THIẾT kế điều KHIỂN và GIÁM sát PHÂN tán hệ THỐNG xử LÝ nước THẢI đa bể CHỨA sử DỤNG PLC s7 1200 và WINCC

Họ và tên sinh viên: Phan Thanh Vương
TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT PHÂN TÁN CHO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC
THẢI ĐA BỂ CHỨA SỬ DỤNG CÁC PLC S7-1200 VÀ WINCC
2022

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HÓA
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT PHÂN
TÁN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐA BỂ
CHỨA SỬ DỤNG PLC S7-1200 VÀ WINCC
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương
Nguyễn Văn Thơm
Mã sinh viên: 1811505520264
1811505520252
Lớp: 18TDH2

Đà Nẵng, 5/2022


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HÓA
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT PHÂN
TÁN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐA BỂ
CHỨA SỬ DỤNG PLC S7-1200 VÀ WINCC
Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương
Nguyễn Văn Thơm
Mã sinh viên: 1811505520264
1811505520252
Lớp: 18TDH2
Đà Nẵng, 5/2022


Nhận xét của người hướng dẫn
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

Nhận xét của người phản biện
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................


TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa
sử dụng các PLC S7-1200 và Wincc.
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương
Nguyễn Văn Thơm
Mã SV: 1811505520264

Lớp: 18TDH2

1811505520252

Lớp: 18TDH2

Nội dung tóm tắt của đồ án:

Giải quyết được hai bài toán thiết kế điều khiển và giám sát phân tán hệ thống xử
lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200. Bài toán thứ hai là xây dựng được mô
hình mô phỏng lại phương pháp mình đã đề ra.
Thiết kế hệ thống đa bể chứa điều khiển phân tán bởi mỗi PLC điều khiển mỗi bể
và PLC trung tâm điều khiển cả hệ thống gồm bể thu gom, bể điều hòa, bể hiếu khí, bể
lắng, bể khử trùng, bể chứa bùn.
+ Bể thu gom: nhiệm vụ chứa loại bỏ cặn rác có trong nước thải, phao có nhiệm vụ
điều khiển động cơ chuyển nước điều hòa.
+ Bể điều hòa: hóa chất pac và polimer cùng với máy khuấy có nhiệm vụ hòa tan các
tạp chất, cảm biến oxy đo nồng độ oxi có trong nước để điều khiển động cơ thổi
khí.
+ Bể hiếu khí: máy khuấy chìm và động cơ thổi khí nhiệm vụ làm cho quá trình hòa
tan hóa chất với nước với tốc độ nhanh hơn.
+ Bể lắng: máy gạt bùn chuyển bùn và được động cơ bơm bùn bơm bùn về bể chứa
bùn.
+ Bể khử trùng: nước từ bể lắng đưa qua bể khử trùng được bỏ thêm hóa chất NaOH
và H2SO4 để dung hòa PH có trong nước để đưa ra môi trường.
+ Bể chứa bùn: máy nén bùn có nhiệm vụ nén lượng bùn đất có trong bể để đưa đi
xử lý. Lượng nước dư có trong bể sẽ được động cơ hồi lưu đưa về lại bể thu gom.
Xây dựng mô hình mô phỏng gồm 2 bể điều hòa và bể thu gom, mỗi bể được điều
khiển bởi một PLC S7-1200 khu vực và một PLC S7-1200 trung tâm điều khiển cả hệ
thống. Cả hệ thống được xây dựng trên Tia Portal V15.1 được điểu khiển thông qua giao
diện Wincc Advanced


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỢNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: Ts. Phạm Thanh Phong
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương
Nguyễn Văn Thơm

Mã SV: 1811505520264
Mã SV: 1811505520252

1. Tên đề tài:
Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử
dụng các PLC S7 1200 và WinCC
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Tài liệu: Môn TH mạng truyền thông công nghiệp & hệ SCADA.
Số liệu: Dựa theo bộ quy chuẩn Việt Nam QCVN về nước thải.
3. Nội dung chính của đồ án:
Gồm 8 nội dung chính :
1. Khảo sát các hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa trong thực tế
2. Đưa ra các chức năng chức năng chính của hệ thống
3. Xây dựng mô hình hệ thống
4. Quy trình công nghệ, thuật toán, bảng phân công đầu vào-ra
5. Thiết kế, điều khiển từng bể của hệ thống bằng PLC S7-1200
6. Thiết kế bộ điều khiển trung tâm cho tồn hệ thớng
7. Xây dựng giám sát trên WINCC
8. Báo cáo thuyết minh đề tài
4. Các sản phẩm dự kiến
1. Mô hình hệ thống đa bể chứa gồm 2 bể.
2. Chương trình PLC.
3. Giao diện giám sát điểu khiển WinCC

4. Báo cáo đề tài.
5. Ngày giao đồ án: 21/02/2022
6. Ngày nộp đồ án: 30/05/2022
Đà Nẵng, ngày
Trưởng Bộ môn

tháng

năm 20….

