Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
1



BÁO CÁO ĐỒ ÁN I

Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS. Bùi Đăng Thảnh
Sinh viên thực hiện:
Nhóm 1: 1. Cao Ngọc Thắng ĐK TĐH 1 – K56
2. Bùi Bình Dương ĐK TĐH 8 – K56
3. Bùi Minh Đức ĐK TĐH 3 – K56


Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
2


A. LỜI MỞ ĐẦU
Xử lí nước thải công nghiệp là một vấn đề quan trọng và chuyên biệt với
mỗi một ngành công nghiệp, đảm bảo vệ sinh môi trường và phát triển bền vững
cho kinh tế. Ngày nay, mô hình xử lí nước thải công nghiệp đã có rất nhiều cải
tiến nhằm phục vụ cho mục đích quản lí và điều khiển dễ dàng hơn cho người sử
dụng. Tiêu biểu là việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong mô hình SCADA,
mọi động tác giám sát và điều khiển người quản lý đều thực hiện thao tác trên
một chiếc PC. Chỉ cần một cái click chuột hay gõ phím đơn giản thay vi điều
khiển bằng tay tại mỗi công đoạn trong mỗi khâu xử lý. Việc này góp phần nâng
cao hiệu quả, tiết kiệm thời gian sức lực cho người sử dụng.

Trong quá trình học tập được sự giúp đỡ hướng dẫn của thầy giáo Bùi Đăng
Thảnh cũng như tham khảo thêm các tài liệu chúng em đã hoàn thành bài báo cáo.
Nội dung bài báo cáo gồm 3 phần :
Phần 1 : Tổng quan và hướng nghiên cứu đề tài
Phần 2 : Hệ thống xử lí nước thải trong công nghiệp
Phần 3 : Nghiên cứu ứng dụng SCADA vào hệ thống xử lí nước thải công
nghiệp.
Tuy nhiên, trong quá trình làm bài không thể tránh khỏi có sai sót, chúng
em mong nhận được sự góp ý, nhận xét của thầy cô giáo và các bạn để bài báo
cáo có thể hoàn thiện hơn nữa
Em xin chân thành cảm ơn !!!






Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
3

B. NỘI DUNG
Đề tài: Tìm hiểu và thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước
thải công nghiệp
I. TỔNG QUAN HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Xử lí nước thải công nghiệp là vấn đề vô cùng quan trọng trong sản xuất
công nghiệp hiện nay bảo đảm cho sự trong sạch của môi trường và tạo sự phát
triển bền vững cho nền kinh tế. Trên thế giới, các hệ thống xử lí nước thải đã được
nghiên cứu và ứng dụng từ rất lâu, và công nghệ xử lí nước thải cũng ngày càng
tiên tiến và hiệu quả hơn. Có thể nói trình độ tự động hoá xử lý nước thải đã đạt
mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện được tại

một trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công cụ đơn giản,
dễ sử dụng như 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 công nghệ. Ngoài ra
cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông, khoảng cách về
không gian và thời gian đã được rút ngắn, cho phép người vân hành có thể điều
khiển từ cách xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận được thông
tin về hệ thống thông qua sms…
SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không những là một hệ thống điều khiển
đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp
chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và và công nghệ tự động hóa. Các thiết bị tự
động hóa ở đây đều có khả năng truyền thông và tham gia vào mạng truyền thông
công nghiệp.
Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, dùng kèm với một
phần mềm ứng dụng thích hợp có thành phần cấu trúc cơ bản gồm:
Remote Terminal Unit (RTU): thiết bị đầu cuối từ xa, thực hiện các công
việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực. Các RTU được đặt ở nhiều vị trí
khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh hoạt hệ thống
và thông báo định kì kết quả về máy tính chủ.
Master Terminal Unit (MTU): trung tâm điều phối, thực hiện công việc xử
lí dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực mềm. Một trong những
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
4

chức năng cơ bản của MTU là cung cấp giao diện giữa con người – quan sát viên
với hệ thống.
Communication System (CS): hệ thống truyền thông (kênh liên kết) cần
thiết để truyền dữ liệu từ các địa điểm ở xa đến MTU và truyên tín hiệu điều khiển
đến RTU.
Cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA:

Trong hệ thống xử lí nước thải công nghiệp, hệ thống SCADA đóng vai trò
trong quá trình đo lường điều khiển và giám sát. Ví dụ về hệ thống SCADA trong
xử lí nước thải:







Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
5












Từ một vị trí trung tâm SCADA có thể theo dõi được các trang thiết bị đầu
cuối đơn vị từ xa RTU hoặc PLC. Các RTU có thể đo lường một loạt các thông
số trong điều kiện đa dạng bao gồm nhiệt độ hiện tại, dòng điện, điện áp và mức
tăng theo thời gian thực. Kết quả được lấy từ RTU qua các cảm biến khác nhau

được tích hợp bên trong. Các thành phần của cảm biến bao gồm: nhiệt độ, lưu
lượng, áp suất, cấp độ… Các dữ liệu sau đó được gửi trở lại các đơn vị thông qua
các kênh truyền thông. Các đơn vị lần lượt báo cáo lại cho các đơn vị xử lí trung
tâm CPU thực hiện các chức năng kiểm soát và phân tích cần thiết.







