đồ án thiết kế hệ thống SCADA cho công nghệ xử lí nước thải

thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển cho hệ thống xử lí nước thải công nghiệp, dùng PLC S7 300 của SIEMENS. kết nối với máy tính qua WINCC. Nội dung bài báo cáo gồm 3 phần : Phần 1 : Tổng quan và hướng nghiên cứu đề tài Phần 2 : Hệ thống xử lí nước thải trong công nghiệp Phần 3 : Nghiên cứu ứng dụng SCADA vào hệ thống xử lí nước thải công nghiệp.

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I

Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN

TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Đăng Thảnh

Sinh viên thực hiện:

Nhóm 1: 1 Cao Ngọc Thắng ĐK TĐH 1 – K56

2 Bùi Bình Dương ĐK TĐH 8 – K56

3 Bùi Minh Đức ĐK TĐH 3 – K56

A LỜI MỞ ĐẦU

Xử lí nước thải công nghiệp là một vấn đề quan trọng và chuyên biệt với mỗi một ngành công nghiệp, đảm bảo vệ sinh môi trường và phát triển bền vững cho kinh tế Ngày nay, mô hình xử lí nước thải công nghiệp đã có rất nhiều cải tiến nhằm phục vụ cho mục đích quản lí và điều khiển dễ dàng hơn cho người sử dụng Tiêu biểu là việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong mô hình SCADA, mọi động tác giám sát và điều khiển người quản lý đều thực hiện thao tác trên một chiếc PC Chỉ cần một cái click chuột hay gõ phím đơn giản thay vi điều khiển bằng tay tại mỗi công đoạn trong mỗi khâu xử lý Việc này góp phần nâng cao hiệu quả, tiết kiệm thời gian sức lực cho người sử dụng

Trong quá trình học tập được sự giúp đỡ hướng dẫn của thầy giáo Bùi Đăng Thảnh cũng như tham khảo thêm các tài liệu chúng em đã hoàn thành bài báo cáo

Nội dung bài báo cáo gồm 3 phần :

Phần 1 : Tổng quan và hướng nghiên cứu đề tài

Phần 2 : Hệ thống xử lí nước thải trong công nghiệp

Phần 3 : Nghiên cứu ứng dụng SCADA vào hệ thống xử lí nước thải công nghiệp

Tuy nhiên, trong quá trình làm bài không thể tránh khỏi có sai sót, chúng

em mong nhận được sự góp ý, nhận xét của thầy cô giáo và các bạn để bài báo cáo có thể hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn !!!

B NỘI DUNG

Đề tài: Tìm hiểu và thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước

thải công nghiệp

Xử lí nước thải công nghiệp là vấn đề vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp hiện nay bảo đảm cho sự trong sạch của môi trường và tạo sự phát triển bền vững cho nền kinh tế Trên thế giới, các hệ thống xử lí nước thải đã được nghiên cứu và ứng dụng từ rất lâu, và công nghệ xử lí nước thải cũng ngày càng tiên tiến và hiệu quả hơn Có thể nói trình độ tự động hoá xử lý nước thải đã đạt mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện được tại một trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công cụ đơn giản,

dễ sử dụng như giao diện đồ hoạ trên PC, điều khiển bằng kích chuột, góp phần nâng hiệu quả cho công việc quản lý điều hành dây chuyền công nghệ Ngoài ra cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông, khoảng cách về không gian và thời gian đã được rút ngắn, cho phép người vân hành có thể điều khiển từ cách xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận được thông tin về hệ thống thông qua sms…

SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) Nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và và công nghệ tự động hóa Các thiết bị tự động hóa ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp

Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, dùng kèm với một phần mềm ứng dụng thích hợp có thành phần cấu trúc cơ bản gồm:

Remote Terminal Unit (RTU): thiết bị đầu cuối từ xa, thực hiện các công việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực Các RTU được đặt ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh hoạt hệ thống

và thông báo định kì kết quả về máy tính chủ

Master Terminal Unit (MTU): trung tâm điều phối, thực hiện công việc xử

lí dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực mềm Một trong những

chức năng cơ bản của MTU là cung cấp giao diện giữa con người – quan sát viên với hệ thống

Communication System (CS): hệ thống truyền thông (kênh liên kết) cần thiết để truyền dữ liệu từ các địa điểm ở xa đến MTU và truyên tín hiệu điều khiển đến RTU

Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA:

