Tích hợp hệ scada cho nhà máy xử lý nước thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

TRẦN TRUNG TRỰC

TÍCH HỢP HỆ SCADA CHO NHÀ MÁY
XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 10- 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

TRẦN TRUNG TRỰC

TÍCH HỢP HỆ SCADA CHO NHÀ MÁY
XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU

TP. HCM 10- 2012


1

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI
TP.HCM

GVHD: TS. Trương Đình Châu

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

- - - - - - - - - - - - o0o - - - - - - - - - - - - - -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên
: TRẦN TRUNG TRỰC
Ngày sinh
: 12 – 12 – 1985
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ

Phái
: Nam
Nơi sinh: QUẢNG NGÃI
Mã số : 605260

TÊN ĐỀ TÀI:

TÍCH HỢP HỆ SCADA
CHO NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI
I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG ĐỀ TÀI:
• Nghiên cứu lý thuyết các mô hình công nghệ điều khiển và phương pháp xử
lý nước thải.
• Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống SCADA cho nhà máy xử
lý nước thải.
• Thiết kế sơ đồ công nghệ điều khiển P&ID (Process and Instrument
Diagram).
• Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hóa xử lý nước thải.
• Thi công và lập trình điều khiển hệ thống SCADA.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
IV. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRƯƠNG ĐÌNH CHÂU
V. HỌ VÀ TÊN GV PHẢN BIỆN 1:
VI. HỌ VÀ TÊN GV PHẢN BIỆN 2:
GV HƯỚNG DẪN

GV PHẢN BIỆN 1
(Ký tên)

GV PHẢN BIỆN 2
(Ký

(Ký tên)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trực

HVTH: Trần Trung

tên)


2

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TPHCM

GVHD: TS. Trương Đình Châu

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

- - - - - - - - - - - - o0o - - - - - - - - - - - - - -

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên người nhận xét:...............................................................................................
Chức danh:.......................Năm phong:................Học vị:................Năm bảo vệ:..........
Chuyên ngành:
...............................................................................................................................
Cơ quan công tác:
Tên học viên:
Tên đề tài luận văn:
.........................................................................................................................................

Ý KIẾN NHẬN XÉT

Về chất lượng luận văn:..................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Về chất lượng các bài báo cáo đã được công bố:...........................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Về trình độ của học viên (thể hiện qua kết quả của luận văn):......................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Ý KIẾN ĐỀ NGHỊ
(Ghi rõ đồng ý hay không đồng ý cho bảo vệ)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày
tháng năm 2012
Người nhận xét ký tên

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Trung Trực
Sinh ngày 12 tháng 12 năm 1985
Học viên lớp cao học khoá 2008 – 2011, Ngành Tự đ ộng hoá - Tr ường
Đại học Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh.
Hiện đang công tác tại Công ty Cổ phần Dịch vụ Dầu khí Quảng Ngãi PTSC.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung

3

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Xin cam đoan: Đề tài “Tích hợp hệ SCADA cho nhà máy x ử lý n ước th ải” do
thầy giáo TS. Trương Đình Châu hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. N ếu sai tôi hoàn
toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012
Tác giả luận văn

Trần Trung Trực

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


4

GVHD: TS. Trương Đình Châu

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự đ ộng viên, giúp đ ỡ và
hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Trương Đình Châu, luận văn với đ ề tài
“Tích hợp hệ SCADA cho nhà máy xử lý nước thải” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS. Trương Đình Châu đã tận tình chỉ dẫn, giúp đ ỡ tác
giả hoàn thành luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thu ộc bộ môn Tự đ ộng
hoá/Khoa Điện – Điện tử. Trường Đại học Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh
đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên c ứu th ực hi ện
luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, đ ộng viên,
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Mặc dù đã có
nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi m ột số thi ếu sót
nhất định. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các b ạn
đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Trần Trung Trực

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


5

GVHD: TS. Trương Đình Châu

MỤC LỤC
TÊN ĐỀ TÀI: .....................................................................................................................1
GV HƯỚNG DẪN GV PHẢN BIỆN 1 GV PHẢN BIỆN 2............................................1

