Đồ án thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia Tiền Giang kèm sơ đồ thiết kế

A.TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1 I. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2 1. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải 2 2. Khả năng áp dụng tự động hoá xử lý nước thải nhà máy bia 4 II. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 5 1. Mục đích áp dụng tự động hoá xử lý nước thải 5 2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá 6 3. Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải 9 3.1 Điều chỉnh tự động 9 3.2 Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa 10 3.3 Hiển thị thông số công nghệ 11 3.4 Cấu hình hệ thống 11 3.5 Bảo vệ tự động 11 3.6 Cảnh báoBáo động 11 3.7 Lưu trữ, báo cáo thống kê 12 3.8 Điều khiển dự phòng 12 B. HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA TIỀN GIANG 13 I. PLC S7300 13 1. Giới thiệu về thiết bị điều khiển khả lập trình PLC 13 1.1 Cấu hình phần cứng PLC S7300 15 1.2 Module nguồn PS307 của S7300 15 1.3 Khối xử lý trung tâm Module CPU 15 1.3.1 Module mở rộng: có 5 loại chính 15 1.3.2 Cấu tạo bên ngoài của CPU SIMATIC S7300 16 1.3.3 Module xử lý vàora tín hiệu số của S7 300 17 1.3.4 Các module tích hợp các ngắt chuẩn đoán và xử lý lỗi 18 1.3.5 Các module inputoutput Analog S7 300 18 1.4 Cấu trúc chương trình PLC S7 300 19 1.4.1 Vòng quét chương trình của S7 300 19 1.4.2 Cấu trúc chương trình của S7 300 19 1.5 Các khối chức năng 21 1.5.1 Khối tổ chức (Organization Block OB) 21 1.5.2 Khối hàm chức năng FB (Function block) 21 1.5.3 Khối hàm FC(Function) 22 1.5.4 Khối dữ liệu (Data block) 22 1.6 Cấu trúc bộ nhớ 22 1.6.1. Kiểu dữ liệu 22 1.6.2. Phân chia bộ nhớ 23 1.7 Ngôn ngữ lập trình PLC S7 300 24 1.7.1 Phương pháp STL (Statement List) 24 1.7.2 Phương pháp FBD (Function Block Diagram FBD) 24 1.7.3 Phương pháp LAD (Ladder diagram) 25 1.7.4 Ngôn ngữ S7GRAPH 25 2. Thuyết minh nguyên lý hoạt động của thiết bị 54 3.Chương trình PLC cho hệ thống 54 II. WinCC V7.0 187 1.Lý thuyết 187 1.1 Tổng quan về mạng truyền thông công nghiệp 187 1.1.1 Cấp hiện trường 187 1.1.2 Cấp điều khiển 188 1.1.3 Cấp điều khiển giám sát 188 1.1.4 Cấp quản lí kỹ thuật và cấp quản lí kinh tế 188 1.2 Tổng quan về phần mềm WINCC v7.0 189 1.2.1 Giới thiệu chung 189 1.2.2 Chức năng của Wincc 189 1.2.3 Lập trình C cho WINCC với Global Script C (GSC) 191 2. Giao diện và tính năng SCADA của hệ thống xử lý nước thảy nhà máy bia 197 III. WINCC FLEXIBLE 204 1.Lý thuyết 204 1.1 Khái niệm: HMI (Human Machine Interface) 204 1.2 Các chức năng của HMI 205 1.3 Một số thiết bị HMI: 206 2. Các bước cơ bản để lập trình WinCC Flexible 207 2.1. Tạo các project 207 2.1.1. Create a new project with the Project Wizard 209 2.1.2. Tạo một dự án rổng với WinCC flexible 214 2.1.3. Open a ProTool project 215 2.1.4. Mở một màm hình đã được cài đặt trước đó. 217 2.2. Thiết kế màn hình: 217 2.2.1. Màn hình chính 218 2.2.2. Màn hình Template 220 2.2.3. Simple Objects: 220 2.3. Cài đặt cho các đối tượng 224 3. Giao tiếp trong wincc flexible 2008 230 3.1 Truyền thông giữa HMI và điều khiển trong WinCC flexible 230 3.2 Các bước thực hiện 235 3.3 Kết nối WINCC FLEXIBLE với SIMATIC S7300: 239 4. Giao diện HMI của hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia 249 IV. BIẾN TẦN DANFOSS 254 1.Giới thiệu: 254 2. Nguyên tắc điều khiển: 255 3. Lắp đặt điện. 263 V. CÁC THIẾT BỊ KHÁC 268 1. Đồng hồ đo lưu lượng FM_E 268 2. Thiết bị đo mực nước LS_B001 268 3. Thiết bị đo nhiệt độ TE_04 268 4. Thiết bị đo ph PH_04 268 5. Lắp đặt điều khiển bổ xung DO_DA 268 C. TÀI LIỆU THAM KHẢO 268

4 Nguyễn Minh Quyền 07708571

GVHD: Lư Sanh Minh

TP.HCM, Tháng 04 năm 2011

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nước ta đã và đang xây dựng ngàycàng nhiều nhà máy đa dạng về công nghệ Ngành tự động hoá cũng không ngừng pháttriển để đáp ứng nhu cầu của sản xuất Ứng dụng công nghệ tự động hoá vào trong sảnxuất là xu hướng tất yếu của Việt Nam đang trên đường phát triển công nghiệp và hộinhập cùng thế giới Hiện nay hàng loạt các nhà cung cấp công nghệ đã và đang phát triểnnhiều thiết bị, chương trình để giám sát và điều khiển dây chuyền sản xuất thay thế dầncác phương pháp điều khiển bằng tay Điều này có một ý nghĩa rất lớn quyết định đến sựphát triển kinh tế, nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành sảnphẩm, đáp ứng phần lớn nhu cầu của người tiêu dùng Tự động hoá trong quá trình sảnxuất đã và đang được ứng dụng rộng rãi vào các ngành sản xuất, từng bước thay thế dầnsức lao động của con người qua các thiết bị điều khiển nhỏ gọn, hiện đại năng cao hiệuquả kinh tế, tiết kiệm được nhiều thời gian Vì vậy cần phải có một đội ngũ cán bộ kỹthuật lành nghề, sử dụng thành thạo các thiết bị để khai thác có hiệu quả trong sản xuất

do đó việc tìm hiểu cách sử dụng những thiết bị, phần mềm mới để điều khiển và giámsát quy trình sản xuất là nhu cầu tất yếu Cho nên nhóm chúng em chọn đề tài này để tìmhiểu rõ hơn các thiết bị điều khiển và giám sát quá trình tự động hóa sản xuất trong côngnghiệp

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, Nhóm xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy LƯ SANH MINH đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ Nhóm trong quá trình thực hiện đồ án này Nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy cùng toàn thể thầy cô trong Khoa Điện

Đồng thời cũng xin chân thành cảm ơn các bạn trong lớp ĐHĐI3 đã đóng góp ý kiến và cung cấp một số tài liệu vô cùng quý giá giúp đỡ Nhóm

Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do thời gian giới hạn và khả năng cho phép nên đồ án này còn những chỗ sai sót và kết quả không được hoàn toàn thỏa mãn như mong muốn Nhóm chúng em rất mong được quý thầy cô góp ý và chỉ dẫn, để chúng em có thể vững vàng hơn trong công việc vì có những được những kinh nghiệm quý báu này

Nhận Xét

(Của giáo viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.Hồ Chí Minh, Ngày Tháng 4 Năm 2011 Giáo Viên Hướng Dẫn

LƯ SANH MINH

Nhận Xét

(Của giáo viên phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP.Hồ Chí Minh, Ngày Tháng 4 Năm 2011 Giáo Viên Phản Biện

Mục Lục

A.TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1

I KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2

1 Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải 2 2 Khả năng áp dụng tự động hoá xử lý nước thải nhà máy bia 4 II NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 5