Trong hệ thống xử lí nước thải công nghiệp, hệ thống SCADA đóng vai trò trong quá trình đo lường điều khiển và giám sát Ví dụ về hệ thống SCADA trong

xử lí nước thải:

Từ một vị trí trung tâm SCADA có thể theo dõi được các trang thiết bị đầu cuối đơn vị từ xa RTU hoặc PLC Các RTU có thể đo lường một loạt các thông

số trong điều kiện đa dạng bao gồm nhiệt độ hiện tại, dòng điện, điện áp và mức tăng theo thời gian thực Kết quả được lấy từ RTU qua các cảm biến khác nhau được tích hợp bên trong Các thành phần của cảm biến bao gồm: nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, cấp độ… Các dữ liệu sau đó được gửi trở lại các đơn vị thông qua các kênh truyền thông Các đơn vị lần lượt báo cáo lại cho các đơn vị xử lí trung tâm CPU thực hiện các chức năng kiểm soát và phân tích cần thiết

BẢNG ĐIỀU KHIỂN

CƠ CẤU CHẤP HÀNH

CẢM BIẾN

Tài liệu tham khảo:

1 Giáo trình công nghệ xử lí nước thải (Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật)

2 Wastewater treatment plan SCADA application (Humoreanu, B Fac of Autom & Comput Sci, Tech Univ of Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, Romania - Nascu, I )

3 Wastewater treatment with scada application (Z Tugce OZCAN)

4 S7-300 programmable controller installation and hardware - SIEMENS

5 Giáo trình S7-300 tiếng việt - Hà Văn Trí

6 Wincc manual – SIEMENS

7 Measuring, modeling and controlling the pH value – Jean-peter Ylén

8 Tài liệu SCADA, WINCC , STEP7 (internet)

II HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

1 Khảo sát và đánh giá công nghệ xử lý nước thải

Hiện nay công nghệ xử nước thải công nghiệp trên thế giới ngày càng tiên tiến và hiện đại Càng ngày càng có nhiều quy trình xử lí nước thải trên thế giới Mỗi quy trình lại tương ứng với một ngành công nghiệp, nhà máy, phân xưởng nhất định Đề tài này sẽ thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển cho hệ thống xử lí nước thải sau:

BỂ LẮNG SP

Hình 1: Quy trình xử lí nước thải công nghiệp

1 Bơm nước P1, P2, P3 Công suất 5.5 kw

5 Máy gạt bùn M2 Công suất 5.5 kw; 0.2rpm

7 Van điện tử V1, V2 Nguồn cấp 220V AC

Bảng 1: Danh sách thiết bị trong hệ thống xử lí nước thải nhà máy bia

Hệ thống xử lý nước thải gồm những công đoạn như sau:

Nước thải từ nhà máy được thu vào hố bơm Từ hố bơm, bơm nước qua song chắn rác.Mục đích là để khử tất cả tạp vật có thể gây sự cố trong quá trình vận hành như: tắc máy bơm, đường ống hoặc kênh dẫn Rác vào thùng chứa bằng cách xối liên tục hoặc cào thủ công

Sau khi đi qua song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng làm điều hòa lưu lượng để duy trì dòng thải không đổi ở công đoạn sau, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của quá trình ở cuối dây chuyền xử lí Nhiệt độ nước đo thủ công theo chu kỳ hoặc theo thời điểm cụ thể Máy bơm sẽ bơm nước từ bể cân bằng vào bể trung hòa và ổn định lưu lượng

Nước thải chứa acid vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa về pH trong khoảng 7±0.2 trước khi sử dụng cho công đoạn xử lí tiếp theo bằng cách

sử dụng tác nhân hóa học Trong quá trình trung hòa sẽ có một lượng bùn tạo thành Lượng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng các tác nhân sử dụng cho quá trình

Các tác nhân hóa học thường sử dụng là NaOH và HCl Khi pH vượt ngưỡng dưới thì bơm định lượng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH vượt ngưỡng trên thì DP bổ sung HCl vào cho máy khuấy M1 hoạt động Máy khuấy tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hòa và làm đồng đều hóa chất bổ sung với nước thải Điều khiển pH được thực hiện thủ công Để đảm bảo an toàn cho cho vi sinh vật, người vận hành thường xuyên phải

