Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển quá trình xỷ lý nước thải công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  - VŨ VĂN HƯNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Hà Nội - 2009 HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa Vũ Văn Hưng MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC, CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN NAY 1.1 Khái niệm nguyên nhân: 1.2 Nước tự nhiên: 1.3 Ô nhiễm môi trường nước: 1.4 Những thông số đánh giá chất lượng nước: 11 1.5 Các phương pháp xử lý nước thải: 13 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP 20 2.1 Các nguồn nước thải nhà máy: 20 2.2 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải nhà máy: 20 2.2.1 Giới thiệu chung: 20 2.2.2 Quy trình xử lý nước thải: 23 CHƯƠNG III: KHẢO SÁT CÁC CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG 28 3.1 Định nghĩa: 28 3.2 Các loại cảm biến: 29 3.2.1 Lưu lượng kế: 29 3.2.2 Cảm biến báo mức nước: 30 3.2.3 Cảm biến đo độ cứng nước: 31 3.2.4 Cảm biến đo mức kiểu điện dung: 37 3.2.5 Cảm biến đo độ pH 39 CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 43 4.1 Lịch sử phát triển PLC: 43 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển q trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa Vũ Văn Hưng 4.2 Vai trò PLC 44 4.3 Ưu việc dùng PLC tự động hoá 44 4.4 Phần cứng PLC S7-300 44 4.5 Tổ chức nhớ CPU PLC S7-300: 48 4.6 Vịng qt chương trình: 50 4.7 Trao đổi liệu CPU module mở rộng: 51 4.8 Cấu trúc chương trình: 52 CHƯƠNG V: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG DÙNG S7-300 55 5.1 Cấu hình cho S7-300: 55 5.2 Trang bị điện hệ thống: 55 5.3 Yêu cầu điều khiển hệ thống: 62 5.4 Phân công vào/ 64 CHƯƠNG VI: TỔNG QUAN VỂ SCADA VÀ PHẦN MỀM WinCC 71 6.1 Tổng quan hệ SCADA: 71 6.2 Tổng quan phần mềm thiết kế WinCC 72 6.3 Các bước tiến hành thiết kế 73 6.3.1 Khởi tạo dự án: 73 6.3.2 Thiết kế giao diện đồ hoạ 75 6.3.3 Thu thập liệu biểu diễn giá trị trình (Tag logging) 75 6.3.4 Thu thập cảnh báo liệu (alarm logging) 77 6.4 Truyền thông môi trường WinCC 79 6.5 Thiết lập cấu hình truyền thơng: 82 6.6 Các module chức WinCC: 84 6.7 Các cấu hình hệ thống : 92 6.8 Tích hợp WINCC STEP7 – 300 94 6.9 Giao diện giám sát điều khiển: 95 KẾT LUẬN 96 Tài liệu tham khảo 97 Phụ lục 98 Tóm tắt luận văn 127 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải công nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa Vũ Văn Hưng DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Thành phần hoá học nước tự nhiên Bảng 1.2: Bảng hoá chất thường dùng để điều chỉnh pH nước thải 18 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Chu trình tuần hoàn nước tự nhiên Hình 1.2: Thiết bị tách dầu, mỡ 15 Hình 1.3: Sơ đồ thiết bị làm nước thải phương pháp đơng tụ 16 Hình 2.1: Sơ đồ xử lý nước thải nhà máy sửa chữa tàu biển 20 Hình 2.2: Các tank chứa hóa chất xử lý nước thải 21 Hình 2.3: Tank gom nước thải 24 Hình 2.4: Các tank xử lý nước thải hóa chất 25 Hình 2.5: Các Tank lắng cặn máy ép bùn 26 Hình 2.6: Các tank lọc nước lần cuối 27 Hình 3.1: Cấu tạo lưu lượng kế 29 Hình 3.2: Đầu dị cảm biến báo mức nước 31 Hình 3.3: Phương pháp chuyển đổi cực phổ 33 Hình 3.4: Cấu tạo điện cực nhỏ giọt 34 Hình 3.5: Chuyển đổi cực phổ điện cực cứng 35 Hình 3.6: Điện cực kiểu vi sai 36 Hình 3.7: Cảm biến mức kiểu