Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC s7 1200 có giám sát bằng WinCC và webserver

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC s7 1200 có giám sát bằng WinCC và webserver

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 4

TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN NAY 4

1.1.1 Nước thải từ khu công nghiệp 4

1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp 5

1.2 NƯỚC THẢI SINH HOẠT 6

1.2.1 Nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt 6

1.2.2 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt 7

1.2.3 Các phương pháp xử lý nước thải và xử lý cặn 7

1.3 NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN 10

CHƯƠNG 2 11

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 11

2.1 SENSOR ĐO COD 11

2.2 SENSOR ĐO TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS) 12

2.3 SENSOR ĐO PH 12

2.4 SENSOR ĐO OXY HÒA TAN 13

CHƯƠNG 3 15

BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200 15

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 15

3.2 GIỚI THIỆU VỀ TIA PORTAL 17

3.2.1 Lập trình trên TIA Portal 18

3.2.2 Lập trình hướng đối tượng (Object-oriented programing) 19

3.2.3 Lập trình Đếm xung tốc độ cao (High Speed Counter) để đo lưu lượng nước 23

3.2.4 Đọc thời gian thực 25

CHƯƠNG 4 27

LẮP RÁP MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 27 4.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI 27

4.1.1 Mô hình bể xử lý nước thải 27

4.1.2 Mô hình tủ điện điều khiển và giám sát hệ thống 29

4.2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 31

CHƯƠNG 5 37

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG WIN CC VÀ WEB SERVER 37

5.1 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VỚI WINCC - TIA PORTAL 37

5.1.1 Tạo kết nối (connections) 39

5.1.2 Tạo thư viện 39

5.1.3 Hiển thị cảnh báo với HMI Alarm 43

5.1.4.Vẽ đồ thị trên HMI 43

5.2 WEB SERVER 44

5.2.1 Tìm hiểu về HTML 45

5.2.2 Tìm hiểu về AWP 47

5.2.3 Tìm hiểu về kỹ thuật AJAX: 48

5.2.3 Lập trình truy cập Web server trên TIA Portal 52

5.3 HMI 57

5.3.1 Giới thiệu HMI KTP400 57

5.3.2 HMI KTP400 trên TIA Portal 57

5.3.3 Thiết kế giao diện giám sát 60

5.4 Hướng phát triển đề tài 66

KẾT LUẬN 67

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển như vũ bão của nền kinh tế, tại các khu đô thị lớn, ngày càng có nhiều khu công nghiệp, nhà máy được xây dựng lên kéo theo đó là thải ra môi trường một lượng lớn chất thải dẫn đến hệ luỵ môi trường càng ngày càng bị ô nhiễm Ngày nay chất thải công nghiệp, các đô thị lớn nước thải sinh hoạt đều đổ ra sông, biển mùi hôi bẩn gây ảnh hưởng đến chất lượng đời sống của người dân và phát triển kinh tế - xã hội

Mặc dù hàng loạt các biện pháp bảo vệ môi trường đã ra đời và được thực hiện như: luật quốc gia , công ước quốc tế… nhưng thời gian qua tình trạng môi trường vẫn tiếp tục suy giảm, tiếp tục bị ô nhiễm: tài nguyên cạn kiệt, nhiệt độ trái đất ngày càng tăng, hạn hán, lũ lụt, các nguồn nước thiên nhiên và khí quyển bị ô nhiễm nặng nề…

Trong giai đoạn thúc đẩy công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nước ta cũng không nằm ngoài khung cảnh chung đó Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nước thì vấn đề môi trường cũng trở nên gay gắt hơn Trong đó, ô nhiếm nguồn nước thải và vấn đề xử lý nó đã trở thành nhiệm vụ hàng đầu của các chuyên gia kỹ thuật nói riêng

và của toàn xã hội nói chung Chính vì vậy việc đầu tư và áp dụng công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học là điều rất cần thiết để xử lý triệt để vấn

đề gây ô nhiễm

Là sinh viên ngành Điện Tự Động việc nghiên cứu lập trình điều khiển giám sát hệ thống xử lý nước thải là một trong những điều cần thiết để áp dụng những kiến thức đã học từ trong ghế nhà trường đưa vào cuộc sống nhằm nâng cao năng lực thực

tế và giải quyết vấn đề tồn tại trong cuộc sống.Trong khuôn khổ đề tài tốt nghiệp của

mình, em quyết định chọn đề tài “ Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server ”