đo tay độ pH đầu nguồn nước vào bể kỵ khí để đảm bảo độ pH không vượt ngưỡng cho phép Khi phát hiện pH không đạt yêu cầu thì người vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nước không đảm bảo chỉ tiêu cho công đoạn xử

lí sinh học tiếp theo vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với độ pH, pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo tạo men và hấp thụ chất dinh dưỡng trong

tế bào

Sau khi trung hòa nước được xử lý tiếp bằng biện pháp sinh học để làm sạch nước khỏi chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S, chất sunfit, amoni, nitơ,… Phương pháp này sử dụng vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm vì chúng sử dụng chất hữu cơ để lấy dinh dưỡng sinh trưởng Quá trình này gọi là quá trinh oxy hóa sinh hóa Ở đây dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếu khí

Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lí bằng phương pháp sinh học hoặc nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để

ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân hủy các chất hữu cơ Tùy thuộc vào sản phẩm cuối cùng người ta phân loại quá trình này thành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan…Những sản phẩm cuối của quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4 Trong

công nghệ các chất khí (biogas) sẽ được thu hồi và đốt nhờ hệ thống thu hồi và xử lý

Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí Bể hiếu khí luôn chứa các vi sinh vật hiếu khí Trong công đoạn

có hê thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và ống dẫn khí làm nhiệm vụ cung cấp đủ oxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải chất hữu

cơ Kết qua hình thành các bông sinh học có thể lắng trọng lực ở đầu ra của

bể Đối với đa số các sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là 6,5 – 8,5 Nhiệt

độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hoạt động của vi sinh vật Đối với đa số vi sinh vật nhiệt độ nước thải phải từ 6 – 37 độ C Nói chung giá trị DO luôn được đảm bảo trong khoảng cho phép nhờ công suất không đổi của máy thổi khí theo thiết kế trừ trường hợp có sự cố

Nước thải sau khi được xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng

Ở đây dùng phương pháp lắng trọng lực Trong nước chứa bùn hoạt tính là

do quá trình phân giải vi sinh vật ở bể hiếu khí chứa các vi sinh vật sống

và chất rắn Một phần bùn đưa quay lại bể hiếu khí để đảm bảo lượng vi sinh vật cần thiết Bể lắng có thể tích thiết kế đủ lớn để nước được lưu thông trong đó nhiều giờ đảm bảo quá trình lắng Do đó máy gạt bùn, bơm hút bùn và ép bùn hoạt động liên tục (luôn bật gạt bùn M2, bơm hút bùn

SP và máy ép bùn D) Các van tay V4, V5 được mở trước ở các chế độ mở nhất định, các mức mở này do kỹ sư vận hành thực hiện nhằm cân bằng giữa thức ăn và vi khuẩn hiếu khí

Đánh giá công nghệ xử lí:

- Công nghệ có khả năng cho phép nước đầu ra đạt chuẩn

- Công nghệ chưa áp dụng tự động hóa, việc giám sát và điều khiển được thực hiện thủ công dẫn đến độ tin cậy, độ ổn định, an toàn thấp

- Hiệu quả kỹ thuật kinh tế chưa cao

Yêu cầu đặt ra:

Thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển tự động (SCADA) cho hệ thống trên

III NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG SCADA VÀO HỆ THỐNG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI

1 Tổng quan về hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công nghiệp

SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu) Nó không những là một hệ thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và và công nghệ tự động hóa Các thiết bị tự động hóa ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp

Để giám sát tất cả các hoạt động của hệ thống từ một trung tâm điều khiển cần có một mạng truyền thông để truyền tất cả các thông tin thu thập

được trong suốt hệ thống Sự giao tiếp trong mạng SCADA diễn ra trên PROFIBUS với chuẩn RS485, và phương thức TCP/IP trên mạng cáp quang Để đảm bảo an toàn thông tin khi truyền dữ liệu thông tin liên lạc được thực hiện qua mạng nội bộ LAN, không phải qua mạng internet công cộng

Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, dùng kèm với một phần mềm ứng dụng thích hợp có thành phần cấu trúc cơ bản gồm:

Humen Machine Interface (HMI): kết nối người dùng với hệ thống bằng cách sử dụng một giao diện cho phép người điều khiển hệ thống tương tác với dữ liệu từ tất cả các thành phần của mạng truyền thông

Central Monitoring Station (CMS): là đơn vị cơ bản của hệ thống SCADA có nhiệm vụ thu thập thông tin từ các trạm từ xa và đưa ra các hoạt động cần thiết cho bất kì sự kiện nào được phát hiện

