Đồ án Điều khiển logic: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200Đồ án Điều khiển logic: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200Đồ án Điều khiển logic: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200Đồ án Điều khiển logic: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200Đồ án Điều khiển logic: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200Đồ án Điều khiển logic: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200
Trang 1Đồ án điều khiển logic
Tên đề tài: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong
hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200
Trang 2Mở đầu1.Đặt vấn đề
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều khu đô thị, khu công nghiệp, khu nhà cao tầng đã làm ảnh hưởng không nhỏ đến nguồn nước mặt bởi những chất thải do nhu cầu sinh hoạt của con người thải ra ngoài môi trường
Cũng giống như bao nhiêu vấn đề về môi trường khác, việc xử lý nước thải sinh hoạt ở các thành phố, các khu vui chơi giải trí luôn là một vấn đề hết sức nan giải Hầu hết nước thải của các thành phố, khu du lịch, khu vui chơi giải trí đều không có hệ thống xử lý nước thải hoặc hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ cũ không đáp ứng nổi yêu cầu nên nước sau xử lý không đạt chất lượng nênsau khi thải ra ngoài môi trường đã gây ra hậu quả nghiêm trọng Trong quá trìnhhội nhập hiện nay, nếu các vấn đề về môi trường không xử lý triệt để nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới đời sông sinh hoạt của con người
Trên thế giới, việc ứng dụng thành tựu khoa học kĩ thuật vào kĩ thuật môi trường ngày càng phổ biến Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển cao như Nhật, Mỹ, Anh, Pháp, các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt 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 Những công nghệ tự động hoá của các công ty hàng đầu trên thế giới như SIEMENS, AB, YOKOGAWA, được sử dụng rộng rãi trong các công trình xử
lý nước thải 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 dụngnhư giao diện đồ hoạ trên PC, điều khiển bằng kích chuột, góp phần nâng cao năng suất làm việc, hạn chế sự ảnh hưởng đến người làm việc 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 thểđiều khiển từ cách
xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận được thông tin về hệ thống thông qua SMS
Xuất phát từ các vấn đề trên, cùng với việc thực hiện nhiệm vụ học tập của nhà trường, em đã tìm hiểu nghiên cứu việc ứng dụng công nghệ tự động hóa cho hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học truyền thống Vì
vậy em thực hiện tiến hành đề tài: “Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7-1200”.
Trang 32.Mục đích đề tài
Nghiên cứu quy trình công nghệ xử lý nước thải trong đó tập trung nghiên cứu
hệ thống bể khử trùng, tìm hiểu các quá trình làm việc, các thiết bị tự động hóa được sử dụng trong hệ thống thực để tiến tới thiết kế, mô phỏng việc điều khiển, vận hành của hệ thống
Nghiên cứu thiết bị khả lập trình PLC, làm quen với việc sử dụng PLC
S7-1200 của Siemens và ngôn ngữ lập trình cho PLC
3.Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp kế thừa: kế thừa từ các tài liệu, công trình nghiên cứu trước đó
về hai mảng chính của đề tài: môi trường (công nghệ xử lý nước thải) và tự độnghóa (sử dụng, lập trình PLC và các thiết bị tự động hóa khác có liên quan)
Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: sau khi đã xây dựng xong cơ sở lý thuyết của đề tài sẽ tiến hành thử nghiệm sự hoạt động trên các thiết bị hiện có.Các bước tiến hành nghiên cứu là tìm hiểu cơ sở lý thuyết về vấn đề nghiên cứu, tiến hành thiết kế chương trình điều khiển, sau đó thử nghiệm trên các chương trình mô phỏng để đưa ra kết luận
4.Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học truyền thống
Chương 2: Phân tích bài toán và lập lưu đồ điều khiển bể khử trùng
Chương 3:Thiết kế bộ điều khiển hoạt động bể khử trùng
5.Giới hạn đề tài
Do thời gian làm đồ án hạn hẹp và đồ án ở cấp độ môn học nên trong hệ thống
xử lý nước thải, em chỉ nghiên cứu thiết kế bể khử trùng
Trang 4CHƯƠNG 1Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học
-Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là: hàm lượng chất hữu cơ cao (55-65% tổng lượng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật có cả vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ cần thiết cho các quá trình chuyển hóa chất bẩn trong nướcthải
1.2 Các thông số ô nhiễm đăc trưng của chất thải
-Hàm lượng chất rắn trong nước thải
Nước thải là hệ đa phân tán bao gồm nước và các chất bẩn Các nguyên tố chủyếu có trong thành phần của nước thải sinh hoạt là C, H, O, N với công thức trung bình C12H26O6N Các chất bẩn trong nước thải gồm cả vô cơ và hữu cơ, tồntại dưới dạng cặn lắng, các chất rắn không lắng được là các chất hòa tan và dạng keo
Bảng khối lượng chất rắn có trong nước thải sinh hoạt (g/người.ngày)
Thành phần Cặn lắng lắngCặn không tanChất hòa Tổng cộng
Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng của nước thải Các chất rắn
không hoà tan có hai dạng: chất rắn keo và chất rắn lơ lửng Chất rắn lơ lửng (SS) được giữ lại trên giấy lọc kích thước lỗ 1,2 micromet (bao gồm chất rắn lơ lửng lắng được và chất rắn lơ lửng không lắng được), làm giảm lượng hóa chất cần sử dụng trong quá trình xử lý
Trang 5ý nghĩa về khía cạnh sinh thái môi trường.
-Hàm lượng oxy hòa tan(Dissolved oxygen - DO)
DO là lượng oxy hòa tan cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật sống trong nước, thường được tạo ra do sự hòa tan từ khí quyển hay sự quang hợp của tảo.Nồng độ oxy tự do trong nước nằm trong khoảng 8-10 ppm, và dao động mạnh vào nhiệt độ, sự phân hủy hóa chất, sự quang hợp của tảo.Các quá trình oxy hóa của các chất thải sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn nước, đe dọa sự sống các loài sinh vật sống trong nước Do vậy, DO là chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước
-Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand - BOD)
BOD là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ theo phản ứng:
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + tế bào mới + Sản phẩm cố định
Do đó, nó là thước đo nồng độ chất hữu cơ trong chất thải có thể bị oxy hóa bởi vi sinh vật
-Nhu cầu oxy hóa học(Chemical Oxygen Demand - COD)
COD là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các hợp chất hóa học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ
Toàn bộ lượng oxy sử dụng cho các phản ứng trên được lấy từ oxy hoà tan trong nước (DO) Do vậy nhu cầu oxy hoá học và oxy sinh học cao sẽ làm giảm nồng độ DO của nước, có hại cho sinh vật nước và hệ sinh thái nước nói chung Nước thải hữu cơ, nước thải sinh hoạt và nước thải hoá chất là các tác nhân tạo
ra các giá trị BOD và COD cao của môi trường nước
Trang 62.Các phương pháp xử lý nước thải
2.1Phương pháp hóa học-hóa lý
Các phương pháp hóa học dùng trong hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm có: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào, do đó, ưu điểm của phương pháp là có hiệu quả xử lý cao, thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín Tuy nhiên, phương pháp hóa học có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các HTXLNT sinh hoạt với quy mô lớn
Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là
áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào
đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễmmôi trường Những phương pháp hoá lý thường được áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc… Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng với các phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh
2.2Phương pháp sinh học
Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt
là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân huỷ các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có năm nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình trung gian anoxic, quá trình kị khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic – kị khí các quá trình hồ Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra khôngquá khắt khe đối với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học thường được ứng dụng nhất
Trang 73.Sơ đồ công nghệ xử lý của HTXLNT sinh hoạt.