MÁY TÍNH
PLC
BẢNG ĐIỀU
KHIỂN
CƠ CẤU
CHẤP
HÀNH
CẢM BIẾN
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
6

Tài liệu tham khảo:
1. Giáo trình công nghệ xử lí nước thải (Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga – Nhà
xuất bản khoa học kỹ thuật).
2. Wastewater treatment plan SCADA application (Humoreanu, B. Fac. of
Autom. & Comput. Sci, Tech. Univ. of Cluj-Napoca, Cluj-Napoca,
Romania - Nascu, I. )
3. Wastewater treatment with scada application (Z. Tugce OZCAN)
4. S7-300 programmable controller installation and hardware - SIEMENS

5. Giáo trình S7-300 tiếng việt - Hà Văn Trí
6. Wincc manual – SIEMENS
7. Measuring, modeling and controlling the pH value – Jean-peter Ylén
8. Tài liệu SCADA, WINCC , STEP7 (internet)













Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
7

II. HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP
1. Khảo sát và đánh giá công nghệ xử lý nước thải.
Hiện nay công nghệ xử nước thải công nghiệp trên thế giới ngày càng
tiên tiến và hiện đại. Càng ngày càng có nhiều quy trình xử lí nước thải
trên thế giới. Mỗi quy trình lại tương ứng với một ngành công nghiệp, nhà
máy, phân xưởng nhất định. Đề tài này sẽ thiết kế hệ thống đo lường và
điều khiển cho hệ thống xử lí nước thải sau:

BỂ LẮNG
SP

BÙN KHÔ
NƯỚC THẢI
TỪ NHÀ MÁY
B
P1
P2
P3
THẢI RA
SÔNG, HỒ

Hình 1: Quy trình xử lí nước thải công nghiệp
TT
TÊN THIẾT BỊ
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
1
Bơm nước P1, P2, P3
Công suất 5.5 kw
2
Bơm bùn SP
Công suất 2.2 kw
3
Máy thổi khí B
Công suất 15 kw
4
Máy khuấy M1
Công suất 2.2 kw; 60rpm
5
Máy gạt bùn M2
Công suất 5.5 kw; 0.2rpm
6

Bơm hóa chất DP
Công suất 0.5 kw
7
Van điện tử V1, V2
Nguồn cấp 220V AC

Bảng 1: Danh sách thiết bị trong hệ thống xử lí nước thải nhà máy bia
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
8

Hệ thống xử lý nước thải gồm những công đoạn như sau:

Nước thải từ nhà máy được thu vào hố bơm. Từ hố bơm, bơm nước
qua song chắn rác.Mục đích là để khử tất cả tạp vật có thể gây sự cố trong
quá trình vận hành như: tắc máy bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Rác vào
thùng chứa bằng cách xối liên tục hoặc cào thủ công.
Sau khi đi qua song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng làm điều
hòa lưu lượng để duy trì dòng thải không đổi ở công đoạn sau, khắc phục
những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng
cao hiệu suất của quá trình ở cuối dây chuyền xử lí. Nhiệt độ nước đo thủ
công theo chu kỳ hoặc theo thời điểm cụ thể. Máy bơm sẽ bơm nước từ bể
cân bằng vào bể trung hòa và ổn định lưu lượng.
Nước thải chứa acid vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa về pH trong
khoảng 7±0.2 trước khi sử dụng cho công đoạn xử lí tiếp theo bằng cách
sử dụng tác nhân hóa học. Trong quá trình trung hòa sẽ có một lượng bùn
tạo thành. Lượng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước
thải cũng như loại và lượng các tác nhân sử dụng cho quá trình.
Các tác nhân hóa học thường sử dụng là NaOH và HCl. Khi pH vượt
ngưỡng dưới thì bơm định lượng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH vượt
ngưỡng trên thì DP bổ sung HCl vào cho máy khuấy M1 hoạt động. Máy