Sau thời gian hơn bốn tháng tìm hiểu nghiên cứu thực tế sử dụng kiến thức đã học làm đề tài tốt nghiệp bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Lê Hoàng, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp này đúng thời gian quy định Một lần nữa cho phép em gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN NAY

1.1.1 Nước thải từ khu công nghiệp

Tại các khu công nghiệp hàng ngày nhu cầu sản xuất rất là lớn , một lượng lớn nước tẩy rửa sử dụng cho mục đích công nghiệp kéo theo đó là thải ra môi trường một lượng lớn chất thải Nước thải công nghiệp ở các doanh nghiệp gồm nhiều chất độc hại rất nguy hiểm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Nước làm mát sử dụng trong quá trình công nghiệp như sản xuất thép và than cốc không chỉ tạo ra nước thải với nhiệt độ cao, có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh vật, mà còn gây ra ô nhiễm với một loạt các chất độc hại, bao gồm cyanua, ammoniac, benzene, phenol, PAH…Nước cũng được sử dụng như một chất bôi trơn máy móc công nghiệp và có thể trở nên ô nhiễm do các loại dầu thuỷ lực, thiếc, crom, sắt sunphat, các loại axit khác nhau. Như vậy ta cần phải có hồ chứa để xử lý nước thải

Hình 1.1 Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp được chia làm 2 loại:

+ Nước bẩn: là nước thải sinh ra từ các quá trình sản xuất, xúc rửa máy móc thiết bị hay từ quá trình sinh hoạt của công nhân viên Loại nước thải này chứa nhiều tạp chất, chất độc hại, ô nhiễm

+ Nước không bẩn: là loại nước sinh ra chủ yếu khi làm nguội thiết bị, giải nhiệt trong các trạm làm lạnh, ngưng tụ hơi nước hay nước rửa một số vật liệu sản xuất sạch Loại nước này lấy nguồn từ nước sạch và nước phát sinh hầu như vẫn là nước sạch, có chứa một ít bụi bẩn

1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp

Cũng tương tự như nước thải sinh hoạt thì xử lý nước thải công nghiệp có những phương pháp sau:

- Phương pháp xử lý cơ học:

Những phương pháp loại các chất rắn có kích thước và tỷ trọng lớn trong nước thải được gọi chung là phương pháp cơ học

+ Để giữ các tạp chất không hoà tan lớn như rác: dùng song chắn rác hoặc lưới lọc

+ Để tách các chất lơ lửng trong nước thải dùng bể lắng:

+ Để tách các chất cặn nhẹ hơn nước như dầu, mỡ dùng bể thu dầu, tách mỡ + Để giải phóng chất thải khỏi các chất huyền phù, phân tán nhỏ…dùng lưới lọc, vải lọc, hoặc lọc qua lớp vật liệu lọc

- Phương pháp xử lý hóa lý:

Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để loại bớt các chất ô nhiễm mà không thể dùng quá trình lắng ra khỏi nước thải Công trình tiêu biểu của việc áp dụng phương pháp hóa

lý là: Bể keo tụ, tạo bông

Quá trình keo tụ tạo bông được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo có kích thước rất nhỏ (10-7 - 10-8 cm) Các chất này tồn tại ở dạng phân tán và không thể loại bỏ bằng quá trình lắng vì tốn rất nhiều thời gian Để tăng hiệu quả lắng, giảm bớt thời gian lắng của chúng thì thêm vào nước thải một số hóa chất như phèn nhôm, phèn sắt, polymer,… Các chất này có tác dụng kết dính các chất khuếch tán trong dung dịch thành các hạt có kích cỡ và tỷ trọng lớn hơn nên sẽ lắng nhanh hơn

Phương pháp keo tụ có thể làm trong nước và khử màu nước thải vì sau khi tạo bông cặn, các bông cặn lớn lắng xuống thì những bông cặn này có thể kéo theo các chất phân tán không tan gây ra màu

- Phương pháp xử lý hóa học:

Đó là quá trình khử trùng nước thải bằng hoá chất (Clo, Javen), hoặc trung hòa

độ pH với nước thải có độ kiềm hoặc axit cao

-Phương pháp xử lý sinh học:

Sử dụng các loại vi sinh vật để khử các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải Các vi sinh vật có sẵn trong nước thải hoặc bổ sung vi sinh vật vào trong nước thải Các chất hữu cơ ở dạng keo, huyền phù và dung dịch là nguồn thức ăn của vi sinh vật

