2019 60 ktxdct vu van linh 3133

ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH
BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG QUY
TRÌNH XỬ LÝ NƢỚC THẢI SỬ DỤNG PLC S7-300
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ
MÃ NGÀNH: 7510203

Giảng viên hƣớng dẫn

: ThS. Trần Kim Khuê

Sinh viên thực hiện

: Vũ Văn Linh

MSV

: 1551080793

Lớp

: K60_CĐT

Khoá học

: 2015 - 2019

Hà Nội - năm 2019


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội. Đời sống con ngƣời
ngày càng đƣợc nâng cao. Đô thị đƣợc mở rộng nhiều. Nếu khơng đƣợc sự quan
tâm của chính quyền, cũng nhƣ ngƣời dân, môi trƣờng sống sẽ ngày càng giảm sút.
Đặc biệt là mơi trƣờng nƣớc. Ngun nhân chính gây ra ơ nhiễm nƣớc thải là do
quá trình sử dụng của con ngƣời trong các hoạt động sống hay sản xuất của mình,
làm thay đổi tính chất và thành phần nƣớc ban đầu. Các chất thải này khi thải ra môi
trƣờng nƣớc, gây mùi hơi thối, làm chậm q trình chuyển hóa và hịa tan oxy vào
nƣớc, dinh dƣỡng hóa nƣớc mặt, làm cản trở quá trình sinh trƣởng và phát triển của
sinh vật. Có rất nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải, nhƣng do tính chất và thành
phần của nƣớc thải khác nhau cần lựa chọn phƣơng pháp xử lý cho phù hợp. Chính
vì thế mà em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển trong quy
trình xử lý nƣớc thải sử dụng PLC S7-300”.
Mục tiêu nghiên cứu chính trong đề tài này là Nghiên cứu lí thuyết cơng nghệ xử lý
nƣớc thải. Lập trình điều khiển hệ thống xử lý nƣớc thải bằng phần mềm S7 Manager. Lập
trình hệ thống điều khiển giám sát mơ phỏng trên máy tính bằng WinCC.
Đề tài của em chia làm 2 phần chính sau:
Phần 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Phần 2: Nội dung khóa luận
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Các thiết bị chấp hành và xây dựng sơ đồ mạch động lực
Chƣơng 3: Bài toán điều khiển và lập trình mơ phỏng cho hệ thống
xử lý nƣớc thải
Trong suốt thời gian làm đề tài đƣợc sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo
trong bộ môn Kỹ thuật điện và Tự đơng hóa và đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình,
chi tiết của thầy giáo ThS. Trần Kim Kh đã giúp em hồn thành bản khóa luận

này. Mặc dù đã rất cố gắng nhƣng kiến thức và kinh nghiệm cịn hạn chế nên khóa
luận của em khơng thể tránh những thiếu sót, em rất mong đƣợc sự chỉ bảo của các
thầy cơ, để em hồn thiện tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Hà Nội, Ngày 16 tháng 05 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Vũ Văn Linh


NHẬN XÉT
(Của giảng viên hƣớng dẫn)

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

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
(Chữ ký, họ tên)


NHẬN XÉT
(Của giảng viên phản biện)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
(Chữ ký, họ tên)


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1

Khái niệm ..........................................................................................................1

1.2

Cơng nghệ xử lí nƣớc thải trong nƣớc ..............................................................1

1.3

Cơng nghệ xử lí nƣớc thải ở nƣớc ngồi...........................................................1

1.4

Các thơng số ơ nhiễm đăc trƣng của chất thải ..................................................3

1.5 Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lí ...............................................................4
1.6 Nghiên cứu áp dụng cơng nghệ tự động hóa nƣớc thải ........................................4

2.2 Các thiết bị chấp hành trong hệ thống nƣớc thải ..................................................8
2.3

Sơ đồ đấu nối các thiết bị chấp hành ................................................................9

2.4

Các đầu đo sử dụng trong hệ thống xử lí nƣớc thải ........................................17

2.5 Sơ đồ đấu nối các đầu đo với PLC – 300 ............................................................18
CHƢƠNG 3: BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG CHO S7 –
300 .............................................................................................................................19
3.1

Xây dựng bài tốn xử lí nƣớc thải tự động .....................................................19

3.1.1 Khảo sát và tính tốn dân số ............................................................................19
3.1.2 Tính tốn lƣu lƣợng nƣớc thải..........................................................................19
3.1.3. Cơ sở đề xuất công nghệ xử lý . ......................................................................19
3.1.4 Thống kê các thiết bị điện hiện có trong dây chuyền XLNT. ..........................21
3.2. Xây dựng lƣu đồ thuật toán ................................................................................33
3.2.1. Điều khiển bơm P1 vào Bể cân bằng ..............................................................33
3.2.1 Điều chỉnh pH trong Bể trung hồ ...................................................................37
3.2 Viết chƣơng trình điều khiển cho S7 – 300 ........................................................40
3.2.1 Các bƣớc tạo và viết chƣơng trình điều khiển cho S7 - 300 ............................40
3.2.2 Chƣơng trình điều khiển cho S7 – 300 ............................................................46


THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG XỬ LÍ
NƢỚC THẢI ............................................................. Error! Bookmark not defined.

