1) Yờu cầu và cơ sở xõy dựng hệ thống tự động hoỏ
Hệ thống tự động hoỏ cú thể chia làm hai phần: hệ thống thụng tin và hệ thống điều khiển. Hệ thống thụng tin cú nhiệm vụ thực hiện cỏc chức năng thụng tin. Cỏc chức năng này cho phộp giỏm sỏt quỏ trỡnh cụng nghệ: cụ thể là thu thập, bảo quản, thống kờ và ghi lại cỏc thụng tin đó diễn ra của quỏ trỡnh điều
khiển, cần cho dự bỏo trước cỏc tỡnh huống sự cố hay thụng tin về sự thay đổi yờu cầu đặt trước của quỏ trỡnh.
Hệ thống điều khiển dựng để tạo ra và thực hiện cỏc tỏc động điều khiển dựa trờn cỏc nguyờn lý điều khiển cỏc đại lượng phụ thuộc của quỏ trỡnh cụng nghệ; thực hiện điều khiển tối ưu; bằng cỏc phương tiện tự động thực hiện cỏc thao tỏc logic và theo chương trỡnh đối với cỏc phần tử phõn tỏn (điều khiển phõn tỏn cỏc cơ cấu chấp hành, cỏc liờn động sự cố, khởi động và dừng hệ thống mỏy ...).
Đối với mỗi hệ thống tự động điều khiển quỏ trỡnh cụng nghệ khụng nhất thiết phải thực hiện tất cả cỏc chức năng kể trờn. Một số cỏc chức năng khụng thớch hợp với đối tượng cụng nghệ này lại cú thể thớch hợp với đối tượng cụng nghệ trong hệ thống điều khiển ở mức cao hơn. Hệ thống tự động điều khiển quỏ trỡnh cụng nghệ thực chất là điều khiển tập trung quỏ trỡnh đú nhờ cỏc phương tiện kỹ thuật điều khiển tự động.
Vấn đề đo lường từ xa cỏc thụng số của hệ thống cụng nghệ là rất quan trọng. Cỏc thụng số cần đo cú thể kể đến như: mực nước trong cỏc bể chứa,
trong cỏc buồng đầu vào cụng trỡnh, lưu lượng, cỏc chỉ số chất lượng nước như pH, T, DO,.... Cỏc thiết bị cho tớn hiệu từ xa giỳp người điều khiển nhỡn nhận được toàn cảnh về trạng thỏi làm việc của cỏc thiết bị. Cỏc thiết bị hiện trường truyền về Trung tõm điều khiển cỏc tớn hiệu sau đõy: tớn hiệu về tắt sự cố, về hỏng húc cỏc thiết bị điều khiển hay của cỏc thiết bị phụ trợ (quạt, mỏy bơm ...), giỏ trị sự cố của cỏc thụng số cụng nghệ, sự trục trặc điều tiết chất phản ứng .
Cỏc phũng trong Trung tõm điều khiển thường được sắp xếp liền kề nhau, phũng cú diện tớch lớn là phũng điều khiển chớnh cú đặt cỏc tủ nhiều thiết bị cú bàn ghế của người vận hành. Đằng sau tủ là cỏc bộ phận cung cấp nguồn, điều khiển xa và cỏc đầu vào của cỏp. Trong Trung tõm điều khiển, cỏc tủ, trạm đặt thiết bị điều khiển cần được sắp xếp như thế nào để người điều khiển từ chỗ ngồi làm việc cú thể bao quỏt được tất cả cỏc dụng cụ đo lường và cỏc tớn hiệu. Kết cấu cỏc tủ và trạm điều khiển yờu cầu phải đơn giản nhưng cho khả năng lắp rỏp dụng cụ một cỏch dễ dàng hoặc cú thể thực hiện đổi chỗ chỳng khi cần thiết. Trờn sơ đồ bằng cỏc ký hiệu tương ứng làm tỏi hiện lại cỏc tớn hiệu truyền từ xa, đỏnh dấu trạng thỏi tỏc động của cỏc mỏy bơm, của khoỏ van, của cỏc cầu giao dầu và cỏc thiết bị khỏc. Bằng sự thay đổi màu sắc, ỏnh sỏng và kim quay chỉ trạng thỏi của đối tượng. Khi cú cỏc tớn hiệu cảnh bỏo, bỏo động cần cho ỏnh sỏng đốn nhấp nhỏy.