(Ký tên) (Ký tên) (Ký tên)...............................................................................................1
1.1- Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài.....................................................................14
1.2- Mục tiêu của luận văn...............................................................................................15
1.3- Nhiệm vụ của luận văn..............................................................................................15
2.1- Giới thiệu tổng quan hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý nước thải..................16
2.2- Cấu trúc hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý nước thải......................................18
2.2.1- Giao diện vận hành SCADA.............................................................................19
2.2.2- Bộ điều khiển.....................................................................................................19
2.2.3- Lớp giao tiếp mạng............................................................................................20
2.2.4- Các thiết bị đo lường và các thành phần điều khiển cuối .................................20
2.3- Chức năng của hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý nước thải............................21
2.3.1- Điều chỉnh tự động ............................................................................................21
2.3.2- Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa ...............................................21
2.3.4- Hiển thị thông số công nghệ ............................................................................21
2.3.5- Cấu hình hệ thống .............................................................................................22
2.3.6- Bảo vệ tự động ..................................................................................................22
2.3.7- Cảnh báo/Báo động ...........................................................................................23
2.3.8- Lưu trữ, báo cáo thống kê ................................................................................23
3.1- Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải.........................................24
3.1.1- Các phương pháp xử lý nước thải......................................................................25
3.1.2- Hoạt động của nhóm vật lý................................................................................25
3.1.2.1- Sàng lọc.......................................................................................................25
3.1.2.2- Nghiền ........................................................................................................27
3.1.2.3- Cân bằng lưu lượng.....................................................................................27
3.1.2.4- Lắng cặn......................................................................................................30
3.1.2.5- Tách chất rắn khác loại...............................................................................32
3.1.2.6- Công cụ lọc hạt...........................................................................................33
3.1.3- Nhóm quá trình hóa chất....................................................................................34
3.1.3.1- Hóa chất kết tủa...........................................................................................34
3.1.3.2- Quá trình hấp thụ với cacbon hoạt tính.......................................................37

3.1.3.3- Khử trùng ...................................................................................................38
3.1.3.4- Khử Clo.......................................................................................................41
3.1.4- Nhóm quá trình sinh học....................................................................................41
3.1.4.1- Quá trình hoạt hóa bùn................................................................................42
3.1.4.2- Vũng đã sục khí...........................................................................................44
3.1.4.3- Bộ lọc nhỏ giọt ...........................................................................................44
3.1.4.4- Tiếp xúc sinh học luân phiên......................................................................46
3.1.4.6- Thủy phân hoàn toàn hỗn hợp kỵ khí .........................................................49
3.1.5- Ứng dụng của các phương pháp xử lý...............................................................51
3.1.5.1- Xử lý sơ bộ..................................................................................................52
3.1.5.2- Xử lý sơ cấp................................................................................................52
3.1.5.3- Xử lý thứ cấp...............................................................................................52
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


6

GVHD: TS. Trương Đình Châu

3.1.5.4- Xử lý cấp cao..............................................................................................53
3.2- Nghiên cứu áp dụng công nghệ tự động hóa xử lý nước thải...................................53
3.2.1- Thiết bị đo lường................................................................................................56
3.2.2- Thiết bị truyền tín hiệu.......................................................................................56
3.2.3- Màn hình hiển thị dữ liệu...................................................................................58
3.2.4- Hệ thống điều khiển...........................................................................................58
3.2.5- Hệ thống thu thập dữ liệu...................................................................................60
3.2.6- Ứng dụng hệ thống tự động hóa trong nhà máy xử lý nước thải.......................61