4.1 Thiết kế giao diện phần mềm trên WinCC ......... Error! Bookmark not defined.
4.2 Lƣu trữ, báo cáo thống kê hoạt động của hệ thống ........... Error! Bookmark not
defined.
4.3 Vận hành hệ thống, chạy mô phỏng .................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN ........................................................................................61
5.1 Giới hạn đề tài .....................................................................................................61
5.2. Kết luận kiến nghị ..............................................................................................61


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: khối lƣợng chất rắn có trong nƣớc thải sinh hoạt (g/ngƣời.ngày) ..............3
Bảng 1.2: Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lý ...................................................4
Bảng 2.1: Đầu ra .........................................................................................................9
Bảng 2.2: Đầu vào .....................................................................................................10
Bảng 3.1: Hệ số điều hòa phụ thuộc vào lƣu lƣợng. .................................................19
Bảng 3.2: So sánh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý với QCVN 14:2008/BTNMT. ...20
Bảng 3.3: Các biến sử dụng trong hệ thống ..............................................................21


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1: Ngun lý đấu dây Module EM323.................................................................... 11
Hình 2.2: CPU 312 và Module EM323 của Siemens .......................................................... 11
Hình 2.3: Bộ nguồn 24VDC cấp cho CPU 312 và Module EM323 của Siemens ............... 12
Hình 2.5: Sơ đồ dấu nối thiết bị đầu vào ............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6: Mạch động lực động cơ bơm và nút ấn ............................................................... 14
Hình 2.7: Mạch động lực Động cơ bơm định lƣợng, Động cơ máy khuấy, Động cơ sục khí
............................................................................................................................................. 14
Hình 2.8: Mạch động lực Động cơ máy gạt bùn, Động cơ bơm bùn, Động cơ máy ép bùn.
............................................................................................................................................. 16
Hình 3.1: Transmitter MAG 5000 SIEMENS .................................................................... 22

Hình 3.2: MAG 5100W SIEMENS .................................................................................... 23
Hình 3.3: Clorator ................................................................................................................ 23
Hình 3.4 : Cảm biến phát hiện rị rỉ khí Clo ........................................................................ 24
Hình 3.4: Máy khuấy ........................................................................................................... 26
Hình 3.5: Máy bơm chìm nƣớc thải APP KS-50 GT 5 HP (có dao cắt) .............................. 27
Hình 3.6: Cảm biến nhiệt độ PT100 .................................................................................... 28
Hình 3.7: PM6RTD.............................................................................................................. 29
Hình 3.8: Đồng hồ đo lƣu lƣợng EFM-115 ......................................................................... 30
Hình 3.9: Bảng chọn model tất cả các dòng đồng hồ đo lƣu lƣợng EFM-115 .................... 31
Hình 3.10: Model Orbipac CPF81D .................................................................................... 33
Hình 3.11 khởi động chƣơng trình ....................................................................................... 41
Hình 3.12 khai báo ............................................................................................................... 41
Hình 3.13 khai báo ............................................................................................................... 42
Nhấp Hardware mở ra màn hình đặt cấu hình cứng cho trạm ............................................ 42
Hình 3.14 đặt câú hình cứng cho trạm ................................................................................. 42
Hình 3.15 đặt câú hình cứng cho trạm ................................................................................. 43
Hình 3.16 đặt câú hình cứng cho trạm ................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.17 đặt câú hình cứng cho trạm ................................................................................. 43
............................................................................................. Error! Bookmark not defined.
............................................................................................................................................. 44
............................................................................................................................................. 44
............................................................................................. Error! Bookmark not defined.
............................................................................................................................................. 45
............................................................................................. Error! Bookmark not defined.
............................................................................................................................................. 45
............................................................................................................................................. 46


