Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển giám sát quá trình xử lý rác thải sinh hoạt công suất khoảng 10 tấn ngày

Trang Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỌC VIÊN: NGUYỄN CAO TÚ UYÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ RÁC THẢI SINH HOẠT CÔNG SUẤT KHOẢNG 10 TẤN/NGÀY Chuyên ngành : Điều Khiển Học Kỹ Thuật Mã số ngành : ĐKKT13 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2004 Trang CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN MỘNG HÙNG …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày … tháng 11 năm 2004 Trang NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngày nay, bảo vệ môi trường sở phát triển kinh tế bền vững trở thành vấn đề sống nhiều quốc gia giới Ở nước ta nhiều nước phát triển khác, vấn đề môi trường bên cạnh tính chiến lược quan trọng nghiệp phát triển kinh tế – xã hội có tính cấp thiết thời Vì ô nhiễm môi trường ảnh hưởng xấu đến mỹ quan thành phố, khu đô thị, mà ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái đời sống người Thành phố Hồ Chí Minh, trung tâm văn hóa, du lịch, thương mại công nghiệp lớn nước ta, với tốc độ phát triển kinh tế cực nhanh (12%/năm) việc khai thác nguồn tài nguyên, trình công nghiệp hóa đô thị hóa ngày mạnh làm nảy sinh hàng loạt vấn đề môi trường có nguy gây nguy hại môi sinh thành phố Hiện nay, TP.HCM, rác đô thị vấn đề nhức nhối nhà lãnh đạo, quản lý, quy hoạch mà lo lắng người dân thành phố Do đó, việc đầu tư thời gian nghiên cứu sở vật chất để cải tạo hệ thống xử lý rác vấn đề cấp thiết mang tính chiến lược Do thời gian có hạn việc nghiên cứu mang tính chuyên ngành nên luận văn không sâu vào vấn đề môi trường mà tập trung nhiệm vụ sau: Nghiên cứu tìm hiểu sơ loại rác thải sinh hoạt đô thị phương pháp xử lý tiên tiến (trên giới nước) Chọn công nghệ xử lý phân loại thiêu đốt (qua lò đốt) Trên sở xây dựng hệ thống điều khiển giám sát (kiểu SCADA cục bộ) cho trình Trang LỜI CÁM ƠN ***************************** Em xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng - người thầy hướng dẫn tận tình để em hoàn thành Luận Văn Em xin cám ơn tất Quý Thầy Cô tận tình dạy dỗ để em có kiến thức ngày hôm Con xin cám ơn Bố Mẹ Gia Đình bên cạnh động viên học tập lúc khó khăn Cám ơn tất bạn bè động viên, giúp đỡ để hoàn thành Luận Văn Trang MỤC LỤC LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan rác thải sinh hoạt đô thị phương pháp xử lý - 1.1 Tổng quan trạng rác thải TP.HCM 1.2 Thực trạng rác thải sinh hoạt đô thị TP.HCM 1.3 Hệ thống quản lý rác thải TP.HCM - 11 1.4 Xử lý rác thải - 15 Chương 2: Phương pháp đốt ưu nhược điểm so với phương pháp khác -23 2.1 Giới thiệu - 23 2.2 Quy trình thiêu đốt 23 2.3 Giới thiệu số loại lò đốt sử dụng nước giới 24 2.4 Ưu, nhược điểm phương pháp đốt so với phương pháp khác - 29 Chương 3: Sơ đồ khối tổng quan nguyên lý hoạt động lò đốt rác thải sinh hoạt 30 3.1 Giới thiệu sơ lược loại lò đốt rác sử dụng 30 3.2 Các thông số lò 31 3.3 Sô đồ khối tổng quan quy trình xử lý - 32 3.4 Nguyên lý hoạt động 33 Trang Chương 4: Phương pháp điều khiển lý thuyết liên quan - 37 4.1 Hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) - 37 4.2 MTU (Master Terminal Unit) 43 4.3 RTU (Remote Terminal Unit) 44 4.4 Thieát bị điều khiển trung tâm 46 4.5 Truyền thông giao tiếp phần tử hệ thống SCADA 46 Chương 5: Lựa chọn thiết bị công nghệ cho hệ thống -61 