1 Mục đích áp dụng tự động hoá xử lý nước thải 5 2 Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá 6 3 Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải 9 3.1 Điều chỉnh tự động 9

3.2 Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa 10

3.3 Hiển thị thông số công nghệ 11

3.4 Cấu hình hệ thống 11

3.5 Bảo vệ tự động 11

3.6 Cảnh báo/Báo động 11

3.7 Lưu trữ, báo cáo thống kê 12

3.8 Điều khiển dự phòng 12

B HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA TIỀN GIANG 13

I PLC S7-300 13

1 Giới thiệu về thiết bị điều khiển khả lập trình PLC 13 1.1 Cấu hình phần cứng PLC S7-300 15

1.2 Module nguồn PS307 của S7-300 15

1.3 Khối xử lý trung tâm -Module CPU 15

1.3.1 Module mở rộng: có 5 loại chính 15

1.3.2 Cấu tạo bên ngoài của CPU SIMATIC S7-300 16

1.3.3 Module xử lý vào/ra tín hiệu số của S7 300 17

1.3.4 Các module tích hợp các ngắt chuẩn đoán và xử lý lỗi 18

1.3.5 Các module input/output Analog S7 300 18

1.4 Cấu trúc chương trình PLC S7 - 300 19

1.4.1 Vòng quét chương trình của S7 300 19

1.4.2 Cấu trúc chương trình của S7 300 19

1.5 Các khối chức năng 21

1.5.1 Khối tổ chức (Organization Block - OB) 21

1.5.2 Khối hàm chức năng FB (Function block) 21

1.7.1 Phương pháp STL (Statement List) 24

1.7.2 Phương pháp FBD (Function Block Diagram - FBD) 24

1.7.3 Phương pháp LAD (Ladder diagram) 25

1.1.3 Cấp điều khiển giám sát 188

1.1.4 Cấp quản lí kỹ thuật và cấp quản lí kinh tế 188

1.2 Tổng quan về phần mềm WINCC v7.0 189

1.2.1 Giới thiệu chung 189

1.2.2 Chức năng của Wincc 189

1.2.3 Lập trình C cho WINCC với Global Script C (GSC) 191

2 Giao diện và tính năng SCADA của hệ thống xử lý nước thảy nhà máy bia

2 Các bước cơ bản để lập trình WinCC Flexible 207

2.1 Tạo các project 207

2.1.1 Create a new project with the Project Wizard 209

2.1.2 Tạo một dự án rổng với WinCC flexible 214

2.1.3 Open a ProTool project 215

2.1.4 Mở một màm hình đã được cài đặt trước đó.217

2.2 Thiết kế màn hình: 217

2.2.1 Màn hình chính 218

2.2.2 Màn hình Template 220

2.2.3 Simple Objects: 220

2.3 Cài đặt cho các đối tượng 224

3 Giao tiếp trong wincc flexible 2008 230

3.1 Truyền thông giữa HMI và điều khiển trong WinCC flexible 2303.2 Các bước thực hiện 2353.3 Kết nối WINCC FLEXIBLE với SIMATIC S7-300: 239

4 Giao diện HMI của hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia 249

IV BIẾN TẦN DANFOSS 254

1.Giới thiệu: 254

2 Nguyên tắc điều khiển: 255

3 Lắp đặt điện. 263

V CÁC THIẾT BỊ KHÁC 268

1 Đồng hồ đo lưu lượng FM_E 268

2 Thiết bị đo mực nước LS_B001 268

3 Thiết bị đo nhiệt độ TE_04 268

4 Thiết bị đo ph PH_04 268

5 Lắp đặt điều khiển bổ xung DO_DA 268

C TÀI LIỆU THAM KHẢO 268

A.TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nước thải công nghiệp đang là vấn

đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môi trường sống đồng thời góp phầnvào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên thế giới Tại nhiều nước cónền công nghiệp phát triển cao như Nhật, Mỹ, Anh, Pháp, các hệ thống xử lý nước thảicông nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiêntiến trong lĩnh vực tự động hoá cũng đã được áp dụng và đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh

tế xã hội vô cùng to lớn Nhiều hãng đi đầu trong lĩnh vực này như USFilter,Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation (HWC), Global Industries.Inc đã đưa racác giải pháp công nghệ xử lý nước thải hiện đại Những công nghệ tự động hoá củacác công ty hàng đầu trên thế giới như SIEMENS, AB, YOKOGAWA, được sử dụngrộng rãi trong các công trình xử lý nước thải Có thể nói trình độ tự động hoá xử lý nướcthải đã đạt mức cao, tất cả các công việc giám sát,điều khiển đều có thể thực hiện đượctại một Trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công cụ đơn giản, dễ sửdụng như giao diện đồ hoạ trên PC, điều khiển bằng kích chuột, góp phần nâng hiệuquả cho công việc quản lý điều hành dây chuyền công nghệ Ngoài ra cùng với sựphát 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 kmvới chỉ một máy tính PC hoặc nhận được thông tin về hệ thống thông qua SMS Hơnthế, hệ thống tự động hoá xử lý nước thải còn được tích hợp với các hệ thống điều hành

ở cấp độ điều khiển cao hơn như cấp điều hành sản xuất (manufacturing execution:workflow, order tracking, resources), cấp xí nghiệp (enterprise:Production planning,orders, purchase) và trên cùng là cấp quản trị (administration:Planning, Statistics,Finances) nhằm nâng cao hơn nữa mức tự động hoá và tối ưu hoá quá trình sản xuất.Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều các lý thuyết điều khiển hiện đại được

áp dụng như điều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo trước (predicted control),điều khiển lai ghép (hybrid control), được ứng dụng trong xử lý nước thải để nâng cao

1

chất lượng điều khiển và hiệu suất của các công đoạn xử lý Lý thuyết hệ chuyên giacũng được áp dụng mở ra khả năng tự động hoá hoàn toàn cho xử lý nước thải

I KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

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

Khảo sát công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia

Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia gồm nhiều công đoạn được thể hiện, hoạtđộng của hệ thống như sau:

Nước thải từ nhà máy được thu gom vào hố bơm Từ hố bơm, bơm nước qua song chắnrác Đây là bước xử lý sơ bộ Mục đích của quá trình là khử tất cả các tạp vật có thể gây

ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc máy bơm, đườngống hoặc kênh dẫn Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuậnlợi cho cả hệ thống Rác tự động vào thùng chứa bằng cách xối nước liên tục hoặc cào thủcông Sau song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng Bể này có tác dụng điều hoà lưulượng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi cho các công đoạn sau, khắc phụcnhững vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suấtcủa các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý Nhiệt độ nước được đo thủ công theo chu kỳhoặc thời điểm tuỳ thuộc vào kỹ sư vận hành Máy bơm sẽ bơm nước từ bể cân bằng vào

bể trung hoà và ổn định lưu lượng Nước thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cầnđược trung hoà đưa pH về khoảng 7±0.2 trước khi sử dụng cho công đoạn xử lý tiếptheo Trung hoà nước thải thực hiện bằng cách bổ sung các tác nhân hoá học Trong quátrình trung hoà, một lượng bùn cặn được 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 quátrình Để trung hoà trong công nghệ này người ta sử dụng tác nhân hoá học là NaOH vàHCl Khi pH vượt ngưỡng dưới thì bơm định lượng DP bổ sung thêm NaOH, khi pHvượt ngưỡng trên thì DP bổ sung HCl và cho máy khuấy M1 hoạt động Máy khuấy tạođiều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hoà và làm đồng đều hoá chất bổ sung với nướcthải Điều khiển pH được thực hiện thủ công Để bảo đảm an toàn cho vi sinh vật người

