Bài tập lớn chuyên ngành đề tài xử lý nước thải có tính kiềm

quá trìnhpha luãng và làm sạch trong tự nhiên ở đây sẽ cải thiện thêm chất lượng nước.Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bịthay đổi tính chất b

Bộ Công THƯƠNG

Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC 1

I Thông tin chung về nhóm sinh viên

II Nội dung đề tài

Cho hệ thống xử lý nước thải có tính kiềm:

III Yêu cầu

1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống

2 Phân tích thiết kế hệ thống

a Đề xuất cấu trúc hệ thu thập dữ liệu và điều khiển

b Lựa chọn thiết bị đo, chấp hành, điều khiển và giám sát phù hợp

c Đề xuất giải pháp truyền thông cho hệ thống

d Xây dựng thuật toán đo và điều khiển giám sát

Lời nói đầu

Nước là tài sản chung của nhân loại, là nguồn ngốc của sự sống, là môi trườngtrong đó diễn ra các quá trình sống nước đóng vai trò quyết định trong việc đảmbảo cuộc sống của con người

Con người sử dụng nước phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như giao thôngvận tải, tưới tiêu trong nông nghiệp, làm thủy điện, cung cấp nước cho sinh hoạt,làm nguyên liệu và các tác nhân trong công nghiệp hoặc sử dụng làm các phươngtiện sinh hoạt giải trí…

Trong công nghiệp, nhiều nguyên liệu có thể thay thế được cho nhau, riêng nướcthì chưa có gì thay thế được trong quá trình sử dụng nước, con người đã canthiệp vào vòng tuần hoàn của nước, tạo nên các vòng tuần hoàn nhân tạo củanước: một số cộng đồng dân cư đã rút nước ngầm hoặc lấy nước mặt để cấp nướccho sinh hoạt sau khi xử lý, nước được phân phối đến các hộ tiêu dùng sinh hoạt

và công nghiệp nước thải được thu gom lại trong hệ thống cống và được chuyểnđến nhà máy xử lý nước trước khi thải trở lại nguồn tiếp nhận nước quá trìnhpha luãng và làm sạch trong tự nhiên ở đây sẽ cải thiện thêm chất lượng nước.Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bịthay đổi tính chất ban đầu của nước

Xử lý nước thải là một phá trình nhằm loại bỏ-phân hủy chất ô nhiễm ra khỏinước thải, chuyển đổi nước ô nhiễm thành nguồn nước có thể đưa trở lại chutrình xử dụng trong môi trường hoặc có thể được xử lý để tái xử dụng có mụcđích khác

Xử lý nước thải có tính kiềm bằng phương pháp trung hòa được sử dụng rất phổbiến trong công nghiệp, trung hòa nước thải chứa kiềm là làm thay đổi nồng độ

pH trung tính trong nước thải, bằng cách bổ xung dung dịch axit nhằm tách cácmuối kim loại nặng lắng xuống đáy bể, giúp các bước xử lý tiếp theo thuận lợihơn

Nước thải sau khi sử lý xong được thải ra môi trường nên việc xử lý, giám sát,theo dõi hệ thống nước thải rất quan trọng vì nó ảnh hưởng rất lớn tới môitrường do đó việc ứng dụng hệ thống SCADA vào bài toán xử lý nước thải là rấtcần thiết nhằm mục đích giám sát hệ thống xử lý nước thải từ xa, tại hiện trường,giúp hệ thống hoạt động linh hoạt và thông minh hơn, kiểm soát hệ thống tốt hơn

và bao quát hơn

Sau đây nhóm chúng tôi sẽ thiết kế hệ thống SCADA vào bài toán xử lý nướcthải có tính kiềm, xử lý nước thải có tính kiềm bằng cách trung hòa nước thải vớidung dịch axit H2SO4

I Tổng quan về hệ thống.