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Khái niệm

Nƣớc thải sinh hoạt là nƣớc đã đƣợc sử dụng bởi con ngƣời và trong đó
chứa tất cả các chất bẩn sau khi sử dụng. Nó đƣợc sinh ra bởi các nhu cầu hàng
ngày, nhƣ tắm rửa, vệ sinh, và từ các cống thoát nƣớc đó là loại nƣớc tắm rửa của
con ngƣời, giặt giũ, chế biến thực phẩm, nấu ăn, vệ sinh nhà bếp,…
Đặc trƣng của nƣớc thải sinh hoạt là: hàm lƣợng chất hữu cơ cao (55-65%
tổng lƣợng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật có cả vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn
phân hủy chất hữu cơ cần thiết cho các quá trình chuyển hóa chất bẩn trong nƣớc
thải.
1.2 Cơng nghệ xử lí nƣớc thải trong nƣớc
Cơng nghệ xử lí nƣớc thải bằng AFBR (Advance Fixed Bed Reactor) là ứng
dụng để xử lí các chất hữu cơ hịa tan trong nƣớc thải cũng nhƣ 1 số chất vơ cơ
Cơng nghệ xử lí nƣớc thải MBR (Membrane Bio-Reactor – MBR hay còn
gọi là màng MBR) bể hoặc thiết bị sinh học xử lí nƣớc thải trong đó áp dụng kĩ
thuật bùn hoạt tính AS phân tán có kết hợp với màng lọc tách vi sinh. Cơng nghệ có
thể đẩy nồng độ vi sinh hay bùn hoạt tính trong bể MBR lên tới 15g/l.
Cơng nghệ xử lý nƣớc thải AAO Anaerobic – Anoxic – Oxic (Kị khí –
Thiếu khí – Hiếu khí) đƣợc ứng dụng cho các loại nƣớc thải có tỷ lệ BOD/COD >
0.5, hàm lƣợng các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao. Cơng nghệ AAO có
khả năng xử lý triệt để hàm lƣợng các chất dinh dƣỡng (Nito, photpho) cao. Với đặc
điểm vận hành ổn định
Bởi vì khả năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này. Mặc dù vấn đề cần
phải xử lý, hóa lý trƣớc sinh học (trừ xử lý bậc cao) nhƣng có rất nhiều hệ thống xử
lý nƣớc thải đã xây dựng vẫn sử dụng q trình sử lý sinh học trƣớc hóa lý. Ngun
nhân là do có nhiều cơng ty chƣa có kinh ngiệm trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải áp
dụng không đúng quá trình xử lý trên nên hiệu quả xử lý thấp. Để xác định đƣợc
loại hóa chất phù hợp với loại nƣớc thải nào đó thì cần phải test thử mẫu trƣớc khi
ứng dụng vào thực tế.
1.3 Công nghệ xử lí nƣớc thải ở nƣớc ngồi
Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nƣớc thải công nghiệp

1


đang là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch mơi trƣờng sống
đồng thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên
thế giới. Tại nhiều nƣớc có nền công nghiệp phát triển cao nhƣ Nhật, Mỹ, Anh,
Pháp,... các hệ thống xử lý nƣớc thải công nghiệp đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào
ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực tự động hoá cũng
đã đƣợc áp dụng và đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế xã hội vô cùng to lớn.
Nhiều hãng đi đầu trong lĩnh vực này nhƣ USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter
Water Corporation (HWC), Global Industries.Inc... đã đƣa ra các giải pháp công
nghệ xử lý nƣớc thải hiện đại. Những cơng nghệ tự động hố của các cơng ty
hàng đầu trên thế giới nhƣ SIEMENS, AB, YOKOGAWA,... đƣợc sử dụng rộng
rãi trong các cơng trình xử lý nƣớc thải.
Có thể nói trình độ tự động hố xử lý nƣớc thải đã đạt mức cao, tất cả các công
việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện đƣợc tại một Trung tâm, tại đây
ngƣời vận hành đƣợc hỗ trợ bởi những công cụ đơn giản, dễ sử dụng nhƣ giao
diện đồ hoạ trên PC, điều khiển bằng kích chuột,... góp phần nâng hiệu quả cho
công việc quản lý điều hành dây chuyền cơng nghệ. Ngồi ra cùng với sự phát
triển của công nghệ thông tin và viễn thông, khoảng cách về không gian và thời
gian đã đƣợc rút ngắn, cho phép ngƣời vận hành có thể điều khiển từ cách xa
hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận đƣợc thông tin về hệ thống
thông qua SMS. Hơn thế, hệ thống tự động hoá xử lý nƣớc thải cịn đƣợc tích hợp
với các hệ thống điều hành ở cấp độ điều khiển cao hơn nhƣ cấp điều hành sản
xuất (manufacturing execution: workflow, order tracking, resources), cấp xí
nghiệp (enterprise:Production planning, orders, purchase) và trên cùng là cấp
quản trị (administration:Planning, Statistics, Finances) nhằm nâng cao hơn nữa
mức tự động hoá và tối ƣu hố q trình sản xuất.
Ngồi ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều các lý thuyết điều khiển
hiện đại đƣợc áp dụng nhƣ điều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo trƣớc

(predicted control), điều khiển lai ghép (hybrid control),... đƣợc ứng dụng trong
xử lý nƣớc thải để nâng cao chất lƣợng điều khiển và hiệu suất của các công đoạn
xử lý. Lý thuyết hệ chuyên gia cũng đƣợc áp dụng mở ra khả năng tự động hố
hồn tồn cho xử lý nƣớc thải.