3.3- Khả năng áp dụng tự động hoá vào xử lý nước thải.................................................61
3.4- Mục đích áp dụng tự động hoá xử lý nước thải........................................................62
3.5- Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá....................................................64
4.1- Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tự động hoá...............................67
4.1.1- Yêu cầu lựa chọn công nghệ .............................................................................67
4.1.2- Các thành phần hệ thống tự động hoá và lựa chọn công nghệ ..........................67
4.1.3- Thiết kế mô hình hệ thống tự động hóa.............................................................69
4.2- Thiết kế sơ đồ công nghệ P&ID (Process and Instrument Diagram) .......................74
I. Hoạt động của hệ thống xử lý nước thải công nghiệp được mô tả như sau: ..............75
II. Nước thải từ nhà máy được thu gom vào hố bơm. Từ hố bơm P1 bơm nước qua song
chắn rác. Đây là bước xử lý sơ bộ. Mục đích của quá trình là khử tất cả các tạp vật có
thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc máy
bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước 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 nước liên
tục hoặc cào thủ công. .....................................................................................................75
III. Sau song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng. Bể này có tác dụng điều hòa lưu
lượng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi cho các 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 các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Nhiệt độ nước đầu vào T1 được đo và giám
sát liên tục bởi hệ thống điều khiển SCADA. Máy bơm P2 sẽ bơm nước từ bể cân bằng
vào bể trung hoà và ổn định lưu lượng.............................................................................75
IV. Nước thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cần được trung hoà đưa pH về
khoảng 7±0.2 trước khi sử dụng cho công đoạn xử lý tiếp theo. Trung hoà nước thải
thực hiện bằng cách bổ sung các tác nhân hoá học. Trong quá trình trung hoà, một lượng
bùn cặn được 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. ...................................75
V. Để trung hoà nước thải trong công nghệ này người ta sử dụng tác nhân hoá học 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 và cho máy khuấy M1 hoạt động. Máy
khuấy tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hoà và làm đồng đều hoá chất bổ sung

với nước thải. Điều khiển pH được thực tự động bằng cảm biến pH1 và bơm định lượng
DP. Để bảo đảm an toàn cho vi sinh vật độ pH2 ở đầu nguồn nước vào bể kỵ khí phải
được đo và giám sát liên tục để đảm bảo chắc chắn rằng pH2 không vượt ngưỡng cho
phép. Khi phát hiện pH1 không đạt yêu cầu thì người vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt
nguồn nước 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 hưởng rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào
và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào. Nếu vi sinh vật chết sẽ cần nhiều
thời gian và kinh phí để khôi phục lại chúng đồng thời làm gián đoạn sản xuất.............76

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


7

GVHD: TS. Trương Đình Châu

VI. Sau khi trung hoà nước được xử lý tiếp bằng các phương pháp sinh học. Người ta sử
dụng các phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi nhiều chất hữu cơ hoà tan và
một số chất vô cơ như H2S, các chất sunfit, amoniac, nitơ… Phương 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 nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm
nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất
dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được
tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá
sinh hoá. Trong công nghệ sử dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếu khí tại các bể kỵ
khí và hiếu khí Hình 4.2...................................................................................................76
VII. Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình

xử lý bằng phương pháp sinh học hoặc nước thải công nghiệp chứa hàm lượng
các chất hữu cơ cao (BOD = 4÷5 g/l). Đây là phương 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, 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 công nghệ này các chất khí (biogas) sẽ được thu hồi
và đốt nhờ hệ thống thu hồi và xử lý khí. ........................................................................77
VIII. Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Bể
hiếu khí luôn chứa các vi khuẩn hiếu khí. Trong công đoạn có hệ thống sục khí bao gồm
máy thổi khí CF và các ống dẫn khí làm nhiệm vụ cung cấp đủ lượng ôxi 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 bông 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 ưu là 6.5÷8.5. Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng
hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nước thải phải từ 6÷370C.
Nói chung giá trị DO luôn được bảo đảm trong khoảng cho phép nhờ công suất không
đổi của máy thổi khí theo thiết kế trừ trường hợp có sự cố (hỏng máy thổi, tắc ống dẫn
khí,...), được đo và giám sát liên tục. Nhiệt độ nước trong bể T2 được đo lường và giám
sát liên tục bởi hệ thống điều khiển SCADA. ................................................................77
IX. Nước thải sau khi được xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng. Tại đây sử
dụng phương pháp lắng trọng lực. Trong nước thải vào các bể này chứa bùn hoạt tính là
sản phẩm của quá trình phân giải của vi sinh tại bể hiếu khí. Bùn hoạt tính có dạng bông
màu vàng nâu, dễ lắng, kích thước từ 3 đến 5µm. Những bông 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 được đưa quay trở lại bể
hiếu khí để bảo đảm đủ lượng vi sinh cần thiết. Bể lắng có thể tích thiết kế đủ lớn để
nước được lưu trong đó vài giờ, đủ thời gian cho quá 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 Decanter).
Các van tay V4, V5 được mở trước ở các độ mở nhất định, các mức mở này do kỹ sư
vận hành thực hiện nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa thức ăn và vi khuẩn hiếu khí.