5.1 Cấu trúc hệ SCADA cho hệ thống xử lý rác thải sinh hoaït 62 5.2 Đối tượng điều khiển 62 5.2 Phần mềm để xây dựng hệ SCADA 65 5.3 Bộ điều khiển trung taâm PLC 71 Chương 6: Kết thực hướng mở rộng đề tài -74 6.1 Kết thực 74 6.2 Hướng mở rộng đề tài 74 Tài liệu tham khảo - 79 Phuï luïc - 79 Các chữ viết tắt - 83 Trang 83 CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG ĐỀ TÀI SCADA : Supervisory Control and Data Acquisition PLC : Programmable Logic Controller LAN : Local Area Network RTDB : Real Time Database HMI : Human Machine Interface SQL : Structured Query Language ODBC : Open Database Connectivity MTU : Master Terminal Unit RTU : Remote Terminal Unit 10 DDE : Dynamic Data Exchange 11 DLL : Dynamic Link Library 12 OLE : Object Linking and Embedding 13 API : Application Program Interface 14 RPC : Remote Procedure Call 15 WinCC : Windows Control Center Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÁC THẢI SINH HOẠT ĐÔ THỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 1.1 Tổng quan trạng rác thải TP.HCM: 1.1.1 Đặt vấn đề: Thành phố Hồ Chí Minh thành phố đời từ kỷ 17, nằm hữu ngạn phần tả ngạn sông Sài Gòn Nhìn chung địa hình phẳng có xu hướng nghiêng dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam Chiều dài 150km từ Củ Chi đến Duyên Hải Chiều rộng 50km từ Thủ Đức đến Bình Chánh Diện tích toàn thành phố: 2056km2 Về dân số, dự đoán đến năm 2005 thành phố có khoảng triệu người, không kể 300.000 khách du lịch vãng lai ngày Với 700 nhà máy, xí nghiệp lớn, nhỏ 24.000 sở tiểu thủ công nghiệp khu vực nội thành hàng ngày thải lượng lớn chất thải Chúng gồm loại: chất thải lỏng (nước thải), chất thải rắn (rác thải) chất thải khí (khí thải) Cho đến loại chất thải hầu hết đổ trực tiếp vào môi trường mà không qua giai đoạn xử lý Chính môi trường Thành Phố Hồ Chí Minh ngày bị ô nhiễm nặng nề Riêng rác, năm gần thành phố thải khoảng 800.000 – 1.000.000 tấn/năm (~5000 tấn/ngày) Với khối lượng rác khổng lồ thế, không thu gom, xử lý cách gây ô nhiễm nghiêm trọng cho đời sống nhân dân, ảnh hưởng đến cảnh quan thành phố Hiện trạng hệ thống xử lý rác thành phố thu gom chưa hợp lý, ý thức người dân chưa cao, phương pháp xử lý lạc hậu… Việc đưa biện pháp giải hữu hiệu vấn đề rác đô thị thành phố Hồ Chí Minh bước hạn chế ảnh hưởng ô nhiễm môi trường việc làm cấp bách, thiết thực mang tính chiến lược Trang 1.1.2 Nguồn gốc rác thải đô thị TP Hồ Chí Minh: Tình hình thải rác TP.Hồ Chí Minh năm gần có nhiều chuyển biến phức tạp, thành phần rác thải đa dạng ngày gia tăng mặt khối lượng Một số loại rác thải đô thị như: rác khu thương mại, rác xà bần, rác công nghiệp…trước năm gần mức độ tăng ngày cao Rác thải đô thị TP Hồ Chí Minh chia thành loại sau: Rác nhà (rác hộ dân): phát sinh từ hộ gia đình, biệt thự, chung cư…rác nhà chiếm 2/3 chất hữu từ thực phẩm nhà bếp, phần lại giấy vụn, vải, bìa carton, rác quét nhà, xương, da, cao su, tro, thủy tinh, vỏ đồ hộp…Ngoài ra, rác hộ dân chứa phần chất thải độc hại Rác khu thương mại: phát sinh từ hoạt động buôn bán cửa hàng bách hóa, nhà hàng, khách sạn, siêu thị…thành phần chủ yếu bao gồm: giấy, carton, plastic, gỗ, thực phẩm, thủy tinh, kim loại, vỏ xe, đồ điện gia dụng Ngoài ra, rác khu thương mại chứa phần chất thải độc hại Rác quét đường: phát sinh từ hoạt động vệ sinh đường phố, khu vui choi giải trí…gồm cát đá, cây, giấy vụn, bao nylon, rác khách