Người hướng dẫn


LỜI NÓI ĐẦU
Ngành Điện-Điện tử là một trong những ngành quan trọng và mang tính quan trọng
và mang tính quyết định cho sự phát triển của một quốc gia. Từ những thiết bị thô sơ,
lạc hậu trong những ngày đầu, đến nay ngành Điện- Điện tử ở Việt Nam đã có những
bước tiến, bước phát triển vượt bậc với các hệ thống cơ sở hạ tầng, công nghệ hiện đại.
Tự động hóa được xem như là huyết mạch của nền kinh tế, phát triển ngành Điện – Điện
tử là tiền đề cho các ngành kinh tế khác phát triển.
Ngày nay, hệ thống điều khiển, giám sát tự động không còn quá xa lạ với chúng ta.
Nó được ra đời từ rất sớm nhằm đáp ứng nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con
người. Vì vậy, điều khiển tự động đã trở thành một ngành khoa học kỹ thuật chuyên
nghiên cứu và ứng dụng điện-điện tử và thực tiễn lao động và sản xuất của con người.
Góp phần phát triển kinh tế-xã hội.
Đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất, việc ứng dụng PLC vào hệ thống xử lý nước thải
trong các khu công nghiệp thực sự đã mang lại hiệu quả trong quá trình sử dụng. Một
trong những biện pháp tích cực để bảo vệ môi trường sống, bảo vệ nguồn nước thiên
nhiên tránh không bị ô nhiễm bởi các chất thải do hoạt động của con người gây ra đó là

mô hình xử lý nước thải. Vì thế, nhằm tạo điều kiện tốt nhất để có thể tiếp xúc, làm quen
với các thiết bị tự động và vận dụng các kiến thức đã học vào thực tế. Xuất phát từ các
vấn đề trên cùng với việc thực hiện nhiệm vụ học tập tại nhà trường, nhóm em đã tìm
hiểu công nghệ tự động hóa cho hệ thống xử lý nước thải. Từ đó nhóm em đã chọn đề
tài: “Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa
sử dụng PLC S7-1200 và WINCC”.
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm chúng em ngồi sự cớ gắng tìm hiểu và học
hỏi còn nhận được sự hướng dẫn tận tình từ thầy TS. Phạm Thanh Phong và một số thầy
cô giáo giảng dạy trong Khoa Điện-Điện tử của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật –
Đại học Đà Nẵng để hồn thành đờ án này. Trong quá trình thực hiện đề tài này cũng
còn nhiều sai sót hi vọng quý thầy cô thông cảm. Chúng em chân thành cảm ơn quý thầy
cô.

i


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan rằng đề tài:” Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán hệ thống xử
lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và WINCC” được tiến hành một cách
minh bạch, công khai. Mọi thứ được dựa trên sự cố gắng tìm hiều của bản thân và sự
hướng dẫn tận tình từ thầy Phạm Thanh Phong
Các kết quả được đưa ra trong đồ án là trung thực và những phần có sử dụng tài liệu
kham thảo trong đồ án có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu như phát hiện rằng khơng có
sự trung thực, minh bạch trong quá trình sử dụng thông tin và kết quả đờ án thì em chịu
hồn tồn trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện

Phan Thanh Vương

ii

Nguyễn Văn Thơm


MỤC LỤC

Nhận xét của người hướng dẫn
Nhận xét của người phản biện
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ .......................................................................vi
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ......................................................x
Trang
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT HỆ THƠNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN
NAY.................................................................................................................................3
1.1.

Tởng quan và giới thiệu về hệ thống xử lý nước thải ..................................3

1.1.1. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt...........................................................4
1.1.2. Nhà máy xử lý nước thải công nghiệp ......................................................6
1.1.3. Nhà máy xử lý nước thải nông nghiệp ......................................................7
1.1.4. Nhà máy xử lý nước rỉ rác .........................................................................9
1.2.

Vấn đề ô nhiễm và xử lý nước thải toàn cầu ..............................................10

1.2.1. Hiện trạng xử lý nước thải của toàn cầu ................................................10
1.2.2. Tiêu chuẩn của nước sau khi xử lý .........................................................10
1.2.3. Cách xử lý nước thải của các quốc gia ...................................................11
1.3.

Một số khảo sát thực tế hệ thống xử lý nước thải ......................................12

1.3.1. Các hệ thống điều khiển phân tán phổ biến hiện nay ............................12
1.4.

Lựa chọn phương án thiết kế trong đề tài ..................................................14

1.4.1. Phương án điều khiển tập trung với 1 PLC ............................................14
1.4.2. Phương án điều khiển phân tán với nhiều PLC .....................................15
1.4.3. So sánh lựa chọn phương án thiết kế trong đề tài .................................18
1.5.

