II. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC
5. Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tự động hoá
a) Yêu cầu lựa chọn công nghệ
Công nghệ hệ thống tựđộng hoá được lựa chọn trên cơ sở sau:
Hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tựđộng hóa đồng thời thiết bị, vật tư phải thông dụng trên thị trường Việt Nam để thuận tiện trong bảo hành, thay thế, sửa chữa khi có sự cố.
Hệ thống phải dễ dàng mở rộng, hỗ trợ nối ghép với các hệ thống khác thông qua các mạng công nghiệp thông dụng đã được chuẩn hóa theo các chuẩn hóa quốc tế (như Profibus, Industrial Ethernet, ...) khi cần thiết sau này.
Phần mềm điều hành hệ thống được xây dựng trên nền hệ SCADA mở, hỗ trợ nhiều chuẩn thông dụng hiện nay trên thế giới.
Đầu đo và các cơ cấu chấp hành cần được lựa chọn đảm bảo môi trường, điều kiện làm việc đặc biệt trong xử lý nước thải. Cụ thể cần sử dụng các loại đầu đo chuyên dụng, thiết kế đúng cho các ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải với các tiêu chuẩn bảo vệ cao (ít nhất IP65, chủ yếu IP67/IP68).
b) Các thành phần hệ thống tựđộng hoá và lựa chọn công nghệ
Hệ thống điều khiển tựđộng bao gồm các thành phần chính sau: Tủ điện cấp nguồn động lực và điều khiển. Trạm điều khiển tựđộng. Trạm máy tính. Bàn điều khiển bằng tay Khối các thiết bịđo, transmitter. Cơ cấu chấp hành (động cơ, van điện). Tủ điện cấp nguồn động lực và điều khiển
Tủ điện cấp nguồn động lực và điều khiển gồm các thành phần chính sau: Các bộ cầu chì, cầu dao, aptomat, rơle nhiệt.
Các thiết bịđo điện, đèn chỉ thị, đồng hồ von kế và ampe kế
Các thiết bị chuyển dòng.
Tất cả các thiết bị trong Tủ điện cấp nguồn có cùng dạng thiết kế, bền, làm từ thép, cơ cấu chuyển mạch đáp ứng các tiêu chuẩn về cung cấp điện và có sơ đồ, tài liệu chi tiết kèm theo. Các thanh chuyển làm bằng đồng, có trang bị phần bao bọc bên ngoài.
Các cơ cấu chuyển mạch được gắn trong cửa, có nhãn nhận dạng. Các nhãn mác phía dưới của cửa tủ điện sẽ cung cấp các dữ liệu: mức điện áp, dòng điện, tần số, dòng ngắn mạch, mức độ dòng của thanh chuyển mạch chính và phân loại bảo vệ. Tủđiện được sơn tĩnh điện chống ăn mòn và trang bị quạt thông gió. Các thiết bị, vật tư chủ yếu lựa chọn có xuất xứ từ Nhật hoặc G7. Tủ sẽ do Việt Nam thiết kế chế tạo vỏ, đi dây và lắp đặt.
Trạm điều khiển tựđộng
Trạm điều khiển tựđộng là đầu não của toàn bộ hệ thống. Tại đây toàn bộ các thông tin đo lường từ các thiết bị đo, cơ cấu chấp hành, trạng thái hệ thống được kiểm soát chặt chẽ, xử lý, tính toán và ra các lệnh điều khiển kịp thời, trực tiếp tới từng đối tượng điều khiển.
Trạm điều khiển tự động được xây dựng trên cơ sở bộ khả trình SIMATIC PLC S7-300 của hãng SIEMENS cho phép đáp ứng các yêu cầu lựa chọn công nghệđã nêu trên đồng thời giá thành phải chăng và có khả năng mở rộng, nâng cấp thành hệ điều khiển dự phòng một cách dễ dàng. Ngoài ra, nhiều công trình tại Việt Nam và trên thế giới sử dụng công nghệ tự động hoá SIMATIC đã chứng tỏđộổn định và tin cậy cao và SIEMENS là một trong những hãng lớn trong lĩnh vực tự động hoá đã có mặt tại Việt Nam từ lâu với đại diện và nhiều đại lý phân phối chính thức, có hỗ trợ kỹ thuật tốt.
Trạm máy tính
Do yêu cầu làm việc liên tục 24/24 , 7/7 nên Trạm máy tính được xây dựng trên cơ sở các PC công nghiệp có độ bền, tin cậy cao. Trạm máy tính bao gồm 01 IPC SIMATIC WinCC Server, 01 máy IPC SIMATIC WinCC Client, Switch Module, Router và SMS MODEM.
