Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công nghiệp

Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu trong khóa luận là trung thực và có nguồn gốc rõ
ràng.
Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn

Hoàng Văn Lập


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đƣờng đến nay, em đã
nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô ở Viện Điện –
Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để
truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Bùi Đăng Thảnh ngƣời đã trực tiếp
hƣớng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Nhờ sự giúp đỡ và hƣớng dẫn
nhiệt tình của thầy em đã có đƣợc những kiến thức quý báu về cách thức nghiên cứu
vấn đề cũng nhƣ nội dung của đề tài, từ đó em có thể hoàn thành tốt khoá luận tốt
nghiệp của mình.
Học viên xin chân thành cám ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo đã hỗ trợ hoạt động
nghiên cứu này trong đề tài ―Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng
cho hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công nghiệp‖.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện

Hoàng Văn Lập


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG
TRONG HỆ SCADA XỬ LÝ NƢỚC THẢI………………………………………. 2
1.1 Khái quát chung…………………………………………………………………2
1.2 Các cấu trúc mạng ………………………………………………………………3
1.3 Các công nghệ không dây ứng dụng trong xử lý nƣớc thải …………………….6
1.3.1 Wi-Fi…………………………………………………………………………..6
1.3.2 WiMax ………………………………………………………………………..6
1.3.3 Radio công nghiệp ……………………………………………………………7
1.3.4 Radio modems ……………………………………………………………….7
1.4 Khái quát hệ SCADA xử lý nƣớc thải ………………………………………...8
1.4.1 Thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA …………………………8
1.4.2 Phân chia nhiệm vụ trên hệ thống SCADA …………………………………9
CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG CÁC KHU CÔNG
NGHIỆP …………………………………………………………………………...10
2.1 Các qui trình chung ……………………………………………………………11
2.1.1 Hồ ổn định nƣớc thải (WSP) ………………………………………………...11
2.1.2 Hệ thống lọc nhỏ giọt (TF) ………………………………………………….12
2.1.3 Hệ thống bùn hoạt tính (AS) ………………………………………………...15
2.1.4 Hệ thống mƣơng oxy hóa (OD) ……………………………………………..17

2.1.5 Hệ thống bể phản ứng theo mẻ kế tiếp (SBR) ………………………………19
2.1.6 So sánh công nghệ …………………………………………………………...22
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY RF CHO HỆ SCADA
XỬ LÝ NƢỚC THẢI …………………………………………………………..25


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

3.1. Mở đầu ………………………………………………………………………..25
3.2. Thiết kế hệ thống ……………………………………………………………...26
3.3 Truyền thông không dây: ……………………………………………………...28
3.3.1 Thiết kế phần cứng …………………………………………………………..31
3.3.1.1 Truyền thông nối tiếp không đồng bộ ……………………………………..34
3.3.1.2 Giới thiệu AVR Atmega16A: ……………………………………………..36
3.3.1.2.1 Mô tả UART trong vi điều khiển AVR Atmega16A ……………………36
3.3.1.3 Mô tả các chân LCD16x2………………………………………………….41
3.3.1.4 Mô tả các chân PL2303 ……………………………………………………44
3.3.2 Thiết kế phần mềm …………………………………………………………..46
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC ……………………………………………50
4.1. Phần cứng ……………………………………………………………………..50
4.2. Phần mềm ……………………………………………………………………52
KẾT LUẬN & HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI …………………………..56
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………57
PHỤ LỤC 1 Chƣơng trình phần mềm cho vi điều khiển ………………………….58
PHỤ LỤC 2 Một số thiết bị đo tiêu biểu trong hệ SCADA xử lý nƣớc thải công
nghiệp …………………………………………………………………………….104


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống

SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ viết tắt

Chú thích

SCADA

Supervisory Control And Data Acquisition
Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu

M2M

Máy tới máy

Master

Chủ hoặc trung tâm

Slave

Tớ hoặc từ xa

PLC

Programmable Logic Controller
Bộ điều khiển lập trình đƣợc

PC

Máy tính

Optic Fiber

Cáp quang

DSL

Digital Subcriber Line
Kênh thuê bao số

MEMS

Micro-Electro-Mechanical Systems
Vi hệ thống cơ điện tử

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers
Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

router

Thiết bị định tuyến

WLAN

Wireless Local Area Networks/Mạng cục bộ không dây

Wi-Fi

Không dây

PDA

Personal Digital Assistant
Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân

LAN

Local Area Network/ Mạng máy tính cục bộ

ADSL

Asymmetric Digital Subscriber Lin
Đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống lọc nhỏ giọt ...........................................14
Bảng 2.2. Ƣu và nhƣợc điểm của qui trình bùn hoạt tính. ........................................16
Bảng 2.3. Ƣu và nhƣợc điểm của công nghệ mƣơng oxy hóa ..................................18
Bảng 2.4. Ƣu và nhƣợc điểm của ý tƣởng công nghệ CASS - SBR .........................21
Bảng 2.5. So sánh công nghệ ....................................................................................22
Bảng 3.1. Chức năng các chân bộ thu phát không dây .............................................29
Bảng 3.2. Chọn kiểm tra parity .................................................................................40

Bảng 3.3. Độ dài dữ liệu truyền. ...............................................................................40
Bảng 3.4. Tính tốc độ baud .......................................................................................41
Bảng 3.5. Chức năng các chân của LCD ..................................................................42
Bảng 3.6. Chức năng các chân của PL2303 ..............................................................45


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Truyền thông không dây M2M. ..................................................................2
Hình 1.2. Mô hình hệ SCADA dùng sóng Radio cấu trúc mạng sao. .......................3
Hình 1.3. Cấu trúc mạng kiểu mắt lƣới. ......................................................................5
Hình 1.4. Bộ thu phát không dây của Phonic..............................................................8
Hình 1.5. Cấu trúc của một hệ SCADA đơn giản. ......................................................8
Hình 1.6. Sơ đồ thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA. ..........................9
Hình 1.7. Cấu trúc của một hệ SCADA hiện đại. .....................................................10
Hình 2.1. Công nghệ WSP tại Buôn Mê Thuột ........................................................12
Hình 2.2. Sơ đồ qui trình lọc nhỏ giọt và bể lọc nhỏ giọt .........................................13
Hình 2.3. Nhà máy xử lý theo công nghệ lọc nhỏ giọt tại thành phố Đà Lạt ...........14
Hình 2.4. Sơ đồ qui trình bùn hoạt tính. ....................................................................16
Hình 2.5. Bể sục khí (Aeroten) và bể lắng bậc hai trong qui trình bùn hoạt tính ....16
Hình 2.6. Qui trình mƣơng oxy hóa ..........................................................................18
Hình 2.7. Hình ảnh nhà máy xử lý mƣơng oxy hóa ..................................................18
Hình 2.8. Qui trình CASS-SBR ...............................................................................20
Hình 2.9. Chu kỳ qui trình CASS-SBR ....................................................................20
Hình 2.10. Hai bể phản ứng song song trong qui trình CASS-SBR .........................21
Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ thu thập hiện trƣờng...........................................................26
Hình 3.2. Sơ đồ khối bộ thu thập trung tâm ..............................................................26
Hình 3.3. Sơ đồ khối bộ truyền thông không dây .....................................................28

Hình 3.4. Các chân bộ thu phát không dây nRF24L01 .............................................28
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý bộ thu phát nRF24L01 ...................................................30
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập tín hiệu hiện trƣờng có thu phát không dây ......32

Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý phần thu thập tại trung tâm có tích hợp truyền thông
không dây ..................................................................................................................33
Hình 3.8 Truyền 8 bit theo phƣơng pháp song song và nối tiếp. ..............................35
Hình 3.9. Sơ đồ chân của LCD .................................................................................42
Hình 3.10. Ký hiệu các chân PL2303 .......................................................................45


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Hình 3.11. Lƣu đồ thuật toán lập trình bộ thu thập không dây hiện trƣờng .............48
Hình 3.12. Lƣu đồ thuật toán lập trình bộ thu thập không dây trung tâm ................49
Hình 4.1. Phần cứng mạch thu thập hiện trƣờng không dây.....................................50
Hình4.2. Phần cứng mạch thu thập trung tâm không dây .........................................51
Hình 4.3. Phần cứng bộ thu phát truyền nhận thông số PH và COD ........................51
Hình 4.4. Phần cứng bộ thu phát truyền nhận thông số DO và nhiệt độ ..................52
Hình 4.5. Đồ thị nhiệt độ thông qua mạch thu phát không dây ................................54
Hình 4.6. Đồ thị PH thông qua mạch thu phát không dây ........................................54
Hình 4.7. Đồ thị COD thông qua mạch thu phát không dây .....................................55
Hình 4.8. Đồ thị DO thông qua mạch thu phát không dây .......................................55