Các chức năng chính của hệ thống ..............................................................19

1.5.1. Quy trình công nghệ ................................................................................19
iii


1.5.2. Chức năng của cảm biến oxi trong quá trình trao đổi chất ...................20
Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200, TIA PORTAL V15.1 VÀ GIAO DIỆN
WINCC .........................................................................................................................22
2.1.

Giới thiệu về PLC S7-1200 ...........................................................................22

2.1.1. Cấu tạo PLC S7-1200 ...............................................................................22
2.1.2. Ứng dụng S7-1200 ...................................................................................23
2.1.3. Một số dịng S7-1200 thơng dụng ............................................................23
2.1.4. Module phần cứng PLC S7-1200 ............................................................23
2.1.5. Vùng nhớ địa chỉ S7-1200 .......................................................................24
2.1.6. Kiểu dữ liệu trong S7-1200 ......................................................................24
2.2.

PLC S7-1200 được dùng trong mơ hình .....................................................25

2.2.1. Bộ điều khiển trung tâm PLC S7-1200 DC/DC/DC (Master) ................25
2.2.2. Bộ điều khiển các bể PLC S7-1200 AC/DC/Rly (Slave) .........................25
2.3.

Tổng quan về Switch công nghiệp ...............................................................25

2.3.1. Switch công nghiệp là gì ..........................................................................25
2.3.2. Phương thức truyền .................................................................................26
2.3.3. Các ưu điểm tối ưu khi dùng Switch công nghiệp .................................26
2.3.4. Giới thiệu thiết kế giao diện WinCC .......................................................27
Chương 3: XÂY DỰNG PHẦN CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ THIẾT KẾ PHẦN
CỨNG MƠ HÌNH CHO HỆ THỐNG .......................................................................29
3.1.

Sơ đờ cấu trúc của tồn bộ hệ thớng ...........................................................29

3.2.

Lựa chọn thiết bị:..........................................................................................30

3.2.1. Bể thu gom ................................................................................................30
3.2.2. Bể điều hòa ...............................................................................................33
3.2.3. PLC S7-1200 (MASTER) .........................................................................41
3.2.4. Máy gạt bùn ..............................................................................................41
3.2.5. Máy nén bùn .............................................................................................41
3.3.

Sơ đồ đi dây của mơ hình .............................................................................42

Chương 4: THIẾT KẾ BỢ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM CHO TỒN HỆ THỐNG
.......................................................................................................................................44
4.1.

Bảng phân cơng đầu vào và đầu ra .............................................................44

4.1.1. Bảng đầu vào ............................................................................................44
4.1.2. Bảng đầu ra ..............................................................................................45
iv


4.2.

Chương trình của hệ thớng ..........................................................................46

4.2.1. Lệnh nhận tín hiệu analog của oxi. ........................................................46
4.2.2. Lệnh PUT, GET và SR .............................................................................47
4.3.

Lưu đồ thuật toán của hệ thống ..................................................................49

4.4.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống ..............................................................53

4.5.

Giản đồ thời gian ..........................................................................................54

Chương 5: KẾT NỐI PHẦN MỀM TIA PORTAL V15.1 VÀ GIAO DIỆN WINCC
VỚI PLC .......................................................................................................................58
5.1.

Khái quát về Tia Portal V15.1 .....................................................................58

5.1.1. Cách sử dụng phần mềm Tia Portal V15.1 .............................................58
5.1.2. Cách nạp chương trình cho PLC trên Tiaportal V15.1..........................59
5.2.

Cách tạo giao diện mô phỏng và kết nối với Runtime Advanced ............62

5.2.1. Cách kết nối giao diện và gắn tag cho giao diện WinCC .......................63
5.2.2. Bảng điều khiển các bể của hệ thống .....................................................64
5.3.

Giao diện của hệ thống xử lý nước thải trên WinCC ................................69

KẾT LUẬN ..................................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................72
PHỤ LỤC