Bàn điều khiển bằng tay
Bàn điều khiển giúp vận hành hệ thống trong chế độ bằng tay. Bàn điều khiển được thiết kế gồm các nút ấn, đèn hiệu và còi báo động. Các thiết bị, vật tư lựa chọn có xuất xứ từ Nhật hoặc G7. Bàn điều khiển sẽ do Việt Nam thiết kế chế tạo.
Khối các thiết bịđo, transmitter
Các đầu đo là loại đặc chủng dùng trong xử lý nước thải với mức độ bảo vệ cao (đa phần IP65, IP67 hoặc IP68), chủ yếu sử dụng của hãng Endress&Hauser (E+H) [8]có hiển thị số tại chỗ. E+H sản xuất các thiết bị đo chuyên dụng chất lượng cao cho xử lý nước thải. Hãng có đại diện và nhà phân phối chính thức tại Việt Nam.
Cơ cấu chấp hành
Các động cơ, van điện từ đã có sẵn trong hệ thống. Biến tần điều khiển động cơ sử dụng của hãng Control Techniques (Anh)[7]
Hình 13 Mô hình hệ thống tựđộng hoá INTERNET IPC Client 2 IE NetCard Router IPC Server CP 5613 IE NetCard MPI P S 307 24 V D C/ 10 A CPU 315-2DP S M 322 1 6 D O S M 32 3 8 DI /8 D O S M 321 1 6 DI S M 33 2 4A O S M 33 1 8AI SWITCH SMS MODEM IE IE BÀN ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH CẢM BIẾN
TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN
IPC Client 1 IE NetCard
Giải thích mô hình
Việc điều khiển xử lý nước thải được tập trung vào một Trung tâm điều khiển (Hình 13), từ đây có thể theo dõi giám sát, điều khiển toàn bộ dây chuyền. Trung tâm có thể đặt ngay bên cạnh công trình cần điều khiển hoặc ở vị trí cách xa công trình. Người vận hành tại Trung tâm phải làm các nhiệm vụ sau:
Theo dõi, kiểm tra các thông số về mặt chất lượng và số lượng của quá trình công nghệ
Theo dõi các tín hiệu về trạng thái, chếđộ làm việc của thiết bị, về cảnh báo, báo động Thông qua các chỉ số theo dõi để lựa chọn chếđộ làm việc tối ưu cho dây chuyền công
nghệ. Chế độ làm việc tối ưu được hiểu là chế độ mà trong đó chi phí về nguyên vật liệu và năng lượng trên một đơn vị sản phẩm là ít nhất.
Trung tâm điều khiển có 02 IPC (Industrial PC), trong đó có một máy chủ IPC Server, một máy khách IPC Client1 kết nối với nhau qua Switch, chuẩn truyền thông là IE (Industrial Ethernet). Router cho phép hệ thống máy tính kết nối với IPC Client2 điều khiển từ xa thông qua mạng Internet. SMS MODEM cho phép IPC Server trao đổi thông tin với máy mobile phone của người có trách nhiệm. IPC Server kết nối với Trạm điều khiển PLC qua mạng MPI nhờ trên IPC Server có Card truyền thông công nghiệp SIMATIC CP 5613. Bàn điều khiển tay, cơ cấu chấp hành và cảm biến kết nối với các module mở rộng của Trạm điều khiển bằng cáp tín hiệu chuẩn.
Người vận hành điều khiển hệ thống thông qua IPC hoặc Bàn điều khiển. Tủ điện cấp nguồn, Trạm điều khiển tựđộng PLC đặt trong phòng điều khiển cách hệ thống máy tính và bàn điều khiển một khoảng cách ngắn (theo thiết kế tính theo đường dây dưới 50m) và không cần phải theo dõi thường xuyên trong quá trình vận hành. Toàn bộ các số liệu quá trình và trạng thái hệ thống cũng như các cảnh báo, báo động sẽ được thể hiện trên máy tính và các đèn báo, trên bàn điều khiển.