Với tiến bộ khụng ngừng của khoa học cụng nghệ tự động cỏc phương tiện điều khiển ngày một hiện đại hơn, cú độ chắc chắn, tinh vi trong cụng tỏc lại cú kớch thước thu nhỏ. Rất tiện ớch về nhiều mặt. Điều đú đạt được khi cỏc quỏ
lại vừa cú khả năng tự động lập trỡnh gọi là thiết bị tự động lập trỡnh cụng nghiệp (mỏy tớnh PC và cỏc thiết bị tự động khả trỡnh PLC) và chỳng được lắp đặt làm việc trong mạng riờng gọi là mạng cụng nghiệp. Nhờ cú mạng truyền thụng cụng nghiệp mà điều hành, quản lý giỏm sỏt một nhà mỏy, xớ nghiệp núi chung hay
một quỏ trỡnh cụng nghệ núi riờng thuđược nhiều kết quả tốt hơn.
Chỳng ta cũng biết rằng cụng nghệ làm sạch nước thải rất phức tạp, vỡ trong đú cú nhiều quỏ trỡnh khỏc biệt nhau xảy ra… Mặt khỏc cỏc quỏ trỡnh đú về phương diện cụng nghệ cũng cũn nhiều vấn đề chưa được nghiờn cứu thấu đỏo. Nước thải là một mụi trường luụn thay đổi về thành phần cấu tạo bởi cỏc hợp chất và lưu lượng: lại cú độ ẩm, độ kết dớnh, độ ụ xớt hoỏ, nhiệt độ biến đổi nờn gõy nhiều khú khăn phức tạp cho việc ỏp dụng tự động hoỏ. Cụ thể như ta khụng thể sử dụng cỏc thiết bị tự động đó sản xuất hàng loạt lưu hành trờn thị trường như cho tự động hoỏ cỏc mụi trường bỡnh thường khỏc, mà phải chọn cỏc thiết bị tự động hoỏ chuyờn sử dụng cho tự động hoỏ ở mụi trường đặc biệt như nước thải. Cỏc loại cảm biến này phải chống chọi được những ảnh hưởng khắc nghịờt của mụi trường ụ xy hoỏ cao, cú độ đậm đặc cỏc loại rỏc bẩn vụ cơ và hữu cơ, cú thể cú nhiệt độ cao.
Với một đối tượng luụn thay đổi là nước thải (lưu lượng, mức độ bẩn, nồng độ cỏc chất bẩn, lượng bựn hoạt tớnh…), lại cú những hạn chế về phớa cụng nghệ nờn việc đưa cụng trỡnh vào làm việc ở chế độ tối ưu về cả kỹ thuật lẫn kinh tế là một nhiệm vụ nan giải. Vỡ võy, khi tự động hoỏ cỏc quỏ trỡnh xử lý nước thải, chế độ cụng nghệ luụn cần được dịch chỉnh sao cho theo sỏt gần với cỏc điều kiện thay đổi của mụi trường. Như vậy nhiệm vụ của tự động hoỏ cỏc cụng trỡnh xử lý nước thải đó được hiện ra rừ nột là: tổ chức việc điều khiển, kiểm tra, bảo vệ, cho tớn hiệu tự động về sự làm việc của cỏc cụng trỡnh cụng nghệ từ một Trung tõm điều khiển sao cho cụng trỡnh xử lý nước thải cú hiệu quả cao. Tuỳ thuộc vào qui mụ của trạm xử lý (cụng suất thiết kờ, kết cấu của cụng trỡnh) và đặc tớnh của nước thải cần xử lý mà chọn khối lượng và mức độ tự động hoỏ cho phự hợp về mặt kinh tế (tự động hoỏ từng phần hay toàn phần).