hành, người xe vứt, có rác người dân vứt bừa bãi, bùn cống rãnh, xác súc vật… Rác quan, công sở, trường học: phát sinh từ quan, xí nghiệp, trường học, nhà tù, văn phòng làm việc…giấy thành phần chủ yếu, loại lại giống rác khu thương mại Rác bệnh viện: bao gồm rác sinh hoạt rác y tế phát sinh từ hoạt động khám chữa nuôi bệnh bệnh viện sở y tế Riêng rác y tế có thành phần phức tạp bao gồm bệnh phẩm, kim tiêm, ống thuốc, chai lọ, loại thuốc hạn sử dụng…có khả lây nhiễm độc hại sức khỏe cộng đồng nên thu gom, vận chuyển xử lý riêng Trang Rác xây dựng: phát sinh từ hoạt động xây dựng tháo dỡ công trình xây dựng, đường giao thông…thành phần bao gồm: loại xà bần, đồ gỗ, thép, bê tông, gạch, thạch cao… Rác công nghiệp: công nghiệp thực phẩm nhà máy chế biến đồ hộp xuất thường thải chất hữu dễ thối rữa Rác gom chung với rác sinh hoạt Rác từ ngành công nghiệp khí vàcác ngành công nghiệp sản xuất khác chiếm lượng lớn Một cách tổng quát, phương diện quản lý rác thải từ nguồn phát sinh chia thành loại sau: Rác thải sinh hoạt Rác thải xây dựng Rác thải y tế Rác thải nguy hại (rác thải công nghiệp độc hại, chất thải độc hại từ hộ gia đình, khu thương mại…) nước ta khí hậu ẩm ướt nên độ ẩm rác cao phụ thuộc vào mùa mưa hay mùa nắng mà dao động khoảng 50% - 80% Tỷ trọng rác đô thị khoảng 450–500 kg/m3 Thành phần rác thành phố phức tạp hỗn hợp nhiều vật chất khác nhau, chiếm đa số rác hữu Rác hữu phân hủy nhanh, tỏa mùi khó chịu môi trường hấp dẫn cho chuột bọ, ruồi muỗi, sinh vật gây bệnh…tạo điều kiện cho chúng sinh sản phát triển Luận văn tập trung vào việc xử lý rác thải sinh hoạt đô thị Trang 69 Tuỳ theo chức sử dụng mà người dùng chọn gói khác WinCC lựa chọn sản phẩm Các gói WinCC chia làm hai loại sau: WinCC Runtime Package (Viết tắt RT): chứa chức ứng dụng dùng để chạy ứng dụng dùng để chạy ứng dụng WinCC hiển thị, điều khiển, thông báo trạng thái, giá trị điều khiển làm báo cáo WinCC Complete Package (Viết tắt RC): bao gồm quyền để xây dựng cấu hình hệ thống (configuration licence) quyền chạy ứng dụng (Runtime) Các gói có phiên khác tuỳ theo số lượng tham số làm việc (Powertag) mà đáp ứng: 128, 256, 1024, 65536 powertags tham số làm việc mà điều khiển theo dõi giá trị việc nối ghép với trình thiết bị mà điều khiển giám sát Trong trường hợp người sử dụng muốn nâng cấp từ phiên có số powertag nhỏ lên cấp lớn hơn, họ mua phiên chuyên để nâng cấp gọi WinCC Powerpacks Ngoài gói phần mềm trên, Win CC có mô đun nâng cao dành cho ứng dụng cấp cao (WinCC Options) mô đun mở rộng đặc biệt (WinCC Add-on) Các WinCC Option sản phẩm Siemens Automation and Drive (A&D) Các WinCC Add-on sản phẩm phận khác Siemens hay đối tác Siemens xây dựng nhằm mở rộng chức hay để phù hợp với loại ứng dụng 5.3.4 Cấu hình hệ thống bản: WinCC hỗ trợ cấu hình hệ thống từ thấp đến cao ví dụ cấu sau: Trang 70 Hệ thống điều khiển dùng máy tình (sing – user system) Cấu trúc thường dùng cho ứng dụng nhỏ với hệ thống hoạt động độc lập Tuy nhiên nối với máy tính văn phòng khác thông qua mạng LAN Hệ thống điều khiển dùng máy tính (multi-user system) Cấu trúc cho phép nhiều người tham gia điều khiển công đoạn khác trình Các thông tin hoạt động công đoạn truy cập tới thông qua tất máy tính Các máy tính hoạt động điều phối thống chia sẻ dịch vụ chung Hệ thống điều khiển hoạt động theo nguyên tắc khách/ chủ (client/server) Trạm chủ chịu trách nhiệm nhiệm vụ trung tâm phối ghép thu thập số liệu cho trạm khách (máy tính) Việc áp dụng cấu trúc kiểu yêu cầu module phần mềm WinCC/Server Cấu trúc Client/Server có dự phòng Ưu cấu trúc tạo nên tính toàn vẹn liệu Module phần mềm WinCC/Redundancy cho phép hai trạm chủ (server) làm việc song song Trong trường hợp bình thường, hai trạm chủ hoạt động giống hệt Nếu hai trạm có cố trạm lại đóng vai trò chủ đạo hệ thống tự động chuyển yêu cầu trạm khách (client) sang trạm chủ hoạt động Sau cố khắc phục, liệu tự động chuyển từ trạm làm việc sang trạm có cố trở trạng thái làm việc ban đầu Quá trình không ảnh hưởng tới trình hoạt động trực tuyến hệ thống Cấu trúc hệ thống phân tán với nhiều trạm chủ (server) Trong cấu trúc phân tán, toàn ứng dụng san sẻ cho nhiều trạm chủ Việc phân chia nâng cấp cao khả hoạt động hệ thống Trang 71 Về nguyên tắc, toàn nhiệm vụ giám sát chia cho nhiều trạm chủ dựa theo cấu trúc nhà máy hay dựa theo c phận hệ thống Đối với cấu trúc phân tán dùng nhiều trạm chủ, trạm chủ yêu cầu quyền phần mềm cho trạm chủ (WinCC/Server option) Sự phân chia nhiệm vụ cụ thể cho trạm chủ qui định cấu hình hệ thống( người cài đặt định) Hệ thống cung cấp nhìn tổng thể hệ thống việc thể thông tin nhiều trạm chủ kết hợp lại Với WinCC, hệ thống chia thành cầu trúc phân tán có tới trạm chủ, trạm chủ phục vụ tới 16 trạm khách (client) Trong trường hợp cần thiết, hệ thống nhiều trạm chủ cấu trúc thành cấu trúc có dự phòng 5.4 Bộ điều khiển trung tâm PLC: 5.4.1 Tổng quát: Tín hiệu từ cảm biến, cấu chấp hành kết nối đến thiết bị I/O từ xa hay đến điều khiển cục Các I/O từ xa hay điều khiển cục liên kết với trạm PLC trung tâm để qua điều khiển hoạt động hệ thống PLC trung tâm S7-400/300 SIEMENS hay hãng khác Số lượng PLC trung tâm tuỳ thuộc vào qui mô nhà máy 5.4.2 Phương tiện truyền liệu , mạng PLC: 5.4.2.1 Mạng Profibus: Mạng PLC liên kết điều khiển cục , I/O từ xa qua mạng Profibus Với hệ thống truyền thông không đồng nhất, dạng mơ,û Profibus mạng dành cho cell field dùng môi trường công nghiệp Mạng Profibus thích hợp với chuẩn PROFIBUS EN 50170 (1996) Trang 72 Các ưu điểm mạng Profibus : • Profibus hệ thống mạng dẫn đầu trong thị trường FieldBus, sử dụng rộng rãi • Chi phí lắp đặt thấp • Tính bảo mật liệu cao, sử dụng cáp đôi xoắn cáp quang • Là hệ thống mạng chuẩn hóa mở, sử dụng thiết bị nhà sản xuất khác • Hệ thống có tính linh hoạt cao, đáp ứng nhiều yêu cầu Các chức mạng Profibus cung cấp thêm : • Kiểm tra chẩn đoán lỗi • Có khả truy cập đến ứng dụng Windows • Có chế dư thừa đường truyền cách dùng OLM • Có khả thời gian thực • Khả lập trình từ xa 5.4.2.2 Mạng Industrial Ethernet: Mạng Industrial Ethernet mạng quản lý cấp độ “cell” sử dụng kỹ thuật băng sở (baseband) thích hợp với chuẩn IEEE 802.3 sử dụng giao thức CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) Các ưu điểm mạng Industrial Ethernet: • Là mạng tối ưu cho thiết bị công nghiệp, có hiệu cao với mạng có nhiều nút khoảng cách lớn • Truyền liệu an toàn, không gây nhiễu thiết bị phù hợp với môi trường công nghiệp Trang 73 • Chi phí thấp giảm chi phí lắp đặt • Là mạng công nghiệp hàng đầu giới • Cùng tồn với ứng dụng Ethernet: mạng Novell, mạng LAN, mạng TCP/IP… Các khái niệm mạng Industrial Ethernet cung cấp thêm: • Khái nệm chế dư thừa • Kiểm tra chẩn đoán lỗi • Có khả lập trình từ xa • Truy cập tới PC mạng toàn giới • Thích hợp môi trường