2

vận hành thường xuyên phải đo tay độ pH đầu nguồn nước vào bể kỵ khí để đảm bảochắc chắn rằng pH không vượt ngưỡng cho phép Khi phát hiện pH không đạt yêu cầu thìngười vận hành tắt các máy bơm để cắt nguồn nước không bảo đảm chỉ tiêu pH cho côngđoạn xử lý sinh học tiếp sau vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với pH, pH ảnh hưởng rất lớnđến quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào.Nếu vi sinh vật chết sẽ cần nhiều thời gian và kinh phí để khôi phục lại chúng đồng thờilàm gián đoạn sản xuất Sau khi trung hoà nước được xử lý tiếp bằng các phương phápsinh học Người ta sử dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi nhiềuchất hữu cơ hoà tan và một số chất vô cơ như H2S, các chất sunfit, amoniac, nitơ…Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chấthữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một sốchất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng,chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinhkhối của chúng được tăng lên Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi làquá trình oxy hoá sinh hoá Trong công nghệ sử dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếukhí tại các bể kỵ khí và hiếu khí Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùncặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học hoặc nước thảicông nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD=4÷5 g/l) Đây là phươngpháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân huỷ cácchất hữu cơ Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quá trình nàythành: lên men rượu, lên men axit lactic, lên men metan Những sản phẩm cuối của quátrình 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 khí Phương pháp hiếu khí

là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí Bể hiếu khí luôn chứa các vikhuẩn hiếu khí Trong công đoạn có hệ thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và các ốngdẫn khí làm nhiệm vụ cung cấp đủ lượng ôxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phângiải chất hữu cơ đồng thời xáo trộn làm tăng khả năng hấp thụ các chất hữu cơ của vi sinhvật đảm bảo sự phân giải tối đa Kết quả là hình thành các bông sinh học có thể lắngtrọng lực ở đầu ra của bể Đối với đa số các vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là

3

6.5÷8.5 Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật.Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nước thải phải từ 6÷37oC Nói chung giá trị DO luônđược bảo đảm trong khoảng cho phép nhờ công suất không đổi của máy thổi khí theothiết kế trừ trường hợp có sự cố (hỏng máy thổi, tắc ống dẫn khí, ) và được giám sát thủcông Nhiệt độ nước trong bể đo thủ công theo quy trình vận hành (định kỳ hoặc theothời điểm do kỹ sư vận hành quyết định) Nước thải sau khi được xử lý tại bể hiếu khí sẽtràn sang bể lắng đứng Tại đây sử dụng phương pháp lắng trọng lực Trong nước thảivào các bể này chứa bùn hoạt tính là sản phẩm của quá trình phân giải của vi sinh tại bểhiếu khí Bùn hoạt tính có dạng bông màu vàng nâu, dễ lắng, kích thước từ 3 đến5µm Những bông này gồm các vi sinh vật sống và chất rắn (40%) Vi sinh baogồm vi khuẩn, động vật bậc thấp, dòi, giun, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, mộtphần bùn được đưa quay trở lại bể hiếu khí để bảo đảm đủ lượng vi sinh cần thiết Bểlắng có thể tích thiết kế đủ lớn để nước được lưu trong đó vài giờ, đủ thời gian cho quátrình lắng, do đó có thể xả bùn và ép bùn liên tục (luôn bật máy gạt bùn M2, bơm hút bùn

SP và máy ép bùn D) Các van tay V4, V5 được mở trước ở các độ mở nhất định, cácmức mở này do kỹ sư vận hành thực hiện nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa thức ăn

và vi khuẩn hiếu khí Đánh giá trình độ công nghệ tự động hoá xử lý nước thải nhà máybia Trên cơ sở khảo sát công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia nói trên chúng tôi đưa rađánh giá như sau: Công nghệ có khả năng cho phép chất lượng nước đầu ra đạt TCVNtheo đúng quy định (TCVN 7221:2002, TCVN 5945:1995) Công nghệ chưa áp dụng

tự động hoá, việc giám sát điều khiển được thực hiện thủ công dẫn tới độ ổn định,tin cậy thấp Hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội chưa cao

2 Khả năng áp dụng tự động hoá xử lý nước thải nhà máy bia

Tại nhiều quốc gia có nền công nghiệp phát triển cao (Mỹ, Nhật, Đức, Anh, Pháp, ), các

hệ thống xử lý nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu.Nhiều hãng hàng đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon,Hunter Water Corporation(HWC), Global Industries.Inc đã đưa ra các giải pháp côngnghệ tiên tiến xử lý nước thải Hầu hết các công nghệ hiện đại ngày nay đều được tự động

4

hoá cao, nhờ đó đảm bảo năng suất, chất lượng, hiệu quả như mong muốn Tại Việt Nam

đã có những nhà máy xử lý nước thải hiện đại, sử dụng hoàn toàn hoặc phần lớn các côngnghệ của nước ngoài do đó mức độ tự động hoá cao, tuy nhiên giá thành đắt, nhiều côngnghệ không mang tính mở nên khó làm chủ hoàn toàn, chi phí nâng cấp, bảo trì rất lớn.Qua khảo sát kết hợp nghiên cứu, tìm hiểu các hệ thống xử lý nước thải trong và ngoàinước, chúng tôi khẳng định rằng chúng ta hoàn toàn có thể tự thiết kế và xây dựng một hệthống tự động hoá hiện đại cho dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia Bên cạnh đó,chính nhờ phát huy tối đa nội lực trong nước chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống sẽ giảmđáng kể Mức độ tự động hoá chủ yếu phụ thuộc vào khả năng đầu tư của nhà máy, songmột thiết kế hợp lý dựa trên các chuẩn quốc tế mở sẽ cho phép linh hoạt khi lựa chọn cấuhình hệ thống cũng như nâng cấp mức độ tự động hoá và mở rộng hệ thống một cách dễdàng trong tương lai Hệ thống tự động hoá sẽ cho phép giám sát điều khiển tất cả cáccông đoạn xử lý nước thải từ một trung tâm điều khiển Để làm được điều này cần trang

bị thêm các thiết bị đo lường, điều khiển và xây dựng thêm một số chức năng cần thiếtđối với hệ thống tự động hoá xử lý nước thải hiện đại Các thiết bị đo lường, điều khiểnnói chung rất sẵn có tại Việt Nam với nhiều đại diện của các hãng lớn nhưEndress+Hauser, Yokogawa, Siemens, Đây là một thuận lợi khi xây dựng hệ thống tựđộng hoá

Tóm lại:Tự động hoá cho xử lý nước thải nhà máy bia là hoàn toàn khả thi về kỹ thuật vàkinh tế trong điều kiện Việt Nam hiện nay

II NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1 Mục đích áp dụng tự động hoá xử lý nước thải

Tự động hoá xử lý nước thải là điều cần thiết nhưng cũng không cần phải chạy đua theomốt, mà phải phân tích rõ mục đích của tự động hoá và đặc biệt phải chú ý: vì sao phải tựđộng hoá và cho ai? Cải thiện điều kiện làm việc: Mục đích đầu tiên của tự động hoá làphải loại bỏ công việc lặp lại và khó nhọc cho việc vận hành, ví dụ: liên tục theo dõi,

5

kiểm tra nhiều thông số công nghệ, tắt bật cơ cấu chấp hành, ghi chép số liệu, sự cố, Tựđộng hoá và giám sát bằng máy tính làm tiện lợi thêm khả năng khống chế từ xa một sốlượng lớn các thông tin, đơn giản hoá nhiệm vụ khai thác, giám sát và quản lý Nâng caohiệu quả của thiết bị: Trước hết ta có thể cải thiện chất lượng xử lý nước bằng các thiết bị

đo và điều chỉnh Ví dụ như định lượng chất phản ứng, mức độ ô xy hoá, kiểm tra nhiệt