Trong cỏc trạm điều khiển được trang bị nhiều sơ đồ của quỏ trỡnh cụng nghệ xử lý nước thải. Cỏc sơ đồ này phải chỉ rừ được trạng thỏi làm việc của tất cả cỏc cụng trỡnh, mỏy múc mà nú điều khiển (trạng thỏi "làm việc", "dừng mỏy", hay "sự cố"). Ngoài ra cỏc sơ đồ đú phải cho khả năng theo dừi dễ dàng cỏc tớn hiệu; đơn giản hoỏ và giảm cỏc sai sút trong việc điều khiển. Để tiện cho việc theo dừi, kiểm tra cụng tỏc của cỏc thiết bị mỏy múc, ở cỏc trạm điều khiển đặt cỏch xa cụng trỡnh nờn sử dụng thiết bị truyền hỡnh cụng nghiệp.
2) Thiết kế cỏc chức năng hệ thống tự động hoỏ xử lý nước thải
Điều chỉnh tự động là sử dụng cỏc thiết bị tự động để tỏc động lờn quỏ trỡnh cụng nghệ cần điều khiển theo một chế độ làm việc đó định sẵn. Mỗi quỏ trỡnh cụng nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại lượng. Một số đại lượng được duy trỡ khụng đổi, một số đại lượng khỏc được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đú. Đõy là một trong những chức năng quan trọng nhất quyết định đến mức độ tự động hoỏ. Trong dõy chuyền xử lý nước thải nhà mỏy bia cú ba khõu điều chỉnh tự động là điều chỉnh pH tại Bể trung hoà, lưu lượng nước vào Bể kỵ khớ và DO tại bể hiếu khớ.
b) Giỏm sỏt điều khiển cú khoảng cỏch hoặc từ xa
Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành cú thể phải tiếp xỳc với mụi trường độc hại, đi lại khú khăn và tốn thời gian. Mặt khỏc nhiều trường hợp, vớ dụ như sự cố hoặc mất điều khiển tự động, đũi hỏi điều khiển tay phải kịp thời và đồng bộ, vớ dụ như dừng nhanh nhiều mỏy bơm đặt tại nhiều vị trớ khỏc nhau, điều khiển cựng lỳc nhiều quỏ trỡnh cú liờn quan hệ quả với nhau. Để làm được điều này hệ thống tự động hoỏ phải cú chức năng điều khiển cú khoảng cỏch, cụ thể là điều khiển từ Trung tõm đặt cỏch dõy chuyền cụng nghệ một khoảng cỏch nhất định (hàng chục đến hàng trăm một).
Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng là một chức năng khụng thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống tự động hoỏ núi chung và xử lý nước thải núi riờng. Giỏm sỏt, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ xa là nền tảng cho việc xõy dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System) nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xó hội một cỏch toàn diện. MES tạo ra một cầu nối thụng suốt hai chiều giữa khối quản lý và sản xuất, giỳp tối ưu húa quỏ trỡnh sản xuất từ khõu hoạch định kế hoạch đến khõu sản xuất ra thành phẩm cuối cựng, cung cấp cỏc chức năng lập kế hoạch; quản lý nhõn lực, thiết bị, nguyờn vật liệu; theo dừi quỏ trỡnh sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự cố mỏy múc,....
Ngoài ra, điều khiển từ xa cũn cho phộp giảm đỏng kể số lượng chuyờn gia cụng nghệ, kỹ thuật cần thiết cho vận hành, bảo trỡ hệ thống tự động hoỏ. Một nhúm chuyờn gia cú thể điều hành cựng lỳc cả mạng lưới cỏc nhà mỏy xử lý nước thải tại nhiều nơi trong thành phố, nhiều tỉnh mà khụng cần đến tận nơi. Đặc biệt, ngày nay mạng Internet toàn cầu đó rỳt ngắn khoảng cỏch về khụng gian và thời gian khiến cho khú ai cú thể tin được từ cỏch xa hàng nghỡn km vẫn cú thể giỏm sỏt, điều khiển thậm chớ chuẩn đoỏn, sửa lỗi, nạp lại chương trỡnh cho thiết bị điều khiển từ bất kỳ địa điểm nào trờn thế giới,... nhưng đú là sự thực.