Remote Terminal Unit (RTU): thiết bị đầu cuối từ xa, thực hiện các công việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực Các RTU được đặt

ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh hoạt hệ thống và thông báo định kì kết quả về máy tính chủ

Programmable Logic Controller (PLC): được sử dụng để tự động hóa quá trình xử lí nước thải, được thiết kế với nhiều đầu vào và nhiều đầu

2 Các chức năng của SCADA trong xử lí nước thải công nghiệp

2.1 Điều chỉnh tự động

Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác động lên quá trình công nghệ cần điều khiển theo một chếđộ làm việc đã định sẵn Mỗi quá trình công nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại lượng Một số đại lượng được duy trì không đổi, một

số đại lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó

2.2 Giám sát điều khiển

Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải tiếp xúc với môi trường độc hại, đi lại khó khăn và tốn thời gian Mặt khác nhiều trường hợp, ví dụ như sự cố hoặc mất điều khiển tự động, đòi hỏi điều khiển tay phải kịp thời và đồng bộ, ví dụ như dừng nhanh nhiều máy bơm đặt tại nhiều vị trí khác nhau, điều khiển cùng lúc nhiều quá trình có

liên quan hệ quả với nhau Để làm được điều này hệ thống phải có chức năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều khiển từ Trung tâm đặt cách dây chuyền công nghệ một khoảng cách nhất định (hàng chục đến hàng trăm mét)

Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng là một chức năng không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống nói chung và xử lý nước thải nói riêng Giám sát, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ xa là nền tảng cho việc xây dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System) nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội một cách toàn diện MES tạo ra một cầu nối thông suốt hai chiều giữa khối quản lý và sản xuất, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất từ khâu hoạch định kế hoạch đến khâu sản xuất ra thành phẩm cuối cùng, cung cấp các chức năng lập kế hoạch; quản lý nhân lực, thiết bị, nguyên vật liệu; theo dõi quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự cố máy móc,

2.3 Hiển thị thông số công nghệ

Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước, trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành Việc hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các cửa sổ, kiểu thể hiện Màu sắc không quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu không gây mỏi mắt khi nhìn lâu Cảnh báo, báo động bằng đổi màu và nhấp nháy liên tục để gây sự chú ý Kiểu thể hiện đa dạng : kiểu số riêng biệt, kiểu bảng thống kê, kiểu đồ thị trực tuyến (online trend)

2.4 Cấu hình hệ thống

Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống SCADA, chủ yếu là các giá trị đặt (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng báo động Các tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bịđiều khiển sau đó lại được truyền ngược lại PC để so sánh, nếu thấy không trùng nhau thì báo động, trái lại chứng tỏ rằng việc truyền và xử lý dữ liệu chính xác, đường truyền và thiết bị điều khiển không có sự cố Chức năng này nâng cao độ an toàn (fail-safe) của hệ thống

2.5 Bảo vệ tự động

Bảo vệ hệ thống máy móc, đường ống và các đối tượng khác khỏi các

sự cố được thực hiện bởi các thiết bị chuyên dụng để ngắt các bộ phận bị sự

cố Ngoài ra các thiết bị còn thực hiện chức năng liên động tự động, cho phép bảo vệ các thiết bị máy móc khỏi nguy hiểm do thao tác nhầm lẫn của người vận hành Ta phân biệt hai loại liên động: liên động sự cố và liên động cấm chỉ Liên động sự cố dùng để điều khiển bảo vệ (ví dụ: điều khiển dừng) một nhóm máy móc thiết bị có liên quan khi sự cố xảy ra Liên động cấm chỉ loại trừ khả năng điều khiển sai, không đúng trình tự có khả năng gây sự cố 2.6 Cảnh báo/Báo động

Chức năng được thực hiện bằng còi, đèn nhấp nháy trên bàn điều khiển hoặc biểu tượng nhấp nháy trên PC, hiển thị thông báo dạng chữ trên PC Hệ thống đưa ra cảnh báo khi giá trị thông số vượt ngưỡng cảnh báo sớm hoặc thông số vượt ngưỡng báo động trong giai đoạn quá độ của quá trình điều khiển Báo động được đưa ra khi thông số vượt ngưỡng báo động liên tục trong khoảng thời gian nhất định (lớn hơn thời gian điều chỉnh ngầm định) hoặc báo động sự cố đường truyền, sự cố thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành, báo động sự cố cảm biến Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo động ở chỗ: cảnh báo

tự mất đi khi thông số hết vượt ngưỡng, trái lại báo động sẽ tồn tại cho đến khi người vận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định xoá bỏ trạng thái báo động Như vậy mức độ cần chú ý của người vận hành đối với báo động phải cao hơn cảnh báo

2.7 Lưu trữ, báo cáo thống kê

Lưu trữ và lập báo cáo thống kê dữ liệu về thông số chất lượng nước, trạng thái hoạt động, sự cố, thời gian hoạt động của máy móc thiết bị, tổng lượng nước đã xử lý, lượng hoá chất đã dùng, danh sách người đã vận hành,

bộ tham số công nghệ đã thay đổi và nhiều thông tin khác cần thiết cho các chuyên gia công nghệ, kỹ thuật và các nhà quản lý trong việc điều chỉnh để đạt chế độ làm việc tối ưu; phát hiện, dự báo sự cố; bảo trì thay thế kịp thời máy móc thiết bị, điều hành sản xuất và tính toán hiệu quả kinh tế

3 Thiết kế hệ thống SCADA cho quy trình xử lý nước thải công nghiệp

3.1 Phân tích các quy trình có thể ứng dụng SCADA

Qua việc phân tích hệ thống xử lý nước thải ở phần II ta nhận thấy có thể thiết kế lắp đặt hệ thống đo lường, điều khiển cho hệ thống xử lý nước thải trên ở các quy trình như sau:

Sử dụng thiết bị đo T1 để đo nhiệt độ nước thải trước khi vào bể cân

bằng; T2 để đo nhiệt độ bể hiếu khí

Sử dụng thiết bị đo pH1, pH2 để đo độ pH của chất thải trong bể trung

hòa và độ pH của chất thải trước khi vào bể kỵ khí

Thiết bị đo DO đo nồng độ ô xi trong bể hiếu khí

Thiết bị đo lưu lượng FL1 đo lưu lượng nước thải từ máy bơm P3 vào

bể kỵ khí; FL2 để đo lưu lượng khí biogas từ bể kỵ khí vào hệ thống thu

hồi xử lí biogas

Để khống chế mức nước trong bể cân bằng ta sử dụng 2 thiết bị LV1,

LV2; để khống chế mức dung dịch NaOH và HCl sử dụng 2 thiết bị LV3,

T1 LV1

3.2 Tính toán thông số của thiết bị trong hệ thống

1 Bơm nước P1, P2, P3 Công suất 5.5 KW

8 Van điện từ V1, V2 Nguồn cấp 220V AC

9 Thiết bịđo pH1, pH2, T, DO, FL1, FL2 Mức bảo vệ IP65-68

10 Khống chế mức LV1, LV2, LV3, LV4

11 Biến tần FI1 điều khiển P3 Công suất 5.5 KW

12 Biến tần FI2 điều khiển B Công suất 15 KW

Bảng 2: Các thiết bị trong hệ thống xử lí nước thải khi áp dụng SCADA

3.3 Lưu đồ hoạt động của các quá trình đo lường và điều khiển trong xử lý

nước thải công nghiệp

- Điều chỉnh pH trong bể trung hòa (hình 3)

Thiết bị bao gồm bơm P2, P3, máy khuấy DP Ta chỉ dùng 1 bơm định lượng để tiết kiệm chi phí Khi pH<pH_low (ngưỡng điều khiển dưới đóng van HCl, nếu còn NaOH thì mở van NaOH,tính lượng NaOH cần thiết rồi điều khiển bơm lượng cần thiết Bật bơm NaOH và máy khuấy Khi pH>pH_hi (ngưỡng điều khiển trên) đóng van NaOH, nếu còn HCl thì

mở van HCl, tính lượng bơm để điều khiển bơm đạt lượng cần, bật bơm HCl và máy khuấy

Bật M1

Tính lượng NaOH cần bơm

Tắt bơm DP Tắt M1

Đóng van đt NaOH Đóng van đt HCl

Tính lượng HCl cần bơm

Bơm HCl (bơm DP) Bật M1 start

Trong quá trình làm việc chú ý không được phép mở cả hai van NaOH và HCl cùng lúc Khi muốn bơm NaOH (hoặc HCl) bắt buộc phải

mở van NaOH (HCl) trước, trái lại nếu van đang đóng thì không cho phép bơm Đây gọi là điều kiện khóa liên động để tránh hỏng bơm Khi vận hành

có thể chọn chế độ Manual để có thể quyết định bật bơm hóa chất Thời gian bơm tỷ lệ thuận với lượng hóa chất bơm vào Hoặc có thế dùng núm điều chỉnh lượng hóa chất bơm vào nhờ dùng biến tần