Tuy nhiên, trong thiết kế không áp dụng một sơ đồ mẫu cụ thể nào mà tùy vàotừng yêu cầu và mục đích, người ta xây dựng dây chuyền xử lý nước thải cụ thể Đối với trường hợp trạm xử lý quy mô lớn và yêu cầu vệ sinh cao thì mới sử dụng sơ đồ xử lý như trên Đối với trường hợp cho phép giảm mức độ xử lý hoặcđối với những trạm có công suất nhỏ, sơ đồ có thể đơn giản hơn
Trang 9-Nước thải sinh hoạt từ các nguồn phát sinh sẽ được dẫn về khu xử lý nước thải, trên đường dẫn nước thải về khu vực xử lý nước thải tập trung sẽ đem theo nhiều cát, rác, tóc nên trước khi đưa vào hệ thống xử lý cần bố trí một bể bẫy cát và song chắn rácđược thiết kế đặc biệt giúp loại bỏ hoàn toàn cát và rác ra khỏi nước thải
- Nước thải sau khi qua bể lắng cát tiếp tục được chuyển sang bể điều hòa Bể điềuhòa có tác dụng ổn định lưu lượng nước thải và hòa trộn đều nước thải Ở bể điều hòađược bố trí một máy thổi khí đặt cạn giúp nước thải luôn có khí lưu thông không gây
ra các mùi hôi khó chịu do nước thải sinh hoạt gây ra Trong bể điều hòa sẽ xảy ra quá trình hiếu khí giúp phân dã một phần chất hữu cơ hòa tan ở dạng keo
- Nước thải sau bể điều hòa được chuyển tiếp đến bể xử lý vi sinh kỵ khí, ở điều kiện thiếu khí các vi sinh vật thiếu khí hoạt động mạnh mẽ, ở đây chúng sẽ hấp thụ các hợp chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành các hợp chất N và P Với lượng thức
ăn vô cùng lớn các vi sinh vật sẽ trưởng thành và xảy ra quá trình phân bào giúp tăng mật độ của các vi sinh vật trong bể
- Bể lắng: Nước sau khi đi qua bể xử lý vi sinh được chuyển qua bể lắng với thiết
kế đặc biệt của bể cộng thêm tác dụng của máy thổi khí và dung dịch trợ lắng các chất lơ lửng được lắng xuống đáy bể lắng Ở đây được bố trí một máy bơm hút bùn
có tác dụng bơm bùn hoàn lưu và một phần bùn chuyển về bể chứa bùn
- Nước sau khi qua bể lắng được máy bơm tiếp túc đưa qua bể lọc áp lực giúp loại
bỏ hoàn toàn các huyễn phù lơ lửng tồn dư trong nước nguồn
- Bể khử trùng: Nước sau khi qua thiết bị lọc áp lực nước đã đạt tiêu chuẩn xả thải
ra moi trường nhưng vẫn còn lại lượng vi khuẩn rất lớn còn tồn dư ở quá trình xử lý
vi sinh, nên ở đây được bố trí một hệ thống châm hóa chất khử trùng giúp loại bỏ hoàn toàn các vi khuẩn ra khỏi nước Nước sau khi qua hệ thống xử lý đạt thiêu tiêu chuẩn
4.Bể khử trùng-nhiệm vụ yêu cầu điều khiển
Trong quy trình xử lý nước thải, bể khử trùng thường là công trình được đặt ở cuốicùng trước khi đưa nước ra môi trường
Khử trùng nước thải là nhằm mục đích phá hủy, tiêu diệt các loại vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm chưa được hoặc không thể khử bỏ trong quá trình xử lý nước thải Các biện pháp khử trùng bao gồm sử dụng hóa chất, sử dụng các quá trình cơ lý, sử dụng các bức xạ Trong phần này chúng ta chỉ nghiên cứu đến việc khử trùng bằng bằng Chlorine Phương pháp này có ưu điểm là rẻ tiền, đơn giản, hiệu quả cao
Clo có tính khử mạnh nên khi dùng Clo để khử trùng nước thải sẽ xảy ra rất nhiều phản ứng giữa Clo với các thành phần hóa học có mặt trong nước thải Bể khử trùng bằng Chlorine đươc cấu tạo để nước thải và dung dịch clo (phân phối qua ống châm
Trang 10lổ, hoặc suốt chiều ngang của bể trộn) được đưa vào bể trộn trang bị một máy khuấy vận tốc cao, thời gian lưu tồn của nước thải và dung dịch chlorine trong bể trộn không ngắn hơn 30 giây Sau đó nước thải đã trộn lẫn với dung dịch chlorine được cho chảy qua bể tiếp xúc được chia thành những kênh dài và hẹp theo đường gấp khúc.
Thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước thải khoảng từ 15 – 45 phút, và ít nhất phải giữ được 15 phút ở tải lượng lớn nhất Bể tiếp xúc chlorine thường được thiết kếtheo kiểu plug-flow (ngoằn ngoèo) Tỉ lệ dài : rộng từ 10 : 1 đến 40 : 1 Vận tốc tối thiểu của nước thải phải từ 2 - 4,5 m/phút để tránh lắng bùn trong bể
Trang 11Phản ứng đặc trưng là sự thủy phân của clo tạo ra axit hypoclorit và axit
hydrocloric:
Cl2 + H2O HClO + HClHoặc có thể ở dạng phương trình phân li:
Cl2 + H2O 2H+ + OCl- + Cl
-Tuy nhiên, nếu trong NT chứa nhiều chất hữu cơ chúng sẽ kết hợp với clo tạo các sản phẩm độc hại, dễ gây hại cho nguồn nước đặc biệt đối nguồn nước cấp cho mụcđích sinh hoạt
Để định lượng clo, xáo trộn clo với hơi nước công tác, điều chế và vận chuyển đếnnơi sử dụng người ta thường dùng cloratơ
Nồng độ HOCl phụ thuộcvào lượng ion H+ trong nước hay phụ thuộc vào pH của nước Khi:
- PH = 6 thì HOCl chiếm 99,5% còn OCl- chiếm 0.5%
- PH = 7 thì HOCl chiếm 79% còn OCl- chiếm 21%
- PH = 8 thì HOCl chiếm 25% còn OCl- chiếm 75%
Tác dụng khử trùng của HOCl cao hơn nhiều OCl- Tức là PH càng cao hiệu quả khử trùng càng giảm
Khử trùng hóa chất nói chung và Clo nói riêng cần đảm bảo nồng độ hóa chất trong nước theo QCVN, thông thường để đảm bảo hiệu quả của quá trình khử trùng,
ta điều chỉnh lượng clo cho vào sao cho hàm lượng clo dư còn lại trong nước thải saukhi tiếp xúc không nhỏ hơn 1,5 mg/l
Khử clo dư trong nước : Khử dư lượng clo trong nước khi clo hóa với liều lượng cao có thể dùng phương pháp hóa học Khử clo bằng hóa chất như dùng SO2,
Trang 12CHƯƠNG 2Phân tích bài toán và lập lưu đồ điều khiển bể khử trùng
1.Yêu cầu thiết kế
Thiết kế bộ điều khiển hoạt động của bể khử trùng có thể tích 62.5 m3, chiều cao công tác là 1,2 m Thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước thải là 30 phút
2.Sơ đồ bể khử trùng và các thiết bị
-Hoạt động của hệ thống:
Nước thải được bơm vào bể qua bơm B1, qua van tiết lưu V1 với lưu lương
125m3/h Khi có nước thải chảy qua cảm biến lưu lượng sẽ gửi tín hiệu đến clorator
để định lượng clo cần điều chế Nước thải được đưa vào bể trộn Sau khi tiếp xúc với chlorine, nước thải được đưa sang bể tiếp xúc Sau 30 phút, khi mực nước trong bể đạt 1.2m van giới hạn lưu lượng V2 ra kênh xả Khi bể ngừng hoạt động, van xả V2
Trang 13-Bảo vệ 1: Bể tiếp xúc có 2 van xả: Van giới hạn lưu lượng V2 và van an toàn V3 Van giới hạn lưu lượng hoạt động thường xuyên Khi van V2 gặp sự cố không mở, mực nước trong bể dâng lên bằng chiều cao bảo vệ, cảm biến mức tác động, ngừng
hệ thống và mở van V3 thoát nước
-Bảo vệ 2: Khi clo rò rỉ trong không khí (trong phòng clo), Sensor phát hiện clo rò