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nƣớc thải công nghiệp
đang là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môi trƣờng sống đồng
thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên thế giới.
Có thể nói trình độ tự động hoá 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 máy tính, 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 đƣợc
rút ngắn, cho phép ngƣời vận hành có thể điều khiển từ cách xa.
Sau khi xử lý nƣớc thải, việc đánh giá chất lƣợng nƣớc thải đầu ra là một công
đoạn vô cùng quan trọng đòi hỏi tính kiểm tra các thông số chất lƣợng đầu ra liên
tục. Do công nghệ tự động hóa phát triển ngày càng hiện đại, trên thị trƣờng đã có
máy quan trắc tự động, đánh giá chất lƣợng nƣớc thải tự động, việc cập nhật dữ liệu
về trung tâm điều khiển để ngƣời vận hành thuận tiện cho việc giám sát, điều khiển
hệ thống xử lý nƣớc thải nhà máy. Các hệ thống SCADA trong xử lý nƣớc thải công
nghiệp hiện nay đang dùng truyền thông hữu tuyến. Môi trƣờng truyền dẫn truyền
thống này có nhiều ƣu điểm nhƣng cũng tồn tại không ít các nhƣợc điểm nhƣ: Tốn
nhiều chi phí về dây dẫn, nhân công lắp đặt, nhân công bảo dƣỡng đặc biệt khi thay
đổi vị trí của thiết bị, …Truyền thông không dây có thể khắc phục đƣợc các nhƣợc
điểm nêu trên, do đó học viên đã chọn đề tài nghiên cứu này cho luận văn cao học
của mình.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm một hệ thu
thập số liệu có tích hợp truyền thông không dây RF. Một bộ thu thập hiện trƣờng và
bộ thu thập trung tâm đƣợc thực hiện dựa trên Vi điều khiển cho phép dễ dàng thay
đổi các thuật toán theo yêu cầu công nghệ.

1

Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ỨNG
DỤNG TRONG HỆ SCADA XỬ LÝ NƢỚC THẢI
1.1 Khái quát chung
Mục đích của chƣơng này là giới thiệu một số công nghệ không dây hiện có
trên thị trƣờng và thảo luận về tính khả dụng của chúng trong việc điều khiển và
giám sát các cơ sở và tài sản ở xa, các ứng dụng thu thập dữ liệu và máy-tới-máy
(M2M).

Hình 1.1. Truyền thông không dây M2M.
Mạng không dây đang hiện diện ở mọi nơi. Nó động chạm tới mọi mặt của
cuộc sống, từ điện thoại, mạng không dây tại nhà và doanh nghiệp tới mạng Internet
tốc độ cao. Ngƣời sử dụng nhanh chóng thích nghi với công nghệ không dây vì sự
tiện lợi, đơn giản, hiệu quả và linh động.
Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, ngƣời sử dụng cũng nhận ra đƣợc lợi
ích của mạng không dây vì nó loại bỏ việc đi dây trong tại những nhà máy có nhiều
điểm khó đi tới, chất lƣợng và mức độ sẵn sàng của dữ liệu đƣợc nâng cao.

2


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

1.2 Các cấu trúc mạng
Cấu trúc mạng không dây quyết định khả năng logic của mạng và cách nó
đƣợc sử dụng trong ứng dụng. Ngƣời sử dụng phải quyết định đƣợc cấu trúc mạng
và thiết kế mạng trƣớc khi chọn sản phẩm cần thiết để xây dựng mạng đó.

+ Cấu trúc mạng điểm-đa điểm
Còn đƣợc gọi là cấu trục mạng ―Sao‖, đây là kiểu mạng thông dụng nhất đƣợc
sử dụng trong các hệ SCADA, các ứng dụng từ xa và tự động hóa công nghiệp.
Kiểu mạng gồm một điểm truy cập trung tâm (hay còn gọi là trạm Master) và các
thiết bị không dây từ xa (Slave) kết nối tới các nguồn dữ liệu nhƣ PLC, cảm biến,
PC. Mỗi thiết bị không dây từ xa liên lạc với điểm truy cập trung tâm (Master).
Thƣờng thì Master đƣợc kết nối với server xử lý dữ liệu chính bằng mạng nối dây.
Master điều khiển tín hiệu truyền của các thiết bị không dây từ xa.

Hình 1.2. Mô hình hệ SCADA dùng sóng Radio cấu trúc mạng sao.
Kiểu cấu trúc mạng này phù hợp cho việc giám sát những khu vực cố định, và
di động trong một khu vực định sẵn.