Hệ thống tự động hoỏ xử lý nước thải nhà mỏy bia cú chức năng giỏm sỏt điều khiển cú khoảng cỏch (từ Trung tõm điều khiển) và từ xa (qua mạng LAN
hoặc Internet) cỏc mỏy bơm, mỏy khuấy, mỏy gạt bựn, ộp bựn, thổi khớ, van điện từ và cỏc thụng số cụng nghệ
c) Hiển thị thụng số cụng nghệ
Chức năng này giỳp cho việc theo dừi, giỏm sỏt cỏc thụng số chất lượng nước, trạng thỏi thiết bị, sự cố một cỏch thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành. Việc hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trớ cỏc cửa sổ, kiểu thể hiện. Màu sắc khụng quỏ loố loẹt, dựng cỏc gam màu dịu khụng gõy mỏi mắt khi nhỡn lõu. Cảnh bỏo, bỏo động bằng đổi màu và nhấp nhỏy liờn tục để gõy sự chỳ ý. Kiểu thể hiện đa dạng : kiểu số riờng biệt, kiểu bảng thống kờ, kiểu đồ thị trực tuyến (online trend).
d) Cấu hỡnh hệ thống
Chức năng này dựng để đặt và thay đổi cỏc tham số cụng nghệ cho hệ thống tự động hoỏ, chủ yếu là cỏc giỏ trị chủ đạo (setpoint), ngưỡng cảnh bỏo sớm, ngưỡng bỏo động. Cỏc tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bị điều khiển sau đú lại được truyền ngược lại PC để so sỏnh, nếu thấy khụng trựng nhau thỡ bỏo động, trỏi lại chứng tỏ rằng việc truyền và xử lý dữ liệu chớnh xỏc, đường truyền và thiết bị điều khiển khụng cú sự cố. Chức năng này nõng cao độ an toàn (fail-safe) của hệ thống.
e) Bảo vệ tự động
Bảo vệ hệ thống mỏy múc, đường ống và cỏc đối tượng khỏc khỏi cỏc sự cố được thực hiện bởi cỏc thiết bị chuyờn dụng để ngắt cỏc bộ phận bị sự cố. Ngoài ra cỏc thiết bị tự động cũn thực hiện chức năng liờn động tự động, cho phộp bảo vệ cỏc thiết bị mỏy múc khỏi nguy hiểm do thao tỏc nhầm lẫn của người vận hành. Ta phõn biệt hai loại liờn động: liờn động sự cố và liờn động cấm chỉ. Liờn động sự cố dựng để điều khiển bảo vệ (vớ dụ: điều khiển dừng) một nhúm mỏy múc thiết bị cú liờn quan khi sự cố xảy ra Liờn động cấm chỉ loại trừ khả năng điều khiển sai, khụng đỳng trỡnh tự cú khả năng gõy sự cố.
f) Cảnh bỏo/Bỏo động
Chức năng được thực hiện bằng cũi, đốn nhấp nhỏy trờn bàn điều khiển hoặc biểu tượng nhấp nhỏy trờn PC, hiển thị thụng bỏo dạng chữ trờn PC, gửi tin nhắn tới điện thoại di động của những người cú trỏch nhiệm thụng qua dịch vụ tin nhắn SMS. Hệ thống đưa ra cảnh bỏo khi giỏ trị thụng số vượt ngưỡng cảnh bỏo sớm hoặc thụng số vượt ngưỡng bỏo động trong giai đoạn quỏ độ của quỏ trỡnh điều khiển. Bỏo động được đưa ra khi thụng số vượt ngưỡng bỏo động liờn tục trong khoảng thời gian nhất định (lớn hơn thời gian điều chỉnh ngầm định) hoặc bỏo động sự cố đường truyền, sự cố thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành, bỏo động sự cố cảm biến. Sự khỏc biệt giữa cảnh bỏo và bỏo động ở chỗ: cảnh bỏo tự mất đi khi thụng số hết vượt ngưỡng, trỏi lại bỏo động sẽ tồn tại cho đến khi người vận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định xoỏ bỏ trạng thỏi bỏo
động. Như vậy mức độ cần chỳ ý của người vận hành đối với bỏo động phải cao hơn cảnh bỏo.