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

BẢNG:
CHƯƠNG 1
BẢNG 1.1: GIÁ TRỊ CÁC THÔNG SỐ Ô NHIỄM LÀM CƠ SỞ TÍNH TOÁN GIÁ
TRỊ TỐI ĐA CHO PHÉP TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT..................................11
BẢNG 1.2: BẢNG SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .................................18
CHƯƠNG 2
BẢNG 2.1: CÁC KIỂU DỮ LIỆU S7-1200 .................................................................24
CHƯƠNG 3
BẢNG 3.1: BẢNG TRA LƯỢNG KHÍ CHO CẤP KHÍ..............................................39
CHƯƠNG 4
BẢNG 4.1: BẢNG ĐẦU VÀO CỦA PLC TRUNG TÂM ..........................................44
BẢNG 4.2: BẢNG ĐẦU VÀO CỦA PLC KHU VỰC 1 .............................................44
BẢNG 4.3: BẢNG ĐẦU VÀO CỦA PLC KHU VỰC 2 .............................................44
BẢNG 4.4: BẢNG ĐẦU RA CỦA PLC TRUNG TÂM..............................................45
BẢNG 4.5: BẢNG ĐẦU RA CỦA PLC KHU VỰC 1 ................................................45
BẢNG 4.6: BẢNG ĐẦU RA CỦA PLC KHU VỰC 2 ................................................45
BẢNG 4.7: BẢNG HƯỚNG DẪN HÀM SCALE_X VÀ HÀM NORM_X ...............46
BẢNG 4.8: CÁC KIỂU DỮ LIỆU CHO CÁC THAM SỚ ..........................................47
BẢNG 4.9: BẢNG TÍN HIỆU ......................................................................................49
HÌNH:
CHƯƠNG 1
HÌNH 1.1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI.[1] .................................3
HÌNH 1.2: HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT.[2]....................................4
HÌNH 1.3: QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC SINH HOẠT .................................................5

HÌNH 1.4: NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP.[3] .................................................................6
vi


HÌNH 1.5: QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP ................................6
HÌNH 1.6: NƯỚC THẢI NÔNG NGHIỆP.[4].................................................................8
HÌNH 1.7: NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI KHÉP KÍN.[5] ..................................................8
HÌNH 1.8: HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC RÒ RỈ.[6] .........................................................9
HÌNH 1.9: CHẬU LƯU TRỮ NƯỚC RÁC.[7] .............................................................10
HÌNH 1.10: MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN.[8] ...........................12
HÌNH 1.11: GIÁM SÁT NHỮNG THÙNG CHỨA DẦU.[9] .......................................13
HÌNH 1.12: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY XI MĂNG THEO CẤU TRÚC
BUS CÓ DỰ PHÒNG.[10] ..............................................................................................14
HÌNH 1.13: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC PHÂN TÁN (WTP
CALAFAT).[21] ..............................................................................................................15
HÌNH 1.14: CẤU TRÚC TỪNG CẤP CỦA HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI.[21] .16
HÌNH 1.15: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG ......................................20
CHƯƠNG 2
HÌNH 2.1: PLC S7-1200 ...............................................................................................22
HÌNH 2.2: SWITCH CÔNG NGHIỆP ..........................................................................26
CHƯƠNG 3
HÌNH 3.1: GIAO DIỆN CỦA CÁC CƠ CẤU CHẤP HÀNH CHO HỆ THỐNG .......29
HÌNH 3.2: CÁC LOẠI CẢM BIẾN BÁO MỨC DẠNG PHAO .................................30
HÌNH 3.3: CẢM BIẾN PHAO (CÔNG TẮC PHAO) ..................................................31
HÌNH 3.4: MÁY BƠM NƯỚC .....................................................................................32
HÌNH 3.5: VAN ĐIỆN TỪ 24V ...................................................................................34
HÌNH 3.6: CẤU TẠO VAN ĐIỆN TỪ.........................................................................34
HÌNH 3.7: ỨNG DỤNG TRONG NHÀ MÁY .............................................................36
HÌNH 3.8: ĐỘNG CƠ GIẢM TỐC DC 24V ................................................................37
HÌNH 3.9: CÁNH KHUẤY CHÌM ...............................................................................38

HÌNH 3.10: MÁY SỦI-SỤC KHÍ OXY .......................................................................40
HÌNH 3.11: SƠ ĐỒ DI DÂY CỦA PLC TRUNG TÂM ..............................................42
vii