khuấy tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hòa và làm đồng đều hóa
chất bổ sung với nước thải. Điều khiển pH được thực hiện thủ công. Để
đảm bảo an toàn cho cho vi sinh vật, người vận hành thường xuyên phải
đo tay độ pH đầu nguồn nước vào bể kỵ khí để đảm bảo độ pH không vượt
ngưỡng cho phép. Khi phát hiện pH không đạt yêu cầu thì người vận hành
tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nước không đảm bảo chỉ tiêu cho công đoạn xử
lí sinh học tiếp theo vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với độ pH, pH ảnh
hưởng rất lớn đến quá trình tạo tạo men và hấp thụ chất dinh dưỡng trong
tế bào.
Sau khi trung hòa nước được xử lý tiếp bằng biện pháp sinh học để
làm sạch nước khỏi chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S,
chất sunfit, amoni, nitơ,… Phương pháp này sử dụng vi sinh vật để phân
hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm vì chúng sử dụng chất hữu cơ để lấy dinh
dưỡng sinh trưởng. Quá trình này gọi là quá trinh oxy hóa sinh hóa. Ở đây
dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếu khí.
Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá
trình xử lí bằng phương pháp sinh học hoặc nước thải công nghiệp chứa
hàm lượng các chất hữu cơ cao. Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để
ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân hủy các chất hữu cơ.
Tùy thuộc vào sản phẩm cuối cùng người ta phân loại quá trình này thành:
lên men rượu, 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
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
9

công nghệ các chất khí (biogas) sẽ được thu hồi và đốt nhờ hệ thống thu
hồi và xử lý.
Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật
hiếu khí. Bể hiếu khí luôn chứa các vi sinh vật hiếu khí. Trong công đoạn
có hê thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và ống dẫn khí làm nhiệm vụ

cung cấp đủ oxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải chất hữu
cơ. Kết qua hình thành các bông sinh học có thể lắng trọng lực ở đầu ra của
bể. Đối với đa số các sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là 6,5 – 8,5. Nhiệt
độ nước thải ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hoạt động của vi sinh vật. Đối
với đa số vi sinh vật nhiệt độ nước thải phải từ 6 – 37 độ C. Nói chung giá
trị DO luôn được đảm bảo trong khoảng cho phép nhờ công suất không đổi
của máy thổi khí theo thiết kế trừ trường hợp có sự cố.
Nước thải sau khi được xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng.
Ở đây dùng phương pháp lắng trọng lực. Trong nước chứa bùn hoạt tính là
do quá trình phân giải vi sinh vật ở bể hiếu khí chứa các vi sinh vật sống
và chất rắn. Một phần bùn đưa quay lại bể hiếu khí để đảm bảo lượng vi
sinh vật cần thiết. Bể lắng có thể tích thiết kế đủ lớn để nước được lưu
thông trong đó nhiều giờ đảm bảo quá trình lắng. Do đó máy gạt bùn, bơm
hút bùn và ép bùn hoạt động liên tục (luôn bật gạt bùn M2, bơm hút bùn
SP và máy ép bùn D). Các van tay V4, V5 được mở trước ở các chế độ mở
nhất định, các mức mở này do kỹ sư vận hành thực hiện nhằm cân bằng
giữa thức ăn và vi khuẩn hiếu khí.

Đánh giá công nghệ xử lí:
- Công nghệ có khả năng cho phép nước đầu ra đạt chuẩn
- Công nghệ chưa áp dụng tự động hóa, việc giám sát và điều khiển được
thực hiện thủ công dẫn đến độ tin cậy, độ ổn định, an toàn thấp.
- Hiệu quả kỹ thuật kinh tế chưa cao
Yêu cầu đặt ra:
Thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển tự động (SCADA) cho hệ thống
trên.

III. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG SCADA VÀO HỆ THỐNG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI.
1. Tổng quan về hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công nghiệp.

SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition
(Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không những là một hệ thống
điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết
quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và và công nghệ tự
động hóa. Các thiết bị tự động hóa ở đây đều có khả năng truyền thông và
tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp.
Để giám sát tất cả các hoạt động của hệ thống từ một trung tâm điều
khiển cần có một mạng truyền thông để truyền tất cả các thông tin thu thập
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
10

được trong suốt hệ thống. Sự giao tiếp trong mạng SCADA diễn ra trên
PROFIBUS với chuẩn RS485, và phương thức TCP/IP trên mạng cáp
quang. Để đảm bảo an toàn thông tin khi truyền dữ liệu thông tin liên lạc
được thực hiện qua mạng nội bộ LAN, không phải qua mạng internet công
cộng.
Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, dùng kèm
với một phần mềm ứng dụng thích hợp có thành phần cấu trúc cơ bản gồm:
Humen Machine Interface (HMI): kết nối người dùng với hệ thống
bằng cách sử dụng một giao diện cho phép người điều khiển hệ thống tương
tác với dữ liệu từ tất cả các thành phần của mạng truyền thông.
Central Monitoring Station (CMS): là đơn vị cơ bản của hệ thống
SCADA có nhiệm vụ thu thập thông tin từ các trạm từ xa và đưa ra các
hoạt động cần thiết cho bất kì sự kiện nào được phát hiện.
Remote Terminal Unit (RTU): thiết bị đầu cuối từ xa, thực hiện các
công việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực. Các RTU được đặt
ở nhiều vị trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển
linh hoạt hệ thống và thông báo định kì kết quả về máy tính chủ.
Programmable Logic Controller (PLC): được sử dụng để tự động
hóa quá trình xử lí nước thải, được thiết kế với nhiều đầu vào và nhiều đầu