điện dung 37 Hình 3.8: Điện cực đo độ pH 41 Hình 4.1: Cấu trúc PLC S7-300 45 Hình 4.2: Tổ chức nhớ CPU 49 Hình 4.3: Vịng qt chương trình 50 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa Vũ Văn Hưng Hình 4.4: Nguyên lý trao đổi liệu CPU module mở rộng 52 Hình 4.5:Lập trình tuyến tính 52 Hình 4.6: Lập trình cấu trúc 54 Hình 5.1: Nguồn cung cấp cho động ba pha 56 Hình 5.2: Mạch điều khiển động 57 Hình 5.3: Nguồn điều khiển thiết bị 62 Hình 6.1: Cấu hình SCADA điển hình 72 Hình 6.2: Màn hình giao diện WINCC 74 Hình 6.3: Màn hình hiển thị chức Tag Logging 76 Hình 6.4: Tạo archive 76 Hình 6.5:Kết thúc việ tạo archive 76 Hình 6.6: Tạo Table Windows 77 Hình 6.7: Màn hình giao diện Alarm Logging 77 Hình 6.8 (a,b,c): Các bước thiết lập Alarm Logging 78 Hình 6.9: Bản chất trình truyền thơng WinCC 79 Hình 6.10: Kết nối truyền thông 81 Hình 6.11: Tích hợp vWinCC Step7-300 94 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa Vũ Văn Hưng LỜI MỞ ĐẦU Đất nước ta đường lên cơng nghiệp hóa, đại hóa, mục tiêu đến năm 2020, nước ta trở thành nước cơng nghiệp Trong q trình phát triển kinh tế, nhà máy, xí nghiệp tăng nhanh số lượng, tạo cải vật chất, góp phần làm thay đổi đáng kể mặt đất nước Nền kinh tế đà phát triển, với sách thu hút đầu tư đắn hiệu Đảng Nhà nước, Việt Nam thu hút vốn đầu tư nước ngày nhiều Việt Nam thừa hưởng thành tựu công nghệ thiết bị nước giới năm gần Tuy nhiên, với phát triển nhanh chóng ngành cơng nghiệp, ô nhiễm môi trường trở thành thách thức lớn đòi hỏi quan tâm sâu sắc nhiều quốc gia, đặc biệt nước phát triển Trong đó, nhiễm nguồn nước vấn đề xúc cần quan tâm nhiều nhát, tình trạng nhiễm nguồn nước nước ta nghiêm trọng đạt đến mức báo động Qua thống kê cho thấy, hầu hết sông hồ thành phố lớn Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh, nơi có dân cư đơng đúc nhiều khu công nghiệp lớn bị ô nhiễm Phần lớn lượng nước thải sinh hoạt (khoảng 600.000 m3 ngày, với khoảng 250 rác thải sông khu vực Hà Nội) công nghiệp (khoảng 260.000 m3 có 10% xử lý) đổ thẳng vào ao hồ, sau chảy sông lớn Vùng Châu thổ Sông Hồng Sông Mê Kông Vụ nước thải Công ty VEDAN đổ sông Thị Vải Đồng Nai gióng lên hồi chng báo động tình trạng ô nhiễm nguồn nước Việt Nam Để giải vấn đề ô nhiễm nguồn nước nước thải gây ra, nhiều sách cách tiếp cận khác nghiên cứu áp dụng Trong đó, việc xử lý nước thải công nghiệp trước đưa trở lại môi trường giải Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển q trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa Vũ Văn Hưng pháp có tính cấp thiết, thiết thực hiệu nhằm giảm thiểu tình trạng nhiễm nguồn nước nước ta Xuất phát từ phân tích trên, học viên thực luận văn định chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển q trình xử lý nước thải cơng nghiệp” Thiết nghĩ kỹ sư điều khiển tự động, việc áp dụng lý thuyết điều khiển tự động vào trình sản xuất thực tế quan trọng cần thiết, vậy, tác giả mạnh dạn đề xuất nội dung đề tài nhận ủng hộ, giúp đỡ thầy cô môn Điều khiển tự động thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hoà - người tận tình giúp đỡ bảo suốt q trình thực luận văn Xin kính chúc thầy gia đình sức khoẻ hạnh phúc, chúc thầy đạt nhiều thành công công việc giảng dạy đường nghiên cứu khoa học Xin gửi lời cảm ơn tới thầy, cô giáo thuộc Bộ môn Điều khiển tự động thuộc Viện đào tạo sau Đại học tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả Lời cảm ơn cuối xin dành cho bạn bè, người thân - người bên cạnh, kịp thời động viên giúp đỡ tác giả thời gian qua Do thời gian điều kiện có hạn nên việc nghiên cứu chưa thể thể xác hoạt động thực tế hệ thống Vì đề tài chắn khơng thể tránh thiếu sót, kính mong quan tâm thầy cô bạn để đề tài hoàn thiện Hà nội ngày 05 tháng 11 năm 2009 Học viên thực Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa Vũ Văn Hưng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC, CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN NAY 1.1 Khái niệm nguyên nhân: - Ơ nhiễm mơi trường thay đổi tính chất mơi trường vi phạm tiêu chuẩn mơi trường Chất ô nhiễm nhân tố làm cho môi trường trở nên độc hại - Thông thường tiêu chuẩn môi trường chuẩn mực, giới hạn cho phép quy định dùng làm để quản lí mơi trường - Sự nhiễm mơi trường hậu hoạt động tự nhiên, hoạt động núi lửa, thiên tai, lũ, lụt, bão hoạt động người thực cơng nghiệp, giao thơng sinh hoạt - Có nhiều phương pháp đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường dựa vào tình trạng sức khoẻ bệnh tật người sinh vật sống môi trường dựa vào thang tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường - Với loại môi trường (đất, nước, khơng khí…) ta có cách xử lý nhiễm khác - Trong phạm vi đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp”, ta trình bày tổng quan vấn đề ô nhiễm môi trường nước xử lý môi trường nước 1.2 Nước tự nhiên: - Nước tự nhiên bao gồm toàn đại dương, biển, vịnh, sông, suối, ao, hồ, nước ngầm, băng tuyết, ẩm đất khơng khí Gần 94% nước trái đất nước mặn, tính nước nhiễm mặn tỉ lệ lên tới khoảng 97.5%, nước chiếm tỉ lệ nhỏ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải công nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa Vũ Văn Hưng - Nước đóng vai trị quan trọng việc điều hồ khí hậu cho sống trái đất Nước dung môi lí tưởng để hồ tan, phân bố chất vơ cơ, hữu cơ, làm nguồn dinh dưỡng cho giới thuỷ sinh động thực vật cạn, cho giới vi sinh vật người Nước giúp cho tế bào sinh vật trao đổi chất dinh dưỡng, tham gia vào phản ứng hoá sinh cấu tạo tế bào Có thể nói đâu có nước có sống ngược lại Nhu cầu nước người dân thị khoảng 100-150 lít/ngày để cung cấp cho nhu cầu ăn, uống, tắm, giặt, vệ sinh Ngoài nhu cầu sinh hoạt, nước cung cấp cho tưới tiêu thuỷ lợi, ngành công nghiệp chế biến nông sản, chế biến sản phẩm khác luyện kim, dệt sợi, giấy…, nhu cầu nước ngày lớn - Nước dùng cho sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ Sau sử dụng trở thành nước thải bị ô nhiễm với mức độ khác lại đưa trở lại nguồn nước khơng xử lý (làm sạch) làm ô nhiễm môi trường Hơn hàng năm nạn phá rừng toàn cầu lớn làm cho lớp thực vật che phủ đất bị suy giảm, lượng nước dễ bay nước nguồn bị hạ xuống Như nước từ ao, hồ, sông, suối phần nước ngầm bị kiệt dần chất lượng nước bị suy giảm - Nước tự nhiên tuần hồn theo chu trình Theo chu trình tuần hồn, nước tru chuyển qua q trình bốc mưa (thường ngắn theo năm) Với chu trình lượng nước bảo tồn nước biến dạng từ lỏng sang rắn (băng tuyết), từ nơi sang nơi khác thuỷ vực, biển đại dương, nước mặt (sông, suối, ao, hồ) nước ngầm Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa Băng tuyết 29 triệu KM3 Sông hồ 200.000 KM3 Vũ Văn Hưng Bốc từ đất liền 70.000 KM3 Hơi nước khơng khí 29 triệu KM3 Mưa đất