- Điều khiển khóa lưu động đối với độ pH

Khi giá trị pH2 vượt ngưỡng, ở chế độ manual thì người vận hành

sẽ tự quyết định đưa ra lệnh điều khiển cho PLC để tắt các bơm P1, P2, P3 Nếu ở chế độ auto thì PLC sẽ tự động tắt các bơm P1, P2, P3 nếu các khoá liên động được khoá, bơm vẫn hoạt động bình thường Có nhiều khóa liên động cho phép tắt một bơm nào đó khi có sự cố, cũng sẽ có nút cho phép bơm hoạt động trở lại sau khi xử lý sự cố

Trong lưu đồ biến SC (sự cố) chỉ được chương trình trên PLC cho =

1 duy nhất 1 lần khi pH2 vượt ngưỡng và chương trình chỉ đưa biến này về

0 khi tín hiệu từ nút giải trừ sự cố đưa về PLC là =1 Còn nếu không thì cho dù pH2 sau đó có không vượt ngưỡng nữa thì biến SC vẫn duy trì =1

và đèn báo động nhấp nháy để người vận hành biết được đã có sự cố nào

đó trong công đoạn Bể trung hoà, từ đó kiểm tra xem khâu điều khiển pH

có vấn đề gì không (ví dụ: hỏng bơm định lượng, hỏng van điện, tắc ống dẫn hoá chất, hỏng cảm biến pH1), và sau khi xử lý xong thì bấm giải trừ

để xoá bỏ sự cố đi Như vậy sau một khâu điều khiển nào đó mà kiểm tra thấy thông số điều chỉnh vẫn không đạt yêu cầu thì phải ngừng bắt buộc một số thiết bị để đảm bảo an toàn

9 Điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng

Lưu đồ điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng được hiển thị trên Hình 5

Ở chếđộ Auto bơm P1 sẽ được điều khiển tự động tắt/bật theo mức nước trong

bể cân bằng Ở chế độ Manual việc tắt/bật P1 hoàn toàn do người vận hành quyết định

Start

LV=LV_low

Bật bơm P1 LV=LVHi

- Điều chỉnh DO trong bể hiếu khí

Lưu đồ điều chỉnh DO được hiển thị trên Hình 6 Thiết bị đo DO sẽ đưa giá trị phản hồi cho vòng điều khiển kín trong chương trình PLC PLC

sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển (dòng hoặc áp) cho biến tần cho động cơ của máy thổi khí để có DO như mong muốn Sử dụng biến tần sẽ tiết kiệm điện năng nhờ điều chỉnh DO vừa đủ yêu cầu, trái với trường hợp không có điều chỉnh DO có thể quá lớn không cần thiết

Nếu DO không đạt yêu cầu thì chứng tỏ khâu điều khiển có sự cố (ví dụ: hỏng biến tần, tắc đường dẫn khí, hỏng động cơ) và cần báo động

Hình 6: Lưu đồ điều chỉnh DO trong bể hiếu khí

- Điều chỉnh lưu lượng vào bể kị khí

Để điều chỉnh lưu lượng (Hình 7) chỉ cần đặt trước giá trị đầu vào (dòng hoặc áp) cho biến tần, trong biến tần tích hợp sẵn bộ điều khiển PID

để điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ bơm, nhờ đó ổn định lưu lượng theo giá trị đặt (setpoint) Sử dụng biến tần sẽ tiết kiệm điện vì biến tần có sẵn chức năng tự động điều chỉnh công suất động cơ theo phụ tải Nếu lưu lượng không đạt thì P1, P2 hoặc P3 có sự cố hoặc đường ống có sự cố và cần báo động

