thập dữ liệu. Khác với tủ điều khiển đơn giản chỉ “bật tắt bơm” hoặc giữ áp bằng biến tần, SCADA tập trung vào:

Hiển thị trạng thái trạm theo thời gian thực (real-time)
Thu thập dữ liệu vận hành: áp, lưu lượng, mức, rung, nhiệt, điện năng…
Quản lý alarm có phân cấp, có xác nhận, có nhật ký
Lưu lịch sử (Historian) để truy vết và phân tích
Tạo báo cáo: kWh, m³ bơm, kWh/m³, số lần khởi động, giờ chạy, downtime, sự cố lặp
Điều khiển từ xa có kiểm soát (khi được phép)
Mở rộng đa trạm, quản trị theo vùng

Trong các hệ trạm cấp nước tổng, booster, trạm HVAC hay trạm nước kỹ thuật với bơm lớn như Máy bơm nước Pentax CM80-200A công suất 50HP (37kW) hoặc Máy bơm nước Pentax CM65-200A công suất 30HP (22kW) thuộc nhóm máy bơm nước Pentax CM EN733, việc có SCADA giúp tránh vận hành “mù dữ liệu”, đặc biệt khi tải biến thiên theo giờ hoặc theo mùa.

2) Bốn khối cốt lõi: PLC – HMI – RTU – Historian

2.1 PLC: bộ não điều khiển thời gian thực

PLC (Programmable Logic Controller) là lớp điều khiển tại chỗ, chịu trách nhiệm:

Logic chạy/dừng bơm, staging nhiều bơm
Điều khiển biến tần theo áp/∆P/lưu lượng
Interlock an toàn: cạn bể, quá áp, quá dòng, quá nhiệt…
Thu thập I/O thời gian thực (DI/DO/AI/AO)
Giao tiếp với thiết bị trường: VFD, đồng hồ điện, flowmeter thông minh…

Nguyên tắc quan trọng: PLC phải đảm bảo trạm chạy an toàn ngay cả khi SCADA/HMI/mạng bị mất. PLC là lớp “không được phép phụ thuộc mạng”.

2.2 HMI: giao diện vận hành tại trạm

HMI (Human Machine Interface) đặt tại phòng bơm hoặc tủ điều khiển, phục vụ:

Vận hành tại chỗ: Auto/Manual, Start/Stop, setpoint
Hiển thị nhanh: áp, Q, mức, trạng thái bơm, trạng thái VFD
Xác nhận alarm tại trạm
Chẩn đoán sơ bộ: lỗi VFD, lỗi cảm biến, lỗi liên động

HMI tốt giúp kỹ thuật viên xử lý nhanh mà không cần mở laptop.

2.3 RTU: “cánh tay” cho trạm xa và truyền dữ liệu về trung tâm

RTU (Remote Terminal Unit) thường dùng khi:

Trạm nằm xa trung tâm (trạm cấp nước, trạm thoát nước, trạm tưới…)
Cần truyền dữ liệu qua 4G/5G, radio, leased line, hoặc VPN
Cần thiết bị tối ưu cho môi trường công nghiệp ngoài trời

RTU có thể là một PLC loại nhỏ có module truyền thông, hoặc một RTU chuyên dụng. Vai trò:

Thu thập dữ liệu và gửi về SCADA trung tâm
Thực thi một số logic tối thiểu nếu cần
Quản lý giao tiếp từ xa ổn định, tối ưu băng thông

Trong trạm bơm dùng máy bơm nước Pentax hoặc máy bơm nước Ebara chạy ở khu vực xa, RTU giúp giảm phụ thuộc vào người trực tại chỗ và tạo nền tảng vận hành tập trung.

2.4 Historian: kho dữ liệu lịch sử để phân tích và báo cáo

Historian là lớp lưu dữ liệu thời gian (time-series), chuyên cho:

Lưu trend hàng giây/phút/giờ
Nén dữ liệu thông minh, tối ưu dung lượng
Truy vấn nhanh để vẽ biểu đồ, phân tích sự kiện
Hỗ trợ báo cáo KPI theo ca/ngày/tháng

Historian giúp trả lời các câu hỏi vận hành mà “nhìn SCADA thời gian thực” không trả lời được:

Vì sao áp dao động vào 18:00–21:00 hằng ngày?
Tại sao kWh/m³ tăng dần trong 3 tháng?
Bơm nào chạy nhiều nhất? có luân phiên đều không?
Alarm nào lặp lại nhiều? có liên quan cavitation hay min-flow?