..........................................................................................................................................78
X. 4.3- Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải............................79
4.3.1- Điều chỉnh tự động ...........................................................................................79
4.3.2- Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa ...............................................79
4.3.3- Hiển thị thông số công nghệ ............................................................................80
4.3.4- Cấu hình hệ thống .............................................................................................81

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


8

GVHD: TS. Trương Đình Châu

4.3.5- Bảo vệ tự động ..................................................................................................81
4.3.6- Cảnh báo/Báo động ...........................................................................................81
4.3.7- Lưu trữ, báo cáo thống kê ................................................................................82
4.3.8- Điều khiển dự phòng .........................................................................................82
4.3.9- Hỗ trợ quyết định hoặc hệ chuyên gia ..............................................................83
4.3.10- Sơ đồ chức năng của hệ thống tự động hóa xử lý nước thải............................84
4.3- Giới thiệu các thiết bị chính trong hệ thống tự động hoá.........................................86
4.4.1- Thiết bị trong trạm điều khiển và giám sát........................................................86
4.4.2- Thiết bị đo lường cấp trường.............................................................................86
5.1- Đặt cấu hình và kết nối thiết bị trong hệ thống.........................................................87
5.1.1- Cấu hình tổng quan của hệ thống.......................................................................87
5.1.2- Hoạt động của hệ thống.....................................................................................87
5.2- Lưu đồ hoạt động của hệ thống tự động hoá xử lý nước thải...................................88

5.2.1- Điều chỉnh pH1 trong Bể trung hoà ..................................................................88
5.2.2- Điều khiển khoá liên động đối với pH .............................................................89
5.2.3- Điều chỉnh DO trong Bể hiếu khí .....................................................................94
5.2.4- Điều chỉnh lưu lượng vào Bể kỵ khí .................................................................96
5.2.5- Điều khiển bơm P1 vào Bể cân bằng ................................................................98
5.2.6- Cảnh báo sự cố ................................................................................................100
5.2.7- Báo động sự cố ................................................................................................100
5.2.8- Điều khiển bơm bùn ........................................................................................107
5.3- Xây dựng chương trình điều khiển cho S7-300 trên nền Simatic Manager............108
5.4- Cấu hình S7A OPC I/O Driver...............................................................................109
5.5- Xây dựng giao diện HMI/SCADA trên nền Proficy iFIX .....................................112
5.5.1- Màn hình chính................................................................................................114
5.5.2- Hiển thị thông số công nghệ............................................................................115
5.5.3- Cảnh báo/báo động...........................................................................................118
5.5.4- Lưu trữ/báo cáo................................................................................................119
5.6- Xây dựng mô hình mô phỏng và thu thập dữ liệu trên Matlab...............................120
5.6.1- Mô hình mô phỏng và thu thập dữ liệu của thiết bị chấp hành........................120
5.6.2- Mô hình mô phỏng và thu thập dữ liệu của thiết bị đo lường..........................122
6.1- Phân tích hiệu quả áp dụng tự động hóa vào xử lý nước thải.................................125
6.1.1- Tính ưu việt của tự động hoá về mặt kinh tế - kỹ thuật...................................125
6.1.2- Kết quả đạt được về các chỉ số và hiệu quả kinh tế của tự động hoá...............126
6.2- Kết quả đạt được của đề tài....................................................................................128
6.3- Hạn chế của đề tài...................................................................................................128
6.4- Hướng mở rộng và phát triển của đề tài..................................................................129

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung

9

GVHD: TS. Trương Đình Châu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
HMI: Human Machine Interface
SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition
P&ID: Process and Instrument Diagram
PLC: Programable Logic Controller
OPC: OLE for Process Control
LAN: Local Area Network
WAN: Wide Area Network
PC: Personal Computer
CPU: Central Processing Unit
DAQ: Data Acquisition Device
MPI: Multi Point Interface
SCU: System Configuration Unit