Trong quá trình hoạt động sống, vi sinh vật oxy hoá hoặc khử các hợp chất hữu cơ này, kết quả là làm sạch nước thải khỏi các chất bẩn hữu cơ

1.2 NƯỚC THẢI SINH HOẠT

1.2.1 Nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt

Hình 1.2 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt

Nguồn gốc nước thải sinh hoạt Nước thái sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ,tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,… Chúng thường được thaỉ ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện,

cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấp nước của các nhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có Các trung tâm

đô thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lượng nước thải sinh hoạt tính trên một đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thường thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm

1.2.2 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt

1.2.2.1 Thành phần nước thải sinh hoạt

Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nước thải Ngoài ra lượng nước thải ít hay nhiều còn phụ thuộc vào tập quán sinh hoạt

Thành phần nước thải sinh hoạt gồm 2 loại :

–Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết con người từ các phòng vệ sinh;

–Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã, dầu mỡ từ các nhà bếp của các nhà hàng, khách sạn, các chất tẩy rửa, chất hoạt động bề mặt từ các phòng tắm, nước rửa vệ sinh sàn nhà…

1.2.2.2 Tính chất của nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein(40-50%);hydrat cacbon(40-50%) Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150-450mg/l theo trọng lượng khô Có khoảng 20-40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học Ơ những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

1.2.3 Các phương pháp xử lý nước thải và xử lý cặn

1.2.3.1 Xử lý cơ học

Xử lý cơ học là nhằm loại bỏ các tạp chất không hoà tan chứa trong nước thải và được thực hiện ở các công trình xử lý: song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng, bể lọc các loại Song chắn rác, lưới chắn rác làm nhiệm vụ giữ lại các chất bẩn kích thước lớn có nguồn gốc hữu cơ

Bể lắng cát được thiết kế trong công nghệ xử lý nước thải nhằm loại bỏ các tạp chất vô cơ, chủ yếu là cát chứa trong nước thải Bể lắng làm nhiệm vụ giữ lại các tạp chất lắng và các tạp chất nổi chứa trong nước thải Khi cần xử lý ở mức độ cao(xử lý bổ sung) có thể sử dụng các bể lọc, lọc cát, Về nguyên tắc, xử lý cơ học là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi xử lý tiếp theo

1.2.3.2 Xử lý sinh học

Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học nước thải là dựa vào khả năng oxy hoá các liên kết hữu cơ dạng hoà tan và không hoà tan của vi sinh vật – chúng sử dụng các liên kết đó như là nguồn thức ăn của chúng

Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên gồm có:

- Hồ sinh vật

- Hệ thống xử lý bằng thực vật nước(lục bình, lau, sậy, rong- tảo, )

- Cánh đồng tưới

- Cánh đồng lọc

- Đất ngập nước

Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo gồm có:

- Bể lọc sinh học các loại

- Quá trình bùn hoạt tính

- Lọc sinh học tiếp xúc dạng trống quay(RBC)

- Hồ sinh học thổi khí

- Mương oxy hoá,…

Nhiệm vụ của xử lý cặn ( cặn được tạo nên trong quá trình xử lý nước thải) là:

- Làm giảm thể tích và độ ẩm của cặn

- Ổn định cặn

- Khử trùng và sử dụng lại cặn cho các mục đích khác nhau

Rác (gồm các tạp chất không hoà tan kích thước lớn: cặn bã thực vật, giấy, giẻ

lớn) hay nghiền rác và sau đó dẫn đến bể mêtan để tiếp tục xử lý Cát từ các bể lắng được dẫn đến sân phơi cát để làm ráo nước và chở đi sử dụng vào mục đích khác

Cặn tươi từ bể lắng cát đợt một được dẫn đến bể mêtan để xử lý Một phần bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng) từ bể lắng đợt 2 được dẫn trở lại aeroten để tiếp tục tham gia quá trình xử lý (gọi là bùn hoạt tính tuần hoàn) , phần còn lại ( gọi là bùn hoạt tính dư) được dẫn đến bể nén bùn để làm giảm độ ẩm và thể tích, sau đó được dẫn vào bể mêtan để tiếp tục xử lý Đối với các trạm xử lý nước thải xử dụng bể biophin với sinh vật dính bám, thì bùn lắng được gọi là màng vi sinh và được dẫn đến

bể mêtan Cặn ra khỏi bể mêtan có độ ẩm 96-97% Để giảm thể tích cặn và làm ráo nước có thể ứng dụng các công trình xử lý trong điều kiện tự nhiên như: sân phơi bùn, hồ chứa bùn, hoặc trong điều kiện nhân tạo: thết bị lọc chân không, thết bị lọc ép, thiết bị li tâm cặn,… Độ ẩm của cặn sau xử lý đạt 55-75%

