Ứng dụng công nghệ điều khiển PAC trong quản lý hệ thống môi trường

Bài viết này trình bày các chiến lược, quốc sách về bảo vệ môi trường đã được thông qua là tiền đề cho các hành động cụ thể sẽ triển khai. Công tác bảo vệ môi trường cần huy động nhiều nguồn lực, công nghệ cùng phối hợp để thực hiện được hiệu quả. Việt Nam Xanh (Vnxanh) là công ty chuyên ngành công nghệ môi trường đã thành công trong việc nghiên cứu các công nghệ tiên tiến ứng dụng sớm trong lĩnh vực môi trường tại Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN PAC TRONG QUẢN LÝ HỆ THỐNG MÔI TRƯỜNG Phạm Trung Kiên Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM MỞ ĐẦU Mơi trường vấn đề nóng bỏng quan tâm nhiều toàn giới mà Việt Nam thành viên tích cực tham gia gìn giữ màu xanh cho trái đất Các chiến lược, quốc sách bảo vệ môi trường thông qua tiền đề cho hành động cụ thể triển khai Công tác bảo vệ môi trường cần huy động nhiều nguồn lực, công nghệ phối hợp để thực hiệu Việt Nam Xanh (Vnxanh) công ty chuyên ngành công nghệ môi trường thành công việc nghiên cứu công nghệ tiên tiến ứng dụng sớm lĩnh vực môi trường Việt Nam Một công nghệ tiên tiến ứng dụng công tác quản lý hệ thống môi trường công nghệ điều khiển tự động PAC TỔNG QUAN PAC PAC (Programable automation Controller) công nghệ điều khiển tiên tiến, kết hợp kỹ thuật điều khiển PLC máy tính tạo nên tảng điều khiển có nhiều điểm ưu việt hệ thống PLC hiệu cao hơn, tính linh động cao hơn, trợ giúp cho người dụng tốt Chính PAC có khả ứng dụng sâu rộng dễ dàng PLC để điều khiển, kiểm soát q trình tự động hóa Với kết nối đơn giản tiên tiến PLC thông qua đường truyền internet, PAC dễ dàng giám sát điều khiển hệ thống từ xa không dây Trong thập kỷ vừa qua, PACs chứng minh khả vượt trội mình, kết hợp phần cứng phần mềm giúp PAC trở nên chắn, đáng tin cậy, linh hoạt, phổ biến Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 30 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 PACs phần cách mạng mang tên "máy tính nhúng", gần tất thiết bị có số loại thiết bị máy vi tính PACs máy tính nhúng đơn giản sử dụng điều khiển tự động hố cơng nghiệp PACs sử dụng hệ điều hành thương mại, để nguyên có tùy biến nhỏ Điều có nghĩa PACs địn bẩy thúc đẩy tăng trưởng thị trường máy tính nhúng, khơng lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp mà thị trường khác Khi chi phí giảm xuống, nhớ, khả xử lý độ tin cậy tăng lên đáng kể Chi phí để sản xuất PC trở nên rẻ so với PLC Chính điều thúc đẩy cơng ty người sử dụng nghiên cứu tính PCs để thay PLC truyền thống Đầu năm 2000, PAC Programmable Automation Controller đời sau nhiều nghiên cứu thử nghiệm Chuyên gia Craig Resnick tập đoàn tư vấn ARC người sử dụng cụm từ để thiết bị có kiến trúc máy tính 2.1 Lợi PAC so với PLC PACs có lợi vượt trội, giới hạn PLC Bao gồm: - Mạng COTS (Commercial Off The Shelf) đến tảng cao - Kết nối không dây fieldbus - Giao diện thơng qua nhiều giao thức - Hiện đại, nhanh chóng, COTS CPU bật với tốc độ xử lý xử lý toán học - Sử dụng hệ điều hành COTS hệ điều hành DOS, Linux, Windows CE - Bộ nhớ không gian lưu trữ không giới hạn - Chức HMI tảng - Thuật toán điều khiển nâng cao - Thao tác sở liệu mở rộng - Tích hợp điều khiển tuỳ ý thơng thường - Kết hợp mơ q trình Tóm tắt ưu điển hệ thống PAC SNAP Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 31 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 - Nắm bắt sử dụng đơn giản: Giảm thời gian để hiểu vận hành hệ thống Chỉ gồm thành phần tích hợp: phần mềm, điều khiển, brain I/O - Chi phí đầu tư thấp hơn: Chi phí so với nhiều hệ thống PLC thông thường mà bao gồm phần mềm, đào tạo hỗ trợ sản phẩm miễn phí, giá thành phần cứng rẻ hơn, thời gian tích hợp phát triển ngắn - Một hệ thống cho nhiều dự án tự động hóa: Hệ thống PAC SNAP phù hợp với ứng dụng