3) Mô hình kiến trúc SCADA điển hình cho trạm bơm

Một kiến trúc thực tế thường chia 3 lớp:

3.1 Lớp hiện trường (Field layer)

Thiết bị gồm:

Cảm biến: pressure, flow, level, temp, vibration
Đồng hồ điện, đồng hồ lưu lượng
VFD, soft starter, MCC
Van điều khiển, van điện, công tắc mức

Giao tiếp phổ biến:

4–20mA/0–10V cho analog
DI/DO cho trạng thái
Modbus RTU/TCP cho VFD, đồng hồ thông minh
BACnet/IP hoặc gateway nếu nối BMS

3.2 Lớp điều khiển (Control layer)

PLC chính + I/O
HMI tại chỗ
Switch công nghiệp, phân đoạn mạng (nếu cần)
RTU/gateway truyền về trung tâm (nếu là trạm xa)

3.3 Lớp giám sát – dữ liệu (Supervisory & Data layer)

SCADA server (alarm, giao diện tổng)
Historian server (lưu trend)
Reporting/Dashboard (báo cáo, KPI)
OPC UA server/gateway (tùy nền tảng)
Active Directory/role-based access (nếu cần phân quyền)

4) Thiết kế dữ liệu và “tag model”: nền móng cho SCADA bền vững

SCADA thất bại thường không phải do phần mềm, mà do “tag lộn xộn”: đặt tên tùy hứng, không có cấu trúc, không có đơn vị, không có thang đo, không có chuẩn trạng thái.

4.1 Nguyên tắc tag model cho trạm bơm

Nhất quán theo trạm → tuyến → thiết bị → tín hiệu
Có đơn vị và mô tả rõ
Có phân loại: analog, digital, alarm, setpoint, command
Có quy ước trạng thái cho bơm: Ready/Run/Fault/Trip/Maintenance

Ví dụ cấu trúc:

ST01.PMP01.RUN
ST01.PMP01.FLT
ST01.HEADER.PRESS.PV
ST01.HEADER.PRESS.SP
ST01.SUCT.LEVEL.PV
ST01.VFD01.FREQ.PV
ST01.PWR.KW.PV
ST01.PWR.KWH.TOTAL

4.2 Chuẩn hóa scaling và quality

4–20mA phải quy đổi đúng: 0–10 bar, 0–100 m³/h, 0–10 m…
Có cờ chất lượng (quality) cho tín hiệu: OK/Bad/Uncertain
Khi mất tín hiệu cảm biến, SCADA hiển thị trạng thái rõ, tránh “0 ảo”

4.3 Mapping thiết bị nhiều bơm: template hóa để mở rộng

Nếu trạm có 3–6 bơm, hãy dùng template:

PMP template: run, fault, speed, current, hours, start_count…
VFD template: freq, kw, alarm_code, dc_bus, temp…
Alarm template: hi/lo, delay, acknowledge, shelving…

Khi thêm bơm mới, bạn chỉ “copy template” thay vì làm lại từ đầu.

5) Alarm management: không để trạm bơm “báo động như mưa”

Alarm nhiều không đồng nghĩa an toàn. Alarm nhiều mà không phân cấp sẽ khiến vận hành bỏ qua. Một chiến lược alarm tốt gồm:

5.1 Phân cấp alarm theo mức độ

Critical/Trip: gây dừng bơm hoặc nguy cơ hư hỏng lớn
Major: ảnh hưởng vận hành, cần xử lý sớm
Minor/Warning: cảnh báo sớm để theo dõi

5.2 Alarm cần có “delay” và điều kiện logic

Ví dụ:

Low pressure: chỉ kích khi duy trì thấp > 10–30 giây
Flow low: chỉ kích khi bơm đang RUN, tránh báo lúc dừng
Level low-low: trip ngay nhưng vẫn lưu nhật ký sự kiện

5.3 Alarm + event + audit trail

Alarm: trạng thái bất thường
Event: thay đổi trạng thái (start/stop, chuyển mode, change setpoint)
Audit: ai thay đổi, lúc nào, giá trị trước–sau

Điều này quan trọng khi trạm lớn, nhiều người vận hành.

6) Historian cho trạm bơm: lưu gì, tần suất bao nhiêu, giữ dữ liệu bao lâu?