rỉ sẽ ghi nhận giá trị và đưa về bộ phận xử lý trung tâm Tại đây giá trị đưa về sẽ được so sánh với giá trị cài đặt của người vận hành (Thông thường từ 0.2 – 2 ppm), nếu vượt quá ngưỡng cài đặt thì bộ xử lý trung tâm sẽ gửi tín hiệu đến tủ điều khiển
- Tủ điện điều khiển, khi nhận được tín hiệu từ bộ xử lý trung tâm sẽ ngừng toàn
bộ quạt thông gió của nhà clo, kích hoạt cho bơm hóa chất trung hòa NaOH (20%),
Còi và đèn báo động đồng thời được bật lên, quạt sẽ chạy sau một thời gian cài đặt, thông thường thì từ 5 đến 10 giây để cho bơm bơm đều dung dich NaOH
- Quá trình hút clo và trung hòa NaOH diễn ra liên tục cho đến khi hàm lượng clo
rò rỉ trong không khí ( trong nhà clo) xuống dưới mức đã cài đặt
- Khí clo được hút sạch, lúc này bộ xử lý trung tâm sẽ gửi tín hiệu điện đến tủ điện điều khiển mở các tiếp điểm cho quạt hút clo rò rỉ, bơm hóa chất trung hòa NaOH (20%), Còi và đèn báo động tắt
- Sau mỗi lần chạy hệ thống phải thay toàn bộ lượng NaOH trong bồn
Trang 143.Lưu đồ điều khiển
Lưu đồ điều khiển hoạt động của bể Lưu đồ bảo vệ 1
Trang 15Lưu đồ bảo vệ nhà Clo
Trang 16Chương 3Thiết kế bộ điều khiển hoạt động bể khử trùng 1.Thiết bị phần cứng
1.1Lựa chọn cảm biến
Các thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý điện từ của hãng Siemens bao gồm hai phần chính là cảm biến (sensor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (Transmitter) Phần cảm biến bao gồm các dòng sản phẩm sau: Mag 5100W, Bộ chuyển đổi tín hiệu bao gồm các dòng sản phẩm sau: Mag 5000
Các nguyên tắc đo lưu lượng dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faradays, là các cảm biến chuyển đổi dòng chảy thành một điện áp điện tỉ lệ với vận tốc của dòng chảy
Transmitter MAG 5000 SIEMENS :
MAG 5000 là bộ chuyển đổi tín hiệu dùng cho các dòng cảm biến đo lưu lượng Mag 1100, Mag 1100F, Mag 5100W, Mag3100W, và Mag 3100 Bộ chuyển đổi tín hiệu này có độ chính xác cao 0.5% và giá rẻ, nó dùng kèm với các cảm biến lưulượng trong các ứng dụng thông thường và không yêu cầu chức năng định mẻ
(Batching controller)
+ Độ chính xác 0.5%
+ Không có chức năng định mẻ (Batching controller)
+ Hiển thị lưu lượng tức thời và lưu lượng tổng, có thể hiển thị lưu lượng tổng theochiều thuận, ngược của dòng chảy và lưu lượng tuyệt đối Có thể tuỳ chọn không có màn hình hiển thị
+ Tín hiệu ra : Một tín hiệu ra tương tự 4-20 mA, một tín hiệu ra xung, một tín hiệu ra Relay
+ Nguồn cung cấp: Có thể chọn DC 11…30V, AC 11 … 24V hoặc AC 115…
230 V
+ Cảm biến tương thích: Mag5100W, Mag 3100, Mag 3100W, Mag 1100, Mag 1100F
Trang 17Mag 5000 có thể lắp trực tiếp (compact) hoặc lắp từ xa với Sensor ở mọi kích cỡ.
1.2Clorator
K S10 ™ thiết bị clorator chân không thường được sử dụng để xử lí nước thải công nghiệp, sinh hoạt và khử trùng bể bơi
-Độ chính xác