điều khiển q trình, tự động hóa phân tán, thu nhận liệu, điều khiển chuyển động, giám sát từ xa nhiều - Cơng cụ lập trình tiên tiến: Lập trình với biểu đồ trực quan (Flow Chart) nhiều tập lệnh tiên tiến Các Flow chart chạy song song với nhau, nên tốc độ xử lý nhanh PAC SNAP có 96 PID để điều khiển vịng kín Ngồi ra, hệ thống cịn sử dụng thường trình con, trỏ (pointer), mảng liệu nhiều công cụ tiên tiến khác - Cơ sở liệu đơn giản: Không cần danh sách dẫn tham khảo Các I/O xác định tag biến dạng ngôn ngữ túy, sẵn sàng để sử dụng phát triển HMI Trên thực tế, PAC thay PLC hầu hết ứng dụng, trừ vài trường hợp ngoại lệ yêu cầu điều khiển nhanh, đảm bảo an toàn cho hệ thống đo lường Và thập kỷ vừa qua, PACs thay PLCs nhiều ứng dụng Một số nhà cung cấp PLC bắt đầu chế tạo PACs, số tiếp tục giữ nguyên nhãn hiệu PLCs Trên thực tế tiêu chuẩn dành cho PACs Công ty Vnxanh triển khai ứng dụng công nghệ PAC việc quản lý hệ thống xử lý nước thải xây dựng mô hình trạm quan trắc mơi trường tự động Việc đầu tư hệ thống PAC tiết kiệm hệ thống PLC mà đem lại nhiều lợi điểm cho nhà đầu tư giám sát điều khiển hệ thống từ xa với hỗ trợ nhà sản xuất, giám sát chặt chẽ thông số cập nhật liệu thường xuyên để phục vụ cho công tác quản lý môi trường cách hiệu 2.2 Chức PAC PAC sử dụng cơng nghiệp để điều khiển qui trình sản xuất, trao đổi liệu, giám sát thiết bị từ xa, theo dõi hoạt động điều khiển chuyển động Hơn với khả kết nối qua hệ thống internet phổ thông TCP/IP, OLE để điều khiển qui trình SMTP, PAC truyền liệu từ thiết bị sang thiết bị khác mạng lưới hay đến phần mềm ứng dụng hệ thống liệu doanh nghiệp Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 32 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 2.3 Cơ chế hoạt động PAC PAC thu thập liệu từ đầu dị tín hiệu hệ thống chuyển xử lý trung tâm (Brain) để xử lý Người dùng truy cập hệ thống máy tính thơng qua đường truyền internet Cấu trúc mở PAC yếu tố làm đơn giản hóa việc nâng cấp cho hệ thống điều khiển tự động hóa cơng nghiệp sẵn có nhà máy Trong nhiều ứng dụng, người sử dụng chạy PAC song song với hệ thống điều khiển sẵn có khác Điều giúp nâng cao thêm khả truy cập liệu trực tuyến, hay tạo hệ thống điều khiển tự động hóa độc lập Hỗ trợ giao thức liên lạc chuẩn PAC điều khiển, giám sát trao đổi liệu với nhiều kiểu thiết bị hệ thống sử dụng giao thức cơng nghệ mạng chuẩn thông dụng, gồm mạng Eternet dây không dây, Internet Protocol, OPC, SQL Trong ứng dụng cần liên lạc với giao thức Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 33 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 lớp ứng dụng Modbus, SNMP (Simple Network Management Protocol) PPP (Point-toPoint Protocol), PAC đáp ứng Sử dụng mạng Ethernet, PAC liên lạc với modul I/O từ xa để đọc/viết tín hiệu serial, digital, analog Mạng nối PAC với server OPC, hình vận hành sở liệu SQL Ngoài ra, PAC liên lạc (khơng dây) với máy móc hệ thống máy bơm máy thổi khí, đầu dị tín hiệu để điều khiển kiểm sốt q trình ỨNG DỤNG PAC TRONG QUẢN LÝ HỆ THỐNG MƠI TRƯỜNG Dựa vào tính ưu việt PAC, Vnxanh nghiên cứu triển khai để áp dụng quản lý hệ thống môi trường bao gồm: • Giám sát, điều khiển hệ thống xử lý môi trường hệ thống xử lý nước, nước thải khí thải • Xây dựng trạm quan trắc tự động phục vụ cho công tác quản lý quan quản lý nhà nước khu cơng nghiệp • Xây dựng hệ thống mơ hình hóa nhằm quản lý mơi trường khu vực • Theo dõi mơ hình thí nghiệm, cập nhật liệu tự động xác Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 34 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 3.1 ỨNG DỤNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG 3.1.1 Giám sát, kiểm sốt Thơng số chất lượng - Theo dõi tiêu hệ thống pH, COD, BOD, Kim loại nặng, tiêu nhiễm khơng khí… Cơng suất, lưu lượng - Công suất hệ thống, lưu