2


1.4 Các thông số ô nhiễm đặc trƣng của chất thải
Hàm lƣợng chất rắn trong nƣớc thải.
Nƣớc thải là hệ đa phân tán bao gồm nƣớc và các chất bẩn. Các nguyên tố chủ
yếu có trong thành phần của nƣớc thải sinh hoạt là C, H, O, N với công thức trung
bình C12H26O6N. Các chất bẩn trong nƣớc thải gồm cả vô cơ và hữu cơ, tồn tại dƣới
dạng cặn lắng, các chất rắn không lắng đƣợc là các chất hòa tan và dạng keo.
Bảng 1.1. khối lƣợng chất rắn có trong nƣớc thải sinh hoạt (g/ngƣời.ngày)
Cặn khơng
lắng
Hữu cơ
30
10
Vơ cơ
10
5
Tổng cộng
40
15
Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trƣng
Thành phần

Cặn lắng

Chất hịa
tan
50
75
125
của nƣớc thải.

Tổng cộng
90
90
180
Các chất rắn

khơng hồ tan có hai dạng: chất rắn keo và chất rắn lơ lửng. Chất rắn lơ lửng đƣợc
giữ lại trên giấy lọc kích thƣớc lỗ 1,2 micromet (bao gồm chất rắn lơ lửng lắng
đƣợc và chất rắn lơ lửng không lắng đƣợc), làm giảm lƣợng hóa chất cần sử dụng
trong q trình xử lý.
+ Độ pH của nƣớc
pH là chỉ số đặc trƣng cho nồng độ H+ có trong dung dịch, thƣờng dùng để
biểu hiện tính kiềm hay tính axit của nƣớc.
Độ pH có liên quan đến dạng tồn của kim loại và khí hịa tan trong nƣớc, ảnh
hƣởng tới hiệu quả của các q trình xử lý nƣớc. Ngồi ra độ pH cịn ảnh hƣởng tới
q trình trao đổi chất trong cơ thể sinh vật tồn tại trong nƣớc. Do vậy rất có ý
nghĩa về khía cạnh sinh thái mơi trƣờng.
+ Hàm lƣợng oxy hòa tan(Dissolved oxygen - DO).
DO là lƣợng oxy hịa tan cần thiết cho sự hơ hấp của các sinh vật sống trong
nƣớc, thƣờng đƣợc tạo ra do sự hịa tan từ khí quyển hay sự quang hợp của tảo.
Nồng độ oxy tự do trong nƣớc nằm trong khoảng 8-10 ppm, và dao động
mạnh vào nhiệt độ, sự phân hủy hóa chất, sự quang hợp của tảo.Các quá trình oxy

hóa của các chất thải sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn nƣớc, đe
dọa sự sống các loài sinh vật sống trong nƣớc. Do vậy, DO là chỉ số quan trọng để
đánh giá mức độ ô nhiễm của nƣớc.
Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand - BOD).
3


BOD là lƣợng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ theo phản
ứng:
Chất hữu cơ + O2  CO2 + H2O + tế bào mới + Sản phẩm cố định
Do đó, nó là thƣớc đo nồng độ chất hữu cơ trong chất thải có thể bị oxy hóa bởi
vi sinh vật.
Nhu cầu oxy hóa học(Chemical Oxygen Demand - COD).
COD là lƣợng oxy cần thiết để oxy hóa các hợp chất hóa học trong nƣớc bao
gồm cả vơ cơ và hữu cơ.
Tồn bộ lƣợng oxy sử dụng cho các phản ứng trên đƣợc lấy từ oxy hồ tan
trong nƣớc (DO). Do vậy nhu cầu oxy hố học và oxy sinh học cao sẽ làm giảm
nồng độ DO của nƣớc, có hại cho sinh vật nƣớc và hệ sinh thái nƣớc nói chung.
Nƣớc thải hữu cơ, nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải hoá chất là các tác nhân tạo ra
các giá trị BOD và COD cao của mơi trƣờng nƣớc.
1.5 Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lí
Bảng 1.2. Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lý
STT

Thông số

Đơn vị

Giá trị

1

pH

-

7,3

2

SS

mg/l

130

3

COD

mg/l

246

4

BOD5

mg/l

200

5

Nitơ

mg/l

8

6

P

mg/l

3

7

Dầu mỡ thực vật

mg/l

14

1.6 Nghiên cứu áp dụng cơng nghệ tự động hóa nƣớc thải
1.6.1 Mục đích áp dụng tự động hố xử lý nƣớc thải
Tự động hoá xử lý nƣớc thải là điều cần thiết nhƣng cũng không cần phải vội
vàng, mà phải phân tích rõ mục đích của tự động hố và đặc biệt phải chú ý: vì sao

phải tự động hố và cho ai?
Cải thiện điều kiện làm việc: Mục đích đầu tiên của tự động hố là phải loại
bỏ cơng việc lặp lại và khó nhọc cho việc vận hành, ví dụ: liên tục theo dõi, kiểm tra
4