HÌNH 3.12: SƠ ĐỒ ĐI DÂY CỦA PLC KHU VỰC 1 ................................................43
HÌNH 3.13: SƠ ĐỒ ĐI DÂY PLC KHU VỰC 2 .........................................................43
CHƯƠNG 4
HÌNH 4.1: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA CẢ HỆ THỐNG ......................................49
HÌNH 4.2: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CON CỦA BỂ THU GOM ..............................50
HÌNH 4.3: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CON CỦA BỂ ĐIỀU HÒA ..............................50
HÌNH 4.4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CON CỦA BỂ HIẾU KHÍ ...............................51
HÌNH 4.5: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CON CỦA BỂ LẮNG ......................................51
HÌNH 4.6: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CON CỦA BỂ KHỬ TRÙNG .........................52
HÌNH 4.7: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CON CỦA BỂ CHỨA BÙN ............................52
HÌNH 4.8: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN MÁY THỐI KHÍ ..............................................53
HÌNH 4.9: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN BỂ THU GOM .....................................................54
HÌNH 4.10: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN BỂ ĐIỀU HÒA ..................................................55
HÌNH 4.11: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN BỂ LẮNG ..........................................................55
HÌNH 4.12: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN BỂ HIẾU KHÍ ....................................................56
HÌNH 4.13: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN BỂ KHỬ TRÙNG ..............................................56
HÌNH 4.14: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN BỂ CHỨA BÙN ................................................56
HÌNH 4.15: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN MÁY THỔI KHÍ................................................57
CHƯƠNG 5
HÌNH 5.1: TẠO DỰ ÁN MỚI ......................................................................................58
HÌNH 5.2: THÊM THIẾT BỊ CHO DỰ ÁN .................................................................59
HÌNH 5.3: VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ............................................................................59
HÌNH 5.4: NẠP PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM VÀO PLC .....................................60
HÌNH 5.5: KẾT NỐI VỚI PLC THẬT .........................................................................60
HÌNH 5.6: CHỌN CHẠY MODULE ĐỂ NẠP CHƯƠNG TRÌNH ............................61

HÌNH 5.7: HOÀN THÀNH KẾT NỐI VỚI PLC THẬT .............................................61
HÌNH 5.8: CHẠY CHƯƠNG TRÌNH ..........................................................................62
viii


HÌNH 5.9: KẾT NỐI TRÊN QUAN SÁT TRÊN PHẦN MỀM...................................62
HÌNH 5.10: MÔ PHỎNG TRÊN WINCC ....................................................................63
HÌNH 5.11: HIỂN THỊ MỨC PHAO TRÊN WINCC ..................................................63
HÌNH 5.12: CÁC TAG ĐƯỢC GẮN VÀO GIAO DIỆN WINCC ..............................64
HÌNH 5.13: CÁC TAG ĐƯỢC GẮN VÀO GIAO DIỆN WINCC (TT) .....................64
HÌNH 5.14: CÁCH ẨN HIỂN THỊ NÚT NHẤN BỂ THU GOM ...............................65
HÌNH 5.15: CÁCH GẮN TAG CHO BỂ THU GOM ..................................................65
HÌNH 5.16: BẢNG ĐIỀU KHIỂN MÁY KHUẤY BỂ ĐIỀU HÒA ...........................66
HÌNH 5.17: BẢNG ĐIỀU KHIỂN BỂ THU GOM ......................................................66
HÌNH 5.18: BẢNG ĐIỀU KHIỂN BƠM ĐỊNH LƯỢNG PAC ..................................67
HÌNH 5.19: BẢNG ĐIỀU KHIỂN BƠM ĐỊNH LƯỢNG POLIMER .........................67
HÌNH 5.20: BẢNG ĐIỂU KHIỂN BỂ ĐIỀU HÒA .....................................................68
HÌNH 5.21: BẢNG ĐIỀU KHIỂN BỂ MÁY THỔI KHÍ ............................................68
HÌNH 5.22: BẢNG ĐIỀU KHIỂN MÔ PHỎNG LỖI ..................................................69
HÌNH 5.23: GIAO DIỆN CỦA HỆ THỐNG KHI CHƯA KẾT NỐI PLC..................69
HÌNH 5.24: GIAO DIỆN CỦA HỆ THỐNG KHI ĐÃ KẾT NỐI VỚI PLC ...............70

ix


DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:
Đơn vị ppm: Nó nghĩa là một phần triệu, đây là đơn vị được sử dụng để đo mật độ đối
với thể tích và trọng lượng cực thấp. Đơn vị ppm thường được sử dụng trong các phép