ra.
Communication Infrastructure (CI): kết nối RTC và PLC với hệ
thống giám sát.
Field Instrumentation (FI): đề cập đến các thiết bị đã được kết nối
với thiết bị hoặc máy móc được điều khiển và giám sát bởi hệ thống
SCADA. Đây là bộ cảm biến để giám sát thông số và truyền động cho việc
điều khiển chính xác mô đun của hệ thống.
2. Các chức năng của SCADA trong xử lí nước thải công nghiệp
2.1. Điều chỉnh tự động
Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác động lên
quá trình công nghệ cần điều khiển theo một chếđộ làm việc đã định sẵn.
Mỗi quá trình công nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng
bởi một hay vài đại lượng. Một số đại lượng được duy trì không đổi, một
số đại lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó.
2.2. Giám sát điều khiển
Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải
tiếp xúc với môi trường độc hại, đi lại khó khăn và tốn thời gian. Mặt khác
nhiều trường hợp, ví dụ như sự cố hoặc mất điều khiển tự động, đòi hỏi
điều khiển tay phải kịp thời và đồng bộ, ví dụ như dừng nhanh nhiều máy
bơm đặt tại nhiều vị trí khác nhau, điều khiển cùng lúc nhiều quá trình có
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
11

liên quan hệ quả với nhau. Để làm được điều này hệ thống phải có chức
năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều khiển từ Trung tâm đặt cách
dây chuyền công nghệ một khoảng cách nhất định (hàng chục đến hàng
trăm mét).
Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng là một chức năng
không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống nói chung và xử lý nước thải
nói riêng. Giám sát, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ xa là nền tảng cho việc

xây dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution
System) nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội một cách toàn diện.
MES tạo ra một cầu nối thông suốt hai chiều giữa khối quản lý và sản xuất,
giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất từ khâu hoạch định kế hoạch đến khâu
sản xuất ra thành phẩm cuối cùng, cung cấp các chức năng lập kế hoạch;
quản lý nhân lực, thiết bị, nguyên vật liệu; theo dõi quá trình sản xuất, chất
lượng sản phẩm, sự cố máy móc,
2.3. Hiển thị thông số công nghệ
Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất
lượng nước, trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với
người vận hành. Việc hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các
cửa sổ, kiểu thể hiện. Màu sắc không quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu
không gây mỏi mắt khi nhìn lâu. Cảnh báo, báo động bằng đổi màu và nhấp
nháy liên tục để gây sự chú ý. Kiểu thể hiện đa dạng : kiểu số riêng biệt,
kiểu bảng thống kê, kiểu đồ thị trực tuyến (online trend).
2.4. Cấu hình hệ thống
Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ
thống SCADA, chủ yếu là các giá trị đặt (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm,
ngưỡng báo động. Các tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bịđiều
khiển sau đó lại được truyền ngược lại PC để so sánh, nếu thấy không trùng
nhau thì báo động, trái lại chứng tỏ rằng việc truyền và xử lý dữ liệu chính
xác, đường truyền và thiết bị điều khiển không có sự cố. Chức năng này nâng
cao độ an toàn (fail-safe) của hệ thống.
2.5. Bảo vệ tự động
Bảo vệ hệ thống máy móc, đường ống và các đối tượng khác khỏi các
sự cố được thực hiện bởi các thiết bị chuyên dụng để ngắt các bộ phận bị sự
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
12