độ các bể phản ứng…Tự động hoá quá trình cho phép giải phóng con người và làm tăngtốc độ tin cậy của hệ thống Nhưng mục tiêu quan trọng là nâng cao độ chắc chắn vậnhành của thiết bị có tính đến các tiêu chuẩn độ tin cậy qua việc nghiên cứu các sự cố vậnhành Nghĩa là dự phòng các phương án để thiết bị có thể làm việc liên tụctrong trường hợp bị hỏng hóc một bộ phận nào đó bằng cách đưa tự động các thiết bị dựphòng vào làm việc và giải quyết hỏng hóc Tự động hoá cho phép việc nghiên cứu thống

kê các dữ liệu đã thu được, mở ra con đường tối ưu của việc xử lý Tăng năng suất laođộng: Tự động hoá nhằm nâng cao năng suất bằng cách giảm chi phí vận hành Ta cũng

có thể tối ưu hoá giá thành năng lượng chi phí hàng giờ và chi phí vật liệu Giảm nhâncông vận hành và giảm công việc bảo dưỡng cũng cho phép giảm giá thành Trợ giúpviệc giám sát: Nó bao gồm việc lắp đặt bộ biến đổi, phát hiện báo động, đặt các phươngtiện ghi các dữ liệu và truyền đi xa cho đến nơi giám sát bằng máy tính Tự động hoákhông có mục đích riêng, mức độ phức tạp của thiết bị phải đáp ứng điều kiện của nhàmáy và đối tượng xử lý Tự động hoá chỉ xem như một bộ trợ giúp, không ép buộc Mộttrong những hậu quả của một hệ thống tự động không chắc chắn là khi “mất nhớ” nókhông tiếp xúc trực tiếp được với quá trình công nghệ được nữa Tuy nhiên những ưuđiểm của nó quá rõ ràng nếu thiết bị được một chuyên gia về xử lý nước thải thiết kế vàvận hành thực hiện

2 Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá

Hệ thống tự động hoá có thể chia làm hai phần: hệ thống thông tin và hệ thống điềukhiển Hệ thống thông tin có nhiệm vụ thực hiện các chức năng thông tin Các chức năngnày cho phép giám sát quá trình công nghệ: cụ thể là thu thập, bảo quản, thống kê và ghilại các thông tin đã diễn ra của quá trình điều khiển, cần cho dự báo trước các tình huống

6

sự cố hay thông tin về sự thay đổi yêu cầu đặt trước của quá trình Hệ thống điều khiểndùng để tạo ra và thực hiện các tác động điều khiển dựa trên các nguyên lý điềukhiển các đại lượng phụ thuộc của quá trình công nghệ tối ưu; bằng các phương tiện tựđộng thực hiện các thao tác logic và theo chương trình đối với các phần tử phân tán (điềukhiển phân tán các cơ cấu chấp hành , các liên động sự cố, khởi động và dừng hệ thốngmáy ) Đối với mỗi hệ thống tự động điều khiển quá trình công nghệ không nhất thiếtphải thực hiện tất cả các chức năng kể trên Một số các chức năng không thích hợp vớiđối tượng công nghệ này lại có thể thích hợp với đối tượng công nghệ trong hệ thốngđiều khiển ở mức cao hơn Hệ thống tự động điều khiển quá trình công nghệ thực chất làđiều khiển tập trung quá trình đó nhờ các phương tiện kỹ thuật điều khiển tự động Vấn

đề đo lường từ xa các thông số của hệ thống công nghệ là rất quan trọng Các thông sốcần đo có thể kể đến như: mực nước trong các bể chứa, trong các buồng đầu vào côngtrình, lưu lượng, các chỉ số chất lượng nước như pH, T, DO, Các thiết bị cho tín hiệu

từ xa giúp người điều khiển nhìn nhận được toàn cảnh về trạng thái làm việc của các thiết

bị Các thiết bị hiện trường truyền về Trung tâm điều khiển các tín hiệu sau đây: tín hiệu

về tắt sự cố, về hỏng hóc các thiết bị điều khiển hay của các thiết bị phụ trợ (quạt, máybơm ), giá trị sự cố của các thông số công nghệ, sự trục trặc điều tiết chất phản ứng …Các phòng trong Trung tâm điều khiển thường được sắp xếp liền kề nhau, phòng có diệntích lớn là phòng điều khiển chính có đặt các tủ nhiều thiết bị có bàn ghế của người vậnhành Đằng sau tủ là các bộ phận cung cấp nguồn, điều khiển xa và các đầu vào của cáp.Trong Trung tâm điều khiển, các tủ, trạm đặt thiết bị điều khiển cần được sắp xếp như thếnào để người điều khiển từ chỗ ngồi làm việc có thể bao quát được tất cả các dụng cụ đolường và các tín hiệu Kết cấu các tủ và trạm điều khiển yêu cầu phải đơn giản nhưng chokhả năng lắp ráp dụng cụ một cách dễ dàng hoặc có thể thực hiện đổi chỗ chúng khi cầnthiết Trên sơ đồ bằng các ký hiệu tương ứng làm tái hiện lại các tín hiệu truyền từ xa,đánh dấu trạng thái tác động của các máy bơm, của khoá van, của các cầu giao dầu và cácthiết bị khác Bằng sự thay đổi màu sắc, ánh sáng và kim quay chỉ trạng thái của đốitượng Khi có các tín hiệu cảnh báo, báo động cần cho ánh sáng đèn nhấp nháy Với tiến

bộ không ngừng của khoa học công nghệ tự động các phương tiện điều khiển ngày một

7

hiện đại hơn, có độ chắc chắn, tinh vi trong công tác lại có kích thước thu nhỏ Rất tiệních về nhiều mặt Điều đó đạt được khi các quá trình công nghệ được điều khiển bằng cácthiết bị vừa tính toán vừa điều khiển lại vừa có khả năng tự động lập trình gọi là thiết bị

tự động lập trình công nghiệp (máy tính PC và các thiết bị tự động khả trình PLC) vàchúng được lắp đặt làm việc trong mạng riêng gọi là mạng công nghiệp Nhờ có mạngtruyền thông công nghiệp mà điều hành, quản lý giám sát một nhà máy, xí nghiệp nóichung hay một quá trình công nghệ nói riêng thu được nhiều kết quả tốt hơn Chúng tacũng biết rằng công nghệ làm sạch nước thải rất phức tạp, vì trong đó có nhiều quá trìnhkhác biệt nhau xảy ra… Mặt khác các quá trình đó về phương diện công nghệ cũng cònnhiều vấn đề chưa được nghiên cứu thấu đáo Nước thải là một môi trường luôn thay đổi

về thành phần cấu tạo bởi các hợp chất và lưu lượng: lại có độ ẩm, độ kết dính, độ ô xíthoá, nhiệt độ biến đổi nên gây nhiều khó khăn phức tạp cho việc áp dụng tự động hoá Cụthể như ta không thể sử dụng các thiết bị tự động đã sản xuất hàng loạt lưu hành trên thịtrường như cho tự động hoá các môi trường bình thường khác, mà phải chọn cácthiết bị tự động hoá chuyên sử dụng cho tự động hoá ở môi trường đặc biệt như nướcthải Các loại cảm biến này phải chống chọi được những ảnh hưởng khắc nghịêt của môitrường ôxy hoá cao, có độ đậm đặc các loại rác bẩn vô cơ và hữu cơ, có thể có nhiệt độcao Với một đối tượng luôn thay đổi là nước thải (lưu lượng, mức độ bẩn, nồng độ cácchất bẩn, lượng bùn hoạt tính…), lại có những hạn chế về phía công nghệ nên việc đưacông trình vào làm việc ở chế độ tối ưu về cả kỹ thuật lẫn kinh tế là một nhiệm vụ nangiải Vì vây, khi tự động hoá các quá trình xử lý nước thải, chế độ công nghệ luôn cầnđược dịch chỉnh sao cho theo sát gần với các điều kiện thay đổi của môi trường Như vậynhiệm vụ của tự động hoá các công trình xử lý nước thải đã được hiện ra rõ nét là: tổchức việc điều khiển, kiểm tra, bảo vệ, cho tín hiệu tự động về sự làm việc của các côngtrình công nghệ từ một Trung tâm điều khiển sao cho công trình xử lý nước thải có hiệuquả cao Tuỳ thuộc vào qui mô của trạm xử lý (công suất thiết kê, kết cấu của công trình)

và đặc tính của nước thải cần xử lý mà chọn khối lượng và mức độ tự động hoá cho phùhợp về mặt kinh tế (tự động hoá từng phần hay toàn phần) Trong các trạm điều khiểnđược trang bị nhiều sơ đồ của quá trình công nghệ xử lý nước thải Các sơ đồ này phải