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


10

GVHD: TS. Trương Đình Châu

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1- Các kiểu sàng.........................................................................................21
.................................................................................................................................
Bảng 3.2- Quá trình cơ bản cân bằng dòng chảy....................................................23
Bảng 3.3- Các phương pháp tách chất rắn..............................................................25
Bảng 3.4- Hiệu suất loại bỏ kết tủa thường và kết tủa hóa chất........................27
Bảng 3.5- Đặc điểm chung của nhóm khử trùng...................................................31
Bảng 3.6- Lợi ích của hệ thống tự động hóa xử lý nước thải..............................44

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


11

GVHD: TS. Trương Đình Châu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1- Cấu trúc tổng quan của hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý thải .......13
Hình 3.1- Các phương pháp xử lý nước thải...........................................................20
Hình 3.2- Bể lắng cặn với dòng chảy ngang.......................................................24
Hình 3.3- Sơ đồ quá trình nổi điển hình.................................................................26
Hình 3.4- Hệ thống xử lý hóa học........................................................................28
Hình 3.5- Cacbon hoạt tính tiếp xúc dạng hạt điển hình.......................................30
Hình 3.6- Lưu đồ điển hình cho quá trình hoạt hóa bùn............................................34
Hình 3.7- Lưu đồ điển hình cho vũng sục khí......................................................35
Hình 3.8- Mặt cắt tổng quan của bộ lọc nhỏ giọt..............................................36
Hình 3.9- Lưu đồ điển hình cho bộ lọc nhỏ giọt..................................................36
Hình 3.10- Cấu hình hệ thống RBC....................................................................37

Hình 3.11- Lưu đồ điển hình cho khối RBC.........................................................38
Hình 3.12- Lưu đồ điển hình cho bể ổn định hóa...................................................39
Hình 3.13- Lưu đồ các cấp độ xử lý nước thải.......................................................41
Hình 3.14- Sơ đồ các thành phần điều khiển điển hình............................................45
Hình 3.15- Sơ đồ điều khiển bằng tay..................................................................47
Hình 3.16- Sơ đồ điều khiển bằng tay tại chỗ.....................................................47
Hình 3.17- Sơ đồ điều khiển bằng tay từ xa........................................................47
Hình 3.18- Sơ đồ điều khiển hồi tiếp tự động......................................................47
Hình 3.19- Sơ đồ điều khiển truyền thẳng tự động..............................................47
Hình 3.20- Sơ đồ điều khiển hồi tiếp/truyền thẳng tự động bằng máy tính ..........48
Hình 4.1- Mô hình hệ thống tự động hóa..............................................................56
Hình 4.2- Sơ đồ công nghệ của hệ thống tự động hóa xử lý nước thải ................60
Hình 4.3- Sơ đồ chức năng của hệ thống tự động hóa xử lý nước thải ................66
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


12

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Hình 5.1- Cấu hình tổng quan của hệ thống.......................................................68
Hình 5.2- Lưu đồ điều chỉnh pH1 trong Bể trung hoà............................................71
Hình 5.3- Lưu đồ điều khiển khoá liên động đối với pH1.........................................72
Hình 5.4- Lưu đồ điều chỉnh DO trong Bể hiếu khí.............................................73
Hình 5.5- Lưu đồ điều chỉnh lưu lượng vào Bể kỵ khí..........................................74
Hình 5.6- Lưu đồ điều khiển bơm P1...................................................................75
Hình 5.7- Lưu đồ cảnh báo sự cố-1.......................................................................77