3


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Lợi ích của cấu trúc mạng ―Sao‖:
- Cấu hình và triển khai đơn giản
- Dễ mở rộng
- Thông dụng với nhiều ngƣời
- Phù hợp cho kiến trúc điều khiển & lệnh
- Nhiều nhà cung cấp hỗ trợ tín hiệu radio
Bất lợi:
- Dựa trên một điểm mạng (điểm truy cập trung tâm — Master)
- Cần khả năng truyền đủ mạnh để bao phủ toàn bộ các điểm trong mạng.
+ Cấu trúc mạng hình cây
Kiểu mạng này gồm đa điểm truy cập liên lạc với thiết bị từ xa và báo cáo về

Master. Cấu trúc mạng hình cây phù hợp trong các ứng dụng trong đó thiết bị từ xa
và Master không kết nối trực tiếp với nhau mà phải thông qua thiết bị khác đƣợc gọi
là bộ lặp. Cấu trúc mạng này cho phép ngƣời sử dụng triển khai mạng trên vùng địa
lý rộng hơn. Điểm truy cập cấp 2 của mạng cũng có thể kết nối tới Master bằng các
mạng không dây hoặc nối dây băng thông rộng nhƣ Optic Fiber, DSL.
Lợi thế:


Cung cấp khả năng triển khai mạng trên vùng địa lý rộng hơn



Có thể tách mạng theo vùng để truy cập tốt hơn



Tiêu hao ít năng lƣợng để truyền dữ liệu, đặc biệt nếu lớp điểm truy cập 2

đƣợc triển khai gần với khu vực ứng dụng xa.


Kiểu mạng này mang rất khỏe nhờ kiến trúc phi tập trung

Bất lợi:


Có nhiều điểm nên mạng có độ phức tạp cao, khó cấu hình và triển khai

+ Cấu trúc mạng mắt lƣới
Trong những năm gần đây, các tiến bộ trong công nghệ MEMS, các thiết kế

mạch điện tiêu thụ điện năng thấp và sự ra đời của nhiều chuẩn liên lạc không dây
mới nhƣ IEEE 802.11 là tiền đề phát triển các mạng không dây tiêu thụ điện năng
thấp, giá thành rẻ. Các mạng này có cấu trúc kiểu mắt lƣới. Mỗi nút mạng có thể gửi

4


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

và nhận thông điệp, và còn đóng vai trò nhƣ một router gửi thông tin cho các nút
xung quanh. Liên lạc dữ liệu giữa các nút và Master đƣợc thực hiện theo phƣơng
thức nhảy cóc. Do vậy, cấu trúc mạng này rất khỏe và có mức độ chống lỗi cao.
Internet cũng là một kiểu mạng mắt lƣới nhƣng sử dụng dây dẫn với các lớp router
phức tạo đảm nhiệm lƣu thông tín hiệu của hàng triệu ngƣời sử dụng và hàng tỷ
trang web. Thông điệp tín hiệu nhảy cóc giữa các router cho đến khi đến điểm cuối
cùng thì dừng lại.

Hình 1.3. Cấu trúc mạng kiểu mắt lƣới.
Lợi ích:


Mỗi nút mạng có thể liên lạc trực tiếp với các nút khác, do vậy nền tảng điều

khiển mạng đƣợc rút gọn


Tiêu thụ điện năng thấp



Không cần nhiều thời gian cấu hình để các nút mạng liên lạc đƣợc với nhau

Bất lợi:


Không phù hợp với nhiều ứng dụng trong công nghiệp

5


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖



Khá mới mẻ và chƣa đƣợc sự chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp

1.3 Các công nghệ không dây ứng dụng trong xử lý nƣớc thải
Không dây là thế giới cho cả công nghệ chuẩn và công nghệ độc quyền. Mỗi
công nghệ đƣợc thiết kế ra nhằm đáp ứng những ứng dụng đặc biệt và lợi ích riêng.
1.3.1 Wi-Fi
Chuẩn IEEE 802.11 đặc tả cho mạng nối tiếng WLAN, hay còn đƣợc biết đến
với cái tên Wi-Fi. Chuẩn có dải tần 2,4GHz. Đây là dải tần phổ biến ở mọi quốc gia
trên thế giới. Tốc độ truyền dữ liệu của nó từ 1 Mbit/sec lên đến 100 Mbit/sec. Tốc
độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc vào độ nhiễu của môi trƣờng ứng dụng và khoảng
cách giữa điểm nhận và điểm gửi. Wi-Fi đƣợc thiết kế sử dụng cho môi trƣờng
trong nhà và ngoài trời ở khoảng cách gần. Nó cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu
và kết nối internet tới các thiết bị nhƣ PDA, PC, bộ điều khiển. Trong mạng Wi-Fi,
thiết bị có thể liên lạc đa hƣớng.