8

chỉ rõ được trạng thái làm việc của tất cả các công trình, máy móc mà nó điều khiển(trạng thái "làm việc", "dừng máy", hay "sự cố") Ngoài ra các sơ đồ đó phải cho khảnăng theo dõi dễ dàng các tín hiệu; đơn giản hoá và giảm các sai sót trong việc điềukhiển Để tiện cho việc theo dõi, kiểm tra công tác của các thiết bị máy móc, ở các trạmđiều khiển đặt cách xa công trình nên sử dụng thiết bị truyền hình công nghiệp Ngày naykhoa học công nghệ mỗi ngày một phát triển Trong việc áp dụng tự động hoá vào việcđiều khiển, kiểm tra, bảo vệ các công trình công nghệ đã gặt hái được những thành quảđáng ca ngợi Trong các hệ thống điều khiển người ta đã sử dụng các block logic hay cácmáy tính điện tử có thiết bị đo lường từ xa các thông tin ở dạng tín hiệu tương tự hoặcdạng số rất tiện ích, đã có các thiết bị gọi là thiết bị tự động lập trình công nghiệp ra đời(API) hơn hẳn các bộ điều chỉnh trước đây, có khả năng tính toán và điều khiển; có thểkết nối với đối tượng điều khiển qua các cảm biến điện tử có độ tin cậy cao với cơ cấuchấp hành và các thiết bị ngoại vi khác (màn hình, phím lập trình, thẻ điện tử, mạngthông tin…) Cũng đã có các API có khả năng điều khiển quá trình đồng thời với nhiềuthông số đầu vào biến đổi với các qui luật khác nhau Các API có khả năng làm việctrong điều kiện khắc nghiệt về môi trường Sự xuất hiện của thiết bị tự động lập trìnhcông nghiệp đã mở ra những triển vọng tốt đẹp trong việc áp dụng tự động hoá vào điềukhiển các công trình xử lý nước thải

3 Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải

Để đạt được mục đích cũng như đáp ứng các yêu cầu nói trên, hệ thống tự động hoá xử lýnước thải cần có những chức năng cơ bản sau đây:

3.1 Điều chỉnh tự động

Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác động lên quá trình công nghệcần điều khiển theo một chế độ làm việc đã định sẵn Mỗi quá trình công nghệ xảy ratrong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại lượng Một số đại lượngđược duy trì không đổi, một số đại lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nàođó.Đây là một trong những chức năng quan trọng nhất quyết định đến mức độ tự động

9

hoá Trong dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia có ba khâu điều chỉnh tự động là điềuchỉnh pH tại Bể trung hoà, lưu lượng nước vào Bể kỵ khí và DO tại bể hiếu khí

3.2 Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa

Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải tiếp xúcvới 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 cùnglúc nhiều quá trình có liên quan hệ quả với nhau Để làm được điều này hệ thống tự độnghoá phải có chức năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều khiển từ Trung tâm đặtcách 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 naytrong nhiều hệ thống tự động hoá nói chung và xử lý nước thải nói riêng Giámsát, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ xa là nền tảng cho việc xây dựng hệ thống điều hànhsản 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 khốiquản lý và sản xuất, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất từ khâu hoạch định kế hoạch đếnkhâu sản xuất ra thành phẩm cuối cùng, cung cấp các chức năng lập kế hoạch; quản lýnhân lực, thiết bị, nguyên vật liệu; theo dõi quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự

cố máy móc Ngoài ra, điều khiển từ xa còn cho phép giảm đáng kể số lượng chuyên giacông nghệ, kỹ thuật cần thiết cho vận hành, bảo trì hệ thống tự động hoá Một nhómchuyên gia có thể điều hành cùng lúc cả mạng lưới các nhà máy xử lý nước thải tại nhiềunơi trong thành phố, nhiều tỉnh mà không cần đến tận nơi Đặc biệt, ngày nay mạngInternet toàn cầu đã rút ngắn khoảng cách về không gian và thời gian khiến cho khó ai cóthể tin được từ cách xa hàng nghìn km vẫn có thể giám sát, điều khiển thậm chí chuẩnđoán, sửa lỗi, nạp lại chương trình cho thiết bị điều khiển từ bất kỳ địa điểm nào trên thếgiới, nhưng đó là sự thực!Hệ thống tự động hoá xử lý nước thải nhà máy bia có chứcnăng giám sát điều khiển có khoảng cách (từ Trung tâm điều khiển) và từ xa (qua mạng

10

LAN hoặc Internet) các máy bơm, máy khuấy, máy gạt bùn, ép bùn, thổi khí, van điện từ

và các thông số công nghệ

3.3 Hiển thị thông số công nghệ

Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước, trạng tháithiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành Việc hiển thị đượcthiết 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 đổimàu 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)

3.4 Cấu hình hệ thống

Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống tự động hoá,chủ yếu là các giá trị chủ đạo (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng báo động Cáctham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bị điều khiển sau đó lại được truyền ngượclại PC để so sánh, nếu thấy không trùng nhau thì báo động, trái lại chứng tỏ rằng việctruyền 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

3.5 Bảo vệ tự động

Bảo vệ hệ thống máy móc, đường ống và các đối tượng khác khỏi các sự cố được thựchiện bởi các thiết bị chuyên dụng để ngắt các bộ phận bị sự cố Ngoài ra các thiết bị tựđộng còn thực hiện chức năng liên động tự động, cho phép bảo vệ các thiết bị máy móckhỏi 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 độngcấm chỉ loại trừ khả năng điều khiển sai, không đúng trình tự có khả năng gây sự cố

3.6 Cảnh báo/Báo động

Chức năng được thực hiện bằng còi, đèn nhấp nháy trên bàn điều khiển hoặc biểu tượngnhấp nháy trên PC, hiển thị thông báo dạng chữ trên PC, gửi tin nhắn tới điện thoại di

11

động của những người có trách nhiệm thông qua dịch vụ tin nhắn SMS Hệ thống đưa racảnh báo khi giá trị thông số vượt ngưỡng cảnh báo sớm hoặc thông số vượt ngưỡng báođộng trong giai đoạn quá độ của quá trình điều khiển Báo động được đưa ra khi thông sốvượt ngưỡng báo động liên tục trong khoảng thời gian nhất định (lớn hơn thời gian điềuchỉnh ngầm định) hoặc báo động sự cố đường truyền, sự cố thiết bị điều khiển, cơ cấuchấp hành, báo động sự cố cảm biến Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo động ở chỗ: cảnhbáo tự mất đi khi thông số hết vượt ngưỡng, trái lại báo động sẽ tồn tại cho đến khi ngườivận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định xoá bỏ trạng thái báo động Như vậy mức độcần chú ý của người vận hành đối với báo động phải cao hơn cảnh báo