Hình 5.8- Lưu đồ cảnh báo sự cố -2......................................................................78
Hình 5.9- Báo động sự cố......................................................................................79
Hình 5.10- Lưu đồ điều khiển bơm bùn.................................................................80
Hình 5.11- Cấu hình phần cứng của trạm điều khiển.........................................81
Hình 5.12- Cấu trúc chương trình điều khiển........................................................81
Hình 5.13- Cấu hình kênh giao tiếp......................................................................82
Hình 5.14- Cấu hình trạm điều khiển PLC..........................................................83
Hình 5.15- Cấu hình các khối dữ liệu...................................................................83
Hình 5.16- Màn hình chính của hệ thống HMI/SCADA.......................................85
Hình 5.17- Hiển thị thông số pH1 dưới dạng bảng............................................86
Hình 5.18- Hiển thị thông số pH1 dưới dạng đồ thị............................................86
Hình 5.19- Hiển thị thông số DO dưới dạng bảng..............................................87
Hình 5.20- Hiển thị thông số DO dưới dạng đồ thị.............................................87
Hình 5.21- Trạng thái vận hành của thiết bị..........................................................88
Hình 5.22- Hiển thị trạng thái cảnh báo/báo động....................................................88
Hình 5.23- Lưu trữ và báo cáo bằng đồ thị...............................................................89
Hình 5.24- Lưu trữ và báo cáo dưới dạng bảng.......................................................89
Hình 5.25- Mô hình nhận lệnh điều khiển của thiết bị chấp hành.......................90
Hình 5.26- Mô hình trạng thái hoạt động của thiết bị chấp hành...........................91
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


13

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Hình 5.27- Mô hình nhận giá trị điều khiển của thiết bị đo lường pH1.................91

Hình 5.28- Mô hình nhận giá trị điều khiển của thiết bị đo lường DO..................92
Hình 5.29- Mô hình truyền tín hiệu đo lường hiện trường lên HMI/SCADA.......92

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


14

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Chương 1- GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1-

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Nước ta là một nước đang phát triển và ngày càng có nhiều các đối tác, các công ty

nước ngoài đang đến nước ta để tìm cơ hội hợp tác đầu tư. Cùng v ới nó là s ự ra đ ời
ngày càng nhiều khu công nghiệp, khu chế xuất nhằm đáp ứng nhu cầu sản xu ất
kinh doanh của các doanh nghiệp. Tuy nhiên, ở các khu chế xuất, các khu công
nghiệp tình hình ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng ảnh hưởng
đến mọi mặt của đời sống xã hội.
Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển cao như Nhật, M ỹ, Anh,
Pháp,... Việc áp dụng SCADA vào các hệ thống xử lý nước thải công nghi ệp đã đ ạt
được các thành tựu to lớn như: Chất lượng nguồn nước sau khi xử lý đ ạt ti ểu
chuẩn cao, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, nâng cao hiệu quả sử dụng năng
lượng và hóa chất, tự động kiểm soát và điều chỉnh các tham số quá trình gi ảm thi ểu
sai số do con người gây ra, giảm thiểu được các rủi ro và tăng hi ệu quả sử d ụng

lao động, giảm chi phí bảo hành và bảo trì.
Với thực trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng ở nước
ta hiện nay và tính hiệu quả về kinh tế, xã hội to lớn ở các nước trên thế gi ới sau
khi áp dụng SCADA trong xử lý nước thải. Do đó tính cấp thi ết cần phải xây d ựng
hệ thống SCADA cho nhà máy xử lý nước thải để nâng cao hiệu quả xử lý nước
thải ở các nhà máy, góp phần bảo vệ môi trường trong sạch hơn và giải quy ết tình
trạng ô nhiễm môi trường ở nước ta hiện nay.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


15

1.2-

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Mục tiêu của luận văn
Xây dựng hệ thống SCADA cho nhà máy xử lý nước thải để điều khiển và giám

sát các thông số chỉ tiêu chất lượng và hoạt động của quá trình xử lý nước th ải nh ằm
nâng cao hiệu quả hoạt động của nhà máy xử lý nước thải, nâng cao chất lượng của
nguồn nước sau khi xử lý trước khi thải ra môi trường bên ngoài.
1.3-

Nhiệm vụ của luận văn
Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống SCADA cho nhà máy x ử

lý nước thải

-

Thiết kế sơ đồ công nghệ điều khiển P&ID (Process and Instrument
Diagram)

-

Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hóa xử lý nước thải

-

Lập trình chương trình điều khiển, điều chỉnh các thông số hoạt đ ộng của
hệ thống

-

Lập trình điều khiển giám sát, hiển thị các chức năng và giao diện ng ười máy
trên máy tính

-

Thực hiện các kết nối và hoàn chỉnh hệ thống

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung

16

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Chương 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1-