6.1 Nhóm dữ liệu nên lưu

Dữ liệu thủy lực: pressure, flow, level
Dữ liệu điện: kW, kWh, A, V, PF
Trạng thái bơm: run/fault/trip, mode, staging state
Dữ liệu VFD: frequency, torque (nếu có), alarm code
Dữ liệu sức khỏe: vibration, temperature (nếu có)

6.2 Chu kỳ lấy mẫu (sampling) gợi ý

Trend nhanh (1–5 giây): pressure, frequency, kW (để thấy hunting)
Trend trung bình (10–30 giây): flow, level, temperature
Trend chậm (1–5 phút): KPI, tổng m³, kWh/m³, báo cáo

Nếu lưu quá dày mọi thứ, data phình nhanh; nếu lưu quá thưa, mất khả năng truy vết.

6.3 Chính sách lưu trữ

Dữ liệu chi tiết: 3–12 tháng tùy yêu cầu
Dữ liệu tổng hợp theo giờ/ngày: 2–5 năm
Báo cáo: lưu file PDF/Excel theo tháng, tùy tổ chức

7) PLC trong kiến trúc SCADA: logic nào ở PLC, logic nào ở SCADA?

Nguyên tắc: PLC điều khiển – SCADA giám sát. Điều khiển quan trọng phải chạy trong PLC.

7.1 Logic bắt buộc nằm ở PLC

Interlock an toàn (cạn bể, quá áp, quá nhiệt, quá dòng)
Staging bơm theo áp/flow
Anti-hunting cơ bản
Min-flow protection và chế độ sleep/wake nếu áp dụng
Xử lý tín hiệu cảm biến lỗi (fallback an toàn)

7.2 SCADA nên làm gì

Hiển thị, alarm, trend, báo cáo
Cho phép setpoint/limit trong phạm vi cho phép
Điều khiển từ xa theo phân quyền (nếu chính sách cho phép)
Tổng hợp đa trạm và phân tích KPI

8) RTU và truyền thông cho trạm xa: ổn định quan trọng hơn tốc độ

Với trạm xa, mạng không ổn định là chuyện thường. Thiết kế RTU nên ưu tiên:

Gửi dữ liệu theo chu kỳ hợp lý, có buffer khi mất mạng
Đồng bộ thời gian (NTP/GPS) để timestamp đúng
VPN an toàn nếu truy cập từ trung tâm
Giới hạn thao tác điều khiển từ xa, ưu tiên giám sát

Đối với trạm cấp nước công suất lớn chạy liên tục, chẳng hạn trạm dùng Máy bơm nước Pentax CM80-200B công suất 40HP (30kW) hoặc Máy bơm nước Pentax CM65-250A công suất 50HP (37kW), RTU phải đảm bảo dữ liệu alarm và sự kiện không bị mất khi sóng chập chờn.

9) HMI trong phòng bơm: bố cục màn hình để kỹ thuật viên xử lý nhanh

Một HMI hiệu quả cho trạm bơm thường có:

Màn hình overview: trạng thái các bơm, áp, Q, mức, điện năng
Màn hình từng bơm: run/fault, VFD data, giờ chạy, start count
Màn hình alarm: phân cấp, hướng dẫn xử lý ngắn gọn
Màn hình setpoint: khóa quyền, có giới hạn min–max
Màn hình maintenance: chế độ bảo trì, lock-out, test IO

Nên tránh HMI quá “đẹp” nhưng khó dùng. Mục tiêu là thao tác nhanh và ít nhầm.

10) Báo cáo vận hành: từ SCADA/Historian ra KPI thực sự

Các báo cáo hữu ích cho trạm bơm:

Tổng m³ bơm theo ngày/tháng
Tổng kWh theo ngày/tháng
kWh/m³ theo tháng (hiệu quả năng lượng)
Top alarm lặp lại
Giờ chạy từng bơm và mức độ luân phiên
Số lần khởi động (ảnh hưởng tuổi thọ)
Thời gian downtime và nguyên nhân

Khi có báo cáo, vận hành chuyển từ “chữa cháy” sang “chủ động”.