Để tiếp tục xử lý cặn có thể thực hiện sấy bằng nhiệt với nhiều dạng thiết bị khác nhau: thiết bị sấy dạng ống, dạng khí nén, dạng băng tải,…Sau khi sấy độ ẩm còn 25-30% và cặn ở dạng hạt dễ dàng vận chuyển Đối với các trạm xử lý công suất

nh, việc xử lý cặn có thể tiến hành đơn giản hơn: nén và sau đó làm ráo nước ở sân phơi cặn trên nền cát

1.3 NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN

Hình 1.3 Hệ thống xử lý nước thải bệnh viện

Nước thải từ bệnh viện phần lớn là nguồn nước thải phát sinh từ nhà vệ sinh, khu vực rửa dụng cụ, nhà ăn, nhà bếp, nước thải từ các ca phẫu thuật, điểu trị, khám, chữa bệnh, xét nghiệm, từ hoạt động giặt giũ, vệ sinh của người bệnh,… Bên cạnh đó, tuy chiếm một phần nhỏ nhưng nước thải từ hoạt động in chụp X- quang, các chất phóng xạ lỏng và bệnh phẩm là phần nước thải nguy hại chứa rất nhiều chất độc hại, với lượng nồng độ kháng sinh và các vi khuẩn gây bệnh cao

Nước thải bệnh viện có các thông số ô nhiễm khá cao: đặc biệt là nồng độ Amoni trong nước thải vượt tiêu chuẩn xả thải gấp 8 lần Đặc biệt lượng Amoni trong nước thải sẽ gây ảnh hưởng rất lớn tới môi trường xung quanh Nếu lượng nước thải này phát sinh ra ngoài môi trường sẽ gây ô nhiễm nguồn nước trầm trọng – gây mùi hôi thối, kênh đen, phú dưỡng hóa… Vì thế xây dựng cho bệnh viện là điều vô cùng cần thiết đối với mỗi bệnh viện hay trạm xá ở nước ta hiện nay

* Phương pháp xử lý nước thải bệnh viện

Người ta thường xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học nhằm mục đích:

- Tách các chất không hòa tan,những vật chất lơ lửng có kích thước lớn (rác, nhựa, dầu mỡ,cặn lơ lửng,các tạp chất nổi…) ra khỏi nước thải

- Loại bỏ cặn nặng như sỏi,cát,mảnh kim loại,thủy tinh…

- Điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải

Xử lý cơ học là giai đoạn chuẩn bị và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình

xử lý hóa lý và sinh học

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.1 SENSOR ĐO COD

Hình 2.1 Sensor đo COD

Một số hợp chất hữu cơ thường tìm thấy trong nước thải như lignin, tannin, các chất humic và nhiều hợp chất thơm khác nhau, hấp thụ mạnh mẽ bức xạ tia cực tím (UV) Theo tiêu chuẩn của Đức DIN 38404 C3, hệ số hấp thụ quang tại bước sóng 254nm (SAC254) được dùng như phép đo chất hữu cơ hòa tan trong một mẫu nước Độ hấp thu này thể hiện bằng đơn vị đo SAC (Spectro Absorption

Coefficient) Đơn vị: 1/m hay m-1

Đầu đo chất hữu cơ Model UVSAC của Hach ứng dụng nguyên lý đo độ hấp thu bằng tia tử ngoại ở bước sóng 254 theo DIN38404 C3 Độ hấp thụ này (SAC) quan hệ với COD, BOD theo một tỉ lệ nhất định Sau khi cài đặt tỉ lệ này từ người sử dụng khi đối chiếu với giá trị đo của phòng thí nghiệm, màn hình sẽ hiển thị các đơn vị đo theo mg/l hoặc ppm.v.v

- Ưu điểm của phương pháp:

+ Xác định một cách trực tiếp trong dòng mẫu mà không tiến hành quá trình xử lý mẫu