Tín hiệu từ tất cả các nút điều khiển tay đều đi qua PLC, trừ nút dừng khẩn cấp ESTOP. Trên bàn điều khiển có nút chuyển đổi giữa hai chế độ: điều khiển tự động (Auto) và điều khiển tay (Manual) . Chế độ điều khiển do người vận hành bằng tay quyết định. Khi người vận hành chuyển khoá sang Manual thì PLC sẽ không thực hiện các chức năng điều khiển tự động của các khâu sau: pH, DO, Flow và người vận hành hoàn toàn chủ động trong điều khiển tay. Cũng có thể thiết kế chi tiết hơn nữa bằng cách thêm 03 khoá phụ cho ba khâu điều khiển pH, DO, Flow, nếu đã chuyển sang Manual nhưng khoá phụ nào vẫn mở thì vẫn bị sự chi phối của điều khiển tự động (trong trường hợp này Manual chỉ là chế độ bán tự động). Khi chếđộ điều khiển là Manual tất cả các nút điều khiển ON/OFF trên giao diện người máy (HMI) trên IPC đều bị vô hiệu hoá. Tuy nhiên PLC vẫn đưa dữ liệu về IPC và thực hiện cảnh báo/báo động và cho phép đặt cấu hình. Khi vận hành hệ thống trong chếđộ bằng tay có thể lựa chọn một số hoặc tất cả các công đoạn trong hệ thống sẽ điều khiển bằng tay (thông qua bàn điều khiển bằng tay hoặc kích hoạt chuột trên máy tính) trong khi các công đoạn còn lại vẫn chạy trong chếđộ tựđộng. Đối với các công đoạn vận hành bằng tay, người vận hành sẽ tự quyết định việc điều khiển các thiết bị trong công đoạn đó trong khi PLC mặc dù không tham gia trực tiếp vào quá trình điều khiển nhưng vẫn giám sát các hoạt này và do vậy vẫn đảm bảo các chức năng hiển thị các giá trịđo, cảnh báo, báo động sự cố cho người vận hành.
Trái lại, nếu người vận hành vặn khoá trên bàn điều khiển sang chế độ Auto thì các nút điều khiển ON/OFF các động cơ, điều khiển lượng hoá chất, lưu lượng nước trên bàn điều khiển tay đều bị vô hiệu hoá trừ nút ESTOP và nút giải trừ sự cố. Khi chuyển chếđộ thì đèn trên bàn điều khiển và trên HMI đều đồng bộ thay đổi theo. Khi vận hành trong chế độ tự động, hệ thống sẽ tựđộng cập nhật số liệu từ các đầu đo, nhận biết trạng thái làm việc của các thiết bị, máy móc trong hệ thống và xử lý, tựđộng điều khiển các thiết bị theo chu trình công nghệđịnh trước. Chu trình này có thể dễ dàng thay đổi các tham số làm việc, có thể can thiệp, chuyển đổi sang chếđộ vận hành bằng tay dễ dàng cũng như sau đó có thểđưa trở lại về chế độ tựđộng để hệ thống tiếp tục điều khiển chu trình công nghệ. Việc điều khiển các thiết bị có thểđơn giản thông qua chuột máy tính.
Tín hiệu từ tất cả các sensor (đầu đo) và điều khiển cơ cấu chấp hành (bơm, van điện, máy sục, ...) đặt tại các khu vực trong dây chuyền được đưa tập trung về một trung tâm giám sát và điều hành. Tại đây mọi diễn biến hoạt động của từng đối tượng được theo dõi và kiểm soát chặt chẽ thông qua bàn điều khiển và trợ giúp của máy tính.
Các thông số về lưu lượng nước thải, khống chế mực nước trong các bể, chất lượng nước thải như pH, nhiệt độ, ô xy hòa tan (DO) và tình trạng hoạt động của các thiết bị được cập nhật về phòng điều khiển trung tâm và hiển thị lên màn hình máy tính. Từ đây, người vận hành hệ thống có thể nhận biết một số thông số quan trọng về tính chất của nước thải trong từng hệ thống xử lý, hoạt động của các thiết bị và có thểđiều khiển chúng theo mong muốn.
Các thông số hoạt động của hệ thống được ghi lưu lại trong đĩa cứng. Báo cáo hàng ngày qua các bảng biểu được in ra máy in gắn với máy tính nhờ một chức năng trong phần mềm SCADA đã cài đặt.
Một số quá trình điều khiển tựđộng đặc biệt trong dây chuyền công nghệ như điều chỉnh pH, lưu lượng nước được thực hiện thông qua các khối phần mềm chuyên dụng sử dụng các thuật toán điều khiển kinh điển (PI, PID) và có thể kết hợp với phương pháp điều khiển hiện đại khác nhưđiều khiển mờ, mạng nơron, ...