tính toán đo lường hoặc phân tích vi lượng. Ví dụ 1 ppm = mg/l hay 1 ppm = mg/kg
Nồng độ DO: là lượng oxy hồ tan trong nước cần thiết cho sự hơ hấp của các sinh vật
nước (cá, lưỡng thê, thuỷ sinh, côn trùng v.v...) thường được tạo ra do sự hoà tan từ khí
quyển hoặc do quang hợp của tảo. DO là lượng oxy hồ tan trong nước cần thiết cho sự
hơ hấp của các sinh vật nước (cá, lưỡng thê, thuỷ sinh, cơn trùng v.v...) thường được tạo
ra do sự hồ tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo.
BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa): Là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất
hữu cơ.
COD (Nhu cầu oxy hóa học): Là lượng oxy cần thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học
trong nước bao gồm cả vơ cơ và hữu cơ.
Đĩa phân phới khí tinh EDI: là đĩa phân phới khí (hay còn gọi là đĩa thởi khí) là mợt phụ
kiện đi kèm với máy thổi khí, dụng cụ này được sử dụng để tạo ra các bọt mịn, nhỏ để
mục đích phân tán oxy vào trong nước thông qua hàng ngàn lỗ nhỏ li li làm bằng chất
liệu cao su EPDM (là một loại vật liệu đàn hồi, được tổng hợp từ ethylene với các
monome propylene)
Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại A: là chỉ số ở mức tối đa có thể cho phép của các
chất gây ô nhiễm trong nước thải công nghiệp vào nguồn nước ĐƯỢC DÙNG cho mục
đích cấp mước sinh hoạt.
Tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại B: là chỉ số ở mức tối đa có thể cho phép của
chất gây ô nhiễm trong nước thải công nghiệp vào các ng̀n nước KHƠNG DÙNG cho
mục đích cấp nước sinh hoạt.
Hệ thống GSM/GPRS: Là một dịch vụ dữ liệu di động dạng gói dành cho những
người dùng hệ thống thông tin di đợng tồn cầu (GSM) và điện thoại di đợng IS-136.
Nó cung cấp dữ liệu ở tốc độ từ 56 đến 114 kbps.
Johkasou là hệ thống xử lý nước thải ngay tại nguồn bằng công nghệ sinh học Nhật Bản,
được sử dụng để lắp đặt trong các biệt thự, hộ gia đình, khu chung cư cao tầng hay khu
đô thị hoặc cho các nhà hàng, khách sạn, bệnh viện, nhà máy,… Đây là hệ thống giúp
thanh lọc nước thải thông qua quá trình xử lý nhờ vào các vi sinh vật kỵ khí và hiếu khí
để loại bỏ BOD, các chất hữu cơ, vô cơ cùng vi khuẩn độc hại khác có trong nước thải.
x

CHỮ VIẾT TẮT:
WWTP (Waste Water Treatment Plant): Nhà máy xử lý nước thải
CCR (Central Control Room): Trung tâm điều khiển
DSC (Differential Scanning Calorimetry): Phân tích nhiệt quét vi sai
DCS (Distributed Control System): Điều khiển phân tán
WCO (Craiova Water Company Oltenia): Đại học Craiova Water Company Oltenia
TCXDVN: Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

xi


Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và
Wincc

MỞ ĐẦU

1. Mục đích thực hiện đề tài
+

Nhằm giải quyết vấn đề nước thải các nhà máy có công xuất lớn để giải quyến vấn
đề truyền dữ liệu giữa các cơ cấu chấp hành của các bể với nhau bằng phương pháp
truyền thông.

+

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải mà vẫn đảm bảo nước thải sau khi xử lý vẫn đảm
bảo tiêu chuẩn nước thải công nghiệp loại A.

+

Cung cấp nước cho cây trồng.

+

Bảo vệ môi trường, cải thiện tài nguyên nước ngày càng trong sạch hơn.

2. Mục tiêu đề tài
+

Thiết kế mô hình hệ thống gồm 2 bể chứa: thu gom và điều hòa trong hệ thống.

+

Sử dụng các bộ PLC S7-1200 để điều khiển 2 bể nhỏ trong tồn hệ thớng xử lý nước
thải.

+

Sử dụng PLC S7-1200 trung tâm điều khiển và giám sát các PLC S7-1200 khu vực
ở từng bể.

+

Sử dụng chuẩn truyền thông công nghiệp để giao tiếp giữa các bộ PLC.

3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán hệ thống xử lý nước
thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và WINCC

Phạm vi nghiên cứu:
+

Khảo sát các hệ thống xử lý nước thải nông nghiệp, công nghiệp,… Đưa ra phương
án cho đề tài.

+

Khảo sát các hệ thống sử dụng điều khiển phân tán trong hệ thống xử lý nước thải.

Phương pháp nghiên cứu: Tìm hiểu tài liệu, công trình nghiên cứu trước đó về 2 mảng
chính đó là môi trường (công nghệ xử lý nước thải) và tự động hóa (sử dụng, lập trình
PLC và các thiết bị tự động khác có liên quan)
4. Cấu trúc đồ án tốt nghiệp
Chương 1: Giới thiệu tổng quát hệ thống xử lý nước thải hiện nay
Chương 2: Giới thiệu về PLC S7-1200, Tia Portal V15.1 và giao diện Wincc
Chương 3: Xây dựng phần cơ cấu chấp hành và thiết kế phần cứng mô hình hệ thống
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển trung tâm cho tồn hệ thớng
Chương 5: Kết nối phần mềm Tia Portal V15.1 và giao diện Wincc với PLC
Kết luận
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương

Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong

1


Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và
Wincc

Tài liệu kham thảo
Phụ lục
Sinh viên thực hiện
Phan Thanh Vương
Nguyễn Văn Thơm

Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương

Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong

2


Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và
Wincc

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT HỆ THƠNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
HIỆN NAY

1.1. Tởng quan và giới thiệu về hệ thống xử lý nước thải
Hệ thống xử lý nước thải là một loạt các hành động hoặc thay đổi. Sử dụng nhiều
cơ sở vật chất kết hợp nhiều quy trình để kết hợp đạt được mục tiêu chất lượng nước
mong muốn. Các quá trình này liên quan đến sự tách biệt, loại bỏ và xử lý các chất ô
nhiễm có trong nước thải.