+ Không dùng hóa chất: tiết kiệm chi phí, không thải chất độc hại ra môi trường

+ Nhanh, quan trắc liên tục sự thay đổi của chất hữu cơ

+ Bù trừ sai số do độ đục của nước gây ra

+ Sensor cảm biến có cần gạt tự làm sạch: chi phí bảo trì thấp nhất

+ Không yêu cầu điều kiện của mẫu (nhiệt độ, áp suất, )

+ Lắp đặt dễ dàng: chỉ cần cắm sensor vào SC1000 là tự động chạy

2.2 SENSOR ĐO TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS)

Hình 2.1 Sensor đo tổng rắn lơ lửng

Sensor sử dụng phương pháp quang học để phân tích SS tự động Nguồn đèn LED bên trong phát ra bước sóng hồng ngoại 860nm và tia sáng này bị phản xạ bởi những hạt trong nước, các tia phản xạ được cảm biến bằng đầu dò quang học

Sensor kết hợp đo độ đục của nước với một đầu dò (detector) nhận ánh sáng tán xạ góc 90 độ so với tia tới Khi đo SS của nước thì đầu dò (Backscatter detector) đặt

góc 140 độ so với tia sáng tới

- Ưu điểm phương pháp đo:

+ Bù trừ độ màu của hạt và kích thước hình dạng của hạt

+ Tự làm sạch, giảm tối thiểu chi phí bảo trì

+ Thân sensor làm bằng thép không gỉ, đảm bảo độ bền cao

+ Đáp ứng tiêu chuẩn đo theo ISO7027

+ Lắp đặt không cần điều kiện mẫu

2.3 SENSOR ĐO PH

Hình 2.3 Sensor đo pH

phép ion H+ sẽ di chuyển vào trong để tạo ra sự cân bằng bên trong và bên ngoài dung dịch Sự di chuyển của các ion này tạo ra sự thay đổi điện thế và máy sẽ đọc điện thế này để chuyển thành giá trị pH Theo phương trình Nerst thì nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến giá trị pH, do đó thiết bị sẽ có một sensor nhiệt độ đi kèm để đo nhiệt độ và lấy giá trị này để bù trừ sai số đó Ngoài ra sau thời gian đo do ion đi vào bên trong sensor nên điện thế chuẩn ban đầu E0 sẽ thay đổi nên phải dùng dung dịch chuẩn để hiệu chuẩn lại Khi bảo trì sensor chỉ cần rửa sạch bầu thủy tinh bằng nước sạch và hiệu chuẩn lại bằng các dung dịch đệm pH 4, pH 7 (hoặc pH 10) Các

sensor pH này yêu cầu dòng chảy không quá 2m/s để tạo kết quả đọc ổn định

• Ưu điểm của sensor hach:

+ Sensor gồm điện cực đo, điện cực tham chiếu và thêm điện cực nối đất thay vì chỉ hai hiện cực như các sensor pH thông thường

+ Trở kháng của điện cực so sánh cao giúp giảm ảnh hưởng đóng bám chất bẩn, duy trì độ chính xác lâu dài

+ Dễ thay cầu muối khi đầu nối bị tắc nghẽn + Đầu điện cực được niêm kín để tránh bị nhiễm bẩn + Dung dịch đệm có thể thay mới để kéo dài tuổi thọ điện cực + Thể tích dung dịch đệm lớn để tránh bị hao hụt nhanh chóng + Điện thế đất đi qua điện cực E3 thay vì E2 ngăn ngừa được sai số do vòng điện lặp sinh ra

+ Khoảng cách tối đa đến controller có thể lên đến 1000m nhờ có bộ khuếch đại tín hiệu bên trong

2.4 SENSOR ĐO OXY HÒA TAN

Hình 2.4 Sensor đo oxy hòa tan

- Ưu điểm của phương pháp đo

CHƯƠNG 3

BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200

S7-1200 là một bộ điều khiển PLC cỡ nhỏ, là sản phẩm của tập đoàn Siemens

ra mắt vào năm 2009 tiếp nối phát triển của dòng PLC S7-200 trước đó

PLC S7-1200 được thiết kế theo dạng module, thích hợp để phát triển các dự

án từ cấp độ nhỏ tới trung bình PLC S7-1200 tích hợp cổng truyền thông Ethernet Các module của S7-1200 như : module truyền thông Profibus, 3G; module mở rộng I/O Digital, Analog…

PLC S7-1200 được lập trình bằng phần mềm Step 7 và được tích hợp trong TIA Portal của Siemens