3.7 Lưu trữ, báo cáo thống kê

Lưu trữ và lập báo cáo thống kê dữ liệu về thông số chất lượng nước, trạng thái hoạtđộng, sự cố, thời gian hoạt động của máy móc thiết bị, tổng lượng nước đã xử lý, lượnghoá chất đã dùng, danh sách người đã vận hành, bộ tham số công nghệ đã thay đổi vànhiều 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 trìthay thế kịp thời máy móc thiết bị; điều hành sản xuất và tính toán hiệu quả kinh tế Một

số chức năng mở rộng trong tương lai

3.8 Điều khiển dự phòng

Sự cố của hệ thống tự động có thể gây ra những tổn thất vô cùng lớn (do chi phí khởiđộng lại, do dẫn đến hỏng thiết bị, hỏng sản phẩm, ), thậm chí gây nguy hiểm tới tínhmạng con người Trong dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinhhọc, vi khuẩn nếu bị chết sẽ đòi hỏi nhiều thời gian và kinh phí để phục hồi, mặtkhác nếu thiết bị điều khiển bị hỏng thì phải điều khiển tay, khó chính xác, do đó điềukhiển dự phòng là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển Xây dựng hệthống có điều khiển dự phòng sẽ làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, nhưng với lựa chọn giảipháp hợp lý cùng với thiết kế ban đầu có khả năng mở rộng sẽ làm cho việc nâng cấpthành hệ điều khiển dự phòng ít tốn kém mà vẫn có hiệu quả Chúng tôi lựa chọn điềukhiển dự phòng mềm (Software Redundancy) hay còn gọi là dự phòng ấm (Warm

12

Standby) cho CPU điều khiển vì vừa đáp ứng yêu cầu công nghệ vừa có giá thành rẻ, phùhợp với điều kiện Việt Nam Hỗ trợ quyết định hoặc hệ chuyên gia Số lượng thông sốchất lượng nước cần đảm bảo đạt TCVN là vài chục (TCVN 5945:1995 có khoảng 30),tuy nhiên do trình độ công nghệ, do bản chất thông số, do điều kiện kinh tế nhà máykhông cho phép đo tức thời được tất cả các thông số cần cho hệ thống điều khiển Chỉmột vài thông số như pH, T, DO, Turbidity, NO 3 , được đo và điều khiển tự động, cácthông số khác phải dùng máy phân tích, có thông số đòi hỏi thời gian phân tích lâu nhưBOD 5 cần tới 5 ngày Mặt khác chất lượng nước đầu vào nói chung là không ổn định,phụ thuộc vào thời gian, thời tiết, vào hoạt động của nhà máy do đó cần hiệu chỉnh lạitham số công nghệ là cần thiết Để điều chỉnh tham số công nghệ, sau khi phân tíchchất lượng nước, chuyên gia công nghệ sẽ căn cứ vào chỉ số chất lượng nước đầu vào

và đầu ra để điều chỉnh lại các thiết bị cho hợp lý (điều chỉnh bơm định lượng hoá chất,thời gian phản ứng, thời gian lắng, ) Tuy vậy việc điều chỉnh này mang tính chủ quan

và phụ thuộc nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của chuyên gia Chính vì vậy chức năng

hỗ trợ quyết định sẽ đưa ra các bộ tham số có tính chất gợi ý cho người vận hành khi điềuchỉnh (điều chỉnh xung quanh giá trị gợi ý), đồng thời nếu bộ tham số điều chỉnh đem đếnchất lượng nước đầu ra đạt yêu cầu thì người vận hành có thể lưu lại trong cơ sở dữ liệutạo ra kho kinh nghiệm cho các lần điều chỉnh sau Ở mức cao hơn, hệ chuyên gia sẽ thaycho một chuyên gia công nghệ để tự động phát sinh ra bộ tham số điều chỉnh và tự học

Sơ đồ tổng kết các chức năng của hệ thống tự động hoá Để thực hiện các chức năng trên

Hệ thống TĐH cần có thêm một số thiết bị bổ sung Dây chuyền công nghệ áp dụng tựđộng hoá và danh mục các thiết bị điện - tự động hoá tại hiện trường thể hiện tương ứngtrong

13

B HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY BIA TIỀN GIANG

I PLC S7-300

1 Giới thiệu về thiết bị điều khiển khả lập trình PLC

Một hệ thống điều khiển ưu việt mà chúng ta lựa chọn nhằm mục đích để điều khiển mộtmáy sản xuất cần phải hội đủ các yêu cầu sau: giá thành hạ, dễ thi công, sửa chữa, chất

lượng làm việc ổn định linh hoạt … Từ đó hệ thống điều khiển có thể lập trình được PLC (Programable Logic Control) ra đời đã giải quyết được vấn đề trên.

Do các đặc điểm trên, PLC cho phép người điều hành không mất nhiều thời gian nối dâyphức tạp khi cần thay đổi chương trình điều khiển, chỉ cần lập chương trình mới thay chochương trình cũ.

1.1 Cấu hình phần cứng PLC S7-300

Thiết bị điều khiển khả trình SIMATIC S7-300 được thiết kế theo kiểu module Cácmodule này sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau Việc xây dựng PLC theo cấu trúcmodule rất thuận tiện cho việc thiết kế các hệ thống gọn nhẹ và dể dàng cho việc mở rộng

hệ thống

1.2 Module nguồn PS307 của S7-300

Module PS307 có nhiệm vụ chuyển nguồn

xoay chiều 120/230V thành nguồn một chiều

24V để cung cấp cho các module khác của

khối PLC Ngoài ra module nguồn còn có

nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các sensor và

các thiết bị truyền động kết nối với PLC

15

Hình 2.1: Thiết bị điều khiển logic khả trình SIMATIC 7-300

5 Đèn trạng thái và báo lỗi

1.3 Khối xử lý trung tâm -Module CPU

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ thời gian,

bộ đếm, cổng truyền thông (RS485)…và có thể có một vài cổng vào ra số Các cổng vào

ra số có trên CPU được gọi là cổng vào ra onboard Trong họ PLC S7-300 có nhiều loạimodule CPU khác nhau, được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU 312,module CPU 314, module CPU 315…

1.3.1 Module mở rộng: có 5 loại chính

PS (Power Supply): Module nguồn nuôi Có 3 loại: 2A, 5A, 10A.

SM (Signal Module): Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra, bao gồm:

DI (Digital Input): Module mở rộng các cổng vào số.

DO (Digital Output): Module mở rộng các cổng ra số.

DI/DO: Module mở rộng các cổng vào/ra số.

AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự.

AO (Analog Output): Module mở rộng các cổng ra tương tự.

AI/AO: Module mở rộng các cổng vào/ra tương tự.

IM (Interface module): Module ghép nối Đây là loại module chuyên dụng có

nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối và đượcquản lý chung bởi một module CPU

CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong mạng giữa các

PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

1.3.2 Cấu tạo bên ngoài của CPU SIMATIC S7-300

16

SIEMENS SF CPU 313

BATF DC5V FRCE RUN STOP RUN-P

STOP MRES RUN

M L+

MPI (Multipoint Interface)

Mode Mô tả

RUN-P CPU thực hiện quét chương trình

Chương trình có thể được đọc từ CPU ra thiết bị lập trình và cũng có thể nạp vào CPU

RUN CPU thực hiện quét chương trình

Chương trình có thể được đọc từ CPU ra thiết bị lập trình nhưng không thểthay đổi chương trình đã được nạp vào bộ nhớ của CPU

STOP CPU không thực hiện quét chương trình

Chương trình có thể được đọc từ CPU ra thiết bị lập trình và cũng có thể nạp vào CPU

MRES

(Memor

y

Mode thực hiện reset bộ nhớ của CPU

Đối với CPU 312 IFM và CPU 314 IFM khi chúng ta thực hiện reset bộ nhớ của CPU thì các vùng nhớ tích hợp giữ nguyên không thay đổi

17

Hình 2.3: cấu tạo bên ngoài của PLC S7-300

1.3.3 Module xử lý vào/ra tín hiệu số của S7 300

SIMENS cung cấp 3 loại module xử lý vào/ra của tín

hiệu số chính đó là:

 Input Digital Modules

Module có nhiệm vụ nhận các tín hiệu số từ thiết bị

ngoại vi vào vùng đệm để xử lý

 Digital Output Modules:

Module có nhiệm vụ xuất các tín hiệu số từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi

 Digital input/output modules:

Module tích hợp nhiệm vụ của cả hai loại module nói trên

Ngoài những module xử lý vào tín hiệu số và những module xử lý ra tín hiệu số chuyênbiệt SIMENS còn đưa ra một số module tích hợp hai nhiệm vụ nói trên tạo thành module

xử lý vào/ra tín hiệu số (Digital input/output modules)

1.3.4 Các module tích hợp các ngắt chuẩn đoán và xử lý lỗi Các module này có khả năng cài đặt các thông số để chuẩn đoán các lỗi Để thiết lập cácthông số này được thực hiện bằng cách sử dụng STEP7 Người lập trình cũng có thể thayđổi các thông số này trong chương trình bằng cách sử dụng các khối SFC (SystemFunction) Nếu sử dụng các module loại này mà không thiết lập các thông số thì cácthông số mặc định sẽ được thực thi

1.3.5 Các module input/output Analog S7 300

SIMENS cung cấp 3 loại module input/output Analog

chính đó là:

18

Hình 2.4 : Input/Output Digital Module

Hình 2.5: Analog Input module

 Input Analog modules: Module có nhiệm vụ chuyển các tín hiệu tương tự

từ các thiết bị ngoại vi thành các tín hiệu số để tiến hành xử lý bên trong S7 300

 Output Analog modules: Module có nhiệm vụ chuyển đổi các tín hiệu số

của S7 300 thành các tín hiệu tương tự để phục vu các quá trình hoạt động củathiết bị ngoại vi

 Input/Outputs Analog module: Module tích hợp nhiệm vụ của cả hai loại

module nói trên

Các CPU của S7 300 chỉ xử lý được các tín hiệu số, vì vậy các tín hiệu analog đều phảiđược chuyển đổi thành tín hiệu số Một tín hiệu analog được số hoá thành hai phần: phầndấu và phần giá trị của tín hiệu

1.4 Cấu trúc chương trình PLC S7 - 300

1.4.1 Vòng quét chương trình của S7 300 PLC thực hiện chương trình theo một chu trình lặp được gọi là vòng quét (scan) Mộtvòng lặp được gọi là một vòng quét Có thể chia một chu trình thực hiện của S7-300 ralàm 4 giai đoạn như hình dưới

Một điểm cần chú ý là tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thông thường các lệnh khônglàm việc trực tiếp với các cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùngnhớ tham số Chỉ khi gặp lệnh yêu cầu truy xuất các đầu vào/ra ngay lập tức thì hệ thống

sẽ cho dừng các công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt để thực hiện lệnh nàymột cách trực tiếp với các cổng vào/ra

19

Các vòng quét

nhanh, chậm phụ

thuộc vào số lệnh

trong chương trình

được thực hiện, vào

khối lượng dữ liệu được truyền thông … trong vòng quét đó Thời gian vòng quét càngngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

1.4.2 Cấu trúc chương trình của S7 300Các chương trình điều khiển PLC S7 300 được viết theo một trong hai dạng sau:

 Chương trình tuyến tính (chương trình đơn khối)

 Chương trình có cấu trúc (chương trình nhảy khối)

a.Lập trình tuyến tính (liner)

Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối trong bộ nhớ Loại hình cấu trúctuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không phức tạp Khối được chọnphải là khối OB1, là khối mà CPU luôn quét và thực hiện các lệnh trong nó thườngxuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại từ lệnh đầu tiên

Khối hàm chức năng FB (Function block): Là loại khối FC đặc biệt có khả năng

trao đổi một lượng dữ liệu với các khối chương trình khác

Khối hàm (Function): Khối chương trình với những chức năng riêng giống như

một chương trình con hoặc một hàm

Khối dữ liệu (Data block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương

trình Các tham số khối do ta tự đặt

20

1 Truyền thông và kiểm tra nội bộ

2 Chuyển dữ liệu từ cổng vào tới I

3 Thực hiện chương trình

4 Chuyển dữ liệu từ

Q tới cổng ra

Hình 2.6: Chu trình thực hiện chương trình trong S7-300

Ngoài ra còn có các khối hệ thống như : SFB, SFC, SDB.

Chương trình trong các khối được liên kết lại với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyểnkhối

Xem những phần chương trình trong các khối như là các chương trình con thì S7-300cho phép gọi chương trình con lồng nhau Nếu số lần gọi lồng nhau mà vượt quá con sốgiới hạn cho phép, PLC sẽ chuyễn sang chế độ Stop và đặt cờ báo lỗi

Khối OB1 luôn được PLC quét và thực hiện các lệnh từ đầu tiên đền lệnh cuối cùng vàquay lại lệnh đầu tiên

1.5 Các khối chức năng

Một chương trình điều khiển của S7-300 gồm có các khối logic (logic block) và các khối

dữ liệu (data block) Các khối logic là những khối có chứa các đoạn mã, các khối loại nàygồm có:

 Khối tổ chức (Organization Block - OB)

 Khối hàm (Function Block - FB)

 Khối hàm (Function - FC)

 Khối DB (Data block)

1.5.1 Khối tổ chức (Organization Block - OB)

Các OB thực hiện việc giao tiếp giữa hệ điều hành và chương trình điều khiển Mỗi OB

có một nhiệm vụ cụ thể khác nhau Những công việc cơ bản mà một chương trình yêucầu thường là:

21

 Khởi động (Startup): các khối thực hiện các công việc này là OB100

và OB101

 Thực hiện vòng quét (Scan cycle): công việc này được thực hiện bởiOB1

 Xử lý các lỗi: để CPU không chuyển về mode dừng (stop mode) khi

có các lỗi xuất hiện, người lập trình sử dụng các khối sau: OB80, OB87,OB121, OB122

 Ngoài ra các CPU còn tích hợp các OB xử lý ngắt

1.5.2 Khối hàm chức năng FB (Function block)

Là loại khối FC đặc biệt có khả năng trao đổi một lượng dữ liệu với các khối chươngtrình khác Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là DataBlock

1.5.3 Khối hàm FC(Function)

Khối chương trình với những chức năng riêng giống như một chương trình con hoặc mộthàm

1.5.4 Khối dữ liệu (Data block)

Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình Các tham số khối do ta tự đặt

Có hai loại DB: shared DB và instance DB

 Shared DB là khối dữ liệu có thể được truy cập bởi tất cả các khối trong

chương trình đó

 Instance DB là khối dữ liệu được gán cho một khối hàm duy nhất, dùng để

chứa dữ liệu của khối hàm này

Ngoài ra còn có các khối hệ thống như: SFB, SFC, SDB

 SFC (system function): là các hàm được tích hợp trong hệ điều hành của

CPU, các hàm này có thể được gọi bởi chương trình khi cần

22

1.6 Cấu trúc bộ nhớ

1.6.1 Kiểu dữ liệu

Trong một chương trình có thể có các kiểu dữ liệu sau:

 BOOL: với dung lượng 1 bit và có giá trị là 0 hay 1.

 BYTE: gồm 8 bit, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 255.

 WORD: gồm 2 byte, có giá trị nguyên dương từ 0 đến 65535.

 INT: có dung lượng 2 byte, dùng để biểu diễn số nguyên từ -32768 đến

32767

 DINT: gồm 4 byte, biểu diễn số nguyên từ -2147463846 đến 2147483647.

 REAL: gồm 4 byte, biểu diễn số thực dấu phẩy động.

 S5T: khoảng thời gian, được tính theo giờ/phút/giây/miligiây.