nhiều thông số công nghệ, tắt bật cơ cấu chấp hành, ghi chép số liệu, sự cố,...Tự
động hoá và giám sát bằng máy tính làm tiện lợi thêm khả năng khống chế từ xa
một số lƣợng lớn các thông tin, đơn giản hoá nhiệm vụ khai thác, giám sát và quản
lý.
Nâng cao hiệu quả của thiết bị: Trƣớc hết ta có thể cải thiện chất lƣợng xử lý nƣớc
bằng các thiết bị đo và điều chỉnh . Ví dụ nhƣ định lƣợng chất phản ứng, mức độ ơ
xy hố, kiểm tra nhiệt độ các bể phản ứng…Tự động hoá quá trình cho phép giải
phóng con ngƣời và làm tăng tốc độ tin cậy của hệ thống. Nhƣng mục tiêu quan
trọng là nâng cao độ chắc chắn vận hành của thiết bị có tính đến các tiêu chuẩn độ
tin cậy qua việc nghiên cứu các sự cố vận hành. Nghĩa là dự phịng các phƣơng án
để thiết bị có thể làm việc liên tục trong trƣờng hợp bị hỏng hóc một bộ phận nào đó
bằng cách đƣa tự động các thiết bị dự phòng vào làm việc và giải quyết hỏng hóc.
Tự động hố cho phép việc nghiên cứu thống kê các dữ liệu đã thu đƣợc, mở ra con
đƣờng tối ƣu của việc xử lý.
Tăng năng suất lao động: Tự động hoá nhằm nâng cao năng suất bằng cách
giảm chi phí vận hành. Ta cũng có thể tối ƣu hố giá thành năng lƣợng chi phí hàng
giờ và chi phí vật liệu. Giảm nhân công vận hành và giảm công việc bảo dƣỡng
cũng cho phép giảm giá thành.
Trợ giúp việc giám sát: Nó bao gồm việc lắp đặt bộ biến đổi, phát hiện báo động,
đặt các phƣơng tiện ghi các dữ liệu và truyền đi xa cho đến nơi giám sát bằng máy
tính. Tự động hố khơng có mục đích riêng, mức độ phức tạp của thiết bị phải đáp
ứng điều kiện của nhà máy và đối tƣợng xử lý. Tự động hố chỉ xem nhƣ một bộ trợ
giúp, khơng ép buộc. Một trong những hậu quả của một hệ thống tự động khơng
chắc chắn là khi “mất nhớ” nó khơng tiếp xúc trực tiếp đƣợc với q trình cơng

nghệ đƣợc nữa. Tuy nhiên những ƣu điểm của nó quá rõ ràng nếu thiết bị đƣợc một
chuyên gia về xử lý nƣớc thải thiết kế và vận hành thực hiện.

5


CHƢƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ CHẤP HÀNH VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH
ĐỘNG LỰC
2.1 Bài toán xử lý nƣớc thải tự động
Nƣớc thải từ dân cƣ đƣợc thu gom vào hố bơm. Từ hố bơm P1 bơm nƣớc qua
song chắn rác. Đây là bƣớc xử lý sơ bộ. Mục đích của q trình là khử tất cả các
tạp vật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nƣớc thải nhƣ
làm tắc máy bơm, đƣờng ống hoặc kênh dẫn. Đây là bƣớc quan trọng đảm bảo an
toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống. Rác tự động vào thùng chứa
bằng cách xối nƣớc liên tục hoặc cào thủ công.
Sau song chắn rác, nƣớc tự chảy vào bể cân bằng. Bể này có tác dụng điều hồ
lƣu lƣợng để duy trì dịng thải vào gần nhƣ khơng đổi cho các cơng đoạn sau, khắc
phục những vấn đề vận hành do sự dao động lƣu lƣợng nƣớc thải gây ra và nâng
cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Nhiệt độ nƣớc đƣợc đo
thủ công theo chu kỳ hoặc thời điểm tuỳ thuộc vào kỹ sƣ vận hành. Máy bơm P2 sẽ
bơm nƣớc từ bể cân bằng vào bể trung hoà và ổn định lƣu lƣợng.
Nƣớc thải chứa các axít vơ cơ hoặc kiềm cần đƣợc trung hoà đƣa pH về khoảng
7±0.2 trƣớc khi sử dụng cho cơng đoạn xử lý tiếp theo. Trung hồ nƣớc thải thực
hiện bằng cách bổ sung các tác nhân hoá học. Trong q trình trung hồ, một
lƣợng bùn cặn đƣợc tạo thành. Lƣợng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành
phần của nƣớc thải cũng nhƣ loại và lƣợng các tác nhân sử dụng cho q trình
Để trung hồ trong cơng nghệ này ngƣời ta sử dụng tác nhân hố học là NaOH và
HCl. Khi pH vƣợt ngƣỡng dƣới thì bơm định lƣợng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH
vƣợt ngƣỡng trên thì DP bổ sung HCl và cho máy khuấy M1 hoạt động. Máy khuấy tạo
điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hồ và làm đồng đều hố chất bổ sung với nƣớc