liền 110.000 KM3 Bốc từ biển Mưa biển KM3 390.000 KM3 Nước tràn từ đất 29 triệu KM3 Nước ngầm triệu KM3 Đại dương 1.348 triệu KM3 Hình 1.1: Chu trình tuần hồn nước tự nhiên 1.2.1 Nước mặt: - Đây khái niệm chung nguồn nước mặt đất, bao gồm dạng động (chảy) sơng, suối, kênh, rạch dịng tĩnh chảy chậm ao, hồ, đầm, phá… Nước mặt có nguồn gốc nước chảy tràn mưa từ nước ngầm chảy áp suất cao hay dư thừa độ ẩm dư thừa số lượng tầng nước ngầm - Nước chảy vào sông trạng thái động phụ thuộc vào lưu lượng mùa Chất lượng nước phụ thuộc nhiều vào lưu vực Nước qua vùng đá vôi, đá phấn nước cứng Nước chảy qua vùng có tính chất thấm nước đục mềm Các hạt hữu vô bị theo Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 114 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa 115 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 116 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa 117 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 118 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa 119 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 120 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa 121 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 122 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa 123 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 124 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa 125 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 126 Vũ Văn Hưng Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa 127 Vũ Văn Hưng BẢN TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đề cập tới tượng nhiễm mơi trường nước, tìm hiểu phương pháp xử lý nước thải công nghiệp Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải công nghiệp nhà máy sửa chữa tàu biển Hyundai VinaShin – Khánh Hòa Nghiên cứu hệ SCADA, phần mềm WinCC thiết kế giao diện điều khiển giám sát q trình Từ khóa: ô nhiễm môi trường, xử lý nước thải công nghiệp, cảm biến đo lường điều khiển, điều khiển trình, Simatic S7-300, Simatic WinCC Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển q trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 128 Vũ Văn Hưng ABSTRACT This thesis deals with water pollution as well as explores the methods to treat industrial waste water Studying and designing the system that controls the treatment process of industrial waste water at Huyndai Vinashin – Khanh Hoa Studying the SCADA system, WinCC software and designing the interface responsible for controlling and supervising the process Key words: enviroment pollution, industrial wastewater, measuring and controlling sensor, process control, Simatic S7-300, Simatic WinCC Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp ... nước Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải cơng nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa Vũ Văn Hưng 20 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Trong phạm vi nghiên cứu... thành hố ga hay hố xí Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải công nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hòa 10 Vũ Văn Hưng - Nước thải tự nhiên: Nước mưa xem nước thải tự nhiên thành... Sơ đồ xử lý nước thải nhà máy sửa chữa tàu biển Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển trình xử lý nước thải công nghiệp HDKH: TS Nguyễn Văn Hịa Vũ Văn Hưng 21 - Xử lý hố chất nhằm điều chỉnh