Trong tự động hóa công nghiệp, việc điều khiển hệ thống là công việc không thểthiếu được, một hệ thống chỉ có điều khiển không thôi sẽ không đảm bảo yêu cầu

kĩ thuật đề ra, điều khiển luôn đi đôi với việc giám sát và thu thập dữ liệu để từ

đố hệ thống mới có thông tin phải hồi cho ra những tín hiệu điều chỉnh chính xác

Hệ thống SCADA là một hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu nhằm

hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển từ xa Nói một cách khác,SCADA là một hệ thống hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển

từ xa, một hệ SCADA phải có hệ thống truy cập, truyền tải dữ liệu, cũng nhưgiao diện người máy (HMI) Như vậy SCADA có các chức năng chính là thuthập các thông tin đó lên một số các màn hình điều khiển các lệnh điều khiển sẽđược truyền đến bộ phận chấp hành tương ứng

Các hệ thống SCADA được dùng để giám sát và điều khiển các nhà máy hoặcthiết bị trong công nghiệp như hệ thống viễn thông, hệ thống năng lượng, giaothông, dầu khí, cấp thoát, xử lý nước… một hệ thống SCADA thu thập các thôngtin (ví dụ: vị trí các lỗ thủng trên đường ống), truyền tải thông tin về trung tâm,sau đó cảnh báo trạm vận hành về sự cố lỗ thủng, thực hiện các phân tính và điềukhiển cần thiết, như là xác định xem lỗ thủng có nghiêm trọng không, và hiển thịcác thông tin theo một cách logic và có tổ chức các hệ thống này có thể khá đơngiản như hệ thống giảm sát các điều kiển môi trường của một tòa văn phòng nhỏ,hoặc rất phức tạp, ví dụ như hệ thống giám sát tất cả các hoạt động của nhà máyđiện hạt nhân hoặc giám sát hoạt động của hệ thống nước thành phố

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống SCADA cơ bản gồm các cấp:

● Cấp trường: bao gồm các bộ phận chấp hành (van, động cơ, xylanh…),thiết bị cảm nhận (cảm biến, công tắc hành trình…) Các chức năng chínhcủa cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trongtrường hợp cần thiết thực tế, đa số các thiết bị cảm biến hay chấp hànhcũng có phân điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền độngđược chính xác và nhanh nhạy các thiết bị thông minh có thể đảm nhậnviệc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

● Cấp điều khiển: là các bộ điều khiển số, tương tự, DDC, PLC… nhiệm vụchính của các bộ điều khiển là nhận thông tin từ cấp trường (từ cảm biến,công tắc hành trình…), và xử lý các thông tin theo một thuật toán nhất

định và truyền lại kết quả xuống chấp hành Các thiết bị thông minh ở cấptrường cũng có thể đảm nhận việc này Ngoài ra, việc thực hiện các chứcnăng ở bất kì cấp nào bên trên đều amng bản chất là xử lý thông tin.

● Cấp điều khiển quá tình: điều khiển là quá trình điều khiển và vận hànhmột quá trình kĩ thuật khi đa số các chức năng như đo lường điều khiển,điều chỉnh, bảo chì hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụcủa các cấp điều khiển quá trình là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặtứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát, vận hành và xử lý những tình uốngbất thường ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện cácbài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển khởiđộng/dừng và điều khiển theo công thức

II Phân tích thiết kế hệ thống

a Đề xuất cấu trúc hệ thu thập dữ liệu và điều khiển.

Có khá nhiều cấu trúc điều khiển cho hệ SCADA:

● Điều khiển tập trung với vào/ra tập trung

● Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán

● Điều khiển phân tán với vào/ra tập trung

● Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán

Nhìn chung mỗi phương pháp đều có những ưu/nhược điểm riêng và phù hợp vớitừng bài toán cụ thể

Trong bài toán xử lý nước thải này chúng ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiểntập trung với vào/ra tâp trung, phương pháp điều khiển tập trung này phù hợp vớicác bài toán vừa và nhỏ, điều khiển các động cơ, van, điều khiển các loại máymóc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tínhđiều khiển

b Lựa chọn thiết bị đo, chấp hành, điều khiển và giám sát.