Dòng S7-1200 có các họ CPU là 1211c, 1212c, 1214c, 1215c, 1217c Mỗi loại CPU có đặc điểm khác nhau phù hợp với từng kích thước, nhu cầu dự án khác nhau

Đồ án này sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214c AC/DC/relay với các thông số chính:

- Phiên bản phần mềm V4.2.3

- Mã sản phẩm: 6ES7214-1BG40-0XB0

- Điện áp cung cấp CPU hoạt động :

+ 120VAC, giới hạn thấp 85VAC

+ 230VAC, giới hạn cao 264VAC

+ Tần số hoạt động 47-63 Hz

- Số lượng khối (block): Bao gồm các khối DB, FC, FB, Counter, Timer Số lượng địa chỉ tối đa nằm trong khoảng từ 1 đến 65535

- Đồng hồ thời gian thực tích hợp trên phần cứng: Có

- Số lượng ngõ vào số (digital): 14

+ Trong đó có 6 cổng Đếm xung tốc độ cao HSC với tốc độ cao nhất 100 kHz

+ Điện áp tín hiệu ngõ vào (input voltage): 24 VDC

• Tác động mức logic “0”: 5 VDC tại 1mA

• Tác động mức logic “1”: 15 VDC tại 2.5mA

- Số lượng ngõ ra số (digital): 10

+ Ngõ ra đóng mở bằng relay

- Số lượng ngõ vào analog: 2

+ Dải điện áp vào : 0 – 10VDC

- Chuẩn kết nối tích hợp: PROFINET

- Web server : Có

+ Website người dùng tạo : Có

- Chế độ bảo vệ:

+ Đặt mật khẩu cho CPU

+ Đặt mật khẩu cho chương trình, khối dữ liệu cụ thể

+ Ứng dụng điều khiển động cơ servo và động cơ bước

- Module mở rộng:

+ 3 module truyền thông

+ 8 module mở rộng I/O

+ 1 board tín hiệu

- Bộ nhớ:

+ Work memory: 100 kbyte

+ Load memory: 4 Mbyte

+ Hỗ trợ sao lưu (backup) dữ liệu

- Hỗ trợ 1 khe cắm thẻ nhớ (Memory Card Siemens)

3.2 GIỚI THIỆU VỀ TIA PORTAL

Phần mềm TIA Portal (Totally Intergrated Automation Portal) là phần mềm tự động hóa tích hợp của hãng Siemens Phần mềm có thể lập trình cho các dòng PLC của hãng như S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400, thiết kế màn hình HMI, WinCC Runtime

TIA Portal tích hợp công cụ mô phỏng như S7-PLCSIM, S7-PLCSIM Advanced giúp người lập trình có thể chạy thử chương trình và chẩn đoán lỗi mà không cần phải có thiết bị thực tế

Tia Portal cho phép tích hợp tất cả các thành phần chính trong dự án tự động hóa Với phiên bản hiện tại là TIA Portal V15 được giới thiệu vào cuối năm 2017 với nhiều công cụ tùy chọn nổi bật như Multiuser Engineering, Teamcenter Gateway, Cloud Connector

3.2.1 Lập trình trên TIA Portal

Sau khi khởi động phần mềm TIA Portal và tạo Project, tiến hành thêm PLC mới với mã và thông số đúng với thiết bị thực tế

Đặt địa chỉ IP cho thiết bị PLC

TIA Portal hỗ trợ lập trình bằng 3 ngôn ngữ: LAD, SCL, FBD

Các khối chương trình để lập trình bao gồm Khối tổ chức (OB), khối hàm (FB), hàm (FC), khối dữ liệu (DB)

3.2.2 Lập trình hướng đối tượng (Object-oriented programing)

Ngôn ngữ lập trình này giải quyết các bài toán từ nhỏ tới lớn bằng cách quan sát và tưởng tượng những hành động, đặc điểm của thực thể thật và đem vào lập trình như một đối tượng ảo Thể hiện qua các lớp (class), đối tượng (object) mà hành động

là các hàm (function) còn đặc điểm là các biến (variable)

Phương pháp lập trình hướng đối tượng giảm thời gian lập trình và dễ dàng quản lí các biến dữ liệu