Hình 1.1: Tổng quan hệ thống xử lý nước thải.[1]
Các nhà máy xử lý nước thải có thể được phân biệt theo loại nước thải cần xử lý.
Có rất nhiều quy trình có thể được sử dụng để xử lý nước thải tùy thuộc vào loại và mức
độ ô nhiễm. Các bước xử lý bao gồm các quá trình xử lý vật lý, hóa học và sinh học.
Các phương pháp xử lý vật lý bao gồm sử dụng bể chứa và các công trình khác

được thiết kế để chứa và kiểm soát dòng chảy của nước thải để thúc đẩy loại bỏ các chất
gây ô nhiễm.
Các kỹ thuật xử lý cơ học liên quan đến việc sử dụng máy móc, cả hai đều đơn
giản và phức tạp trong thiết kế và vận hành.
Hoạt động của vi khuẩn và các vi sinh vật khác là các phương pháp sinh học của
xử lý, đóng một vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm không thể đạt
được hiệu quả bằng các phương tiện khác.
Phương pháp xử lý hóa học nâng cao hiệu quả của quá trình khác hoạt động và
cung cấp điều trị chuyên biệt là kết quả của việc bổ sung chúng tại các giai đoạn điều trị
khác nhau.
Các loại nhà máy xử lý nước thải bao gồm:
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương

Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong

3


Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và
Wincc

+ Hệ thống xử lí nước thải.
+ Nhà máy xử lý nước thải công nghiệp.
+ Nhà máy xử lý nước thải nông nghiệp.
+ Nhà máy xử lý nước rỉ rác.
1.1.1. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt
Xử lý nước thải (hay xử lý nước thải sinh hoạt, xử lý nước thải đô thị) là một loại
hình xử lý nước thải nhằm mục đích loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi nước thải để tạo
ra một loại nước thải phù hợp để thải ra môi trường xung quanh hoặc một mục đích tái
sử dụng, do đó ngăn ngừa ô nhiễm nước do thải nước thải thô.[12]

Hình 1.2: Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt.[2]
a) Nguồn gốc nước thải sinh hoạt
Nước thải được sinh ra nước, trong và sau các quá trình này đều là nước thải sinh
hoạt:
+ Nước có trong chất thải của con người thải ra như phân, nước tiểu, máu, chất
dịch cơ thể, giấy vệ sinh đã sử dụng…gọi chung là nước thải đen.
+ Nước tẩy rửa (nước thải sinh ra từ các hoạt động rửa quần áo, nước vệ sinh sàn
nhà, nước thải nấu ăn,…) thường gọi nước thải xám.
+ Các chất thải dạng lỏng còn tồn dư trong nguồn nước như: dầu ăn, nước thuốc,
thuốc trừ sâu, nước sơn…các chất thải này gọi là chất thải thặng dư.
b) Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt
❖ Xử lý cặn nước thải
Nhiệm vụ của xử lý cặn (cặn được tạo nên trong quá trình xử lý nước thải) là:
+ Làm giảm thể tích và đợ ẩm của cặn.
+ Ởn định cặn.
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương

Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong

4


Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và
Wincc

+ Khử trùng và sử dụng lại cặn cho các mục đích khác nhau.
Rác (gồm các tạp chất không hòa tan kích thướt lớn: cặn bã thực vật, giấy, giẻ lau)
giữ lại ở song chắn rác có thể được chở đến bãi rác nếu lượng rác không lớn) hay nghiền
rác và sau đó dẫn đến bể mêtan để tiếp tục xử lý. Cát từ bể lắng được dẫn đến sân phơi

cát để làm ráo nước và chở đi sử dụng mục đích khác.

Hình 1.3: Quy trình xử lý nước sinh hoạt
❖ Khử trùng nước thải
Khử trùng nước thải là công đoạn cuối của công nghệ xử lý nước thải nhằm loại
bỏ vi trùng và virus gây bệnh trước khi xả vào nguồn nước. Để khử trùng nước thải có
thể sử dụng clo và các hợp chất chứa clo, có thể tiến hành khử trùng bằng Ozơn, tia
hờng ngoại….
❖ Xử lý sinh học
Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học nước thải là dựa vào khả năng oxy hóa các
liên kết hữu cơ dạng hòa tan và không hòa tan của vi sinh vật, chúng sử dụng các liên
kết đó như là nguồn thức ăn của chúng.
Các công trình xử lý cơ học trong điều kiện tự nhiên như sau:
+ Hồ sinh vật.
+ Hệ thống xử lý bằng thực vật nước.
+ Đất ngập nước.
+ Cánh đông lọc.
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương

Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong

5


Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và
Wincc

Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo gồm có:
+ Bể lọc sinh học các loại.
+ Quá trình bùn hoạt tính.