● Lựa chọn bộ điều khiển:

- Sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC S7-300 CPU 314C-2 PN/DP

Dòng sản phẩm PLC S7-300 có nhiều dòng CPU khác nhau như: CPU 312, 314,315,… mỗi một CPU có một bộ nhớ làm việc, chu kì lệnh, cổng truyền thônggiao tiếp, khối tổ chức chương trình OB, chức năng khác nhau… CPU 314 củaS7-300 dùng cho các dự án vừa và nhỏ thích hợp cho các bài toán xử lý nướcthải, điều khiển nhiệt độ, giám sát điện năng…, bộ điều khiển PLC S7-300 đượcthiết kế theo các module, mỗi module đều đảm nhận một vai trò riêng, và sốlượng module được sử dụng phụ thuộc vào nhu cầu của bài toán nhưng tối thiểucủa bộ điều khiển s7-300 là module nguồn và module CPU Các module còn lại

là các module truyền nhận tín hiệu với đối tượng điều khiển, các chức năngchuyên dụng như PID, điều khiển động cơ, truyền thông, xử lý tín hiệu analog,

xử lý tin hiệu vào ra số…, được gọi là các module mở rộng và tất cả các moduleđược gắn trên những thành rail

- Một số linh kiện cơ bản của một bộ điều khiển khả trình PLC S7-300:

 Rack: dòng PLC S7-300 được lắp ráp trên một phần cơ khí để cố địnhCPU, IM và các module I/O, analog, FM… phần cơ khí đó gọi làRack Mỗi PLC có thể chỉ có 1 hay mở rộng thêm nhiều Rack phù hợpvới yêu cầu ứng dụng Rack của s7-300 được thiết kế theo chuẩn DINRail Mỗi rail có độ dài khác nhau và sử dụng rail trung tâm để cấuhình mở rộng thêm các rail khác Trong S7-300 có tối đa 4 rail baogồm: 1 rail trung tâm và 3 rail mở rộng, sử dụng thông qua moduleghép nối IM

 Module ghép nối FM: đây là module chuyên dụng có nhiệm vụ nốitừng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành từng khối một vàđược quản lý chung bởi một module CPU Module truyền tải năm ở

rack của CPU còn moudle nhận thì nằm ở rack mở rộng trên mỗi rackchỉ được gắn tối đa 8 module mở rộng ( không kể module CPU,module nguồn).

 Module nguồn PS: module nguồn PS cung cấp nguồn hoạt động chocác module phần cứng ở trên rack, module nguồn yêu cầu điện áp cungcấp đầu vào là 120/230 VAC và ngõ ra của module nguồn là 24VDC

để cung cấp cho CPU và các module khác Mỗi module nguồn có mã

số và được định nghĩa trong cấu hình phần cứng để giao tiếp và sửdụng

 Module xử lý trung tâm CPU: module xử lý trung tâm chứa vi xử lý,

hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm, cổng truyền thông…module lưu trữ chương trình điều khiển S7-300 trong bộ nhớ của nó.Ngoài ra, một số module CPU còn có tích hợp một vài cổng vào/ra số,analog…

 Module mở rộng: module AI là module đọc tín hiệu analog với các loạitín hiệu khác nhau như: tín hiệu dòng điện 4-20mA, 0-20mA, tín hiệuđiện áp 0-10V, -10 – 10V, 0-5V, đọc tín hiệu RTD, … Module AOxuất tín hiệu analog, module DI đọc tín hiệu số, DO xuất tín hiệu số,module FM là các module chức năng đặc biệt như điều khiển servo,điều khiển PID, điều khiển vị trí, động cơ bước… các module nàyđược sử dụng bằng cách gọi các khối hàm ứng dụng FB khi cài thêmứng dụng với các phần mềm tướng ứng