cố. Ngoài ra các thiết bị còn thực hiện chức năng liên động tự động, cho phép

bảo vệ các thiết bị máy móc khỏi nguy hiểm do thao tác nhầm lẫn của người
vận hành. Ta phân biệt hai loại liên động: liên động sự cố và liên động cấm
chỉ. Liên động sự cố dùng để điều khiển bảo vệ (ví dụ: điều khiển dừng) một
nhóm máy móc thiết bị có liên quan khi sự cố xảy ra. Liên động cấm chỉ loại
trừ khả năng điều khiển sai, không đúng trình tự có khả năng gây sự cố.
2.6. Cảnh báo/Báo động
Chức năng được thực hiện bằng còi, đèn nhấp nháy trên bàn điều khiển
hoặc biểu tượng nhấp nháy trên PC, hiển thị thông báo dạng chữ trên PC. Hệ
thống đưa ra cảnh báo khi giá trị thông số vượt ngưỡng cảnh báo sớm hoặc
thông số vượt ngưỡng báo động trong giai đoạn quá độ của quá trình điều
khiển. Báo động được đưa ra khi thông số vượt ngưỡng báo động liên tục trong
khoảng thời gian nhất định (lớn hơn thời gian điều chỉnh ngầm định) hoặc báo
động sự cố đường truyền, sự cố thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành, báo
động sự cố cảm biến. Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo động ở chỗ: cảnh báo
tự mất đi khi thông số hết vượt ngưỡng, trái lại báo động sẽ tồn tại cho đến
khi người vận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định xoá bỏ trạng thái báo
động. Như vậy mức độ cần chú ý của người vận hành đối với báo động phải
cao hơn cảnh báo.
2.7. Lưu trữ, báo cáo thống kê
Lưu trữ và lập báo cáo thống kê dữ liệu về thông số chất lượng nước,
trạng thái hoạt động, sự cố, thời gian hoạt động của máy móc thiết bị, tổng
lượng nước đã xử lý, lượng hoá chất đã dùng, danh sách người đã vận hành,
bộ tham số công nghệ đã thay đổi và nhiều thông tin khác cần thiết cho các
chuyên gia công nghệ, kỹ thuật và các nhà quản lý trong việc điều chỉnh để
đạt chế độ làm việc tối ưu; phát hiện, dự báo sự cố; bảo trì thay thế kịp thời
máy móc thiết bị, điều hành sản xuất và tính toán hiệu quả kinh tế.
3. Thiết kế hệ thống SCADA cho quy trình xử lý nước thải công nghiệp.
3.1. Phân tích các quy trình có thể ứng dụng SCADA
Qua việc phân tích hệ thống xử lý nước thải ở phần II ta nhận thấy có
thể thiết kế lắp đặt hệ thống đo lường, điều khiển cho hệ thống xử lý nước

thải trên ở các quy trình như sau:
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
13

Sử dụng thiết bị đo T1 để đo nhiệt độ nước thải trước khi vào bể cân
bằng; T2 để đo nhiệt độ bể hiếu khí.
Sử dụng thiết bị đo pH1, pH2 để đo độ pH của chất thải trong bể trung
hòa và độ pH của chất thải trước khi vào bể kỵ khí.
Thiết bị đo DO đo nồng độ ô xi trong bể hiếu khí
Thiết bị đo lưu lượng FL1 đo lưu lượng nước thải từ máy bơm P3 vào
bể kỵ khí; FL2 để đo lưu lượng khí biogas từ bể kỵ khí vào hệ thống thu
hồi xử lí biogas.
Để khống chế mức nước trong bể cân bằng ta sử dụng 2 thiết bị LV1,
LV2; để khống chế mức dung dịch NaOH và HCl sử dụng 2 thiết bị LV3,
LV4.
Sử dụng 2 biến tần FI1, FI2 để điều khiển máy bơm nước P3 và máy
bơm khí B.
Sơ đồ hệ thống sau khi áp dụng SCADA

SP
BÙN KHÔ
NƯỚC THẢI
TỪ NHÀ MÁY
B
P1
P2
P3
T1
LV1
LV2

LV3
LV4
pH1
FI1
FL1 pH2
FL2 FI2
T2 D0
BỂ LẮNG
THẢI RA SÔNG HỒ
V1
V2

Hình 2: Áp dụng SCADA cho quy trình xử lý nước thải công nghiệp



Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
14


3.2. Tính toán thông số của thiết bị trong hệ thống

TT
Tên thiết bị
Thông số kỹ thuật chính
1
Bơm nước P1, P2, P3
Công suất 5.5 KW
2
Bơm bùn SP

Công suất 2.2 KW
3
Máy thổi khí B
Công suất 15 KW
4
Máy khuấy M1
Công suất 2.2 KW; 60 rpm
5
Máy ép bùn D
Công suất 15 KW
6
Máy gạt bùn M2
Công suất 5.5 KW; 0.2rpm
7
Bơm hoá chất DP
Công suất 0.5 KW
8
Van điện từ V1, V2
Nguồn cấp 220V AC
9
Thiết bịđo pH1, pH2, T, DO, FL1, FL2
Mức bảo vệ IP65-68
10
Khống chế mức LV1, LV2, LV3, LV4

11
Biến tần FI1 điều khiển P3
Công suất 5.5 KW
12
Biến tần FI2 điều khiển B

Công suất 15 KW

Bảng 2: Các thiết bị trong hệ thống xử lí nước thải khi áp dụng SCADA
3.3. Lưu đồ hoạt động của các quá trình đo lường và điều khiển trong xử lý
nước thải công nghiệp.
- Điều chỉnh pH trong bể trung hòa (hình 3)
Thiết bị bao gồm bơm P2, P3, máy khuấy DP. Ta chỉ dùng 1 bơm
định lượng để tiết kiệm chi phí. Khi pH<pH_low (ngưỡng điều khiển dưới
đóng van HCl, nếu còn NaOH thì mở van NaOH,tính lượng NaOH cần
thiết rồi điều khiển bơm lượng cần thiết. Bật bơm NaOH và máy khuấy.
Khi pH>pH_hi (ngưỡng điều khiển trên) đóng van NaOH, nếu còn HCl thì
mở van HCl, tính lượng bơm để điều khiển bơm đạt lượng cần, bật bơm
HCl và máy khuấy.


Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
15

Lưu đồ hoạt động:

Hết NaOH
Hết HCl
pH1<pH_lo
w
pH1>pH_H
i
Đóng van điện từ NaOH
Đóng van điện từ HCl
Mở van đt NaOH
Mở van đt HCl

Bơm NaOH (bơm DP)
Bật M1
Tính lượng NaOH cần bơm
Tắt bơm DP
Tắt M1
Đóng van đt NaOH
Đóng van đt HCl
Tính lượng HCl cần bơm
Bơm HCl (bơm DP)
Bật M1
start
end
Y
N
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
Hình 3: lưu đồ điều chỉnh pH trong bể trung hòa
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
16


Trong quá trình làm việc chú ý không được phép mở cả hai van
NaOH và HCl cùng lúc. Khi muốn bơm NaOH (hoặc HCl) bắt buộc phải
mở van NaOH (HCl) trước, trái lại nếu van đang đóng thì không cho phép

bơm. Đây gọi là điều kiện khóa liên động để tránh hỏng bơm. Khi vận hành
có thể chọn chế độ Manual để có thể quyết định bật bơm hóa chất. Thời
gian bơm tỷ lệ thuận với lượng hóa chất bơm vào. Hoặc có thế dùng núm
điều chỉnh lượng hóa chất bơm vào nhờ dùng biến tần.

- Điều khiển khóa lưu động đối với độ pH
Khi giá trị pH2 vượt ngưỡng, ở chế độ manual thì người vận hành
sẽ tự quyết định đưa ra lệnh điều khiển cho PLC để tắt các bơm P1, P2, P3.
Nếu ở chế độ auto thì PLC sẽ tự động tắt các bơm P1, P2, P3 nếu các khoá
liên động được khoá, bơm vẫn hoạt động bình thường. Có nhiều khóa liên
động cho phép tắt một bơm nào đó khi có sự cố, cũng sẽ có nút cho phép
bơm hoạt động trở lại sau khi xử lý sự cố.
Trong lưu đồ biến SC (sự cố) chỉ được chương trình trên PLC cho =
1 duy nhất 1 lần khi pH2 vượt ngưỡng và chương trình chỉ đưa biến này về
0 khi tín hiệu từ nút giải trừ sự cố đưa về PLC là =1. Còn nếu không thì
cho dù pH2 sau đó có không vượt ngưỡng nữa thì biến SC vẫn duy trì =1
và đèn báo động nhấp nháy để người vận hành biết được đã có sự cố nào
đó trong công đoạn Bể trung hoà, từ đó kiểm tra xem khâu điều khiển pH
có vấn đề gì không (ví dụ: hỏng bơm định lượng, hỏng van điện, tắc ống
dẫn hoá chất, hỏng cảm biến pH1), và sau khi xử lý xong thì bấm giải trừ
để xoá bỏ sự cố đi. Như vậy sau một khâu điều khiển nào đó mà kiểm tra
thấy thông số điều chỉnh vẫn không đạt yêu cầu thì phải ngừng bắt buộc
một số thiết bị để đảm bảo an toàn.




Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
17

9. Điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng
Lưu đồ điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng được hiển thị trên Hình 5.
Ở chếđộ Auto bơm P1 sẽ được điều khiển tự động tắt/bật theo mức nước trong
bể cân bằng. Ở chế độ Manual việc tắt/bật P1 hoàn toàn do người vận hành
quyết định.

Start
LV=LV_low
Bật bơm P1
LV=LVHi
end
Tắt bơm P1
Hình 5: Điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng

N
Y
Y
N
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
18

- Điều chỉnh DO trong bể hiếu khí
Lưu đồ điều chỉnh DO được hiển thị trên Hình 6 . Thiết bị đo DO sẽ
đưa giá trị phản hồi cho vòng điều khiển kín trong chương trình PLC. PLC
sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển (dòng hoặc áp) cho biến tần cho động cơ của
máy thổi khí để có DO như mong muốn. Sử dụng biến tần sẽ tiết kiệm điện
năng nhờ điều chỉnh DO vừa đủ yêu cầu, trái với trường hợp không có điều
chỉnh DO có thể quá lớn không cần thiết.
Nếu DO không đạt yêu cầu thì chứng tỏ khâu điều khiển có sự cố (ví

dụ: hỏng biến tần, tắc đường dẫn khí, hỏng động cơ) và cần báo động.