thải. Điều khiển pH đƣợc thực hiện thủ cơng. Để bảo đảm an tồn cho vi sinh vật ngƣời
vận hành thƣờng xuyên phải đo tay độ pH đầu nguồn nƣớc vào bể kỵ khí để đảm bảo
chắc chắn rằng pH không vƣợt ngƣỡng cho phép. Khi phát hiện pH khơng đạt u cầu
thì ngƣời vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nƣớc không bảo đảm chỉ tiêu pH cho
công đoạn xử lý sinh học tiếp sau vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với pH, pH ảnh hƣởng
rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dƣỡng vào
tế bào. Nếu vi sinh vật chết sẽ cần nhiều thời gian và kinh phí để khơi phục lại chúng

6


đồng thời làm gián đoạn sản xuất
Sau khi trung hoà nƣớc đƣợc xử lý tiếp bằng các phƣơng pháp sinh học. Ngƣời
ta sử dụng các phƣơng pháp sinh học để làm sạch nƣớc thải khỏi nhiều chất hữu cơ
hoà tan và một số chất vô cơ nhƣ H2S, các chất sunfit, amoniac, nitơ…Phƣơng
pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất
hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nƣớc thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và
một số chất khoáng làm nguồn dinh dƣỡng và tạo năng lƣợng. Trong quá trình
dinh dƣỡng, chúng nhận các chất dinh dƣỡng để xây dựng tế bào, sinh trƣởng và
sinh sản nên sinh khối của chúng đƣợc tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu
cơ nhờ vi sinh vật gọi là q trình oxy hố sinh hố . Trong cơng nghệ sử dụng hai
phƣơng pháp là kỵ khí và hiếu khí tại các bể kỵ khí và hiếu khí.
Phƣơng pháp kỵ khí đƣợc dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử
lý bằng phƣơng pháp sinh học hoặc nƣớc thải công nghiệp chứa hàm lƣợng các
chất hữu cơ cao (BOD=4÷5 g/l). Đây là phƣơng pháp cổ điển nhất dùng để ổn định
bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân huỷ các chất hữu cơ. Tuỳ thuộc vào
loại sản phẩm cuối cùng, ngƣời ta phân loại quá trình này thành: lên men rƣợu, lên
men axit lactic, lên men metan, ...Những sản phẩm cuối của quá trình lên men là:
cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4. Trong cơng nghệ các chất khí (biogas) sẽ
đƣợc thu hồi và đốt nhờ hệ thống thu hồi và xử lý khí.

Phƣơng pháp hiếu khí là phƣơng pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí.
Bể hiếu khí ln chứa các vi khuẩn hiếu khí. Trong cơng đoạn có hệ thống sục khí
bao gồm máy thổi khí B và các ống dẫn khí làm nhiệm vụ cung cấp đủ lƣợng ơxi
cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải chất hữu cơ đồng thời xáo trộn làm
tăng khả năng hấp thụ các chất hữu cơ của vi sinh vật đảm bảo sự phân giải tối đa.
Kết quả là hình thành các bơng sinh học có thể lắng trọng lực ở đầu ra của bể. Đối
với đa số các vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ƣu là 6.5÷8.5. Nhiệt độ nƣớc thải
ảnh hƣởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa số vi sinh
vật, nhiệt độ nƣớc thải phải từ 6÷370 C. Nói chung giá trị DO luôn đƣợc bảo đảm
trong khoảng cho phép nhờ cơng suất khơng đổi của máy thổi khí theo thiết kế trừ
trƣờng hợp có sự cố (hỏng máy thổi, tắc ống dẫn khí,...) và đƣợc giám sát thủ công.
Nhiệt độ nƣớc trong bể đo thủ công theo quy trình vận hành (định kỳ hoặc theo

7


thời điểm do kỹ sƣ vận hành quyết định).
Nƣớc thải sau khi đƣợc xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng. Tại đây
sử dụng phƣơng pháp lắng trọng lực. Trong nƣớc thải vào các bể này chứa bùn
hoạt tính là sản phẩm của q trình phân giải của vi sinh tại bể hiếu khí. Bùn hoạt
tính có dạng bơng màu vàng nâu, dễ lắng, kích thƣớc từ 3 đến 5µm. Những bơng
này gồm các vi sinh vật sống và chất rắn (40%). Vi sinh bao gồm vi khuẩn, động
vật bậc thấp, dòi, giun, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn,.... , một phần bùn đƣợc đƣa
quay trở lại bể hiếu khí để bảo đảm đủ lƣợng vi sinh cần thiết. Bể lắng có thể tích
thiết kế đủ lớn để nƣớc đƣợc lƣu trong đó vài giờ, đủ thời gian cho q trình lắng,
do đó có thể xả bùn và ép bùn liên tục (luôn bật máy gạt bùn M2, bơm hút bùn SP
và máy ép bùn D). Các van tay V4, V5 đƣợc mở trƣớc ở các độ mở nhất định, các
mức mở này do kỹ sƣ vận hành thực hiện nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa thức ăn
và vi khuẩn hiếu khí.
2.2 Các thiết bị chấp hành trong hệ thống nƣớc thải