 Module CP: module truyền thông

 Lựa chọn thiết bị chấp hành:

- Lựa chọn bơm: do lưu chất là dung dịch kiềm và dung dịch axit nên chúng

ta sẽ phải lựa chọn các loại máy bơm có khả năng bơm được dung dịch

trên

- Lựa chọn động cơ khuấy Mixer: tương tự bơm thì động cơ khuấy cũng cókhả năng chịu được hóa chất

- Lựa chọn van điện từ: sử dụng van thường đóng, tín hiệu điều khiển24VDC, và có thể chịu được dung dịch axit và dung dịch kiềm.

 Lựa chọn thiết bị cảm nhận:

- Lựa chọn cảm biến đo lưu lượng dung dịch hóa chất:

- Lựa chọn cảm biến đo độ pH:

 Ngoài ra chúng ta cần thêm một số thiết bị như: đèn báo, nút nhấn

c Giải pháp truyền thông cho hệ thống

Ta lựa chọn chuẩn truyền thông PROFINET, đây là một chuẩn truyền thông côngnghiệp được thiết kế để thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị trong các hệ thốngcông nghiệp với sức mạnh đặc biệt trong việc cung cấp dữ liệu theo hạn chế thờigian chặt chẽ (theo thứ tự 1ms trở xuống) với các ưu điểm: vận hành nhanhchóng và khả năng xử lý sự cố hiệu quả, truyền thông đảm bảo an toàn, tự độnghóa trong thời gian thực.

d Thuật toán đo và điều khiển giám sát

1.Thuật toán và code cho chương trình chính, hệ thống sử lý nước thải

ĐIỀU KHUYỂN P1 (FC1)

ĐO PH1,PH2 (FC2)

Trung hòa nước thải (FC3)

ĐIỀU KHUYỂN MIXER (FC4)

Điều khuyển P3,value (FC5)

Cảnh báo (FC6)

RET

Dừng các bơm,mixer và cảnh báo

1.1 Bảng địa chỉ vào ra trên PLC Tag

*Chương trình chính ( Main OB)

 Network: Bật/Tắt hệ thống

 Network 2:Gọi các chương trình con

 Network 3: Xử lý tín hiệu cảm biến bể 1

 Network 4:Xử lý tín hiệu cảm biến bể 1

 Network 5:Xử lý cảm biến tín hiệu bể Axit

 Network 6: Xử lý tín hiệu cảm biến bể Axit

 Network 7:Xử lý tín hiệu cảm biến bể 3

 Network 8:Xử ly tín hiệu cảm biến bể 3

2 thuật toán và chương trình code cho bơm 1

2.2 chương trình code cho P1

3 Thuật toán và code đo PH1,PH2

3.2 Chương trình code đo PH1,PH2

4.Viết thuật toán và chương trình code để trung hoa nươc thải

4.2 Code cho trung hòa nước thải

Network 3

5 Chương trình và code điều khuyển mixer 5.1 Thuật toán chương trình mixser

5.2 Chương trình code điều khuyển mixer

6 Chương trình và thuật toán điều khuyển P3 6.1.Thuật toán điều khuyển P3

6.2 Chương trình code điều khuyển P3

7.Thuật toán và chương trình code điều khuyển value

7.2 Chương trình code điều khuyển value

8 Chương trình và thuật toán điều khuyển đèn cảnh báo LHA1 và LHA2 8.1.Thuật toán điều khuyển cho đèn cảnh báo ngưỡng cao

FC6

8.2 Chương trình code điều khuyển đèn L1AH VÀ đèn L2AH

10.Mo phỏng trên Wincc professional 10.1 Bảng địa chỉ vào ra HMI_Tags

10.2 Mo phỏng trên Wincc Proesional

Mô phỏng thành công trên wincc profssional đúng yêu cầu thuật toán đề ra cho hệ thống sử lý nước thải.