Hình 6: Lưu đồ điều chỉnh DO trong bể hiếu khí.
- Điều chỉnh lưu lượng vào bể kị khí.
Start
Chọn mode
Mode auto
DO_low<DO<DO_hi
Điều chỉnh lưu lượng
blower
Giữ lưu lượng
blower
Điều khiển
blower theo yêu
cầu người vận
hành

END
N
N
Y
Y
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
19

Để điều chỉnh lưu lượng (Hình 7) chỉ cần đặt trước giá trị đầu vào
(dòng hoặc áp) cho biến tần, trong biến tần tích hợp sẵn bộ điều khiển PID
để điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ bơm, nhờ đó ổn định lưu lượng theo
giá trị đặt (setpoint). Sử dụng biến tần sẽ tiết kiệm điện vì biến tần có sẵn
chức năng tự động điều chỉnh công suất động cơ theo phụ tải. Nếu lưu
lượng không đạt thì P1, P2 hoặc P3 có sự cố hoặc đường ống có sự cố và
cần báo động.

Hình 7: Lưu đồ điều chỉnh lưu lượng vào bể kỵ khí.



Start
Chọn mode
Mode auto
Điều khiển theo lưu
lượng đặt (biến tần)
Điều khiển lưu
lượng theo yêu
cầu người vận
hành
END
N
N
Y
Lấy giá trị lưu lượng đặt
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
20

N
- Điều khiển bơm bùn

Hình 8: Lưu đồ điều khiển bơm bùn








Y
Start
Bật máy gạt M2
Bật bơm bùn SP
Chạy máy ép bùn D
Chọn Mode
Điều khiển M2, SP và D
theo yêu cầu người
vận hành.
END
Mode
Auto
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
21

- Cảnh báo sự cố









Đèn CB T1 nhấp nháy
Đèn cảnh báo lưu lượng
nước nhấp nháy
Không cảnh báo lưu lượng nước
Không CB T1
Không CB DO
Đèn cảnh báo pH1 nhấp nháy
Không CB pH1
Đèn cảnh báo DO nhấp nháy
T1>T1_Hi or
T1<T1_low

pH>pH_Hi or
pH<pH_low
FL1>FL1_Hi or
FL1<FL1_LoW
DO>DO_Hi or
DO<DO_low

Start
N
N
Y
Y
N
N
Y
Y
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
22

















Hình 9: Lưu đồ cảnh báo sự cố
Lưu đồ cảnh báo sự cố được hiển thị trên Hình 9. Các cảnh báo gồm

hai loại: cảnh báo vượt ngưỡng (phát hiện bằng cách so sánh giá trị thiết bị
đo với ngưỡng đặt trước trong chương trình) và cảnh báo theo thiết bị
khống chế dạng tiếp điểm (ví dụ: van phao). Trong dây chuyền công nghệ
có các cảnh báo cho các thông số: T, pH, DO, lưu lượng, mức nước, hóa
chất
4. Lựa chọn thiết bị vè thiết kế mô hình SCADA
4.1. Các thành phần trong hệ thống SCADA
- Trung tâm điều khiển
T2>T2_Hi or
T2<T2_low
LV1=1 or
LV2=1

LV3=1 or
LV4=1
Đèn CB T2 nhấp nháy
Không CB T2
Đèn CB mức nước nhấp nháy
Không CB mức nước
Đèn CB hết hóa chất nhấp nháy
Không CB hết hóa chất
END
N
N
N
Y
Y
Y
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
23

Trung tâm điều khiển là đầu não của toàn bộ hệ thống. Tại đây toàn
bộ các thông tin đo lường từ các thiết bị đo, cơ cấu chấp hành, trạng thái
hệ thống được kiểm soát chặt chẽ, xử lý, tính toán và ra các lệnh điều khiển
kịp thời, trực tiếp tới từng đối tượng điều khiển.
Trạm điều khiển tự động được xây dựng trên cơ sở bộ khả trình
SIMATIC PLC S7-300 của hãng SIEMENS cho phép đáp ứng các yêu cầu
lựa chọn công nghệ đã nêu trên đồng thời giá thành phải chăng và có khả
năng mở rộng, nâng cấp thành hệ điều khiển dự phòng một cách dễ dàng.
- Trạm máy tính
Do yêu cầu làm việc liên tục 24/24 , 7/7 nên Trạm máy tính được
xây dựng trên cơ sở các PC công nghiệp có độ bền, tin cậy cao. Trạm máy
tính bao gồm 01 IPC SIMATIC WinCC Server, 01 máy IPC SIMATIC
WinCC Client, Switch Module và Router.
- Bàn điều khiển bằng tay
Bàn điều khiển giúp vận hành hệ thống trong chế độ bằng tay. Bàn
điều khiển được thiết kế gồm các nút ấn, đèn hiệu và còi báo động.
- Khối các thiết bị đo, cảm biến, transmitter
Các đầu đo là loại đặc chủng dùng trong xử lý nước thải với mức độ
bảo vệ cao (đa phần IP65, IP67 hoặc IP68)
- Cơ cấu chấp hành (động cơ, van điện)
Các động cơ, van điện từ đã có sẵn trong hệ thống.

Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
24

4.2. Mô hình hệ thống SCADA












Hình 10: Mô hình hệ thống SCADA
Việc điều khiển xử lý nước thải được tập trung vào một Trung tâm
điều khiển từ đây có thể theo dõi giám sát, điều khiển toàn bộ dây chuyền.
Trung tâm điều khiển có thể đặt ngay bên cạnh công trình cần điều khiển

hoặc ở vị trí cách xa công trình. Người vận hành tại Trung tâm phải làm
các nhiêm vụ sau:
- Theo dõi, kiểm tra các thông số về mặt chất lượng và số lượng của
quá trình công nghệ
- Theo dõi các tín hiệu về trạng thái, chế độ làm việc của thiết bị, về
cảnh báo, báo động
- Thông qua các chỉ số theo dõi để lựa chọn chế độ làm việc tối ưu
cho dây chuyền công nghệ.
Người vận hành điều khiển hệ thống thông qua IPC hoặc Bàn điều
khiển. Trạm điều khiển tự động PLC đặt trong phòng điều khiển cách hệ
MÁY TÍNH
PLC
BẢNG ĐIỀU
KHIỂN
CƠ CẤU
CHẤP
HÀNH
CẢM BIẾN
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
25

thống máy tính và bàn điều khiển một khoảng cách ngắn và không cần phải
theo dõi thường xuyên trong quá trình vận hành. Toàn bộ các số liệu quá
trình và trạng thái hệ thống cũng như các cảnh báo, báo động sẽ được thể
hiện trên máy tính và các đèn báo, trên bàn điều khiển.
Tín hiệu từ tất cả các nút điều khiển tay đều đi qua PLC, trừ nút dừng
khẩn cấp STOP. Trên bàn điều khiển có nút chuyển đổi giữa hai chế độ:
điều khiển tự động (Auto) và điều khiển tay (Manual). Chế độ điều khiển
do người vận hành bằng tay quyết định. Khi người vận hành chuyển khoá
sang Manual thì PLC sẽ không thực hiện các chức năng điều khiển tự động

của các khâu sau: pH, DO, Flow và người vận hành hoàn toàn chủ động
trong điều khiển tay. Cũng có thể thiết kế chi tiết hơn nữa bằng cách thêm
03 khoá phụ cho ba khâu điều khiển pH, DO, Flow, nếu đã chuyển sang
Manual nhưng khoá phụ nào vẫn mở thì vẫn bị sự chi phối của điều khiển
tự động (trong trường hợp này Manual chỉ là chế độ bán tự động). Khi chế
độ điều khiển là Manual tất cả các nút điều khiển ON/OFF trên giao diện
người máy (HMI) trên IPC đều bị vô hiệu hoá. Tuy nhiên PLC vẫn đưa dữ
liệu về IPC và thực hiện cảnh báo/báo động và cho phép đặt cấu hình. Khi
vận hành hệ thống trong chế độ bằng tay có thể lựa chọn một số hoặc tất
cả các công đoạn trong hệ thống sẽ điều khiển bằng tay (thông qua bàn điều
khiển bằng tay hoặc kích hoạt chuột trên máy tính) trong khi các công đoạn
còn lại vẫn chạy trong chếđộ tự động. Đối với các công đoạn vận hành
bằng tay, người vận hành sẽtự quyết định việc điều khiển các thiết bị trong
công đoạn đó trong khi PLC mặc dù không tham gia trực tiếp vào quá trình
điều khiển nhưng vẫn giám sát các hoạt này và do vậy vẫn đảm bảo các
chức năng hiển thị các giá trịđo, cảnh báo, báo động sự cố cho người vận
hành.
Trái lại, nếu người vận hành vặn khoá trên bàn điều khiển sang chế
độ Auto thì các nút điều khiển ON/OFF các động cơ, điều khiển lượng hoá
chất, lưu lượng nước trên bàn điều khiển tay đều bị vô hiệu hoá trừ nút
STOP và nút giải trừ sự cố. Khi chuyển chế độ thì đèn trên bàn điều khiển
và trên HMI đều đồng bộ thay đổi theo. Khi vận hành trong chế độ tự động,
hệ thống sẽ tự động cập nhật số liệu từ các đầu đo, nhận biết trạng thái làm
việc của các thiết bị, máy móc trong hệ thống và xử lý, tự động điều khiển
các thiết bị theo chu trình công nghệ định trước. Chu trình này có thể dễ
dàng thay đổi các tham số làm việc, có thể can thiệp, chuyển đổi sang chế