Giới thiệu tổng quan hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý nước thải
Quá trình xử lý nước thải liên tục bị ảnh hưởng bởi nhiễu và sự thay đổi liên

tục của các thông số quá trình không thể phát hiện và đi ều khi ển chính xác b ằng tay
trong thời gian cần thiết để duy trì chính xác các công đoạn của nhà máy. Các nhi ễu
quá trình điển hình bao gồm các ngõ vào quá trình và các đi ều kiện nh ư là s ự bi ến thiên
lưu lượng, hóa chất và thành phần sinh học, nhiệt độ. Hệ thống đo lường và điều
khiển giám sát cho phép giám sát liên tục sự thay đổi của quá trình, nhanh chóng truy ền
dữ liệu đến người vận hành hoặc người quản lý để thực hiện điều khiển, điều
chỉnh lên hệ thống.
Hệ thống SCADA thu thập và hiển thị các dữ liệu từ các cảm biến, chúng
cung cấp chính xác thông tin về kết quả đo và hoạt động của quá trình. Hệ th ống
SCADA cần cho việc điều khiển chính xác các quá trình như là các giải pháp hóa chất,
cung cấp khí, lịch trình điều khiển bơm… Hệ thống thu thập dữ li ệu đ ược đ ặt ở
phòng điều khiển trung tâm, hiển thị các thông tin xử lý, các sự ki ện và các báo đ ộng
quan trọng ở một vị trí tập trung. Các chấp hành tự động hoặc bằng tay c ủa các
thành phần điều khiển cuối cùng cũng được thực hiện ở phòng điều khiển trung tâm,
với kết quả này giúp cho nhân viên vận hành có thể vận hành một nhà máy xử lý n ước
thải qui mô lớn.
Ngày nay việc sử dụng các thiết bị đo lường và điều khiển tự động đang phát
triển nhanh chóng. Hiệu quả việc áp dụng hệ thống đo lường và điều khiển giám sát

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


17

GVHD: TS. Trương Đình Châu

SCADA trong quá trình xử lý nước thải như: Cải tiến quá trình, nâng cao hi ệu suất
sử dụng thiết bị và thuận tiện đối với các nhân viên vận hành.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


18

2.2-

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Cấu trúc hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý nước thải
Mỗi nhà máy xử lý nước thải trong công nghiệp có đặc thù riêng và tùy thuộc vào

yêu cầu chức năng của hệ thống, giải pháp điều khiển và chi phí đầu tư ban đ ầu mà
cấu hình, cấu trúc của hệ thống trong thực tế là khác nhau.

Cấu trúc tổng quan của hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý thải như hình 2.1.

Hình 2.1- Cấu trúc tổng quan của hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý thải

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


19

GVHD: TS. Trương Đình Châu

2.2.1- Giao diện vận hành SCADA
-

Cung cấp các hiển thị đồ họa tương tự cấu trúc của nhà máy để cho phép người
vận hành quan sát, giám sát nhà máy xử lý nước thải, các thiết bị đo lường và điều
khiển trong nhà máy.

-

Cung cấp đầy đủ dữ liệu đồ thị Trend để phân tích sự ổn định của các quá
trình, tìm hiểu nguyên nhân dao động bằng cách sử dụng đồ thị nhiều đường
vẽ và cửa sổ thời gian cuộn ngang.

-

Thu thập và cung cấp đáp ứng nhanh với các sai số thông qua hệ thống báo

động trung tâm.

-

Cung cấp công cụ kiểm tra các thông số đo có tính quyết định đến chất
lượng nước.

-

Tự động báo cáo theo lịch trình: Hàng ngày, hàng tuần và hàng tháng.

-

Tự động tính toán và báo cáo hiệu quả xử lý của quá trình xử lý và sử dụng hóa
chất.

-

Cung cấp báo động của nhà máy bao gồm báo động bằng biểu ngữ, cấu hình
của mức độ nghiêm trọng, lịch sử của báo động và khả năng loại bỏ báo động.

-

Cung cấp các điều khiển để khởi động/dừng bơm và lọc tuần tự… từ phòng
điều khiển trung tâm.

-

Cung cấp đầy đủ báo cáo bao gồm cấu hình của lịch biểu báo cáo và khả năng
xuất dữ liệu đến các bảng thống kê.