 TOD: biểu diễn giá trị thời gian tính theo giờ/phút/giây.

 DATE : biểu diễn giá trị thời gian tính theo năm/tháng/ngày.

 CHAR: biểu diễn một hoặc nhiều ký tự (nhiều nhất là 4 ký tự).

1.6.2 Phân chia bộ nhớ

CPU S7 300 có 3 vùng nhớ cơ bản:

 Các vùng chứa chương trình ứng dụng

 OB (Organisation Block): miền chứa chương trình tổ chức.

 FC (Function): miền chứa chương trình con.

 FB (Function Block) miền chứa chương trình con được tổ chức thành hàm

có khả năng trao đổi dữ liệu với bất cứ một khối chương trình nào khác

Vùng chứa tham số của hệ điều hành và các chương trình ứng dụng được chia thành 7miền khác nhau:

 I (Process Input Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số

 Q (Process Output Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số

 M: Miền các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu

trữ các tham số cần thiết

23

 T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ định thời bao gồm việc lưu trữ các giá trị

thời gian đặt trước (PV-Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời Current Value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian.

(CV- C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt

trước (PV-Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV-Current Value) và giá trị

logic của bộ đếm

 PI (I/O External Input): Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự

 PQ (I/O External Output): Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự

 Vùng chứa các khối dữ liệu: được chia làm hai loại.

 DB (Data block): miền chứa các dữ liệu được tổ chức thành khối Kích

thước cũng như số lượng khối do người sử dụng quy định, phù hợp với từngbài toán điều khiển Chương trình có thể truy cập miền này theo từng bit(DBX), byte (DBB), từ (DBW) hoặc từ kép (DBD)

 L (Local Data block): miền dữ liệu địa phương, được các khối chương trình

OB, FC, FB tổ chức và sử dụng cho các biện pháp tức thời và trao đổi dữ liệucủa biến hình thức với những khối chương trình đã gọi nó Nội dung của một

số dữ liệu trong miền này sẽ bị xoá khi kết thúc chương trình tương ứng trong

OB, FC, FB Miền này có thể truy nhập từ chương trình theo bit (L), byte (LB),

từ (LW) hoặc từ kép (LD)

1.7 Ngôn ngữ lập trình PLC S7 - 300

Các loại PLC nói chung có nhiều loại ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối tượng sửdụng khác nhau.PLC S7-300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản:

 Ngôn ngữ STL (Statement List)

 Ngôn ngữ FBD (Function Block Diagram - FBD).

 Ngôn ngữ LAD (Ladder diagram).

 Ngôn ngữ S7-GRAPH

24

1.7.1 Phương pháp STL (Statement List)Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính.một chươngtrình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định,mỗi lệnh chiếm mộthàng và có cấu trúc chung “tên lệnh + toán hạng” Phương pháp STL biểu diễn chươngtrình điều khiển bằng một danh sách các dòng lệnh liên tiếp

1.7.2 Phương pháp FBD (Function Block Diagram - FBD)

Ngôn ngữ “hình khối”, ngôn ngữ đồ hoạ cho những người quen thiết kế mạch điều khiểnsố

Phương pháp FBD trình bày các phép toán logic với các ký hiệu đồ hoạ đã được tiêuchuẩn hoá Trong hình mô tả một phép toán được biểu diễn theo phương pháp FBD:Trong đó:

 Ký hiệu đồ hoạ (hình chữ nhật) biểu thị nội dung lệnh dưới dạng phép toánlogic (hình trên biểu diễn phép và)

 Phía bên trái là các đối tượng lệnh liên quan đến các tín hiệu đầu vào và cáctham số

 Phía bên phải là các đối tượng lệnh liên quan đến các tín hiệu đầu ra cùngvới các tham số và đây cũng chính là kết quả của phép tính

Phương pháp FBD thích hợp với những người lập trình nắm vững về các kiến thức điềukhiển liên quan đến đại số Boole

1.7.3 Phương pháp LAD (Ladder diagram)

Đây là ngôn ngữ lập trình “hình thang”, dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp cho nhữmgngười quen thiết kế mạch điều khiển logic

Phương pháp LAD biểu thị các chức năng điều khiển bằng các loại ký hiệu sơ đồ mạchnhư tiếp điểm, timer, counter Phương pháp này có tính trực quan mạch vì nó biểu diễnmạch điện tương tự mạch điều khiển rơle

25

 Mức Low: 2 Bơm Off

 Mức Lowest: 2 Bơm Off, còi báo động,

đèn xoay

- Theo phao LS B003 (phao que 4

mức)

 Mức Over: 2 Bơm Off

- Hoạt động luân phiên: 01 On, 01off trong khoảng thời gian người vận hànhcài đặt sẵn

- Hoạt động theo chế độ bảo vệ độ

ẩm của từng thiết bị (Rơ Le cơ đóng mở).khi có sự xâm nhập của độ ẩm thì thiết bịngừng, còi báo động, đè xoay

01

26

2 Chế độ Man:

- Chạy cưỡng bức theo mức phao trong bế:

(mức Low ngưng bơm; mức Lowest bơm

ngưng, còi báo động, đèn xoay

3pha/50Hz

 Mức Low: 2 Bơm Off

 Mức Lowest: 2 Bơm Off, còi báo động,

đèn xoay

- Theo phao LS B’01 (phao que 4 mức)

 Mức Over: 2 Bơm Off

- Hoạt động luân phiên: 01 On, 01 off trongkhoảng thời gian người vận hành cài đặt sẵn

- Hoạt động theo chế độ bảo vệ độ ẩm của từngthiết bị (Rơ Le cơ đóng mở) khi có sự xâm nhậpcủa độ ẩm thì thiết bị ngừng, còi báo động, đèn

27

2 Chế độ Man:

- Chạy cưỡng bức theo mức phao trong bế: (mức

Low ngưng bơm; mức Lowest bơm ngưng, còi

3pha/50Hz

1 Chế độ Auto:

- Theo phao LS-B04 (Phao Siêu Âm)

 Mức Over: 1 Bơm On, Còi Báo Động,

Đèn Xoay

 Mức High: 1 Bơm On

 Mức Low: 2 Bơm Off

 Mức Lowest: 2 Bơm Off, còi báo động,

đèn xoay

- Hoạt Động theo Biến Tần IN04- A/B (Tần Sốđược người vận hành cài đặt sẵn Hay theo Lưulượng được người vận hành cài đặt sẵn) Biến tần

sẽ ưu tiên chạy theo thông số được người vậnhành cài đạt sau cùng

- Hoạt động luân phiên: 01 On, 01 off trong

28

khoảng thời gian người vận hành cài đặt sẵn.

- Hoạt động trong khoáng lưu lượng được ngườivận hành cài đặt theo cơ chế vận hành của từngbơm hay kết hợp các bơm khác Nếu lưu lượnglớn hơn hoặc nhỏ hơn lưu lượng cài đặt thì bơmngừng, còi báo động, đèn xoay

2 Chế độ Man:

- Chạy cưỡng bức theo mức phao trong bế: (mức

Low ngưng bơm; mức Lowest bơm ngưng, còi

và Slave)tín hiệungõ ra 4-

hiệu ngõ

ra 4-20mA

ra 4-20mA

3pha/50Hz

01

AUTO-OFF-MAN

1 Chế độ Auto:

- Theo phao LS-B04 (Phao siêu âm)

 Mức Over: Máy Khuấy On

 Mức High: Máy Khuấy On

 Mức Low: Máy Khuấy Off

 Mức Lowest: Máy Khuấy Off, còi báo

3pha/50Hz

01 AUTO-OFF-MAN

1 Chế độ Auto:

- Chạy theo Bơm P04-01/02 Khi bất kỳ Bơm

nào hoạt động thì Máy Khuấy On và ngượclại Sau khi bơm ngùng hoạt động Máy Khuấy30