Đèn hệ thống làm việc.
Động cơ bơm 1, 2, 3.
Động cơ bơm bùn .
Động cơ sục khí.
Động cơ bơm định lƣợng.
Động cơ máy khuấy.
Động cơ máy ép bùn .
Động cơ máy gạt bùn .
Van điện từ V1, V2, V3, V4, V5.

8


2.3 Sơ đồ đấu nối các thiết bị chấp hành
Bảng 2.1. Đầu ra
Giải thích

TT

Symbol

Bit

Ký hiêu cơng tắc tơ

1

Đèn hệ thống làm việc

Q_DEN_RUN

Q

0.0

Đ1

2

Động cơ bơm 1

Q_BOM_1

Q

0.1

M1

3

Động cơ bơm 2

Q_BOM_2

Q

0.2

M2

4

Động cơ bơm 3

Q_BOM_3

Q

0.3

M3

5

Động cơ bơm định lƣợng Q_BOM_DL

Q

0.4

M4

6

Động cơ máy khuấy

Q_DC_KHUAY

Q

0.5

M5

7

Động cơ sục khí

Q_DC_SUC_KHI

Q

0.6

M6

8

Động cơ máy gạt bùn

Q_MAY_GAT_BUN Q

0.7

M7

9

Động cơ bơm bùn

Q_BOM_BUN

Q

1.0

M8

10

Động cơ máy ép bùn

Q_EP_BUN

Q

1.1

M9

11

Van 1

Q_VAN_1

Q

1.2

V1

12

Van 2

Q_VAN_2

Q

1.3

V2

13

Van 3

Q_VAN_3

Q

1.4

V3

14

Van 4

Q_VAN_4

Q

1.5

V4

15

Van 5

Q_VAN_5

Q

1.6

V5

9


Bảng 2.2. Đầu vào
TT

Giải thích

Symbol

Bit

Ký hiệu nút ấn

1

Nút ấn Start

B_START

I

0.0

B1

2

Nút ấn Stop

B_STOP

I

0.1

B2

3

Nút ấn chế độ tự động

B_AUTO

I

0.2

B3

4

Nút ấn chế độ bằng tay

B_MANU

I

0.3

B4

5

Nút ấn xác nhận lỗi

B_XAC_NHAN_LOI I

0.4

B5

6

Cảm biến mức 1

CB_LEVEL_1

I

0.5

CB1

7

Cảm biến mức 2

CB_LEVEL_2

I

0.6

CB2

8

Cảm biến mức 3

CB_LEVEL_3

I

0.7

CB3

9

Cảm biến mức 4

CB_LEVEL_4

I

1.0

CB4

10

Bật tắt bơm 1

B_BOM_1

I

1.1

B6

11

Bật tắt bơm 2

B_BOM_2

I

1.2

B7

12

Bật tắt bơm 3

B_BOM_3

I

1.3

B8

13

Bật tắt bơm định lƣợng

B_BOM_DL

I

1.4

B9

14

Bật tắt động cơ khuấy

B_DC_KHUAY

I

1.5

B10

15

Bật tắt máy sục khí

B_DC_SUC_KHI

I

1.6

B11

16

Bật tắt máy gạt bùn

B_MAY_GAT_BUN

I

1.7

B12

17

Bật tắt bơm bùn

B_BOM_BUN

I

2.0

B13

18

Bật tắt máy ép bùn

B_EP_BUN

I

2.1

B14

19

Đóng mở van 1

B_VAN_1

I

2.2

B15

20

Đóng mở van 2

B_VAN_2

I

2.3

B16

21

Đóng mở van 3

B_VAN_3

I

2.4

B17

22

Đóng mở van 4

B_VAN_4

I

2.5

B18

23

Đóng mở van 5

B_VAN_5

I

2.6

B19

Theo thống kê các bit vào ra của bài tốn thì có 23 bit input và 15 bit out put,
cho nên chọn 2 Module EM323 (mỗi module có 16/16 input/Output), đồng thời lựa
chọn CPU là CPU 321, và chọn một bộ nguồn 24VDC.