2.2.2- Bộ điều khiển
-

Kết nối đến các thiết bị đo lường như là áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức
nước, đo phân tích pH và các chuyển mạch.

-

Thông qua công nghệ tín hiệu số/tương tự hoặc công nghệ bus trường
đến các bộ truyền tín hiệu thông minh hoặc các thiết bị vào/ra từ xa.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


20

-

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Kết nối với các trung tâm điều khiển động cơ để điều khiển và giám sát tình
trạng bơm.

-

Thực hiện chức năng điều khiển tự động: Bơm, lọc tuần tự, điều khiển

định lượng hóa chất và điều khiển nồng độ pH.

-

Cung cấp dữ liệu quá trình đến hệ thống SCADA.

-

Chấp nhận cách lệnh điều khiển bằng tay từ hệ thống SCADA.

2.2.3- Lớp giao tiếp mạng
-

Hỗ trợ mạng phân tán của các PLC sử dụng công nghệ Enthernet TCP/IP
với giao thức mở như là OPC.

-

Hỗ trợ sử dụng mạng Profibus giữa PLC và các vào ra từ xa.

-

Hỗ trợ truy cập đến các hiện trường từ xa sử dụng kênh thuê bao và giao thức
ứng dụng không dây.

-

Hỗ trợ sử dụng các dịch vụ Web để cho phép giám sát và báo cáo từ/đến các trung
tâm kết hợp và người có thẩm quyền truy cập, sử dụng tại chỗ.

2.2.4- Các thiết bị đo lường và các thành phần điều khiển cuối
Các thiết bị đo lường là các cảm biến bao gồm cảm ứng, đo và tính toán các
biến quá trình. Các biến gồm: Vật lý (Lưu lượng, áp suất, nhiệt độ, mức…), hóa chất
(pH, độ dẫn điện, độ đục, oxi hòa tan và clo dư…) và sinh học (tốc độ tiêu thụ oxi, tốc
độ phát sinh bùn…). Các thiết bị cảm biến có thể đo một cách trực tiếp, gián tiếp hoặc
suy luận các biến quá trình. Hơn nữa các cảm biến có thể thực hiện đo online hoặc
off-line, liên tục hoặc không liên tục. Thông thường sử dụng các thiết bị đo quá trình
on-line.
Các thành phần điều khiển cuối cùng là các van điều khiển tuyến tính, van đi ều
khiển ON/OFF và biến tần điều khiển tốc độ động cơ.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


21

2.3-

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Chức năng của hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý nước thải

Hệ thống SCADA trong nhà máy xử lý nước thải cần có những chức năng cơ bản sau:
2.3.1- 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 chế độ 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. Đây là một trong những chức năng quan trọng nhất
quyết định đến mức độ tự động hoá.
2.3.2- Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa
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 k ịp
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 liên quan hệ quả với nhau. Để làm được
điều này hệ thống tự động hoá 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 đ ịnh
(hàng chục đến hàng trăm mét).
Chức năng giám sát điều khiển có khoảng cách (từ trung tâm điều khi ển) và từ
xa (qua mạng LAN hoặc Internet) các máy bơm, máy khuấy, máy g ạt bùn, ép bùn, thổi
khí, van điện từ và các thông số công nghệ.
2.3.4- 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.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


22

GVHD: TS. Trương Đình Châu

Việc hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các cửa sổ, kiểu thể hiện.
Màu sắc không quá lòe 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).
2.3.5- Cấu hình hệ thống
Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống tự
động hoá, chủ yếu là các giá trị chủ đạo (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng báo
động. Các tham số đặt sẽ được truyền từ hệ thống SCADA xuống thiết bị điều
khiển sau đó lại được truyền ngược lại hệ thống SCADA 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.
2.3.6- 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 cố. Ngoài ra
các thiết bị tự động 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.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung


23

GVHD: TS. Trương Đình Châu

2.3.7- Cảnh báo/Báo động
Chức năng được thực hiện bằng còi, đèn nhấp nháy trên bàn điều khiển hoặc
biểu tượng nhấp nháy trên hệ thống SCADA, hiển thị thông báo dạng chữ trên giao
diện vận hành.
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.
2.3.8- 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 hi ệu
quả kinh tế.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Trực

HVTH: Trần Trung