g) Lưu trữ, bỏo cỏo thống kờ
Lưu trữ và lập bỏo cỏo thống kờ dữ liệu về thụng số chất lượng nước, trạng thỏi hoạt động, sự cố, thời gian hoạt động của mỏy múc thiết bị, tổng lượng nước đó xử lý, lượng hoỏ chất đó dựng, danh sỏch người đó vận hành, bộ tham số cụng nghệ đó thay đổi và nhiều thụng tin khỏc cần thiết cho cỏc chuyờn gia cụng nghệ, kỹ thuật và cỏc nhà quản lý trong việc điều chỉnh để đạt chế độ làm việc tối ưu; phỏt hiện, dự bỏo sự cố; bảo trỡ thay thế kịp thời mỏy múc thiết bị; điều hành sản xuất và tớnh toỏn hiệu quả kinh tế.
h) Một số chức năng mở rộng trong tương lai
- Điều khiển dự phũng
Sự cố của hệ thống tự động cú thể gõy ra những tổn thất vụ cựng lớn (do chi phớ khởi động lại, do dẫn đến hỏng thiết bị, hỏng sản phẩm,..), thậm chớ gõy nguy hiểm tới tớnh mạng con người. Trong dõy chuyền xử lý nước thải nhà mỏy bia bằng phương phỏp sinh học, vi khuẩn nếu bị chết sẽ đũi hỏi nhiều thời gian và kinh phớ để phục hồi, mặt khỏc nếu thiết bị điều khiển bị hỏng thỡ phải điều khiển tay, khú chớnh xỏc, do đú điều khiển dự phũng là cần thiết để nõng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển. Xõy dựng hệ thống cú điều khiển dự phũng sẽ làm tăng chi phớ đầu tư ban đầu, nhưng với lựa chọn giải phỏp hợp lý cựng với thiết kế ban đầu cú khả năng mở rộng sẽ làm cho việc nõng cấp thành hệ điều khiển dự phũng ớt tốn kộm mà vẫn cú hiệu quả. Chỳng tụi lựa chọn điều khiển dự phũng mềm (Software Redundancy) hay cũn gọi là dự phũng ấm (Warm Standby) cho CPU điều khiển vỡ vừa đỏp ứng yờu cầu cụng nghệ vừa cú giỏ
thành rẻ, phự hợp với điều kiện Việt Nam
- Hỗ trợ quyết định hoặc hệ chuyờn gia
Số lượng thụng số chất lượng nước cần đảm bảo đạt TCVN là vài chục (TCVN 5945:1995 cú khoảng 30), tuy nhiờn do trỡnh độ cụng nghệ, do bản chất thụng số, do điều kiện kinh tế nhà mỏy khụng cho phộp đo tức thời được tất cả cỏc thụng số cần cho hệ thống điều khiển.
Chỉ một vài thụng số như pH, T, DO, Turbidity, NO3... được đo và điều khiển tự động, cỏc thụng số khỏc phải dựng mỏy phõn tớch, cú thụng số đũi hỏi thời gian phõn tớchlõu như BOD5 cần tới 5 ngày. Mặt khỏc chất lượng nước đầu vào núi chung là khụng ổn định, phụ thuộc vào thời gian, thời tiết, vào hoạt động của nhà mỏy do đú cần hiệu chỉnh lại tham số cụng nghệ là cần thiết.
Để điều chỉnh tham số cụng nghệ, sau khi phõn tớch chất lượng nước, chuyờn gia cụng nghệ sẽ căn cứ vào chỉ số chất lượng nước đầu vào và đầu ra để điều chỉnh lại cỏc thiết bị cho hợp lý (điều chỉnh bơm định lượng hoỏ chất, thời
quan và phụ thuộc nhiều vào trỡnh độ và kinh nghiệm của chuyờn gia. Chớnh vỡ