lượng máy bơm, quạt, khí nén… Theo dõi tình trạng hoạt động thiết bị - Trạng thái Run (Chạy) STOP (Tắt) - Chế độ vận hành Auto (tự động) Man (chế độ tay) Các cảnh báo bất thường q trình vận hành - Cảnh bảo thơng số hạn qui định - Cảnh báo hàm lượng hóa chất vận hành - Cảnh báo Overload (quá tải) thiết bị - Cảnh báo bảo trì: thơng báo thời điểm bảo trì hệ thống - Cảnh báo “Chế độ vận hành tay” Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 35 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 3.1.2 Điều khiển Vận hành tự động - Các thiết bị vận hành tự động theo chế độ định sẳn, chế độ thiết lập CONTROLLER Chức phục hồi hệ thống - “Reset to Manufactory setting” chức phục hồi lại chế độ thiết lập tự động ban đầu nhà sản xuất Vận hành tay Có thể thực vị trí: hình điều khiển tủ điện động lực - Hoạt động thiết bị - Cài đặt thông số vận hành theo thời gian thực - Mức độ cảnh báo 3.1.3 Lưu trữ liệu lập báo cáo - Tình trạng vận hành thiết bị - Sổ nhật ký vận hành - Biểu đồ thông số theo dõi (pH, DO, COD, TDS, N, P, Clo dư…) - Chu kỳ báo cáo, lịch bảo trì, thông số hoạt động… 3.1.4 Chức phân quyền truy cập Nhằm hạn chế truy cập không phép vào hệ thống, tránh rủi ro xác định trách nhiệm cho người điều khiển Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 36 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 Hệ thống điều khiển phân cấp truy cập sau: - GUEST : Theo dõi tình trạng hoạt động cảnh báo - OPERATOR: Điều khiển thiết bị, xem lập báo cáo vận hành - CONTROLLER: Điều chỉnh thông số cài đặt hệ thống - MANUFACTURER: Điều chỉnh thuật toán chương trình 3.1.5 Điều khiển từ xa Chương trình cài đặt vị trí khác ngồi trạm xử lý kết nối internet có dây khơng dây 3.2 HỆ THỐNG QUAN TRẮC TỰ ĐỘNG Là hệ thống thu thập, trình diễn quản lý liệu từ RTU (Remote Telemetry Unit) thông qua mạng GSM hay Internet Dữ liệu lưu trữ bảo vệ server chuyên dụng Người sử dụng truy cập dễ dàng web (username/password) - Dữ liệu truy cập dễ dàng từ máy tính có kết nối internet - Các báo động, thơng tin gửi trực tiếp đến người phụ trách qua email hay tin nhắn sms - Quản lý, kiểm soát liệu theo thời gian thực - Chức tự truy nhận liệu 3.2.1 Thông số giám sát - Lưu lượng nước thải (Đo mương/ống kín) - pH, ORP - Độ đục, độ dẫn điện - DO, SS - Kim loại nặng Cr, Fe, Zn… - COD, BOD, N, P Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 37 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 DOANH NGHIỆP SX NGUỒN NƯỚC KHƠNG KHÍ Thơng số khí thải, nước thải, nước cấp… Các thơng số quan trắc dịng sơng, nước ngầm… Các thơng số ô nhiễm không khí RTU RTU RTU ADSL/SMS ADSL/SMS WEB SERVER SMS Internet  PC Trạm Quản lý liệu 3.2.2  PC Trạm theo dõi thông tin P   ho ne Tin nhắn điện thoại Các thông số giám sát thị theo chế độ - Kết tức thời (cài đặt theo tần suất lấy mẫu) - Kết trung bình (theo thời gian cài đặt) - Kết lớn nhất/ nhỏ (theo khoảng thời gian đặt trước) - Kết tổng cộng, cộng dồn (Lưu lượng – theo thời gian đặt trước) 3.2.3 Chức cảnh báo - Cảnh báo chi tiêu giám sát (vượt ngưỡng) - Cảnh báo bảo trì: thơng báo thời điểm bảo trì hệ thống - Cảnh báo “Chế độ vận hành tay” 3.2.4 Hiển thị trạng thái - Trạng thái thiết bị (on/off) - Trạng thái lấy mẫu, đo online - Trạng thái bảo trì thiết bị 3.2.5 Cài đặt chế độ vận hành - Lấy mẫu, phân tích truyền liệu tự động theo thời gian thực - Cài đặt thời gian lấy mẫu - Ngưỡng tín hiệu báo động - Chu kỳ lập báo cáo… 3.2.6 Lưu trữ liệu lập báo cáo Lưu trữ liệu dạng bảng theo chu kỳ đặt trước (hàng ngày) Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 38 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 - Tình trạng vận hành thiết bị - Biểu đồ tiêu quan trắc - Lưu trữ lỗi hệ thống, báo động - Lưu trữ thông tin người truy cập liệu Topic Two 2/18/2009 3.3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG MƠ HÌNH HĨA Kết hợp với hệ thống quan trắc lấy mẫu tự động hồn tồn xây dựng hệ thống mơ hình hóa nhằm kiểm sốt, theo dõi diễn biến xây dựng kịch cho mơ hình Các thơng số thu thập từ hệ thống quan trắc tự động, cập nhật liên tục vào mơ hình biến đổi Các liệu nhờ phần mềm xây dựng hợp phần mơ hình, từ sở liệu chuyên gia tổng hợp thành mơ hình hồn chỉnh cách nhanh chóng giảm thiểu sai số đáng kể Việc thu thập liệu tự động từ xa giúp có kết nhanh chóng, tức thời, tiết giảm chi phí cho dự án đáng kể 3.3.1 THEO DÕI, GÁM SÁT VẬN HÀNH MÔ HÌNH Mơ mơ hình thí nghiệm máy tính, thu nhận liệu liên tục mơ hình lưu trữ vào hệ thống Tự động điều chỉnh thơng số mơi trường thí nghiệm điều kiện nhiệt độ, pH, độ kiềm, nồng độ oxy hòa tan (DO)… theo điều kiện định trước Tự động vận hành mơ hình theo chế độ cài đặt thời gian, tốc độ bơm, lưu lượng… Lưu trữ liệu lập báo cáo: Lưu trữ liệu theo tần suất xác định bao gồm thông tin điều kiện vận hành, thông số theo dõi báo lỗi hệ thống Lập báo cáo theo chu kỳ xác định, thiết lập biểu đồ analog cho thông số theo dõi định trước Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 39 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 Tổng hợp liệu theo công thức xác định cộng dồn, trung bình, thấp nhất, cao hay phương trình theo yêu cầu Việc ứng dụng PAC quản lý vận hành mơ hình thí nghiệm mang lợi ích: - Kiểm sốt chặt chẽ q trình thí nghiệm Đảm bảo điều kiện mơi trường thí nghiệm ln ổn định, tạo nên độ xác cao - Thu thập liệu tự động, nên gia tăng tần suất lấy mẫu cao vị trí lấy mẫu xác làm cho kết thí nghiệm có độ tin cậy cao - Các số liệu lưu trữ tự động xử lý tự động theo phương trình định trước nên giảm thiểu nhiều thiếu sót - Dữ liệu vận hành, thông số điều kiện vận hành kết xử lý số liệu thị trực quan hành mô tức thời, điều hỗ trợ tố cho nhà nghiên cứu có định xác nhanh chóng q trình thí nghiệm - Việc lấy mẫu, cập nhật tổng hợp số liệu tự động làm giảm thời gian công sức người nghiên cứu nhiều, tùy theo mức độ trang bị cảm biến thiết bị phân tích online, khối lượng cơng việc nhà nghiên cứu thời gian thực giảm đến 90% - Khi kết nối liệu từ xa, nhà nghiên cứu điều khiển nhận kết nghiên cứu từ bên ngồi phịng thí nghiệm cách nhanh chóng xác thơng qua đường internet cách dễ dàng Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 40 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 KẾT LUẬN PAC công nghệ điều khiển tiên tiến kết tính linh động PLC, khả xử lý mạnh mẽ máy tính (PC) chuẩn kết nối (Internet lan) tạo tảng mạnh linh động nhiều so với hệ trước đó, việc vận dụng khả vượt trội PAC khoa học kỹ thuật kỹ thuật mơi trường nói riêng mang lại lợi ích lớn Vnxanh đơn vị tiên phong ứng dụng PAC để điều khiển hệ thống xử lý nước thải thành công Và triển khai nghiên cứu các ứng dụng khác PAC, nghiên cứu thực bao gồm ứng dụng cho hệ thống quan trắc tự động, xây dựng mơ hình hóa theo dõi vận hành mơ hình thí nghiệm Với cơng nghệ tiên tiến tính khả dụng cao, khả ứng dụng PAC lĩnh vực mơi trường cịn rộng mở đầy tiềm năng, khai thác hết tính áp dụng li4ng vực mơi trường nói riêng mang nhiều thành mặt khoa học kỹ thuật lợi ích kinh tế Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 41 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   ... hợp điều khiển tuỳ ý thông thường - Kết hợp mơ q trình Tóm tắt ưu điển hệ thống PAC SNAP Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường. .. OPC, SQL Trong ứng dụng cần liên lạc với giao thức Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 33 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường. .. Ứng dụng Công nghệ điều khiển PAC quản lý hệ thống môi trường 32 Phạm Trung Kiên – Khoa Môi trường Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp.HCM   Hội thảo Môi trường Phát triển bền