Hình 7: Lưu đồ điều chỉnh lưu lượng vào bể kỵ khí

END

N

N

Y Lấy giá trị lưu lượng đặt

N

- Điều khiển bơm bùn

Hình 8: Lưu đồ điều khiển bơm bùn

Y Start

Bật máy gạt M2 Bật bơm bùn SP Chạy máy ép bùn D

Chọn Mode

Điều khiển M2, SP và D theo yêu cầu người vận hành

END Mode Auto

- Cảnh báo sự cố

Đèn CB T1 nhấp nháy

Đèn cảnh báo lưu lượng nước nhấp nháy Không cảnh báo lưu lượng nước

Không CB T1

Không CB DO

Đèn cảnh báo pH1 nhấp nháy Không CB pH1

Đèn cảnh báo DO nhấp nháy

T1>T1_Hi or T1<T1_low

pH>pH_Hi or pH<pH_low

FL1>FL1_Hi or FL1<FL1_LoW

DO>DO_Hi or DO<DO_low

Hình 9: Lưu đồ cảnh báo sự cố Lưu đồ cảnh báo sự cố được hiển thị trên Hình 9 Các cảnh báo gồm hai loại: cảnh báo vượt ngưỡng (phát hiện bằng cách so sánh giá trị thiết bị

đo với ngưỡng đặt trước trong chương trình) và cảnh báo theo thiết bị khống chế dạng tiếp điểm (ví dụ: van phao) Trong dây chuyền công nghệ

có các cảnh báo cho các thông số: T, pH, DO, lưu lượng, mức nước, hóa chất

4 Lựa chọn thiết bị vè thiết kế mô hình SCADA

4.1 Các thành phần trong hệ thống SCADA

- Trung tâm điều khiển

T2>T2_Hi or T2<T2_low

LV1=1 or LV2=1

LV3=1 or LV4=1

Đèn CB T2 nhấp nháy Không CB T2

Đèn CB mức nước nhấp nháy Không CB mức nước

Đèn CB hết hóa chất nhấp nháy Không CB hết hóa chất

Trung tâm điều khiển là đầu não của toàn bộ hệ thống Tại đây toàn

bộ các thông tin đo lường từ các thiết bị đo, cơ cấu chấp hành, trạng thái

hệ thống được kiểm soát chặt chẽ, xử lý, tính toán và ra các lệnh điều khiển kịp thời, trực tiếp tới từng đối tượng điều khiển

Trạm điều khiển tự động được xây dựng trên cơ sở bộ khả trình SIMATIC PLC S7-300 của hãng SIEMENS cho phép đáp ứng các yêu cầu lựa chọn công nghệ đã nêu trên đồng thời giá thành phải chăng và có khả năng mở rộng, nâng cấp thành hệ điều khiển dự phòng một cách dễ dàng

- Trạm máy tính

Do yêu cầu làm việc liên tục 24/24 , 7/7 nên Trạm máy tính được xây dựng trên cơ sở các PC công nghiệp có độ bền, tin cậy cao Trạm máy tính bao gồm 01 IPC SIMATIC WinCC Server, 01 máy IPC SIMATIC WinCC Client, Switch Module và Router

- Bàn điều khiển bằng tay

Bàn điều khiển giúp vận hành hệ thống trong chế độ bằng tay Bàn điều khiển được thiết kế gồm các nút ấn, đèn hiệu và còi báo động

- Khối các thiết bị đo, cảm biến, transmitter

Các đầu đo là loại đặc chủng dùng trong xử lý nước thải với mức độ bảo vệ cao (đa phần IP65, IP67 hoặc IP68)

- Cơ cấu chấp hành (động cơ, van điện)

Các động cơ, van điện từ đã có sẵn trong hệ thống

4.2 Mô hình hệ thống SCADA

Hình 10: Mô hình hệ thống SCADA Việc điều khiển xử lý nước thải được tập trung vào một Trung tâm điều khiển từ đây có thể theo dõi giám sát, điều khiển toàn bộ dây chuyền Trung tâm điều khiển có thể đặt ngay bên cạnh công trình cần điều khiển hoặc ở vị trí cách xa công trình Người vận hành tại Trung tâm phải làm các nhiêm vụ sau:

- Theo dõi, kiểm tra các thông số về mặt chất lượng và số lượng của quá trình công nghệ

- Theo dõi các tín hiệu về trạng thái, chế độ làm việc của thiết bị, về cảnh báo, báo động

- Thông qua các chỉ số theo dõi để lựa chọn chế độ làm việc tối ưu cho dây chuyền công nghệ

Người vận hành điều khiển hệ thống thông qua IPC hoặc Bàn điều khiển Trạm điều khiển tự động PLC đặt trong phòng điều khiển cách hệ

BẢNG ĐIỀU

KHIỂN

CƠ CẤU CHẤP HÀNH

CẢM BIẾN