11) An ninh và phân quyền: SCADA cho trạm bơm phải có “kỷ luật”

Trạm bơm liên quan hạ tầng kỹ thuật, nên cần nguyên tắc:

Phân quyền theo vai trò: Operator, Supervisor, Maintenance, Admin
Ghi nhật ký mọi thao tác: ai đổi setpoint, ai reset alarm
Mạng tách lớp: OT (điều khiển) không lẫn IT tùy tiện
Cập nhật và sao lưu cấu hình định kỳ
Nếu có truy cập từ xa, dùng VPN và xác thực mạnh

12) Lộ trình triển khai: từ trạm đơn đến đa trạm

12.1 Giai đoạn 1: Trạm đơn có PLC + HMI

Chạy ổn định tại chỗ
Có alarm cơ bản và trend ngắn trên HMI

12.2 Giai đoạn 2: Thêm SCADA + Historian tại trung tâm

Thu thập dữ liệu và báo cáo
Chuẩn hóa tag model

12.3 Giai đoạn 3: Mở rộng đa trạm với RTU

Chuẩn hóa template cho trạm mới
Trung tâm vận hành xem toàn bộ trạm trên một dashboard

12.4 Giai đoạn 4: Tối ưu theo dữ liệu

Phân tích hunting, lệch điểm làm việc, cavitation
Tối ưu staging và setpoint
Bảo trì dự đoán theo rung/nhiệt và trend kWh/m³

13) Ví dụ bối cảnh ứng dụng theo nhóm bơm công nghiệp

Trong các trạm cấp nước tổng và HVAC, nhóm máy bơm nước Pentax CM EN733 thường dùng cho tuyến chính nhờ cấu hình tiêu chuẩn. Một số model công suất lớn hay gặp trong thiết kế trạm:

Máy bơm nước Pentax CM65-200A công suất 30HP (22kW)
Máy bơm nước Pentax CM80-200B công suất 40HP (30kW)
Máy bơm nước Pentax CM80-200A công suất 50HP (37kW)
Máy bơm nước Pentax CM65-250A công suất 50HP (37kW)

Nếu tuyến yêu cầu vật liệu inox cho nước kỹ thuật hoặc môi trường đặc thù, máy bơm nước Pentax CMS thường được đưa vào giải pháp theo từng khu vực của nhà máy. Trong hệ thống có nhiều nhà thầu hoặc nhiều tiêu chuẩn thiết bị, máy bơm nước Ebara cũng được triển khai tại nhiều nhà máy; các dòng như máy bơm Ebara 3M và máy bơm nước Ebara 3D thường xuất hiện trong nhóm bơm công nghiệp cho các ứng dụng tương tự. Khi kiến trúc SCADA đủ tốt, việc chuẩn hóa tag và thu thập dữ liệu sẽ giúp vận hành đồng nhất dù trong trạm có nhiều chủng loại máy bơm nước Pentax và thiết bị khác nhau.

14) Checklist thiết kế SCADA cho trạm bơm

PLC đảm bảo trạm chạy an toàn khi mất SCADA/mất mạng
Tag model thống nhất, có đơn vị, mô tả, scaling và quality
Alarm có phân cấp, có delay, có xác nhận và nhật ký thao tác
Historian lưu đủ dữ liệu để truy vết hunting, cavitation, lệch điểm làm việc
HMI bố cục rõ, thao tác nhanh, setpoint có giới hạn và phân quyền
RTU có buffer dữ liệu, đồng bộ thời gian, truyền thông an toàn
Báo cáo KPI theo ngày/tháng: m³, kWh, kWh/m³, giờ chạy, top alarm
Mạng OT phân lớp, có sao lưu cấu hình và quản trị truy cập

15) Kết luận

Kiến trúc SCADA cho trạm bơm không chỉ là “có màn hình giám sát”, mà là một hệ thống có cấu trúc: PLC điều khiển vững tại chỗ, HMI vận hành thuận tiện, RTU kết nối ổn định cho trạm xa, và Historian lưu dữ liệu đủ sâu để phân tích – báo cáo – tối ưu. Khi triển khai đúng, SCADA giúp giảm sự cố lặp, rút ngắn thời gian xử lý, nâng hiệu quả năng lượng và tạo nền tảng mở rộng đa trạm.

Dù trạm sử dụng máy bơm nước công nghiệp Pentax với các model thuộc máy bơm nước Pentax CM EN733, hay có các tuyến dùng máy bơm nước Pentax CMS, hoặc tích hợp cùng máy bơm nước Ebara (bao gồm máy bơm Ebara 3M và máy bơm nước Ebara 3D), một kiến trúc SCADA được thiết kế đúng nguyên tắc sẽ giúp toàn bộ hệ vận hành nhất quán, minh bạch dữ liệu, và tối ưu theo thời gian thay vì chỉ “chạy được là xong”.

Sign up for Newsletter