Ví dụ “Bơm” đối tượng (object), có các đặc điểm như: Chế độ bằng tay/tự động, tắt/mở, thời gian hoạt động,… là các biến (variable) Thay vì khai báo từng biến cho từng động cơ, thì ta tạo một lớp (class) với các biến đặc điểm trên và lập trình hoạt động bằng các hàm (function) Class đó sẽ áp dụng chung tất cả các bơm có chung đặc điểm trên

Với TIA Portal, có thể tạo một Class bằng một khối hàm (Function block):

Khai báo các biến (variable), với Offset là địa chi của các biến

Ví dụ Lập trình hoạt động bằng các hàm như chọn chế độ, tắt mở động cơ, đếm thời gian hoạt động,… với ngôn ngữ SCL

Các khối dữ liệu của mỗi “Bơm” được xác định bằng địa chỉ của khối dữ liệu đó

Các biến của mỗi khối dữ liệu được xác định bằng “địa chỉ datablock” + “địa chỉ offset biến” Ví dụ biến “RunCon” có offset là 0.3, nằm trong khối dữ liệu (datablock) PUMP1 [DB24] thì sẽ có địa chỉ truy xuất là : %DB24.DBX0.3

3.2.3 Lập trình Đếm xung tốc độ cao (High Speed Counter) để đo lưu lượng nước

PLC S7-1200 hỗ trợ các cổng đếm xung tốc độ cao với tần số tối đa lên tới 100KHz ứng dụng trong đo tốc độ encoder, đo lưu lượng từ cảm biến lưu lượng,

CPU 1214C AC/DC/relay có 6 cổng vào đếm xung tốc độ cao (HSC) với tần số đọc tối đa lên tới 100KHz tùy theo chế độ được cài đặt

Sau khi kích hoạt kênh HSC ta tiến hành thiết lập Đối với cảm biến lưu lượng

YF-S201 được sử dụng trong đồ án này, có một dây tín hiệu đưa xung ra

Thiết lập cho cổng phát xung: Loại “đếm” (Count) , chế độ 1 pha (Single phase), hướng đếm lên (Count up)

Công thức tính lưu lượng:

(𝟏 𝟏) 𝑳ư𝒖 𝒍ượ𝒏𝒈 (𝒍í𝒕 𝒈𝒊â𝒚)⁄ = 𝑆ố 𝑥𝑢𝑛𝑔 đế𝑚 đượ𝑐 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 1 𝑔𝑖â𝑦

𝑆ố 𝑥𝑢𝑛𝑔 𝑡𝑟ê𝑛 𝑙í𝑡

=𝑆ố 𝑥𝑢𝑛𝑔 đế𝑚 đượ𝑐 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 1 𝑔𝑖â𝑦

450∗

(𝟏 𝟐) 𝑳ư𝒖 𝒍ượ𝒏𝒈 (𝒍í𝒕 𝒑𝒉ú𝒕) ⁄ = 𝐿ư𝑢 𝑙ượ𝑛𝑔 (𝑙í𝑡 𝑔𝑖â𝑦)⁄ × 60

(*) thông số của cảm biến

Áp dụng công thức vào lập trình, sử dụng ngôn ngữ LAD:

Timer tạo thời gian đếm xung trong 1 giây để tính lưu lượng trong 1 giây

Khối điều khiển đếm xung tốc độ cao (HSC) trong đó chú ý tới:

- HSC: Địa chỉ kênh đếm xung, ở đây là 257 (Local HSC 1)

- CV: Tín hiệu đặt lại bộ đếm

- NEW_CV: Giá trị sau khi đặt lại bộ đếm

Khối công thức 1.1 và 1.2, tính lưu lượng lít/giây và quy đổi ra lưu lượng lít/phút Giá trị lưu lượng tính được gán vào biến Lưu lượng của Bơm

3.2.4 Đọc thời gian thực

PLC S7-1200 tích hợp đồng hồ đếm thời gian trên phần cứng Tiến hành cài đặt giờ địa phương (múi giờ) trên TIA Portal

Khối dữ liệu RD_LOC_T (Read local time) dùng để đọc thời gian theo múi

giờ đã được cài đặt trên CPU của PLC

CHƯƠNG 4 LẮP RÁP MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

4.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI

4.1.1 Mô hình bể xử lý nước thải

Quy trình công nghệ:

Nước thải từ khu dân cư được bơm về khu vực tiếp nhận, qua 1 bộ phận lọc rác trước khi được bơm vào bể điều hòa (1) để tập trung nước thải, điều hoà lưu lượng, ổn định nồng độ Tại đây nước thải được bơm qua bể Anoxic (2) bằng 2 bơm chìm chạy luân phiên, mỗi bơm có gắn cảm biến lưu lượng để kiểm soát lưu lượng dòng nước