+ Hồ sinh học thổi khí.[13]
1.1.2. Nhà máy xử lý nước thải công nghiệp
Xử lý nước thải công nghiệp mô tả các quy trình được sử dụng để xử lý nước
thải do các ngành công nghiệp tạo ra như các sản phẩm phụ không mong muốn. Sau khi
xử lý, nước thải công nghiệp đã qua xử lý (hoặc nước thải đầu ra) có thể được tái sử
dụng hoặc xả vào cống hợp vệ sinh hoặc nước mặt ra môi trường.[12]

Hình 1.4: Nước thải công nghiệp.[3]
a) Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp

Hình 1.5: Quy trình xử lý nước thải công nghiệp
❖ Phương pháp xử lý cơ học
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương

Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong

6


Thiết kế điều khiển và giám sát phân tán cho hệ thống xử lý nước thải đa bể chứa sử dụng PLC S7-1200 và
Wincc

Những phương pháp loại các chất rắn có kích thước và tỷ trọng lớn trong nước thải
gọi là phương pháp cơ học:
+

Để giữ các tạp chất không hòa tan lớn như rác: dùng song chắn rác hoặc lưới
lọc.

+

Để tách các chất lơ lửng trong nước thải dùng bể lắng.

+

Để tách chất rắn nhẹ hơn nước như dầu, mỡ dùng bể thu dầu, tách mỡ.

+

Để giải phóng chất thải khỏi các chất huyền phù, phân tán nhỏ…dùng lưới lọc,
vải lọc.

❖ Phương pháp xử lý hóa lý
Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý là áp dụng các
quá trình vật lý và hóa học để loại bớt các vấn đề ô nhiễm mà không dùng quá trình lắng
ra khỏi nước thải. Công trình tiêu biểu là keo tụ, tạo bông.
Quá trình keo tụ tạo bông được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Các chất
rắn này tồn tại ở dạng phân tán và không thể loại bỏ bằng quá trình lắng vì tốn rất nhiều
thời gian. Để tăng hiệu quả lắng, giảm bớt thời gian lắng của chúng thì thêm vào nước
thải một số hóa chất như phèn nhôm, phèn sắt…Các chất này có tác dụng kết dính các
chất khuyếch tán.
❖ Phương pháp xử lý hóa học
Đó là quá trình khử trùng nước thải bằng hóa chất (Clo, Javen), hoặc trung hòa độ
pH với nước thải có độ kiềm hoặc axit
❖ Phương pháp xử lý sinh học
Sử dụng các loại vi sinh vật để khử các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải. Các vi
sinh vật trong nước thải hoặc bổ sung vi sinh vật vào trong nước thải. Các chất hữu cơ
ở dạng keo và dung dịch là nguồn thức ăn các vi sinh vật
Trong quá trình hoạt động, vi sinh vật oxy hóa hoặc khử các hợp chất hữu cơ này,
kết quả là làm sạch nước thải khỏi các chất bẩn hữu cơ.[14]

1.1.3. Nhà máy xử lý nước thải nông nghiệp
Xử lý nước thải nông nghiệp là một chương trình quản lý trang trại nhằm kiểm soát
ô nhiễm từ các hoạt động chăn nuôi nhốt và từ dòng chảy bề mặt có thể bị ô nhiễm bởi
các hóa chất trong phân bón, thuốc trừ sâu, nước xả động vật, tàn dư cây trồng hoặc
nước tưới.
Xử lý nước thải nông nghiệp là cần thiết cho các hoạt động chăn nuôi nhốt liên tục
như sản xuất sữa và trứng. Nó có thể được thực hiện trong các nhà máy sử dụng các đơn
vị xử lý cơ giới hóa tương tự như sử dụng cho nước thải công nghiệp. Ở những nơi có
đất cho ao, bể lắng và đầm nuôi có thể có chi phí vận hành thấp hơn đối với các điều
kiện sử dụng theo mùa từ chu kỳ chăn nuôi hoặc thu hoạch. Bùn động vật thường được
xử lý bằng cách chứa trong các đầm yếm khí trước khi xử lý bằng cách phun hoặc nhỏ
giọt ứng dụng vào đồng cỏ. Các vùng đất ngập nước được xây dựng đôi khi được sử
dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý chất thải động vật.[15]
Sinh viên thực hiện: Phan Thanh Vương

Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong

7