10


Hình 2.1. Nguyên lý đấu dây Module EM323

Hình 2.2. CPU 312 và Module EM323 của Siemens

11


Hình 2.3. Bộ nguồn 24VDC cấp cho CPU 312 và Module EM323 của Siemens

12


M ODULE EM 323 DI 16/DO16 x 24DC 0.5a
+24VDC

2L+

B1
B2
B3
B4
B5
CB LV1
CB LV2
CB LV3

i 0.0

Q0.0

i 0.1

Q0.1

i 0.2

Q0.2

i 0.3

Q0.3

i 0.4

Q0.4

i 0.5

Q0.5

i 0.6

Q0.6

i 0.7

Q0.7

®1
a1
a2
a3
a4
a5
a6
a7

2M
+24VDC
3L+

CB LV4
B6
B7
B8

B9
B10
B11
B12

i 1.0

Q1.0

i 1.1

Q1.1

i 1.2

Q1.2

i 1.3

Q1.3

i 1.4

Q1.4

i 1.5

Q1.5

i 1.6

Q1.6

i 1.7

Q1.7

1M

3M

a8
a9
V1
V2
V3
V4
V5

Hinh 2.4. Sơ đồ đấu nối thiết bị đầu ra và đầu vào

13


L1
L2
L3
N

K1

K1

K1

K2

R1

K1

K2

K2

R2

K2

24 V
0V

24 V
Q0.1

0V

M1

Q0.2

M2

Hình 2.5. Mạch động lực động cơ bơm 1và bơm 2
Trong đó:
M1: Động cơ bơm 1

M2: Động cơ bơm 2

K1: Khởi động từ cho động cơ bơm 1

K2: Khởi động từ cho động cơ bơm 2

R1: Rơle trung gian điều khiển khởi

R2: Rơle trung gian điều khiển khởi

động từ K1

động từ K2

Q0.1: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp

Q0.2: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp

điện áp +24 V

điện áp +24 V

L1
L2

L3
N

K3
K3

K3

K4

R3

K3

K4

K4

K4

24 V
0V

R4
24 V

Q0.3

0V

M3

Q0.4

M4

Hình 2.6. Mạch động lực Động cơ bơm 3 và bơm định lƣợng
Trong đó:

14


M3: Động cơ bơm 3

M4: Động cơ bơm định lƣợng

K3: Khởi động từ cho động cơ bơm 3

K4: Khởi động từ cho động cơ bơm định

R3: Rơle trung gian điều khiển khởi

lƣợng

động từ K3

R4: Rơle trung gian điều khiển khởi

Q0.3: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp

động từ K4

điện áp +24 V

Q0.4: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp
điện áp +24 V
L1
L2
L3
N

K5
K5

K5

K6

R5

K5

K6

K6

K6

24 V
0V

R6
24 V

Q0.5

0V

M5

Q0.6

M6

Hình 2.7. Mạch động lực động cơ máy khuấy và động cơ máy sục khí
Trong đó:
M5: Động cơ máy khuấy

M6: Động cơ máy sục khí

K5: Khởi động từ cho động cơ máy

K6: Khởi động từ cho động cơ máy sục

khuấy

khí

R5: Rơle trung gian điều khiển khởi

R6: Rơle trung gian điều khiển khởi

động từ K5

động từ K6

Q0.5: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp

Q0.6: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp

điện áp +24 V

điện áp +24 V

15


L1
L2
L3
N

K7
K7

K7

K8

R7

K7

K8

K8

K8

24 V
0V

R8
24 V

Q0.7

0V

M7

Q1.0

M8

Hình 2.8. Mạch động lực Động cơ máy gạt bùn, Động cơ bơm bùn
Trong đó:
M7: Động cơ máy gạt bùn

M8: Động cơ bơm bùn

K7: Khởi động từ cho động cơ máy gạt bùn

K8: Khởi động từ cho động cơ

R7: Rơle trung gian điều khiển khởi động từ

bơm bùn

K7

R8: Rơle trung gian điều khiển

Q0.7: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp điện

khởi động từ K8

áp +24 V

Q1.0: Địa chỉ cổng ra của PLC
cung cấp điện áp +24 V

16


L1
L2
L3
N

K9
K9

K9

R9

K9

24 V
0V

Q1.1

M9

Hình 2.9. Mạch động lực động cơ máy ép bùn
Trong đó:
M9: Động cơ máy ép bùn
K9: Khởi động từ cho máy ép bùn
R9: Rơle trung gian điều khiển khởi động từ K8
Q1.1: Địa chỉ cổng ra của PLC cung cấp điện áp +24 V
2.4 Các đầu đo sử dụng trong hệ thống xử lí nƣớc thải
Cảm biến mức 1
Đo mức nƣớc thải trong bể cân bằng ở trạng thái mức nƣớc live 1.
Cảm biến mức 2
Đo mức nƣớc thải trong bể cân bằng ở trạng thái mức nƣớc live 2.
Cảm biến mức 3
Đo nồng độ NAOH trong nƣớc thải để điều khiển van 1 đóng hoặc mở, điều
chỉnh độ PH trong nƣớc.

Cảm biến mức 4

17