Bể Anoxic (2) là bể xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học, tại đây có 1 bơm sục khí để tăng quá trình xử lý của vi sinh vật hiệu quả hơn Nước thải từ bể Anoxic (2)

tự chảy quả bể Aerobic (3)

Bể Aerobic (3) là xử lý sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính hiếu khí sử dụng

hiệu quả xử lý của vi sinh vật Sau khi qua bể hiếu khí, nước thải được chảy tràn qua bể Lắng Bùn (4)

Bùn sinh học lắng dưới đáy bể một phần được bơm tuần hoàn bằng bơm hồi bùn

về lại bể Anoxic(2) để khử nitơ, một phần được thu gom về Bể chứa bùn (6) Có 2 van đóng mở ống dẫn bùn về 2 bể trên Nước thải sau khí tách bùn tại bể Lắng bùn (4) được dẫn qua bể Khử trùng (5)

Bể Khử Trùng (5) sử dụng các dung dịch Clo, Javel được bơm từ bơm hóa chất vào để khử trùng các vi khuẩn, các vi sinh vật có hại trước khi được bơm Nước sạch bơm ra ngoài môi trường

− Bể điều hòa (1)

+ 2 bơm chìm 220VAC

+ 2 cảm biến lưu lượng

+ 1 cảm biến báo mức cao

+ 1 bơm hồi bùn

+ 2 van đóng mở ống dẫn bùn

− Bể Khử Trùng (5)

+ 1 bơm nước sạch

+ 1 bơm hóa chất

− Bể Chứa Bùn (6)

+ 1 cảm biến báo mức cao

Hình 4.1: Mô hình bể xử lý nước thải

4.1.2 Mô hình tủ điện điều khiển và giám sát hệ thống

− Bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/relay

− Màn hình HMI KTP400

− Relay đóng cắt

− Các nút nhấn: Khởi động, dừng

− Công tắc điều khiển với 3 chế độ: Local, Off, Auto

− Đèn báo trạng thái nguồn, thiết bị

1 I0.0 Cảm biến lưu lượng 1 1 Q0.0 Bơm 11 bể Điều Hòa

2 I0.1 Cảm biến lưu lượng 2 2 Q0.1 Bơm 12 bể Điều Hòa

5 Q0.4 Van 1 Hồi bùn

6 Q0.5 Van 2 Hồi bùn

8 Q0.7 Bơm Hóa Chất

9 Q1.0 Đèn báo Start

10 Q1.1 Đèn báo Stop

b) Bảng 4.1 Bảng phân công đầu vào/ra

Hình 4.2 : Tủ điện điều khiển và giám sát hệ thống Hệ thống điều khiển và giám sát sử dụng PLC và HMI của Siemens Hệ thống

SCADA kết nối các thiết bị và giám sát với nhau thông qua chuẩn kết nối PROFINET, sử dụng cáp Ethernet Thiết bị giám sát bằng Tablet/Smartphone thông qua Wifi được

Hình 4.3 Sơ đồ truyền thông và địa chỉ IP các thiết bị

4.2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Chương trình được viết trên phần mềm TIA Portal với các khối chương trình dạng OB, FC,FB, DB Các khối điều khiển trong lập trình đồ án hệ thống xử lý nước thải:

Khối hàm tắt mở hệ thống “SBA”:

Dựa vào các thiết bị đã trình bày ở trên bảng phân công I/O Ta tạo các khối Function (FC) để chứa các chương trình điều khiển thiết bị từng bể Các khối FC

được đưa ra khối tổ chức OB “Main” để hoạt động

Chương trình điều khiển Bể điều hòa nằm trong khối FC “#1BEDIEUHOA” Các bơm sục khí trong bể Lắng bùn “#2SUCKHI” Bể lắng bùn trong FC

“#3BELANGBUN” Bể khử trùng trong FC “#4BEKHUTRUNG”

Các hàm điều khiển Bơm, Van trong OB “PUMPS” và FB “PUMP”

Chương trình điều khiển trong khối FB “PUMP” bằng ngôn ngữ

SCL: Bao gồm chế độ Manual, Chế độ Auto, Timer đếm thời gian thiết bị

chạy, Trạng thái relay nhiệt bảo vệ