công nghiệp • Quản lý mạng (SNMP) Luận Văn sử dụng phần mềm WinCC,ø PLC S7 300 hãng SIEMENS kết nối theo mạng Profibus để xây dựng hệ thống kiểu SCADA cục cho việc giám sát trình xử lý thiêu đốt rác thải sinh hoạt Trang 74 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết thực hiện: Màn hình giao diện xây dựng sau: từ trang hình ta quan sát trạng thái hệ thống Hoặc muốn xem cụ thể công đoạn, click vào nút chọn tương ứng Màn hình chính: Trang 75 Màn hình giao diện hệ thống cân: Trang 76 Màn hình cài đặt nhiệt độ lò: Màn hình giao diện chu trình đốt: Trang 77 Màn hình giao diện ngăn chứa 6.2 Hướng mở rộng đề tài: Hiện đề tài dùng máy tính phần mềm SCADA để giám sát đặt thông số cho hệ thống phân loại đốt rác thải sinh hoạt nên dùng máy tính làm điềâu khiển trung tâm nối trực tiếp vào PLC, với hệ thống mở nhu cầu điều khiển tăng lên cần có nhiều máy tính giám sát hệ thống, dễ dàng nâng cấp phần mềm để nối mạng máy tính với mà làm lại phần mềm Ngoài phần mềm SCADA WinCC sử dụng cho phép nối với hệ thống mạng PLC theo chuẩn Profibus FMS/DP qua card mạng-CP5613 lắp thêm máy tính, cụ thể là: sử dụng PLC hãng SIEMENS (S7-200, S7-300/400) điều khiển phần khác nhà máy mạng PLC SIEMENS dễ dàng nối vào máy tính SCADA điều khiển hệ thống Trang 78 Máy tính điềâu khiển trung tâm cài hệ điều hành Windows 2000 cài nhúng phần mềm WinCC Số máy tính điềâu khiển trung tâm mở rộng (Tối đa 16 trạm) cách nối mạng máy tính theo chuẩn TCP/IP Trang 79 PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo Incineration tutorial by Jennifer Reidy, december 16, 1998 Burning of solid waste in cement kiln by Enric Hansen Low Temperature Pyrolysis of waste by Felix M.Herbst Rotary Kiln incineration system by ABB Raymond, USA Integrated solid waste managerment engineering – JFE Engineering Corporation Japan Chương trình hội thảo quản lý chất thải rắn TP.HCM – Công Ty Môi Trường Đô Thị TP.HCM Tài liệu hệ thống SCADA Simatic S7 300 (SIEMENS) WinCC – Phaàn mềm để xây dựng hệ SCADA Hình ảnh lò đốt chất thải y tế (7 tấn/ngày) chất thải công nghiệp (4 tấn/ngày) Bình Hưng Hòa (lò đốt chất thải y tế công suất tấn/ngày) Trang 80 (hệ thống cấp liệu – container ép rác) (buồng đốt sơ cấp) Trang 81 (buồng đốt thứ cấp) (Hệ thống xử lý khói thải) Trang 82 (Tủ điều khiển) (lò đốt chất thải công nghiệp công suất tấn/ngày) TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ************************** Họ tên : NGUYỄN CAO TÚ UYÊN Ngày tháng năm sinh : 20 – 11 – 1978 Nơi sinh : Bình Thuận Địa liên lạc : CX Nguyễn Cảnh Chân, Q.1, TP.HCM : học đại học trường Đại Học Bách Khoa : công tác Đội Quản Lý Điện Cao Thế – Điện : Học Cao Học trường Đại Học Bách Khoa Quá trình đào tạo Từ 1996 đến 2001 TP.HCM Quá trình công tác Từ 2001- 2002 Lực Bình Thuận Từ 2002 đến TP.HCM ... quy trình xử lý: 3.4 Nguyên lý hoạt động: Hệ thống xử lý rác thải sinh hoạt hệ thống xử lý phân loại thiêu đốt rác thải sinh hoạt Hệ thống gồm công đoạn chính: - Phân loại - Đốt - Xử lý khói thải. .. tổng quát, phương diện quản lý rác thải từ nguồn phát sinh chia thành loại sau: Rác thải sinh hoạt Rác thải xây dựng Rác thải y tế Rác thải nguy hại (rác thải công nghiệp độc hại, chất thải độc... Nghiên cứu tìm hiểu sơ loại rác thải sinh hoạt đô thị phương pháp xử lý tiên tiến (trên giới nước) Chọn công nghệ xử lý phân loại thiêu đốt (qua lò đốt) Trên sở xây dựng hệ thống điều khiển giám