Mặc dù rất thông dụng trong các ứng dụng thƣơng mại nhƣ mạng LAN không
dây gia đình, doanh nghiệp, nhà kho, nhƣng Wi-Fi không đƣợc ƣu ái nhiều trong
ứng dụng điều khiển và giám sát từ xa do khả năng truyền tín hiệu và an ninh hạn
chế. Tuy nhiên, nó đã đƣợc ứng dụng trong môi trƣờng công nghiệp với vai trò làm
dải tần xƣơng sống kết nối các mạng phân tán nhỏ hơn ở khoảng cách hẹp.
1.3.2 WiMax
WiMax ra đời là sự thay thế không dây cho cấu trúc mạng nối dây dải tần rộng
nhƣ DSL/ADSL, cáp quang. Nó đƣợc đặc tả bởi chuẩn IEEE 802.16, và có tốc độ
truyền dữ liệu lên đến 100 Mbits/sec. Khác biệt với Wi-Fi (thiết bị có nhiệm vụ
giám sát giao thông mạng và ngƣng truyền tín hiệu nếu mạng bận), WiMax điều
khiển giao thức ra lệnh cho thiết bị chỉ truyền tín hiệu khi có yêu cầu từ điểm truy
cập.
Công nghệ này hỗ trợ đƣờng truyền ở khoảng cách lên đến 50 km. Sự khác
biệt này làm cho WiMax trở thành giải pháp lý tƣởng cho mạng kiểu điểm-đa điểm
cho phép hàng trăm, thậm chí hàng nghìn thiết bị kết nối với mạng dữ liệu doanh
nghiệp hoặc Internet từ một điểm truy cập trung tâm.

6


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

1.3.3 Radio công nghiệp
Công nghệ tín hiệu radio không dây đã có cách đây từ nhiều thập kỷ. Nhiều
công ty cung cấp dịch vụ radio công nghiệp 900 MHz và 2,4 GHz. Nó cung cấp tốc
độ đƣờng truyền thấp, ở giữa khoảng 9,600 bits/sec và 1,5Mbits/sec sử dụng kỹ
thuật truyền radio FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). FHSS cho phép
nhiều mạng cùng tồn tại trên cùng khu vực bằng cách tách biệt các mạng sử dụng
tần khác nhau.

Radio công nghiệp cung cấp nền tảng công nghệ mạnh mẽ và có mức độ an
toàn cao trong quá trình truyền dữ liệu. Mặc dù có hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu,
song do đặc tính của những ứng dụng điều khiển và giám sát từ xa trong công
nghiệp nên làm cho công nghệ này trở thành giải pháp lý tƣởng.
1.3.4 Radio modems
• Radio modem hoạt động ở tần số 400Mhz đến 900Mhz, bán kính phủ sóng
25 -100 km.
• Chúng có thể hoạt động trong một mạng nhƣng phải có phƣơng thức quản lý
mạng để xử lý và sửa lỗi truyền thông.
• Radio modems có các chuẩn giao tiếp chuẩn RS-232, RS-422 và RS-485.
• Tín hiệu số đƣa vào modem, đƣợc điều chế thành sóng vô tuyến và phát đi
trong không gian.
Ví dụ radio modems có trên thị trƣờng:
- Bộ thu phát không dây của Phonic: Hai chiều, hệ thống truyền 2,4GHz, bao
gồm 2 bộ thu phát và hai ăng-ten với cáp kết nối.

7


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Hình 1.4. Bộ thu phát không dây của Phonic.
1.4 Khái quát hệ SCADA xử lý nƣớc thải
- SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): quá trình thu thập dữ
liệu thời gian thực từ các đối tƣợng để xử lý, biểu diển, lƣu trữ, phân tích và có khả
năng điều khiển những đối tƣợng này.
1.4.1 Thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA

Hình 1.5. Cấu trúc của một hệ SCADA đơn giản.

8


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Giám sát
viên

MTU

CS

RTU

Đối
tƣợng
điều khiển

Hình 1.6. Sơ đồ thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA.
Trong đó:
+ MTU (Master Terminal Unit):Trung tâm điều phối
+ CS (Communication System): Hệ thống truyền thông
+ RTU (Remote Terminal Unit): Thiết bị đầu cuối từ xa.
- Remote Terminal Unit (RTU):
Thực hiện các công việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực. RTU rất
đa dạng – từ những cảm biến nguyên thủy thực hiện thu thập thông tin từ đối tƣợng
cho đến những bộ phận máy móc đa xử lý thực hiện xử lý thông tin và điều khiển
trong chế độ thời gian thực. Việc sử dụng RTU có bộ xử lý cho phép làm giảm

đƣợc yêu cầu đối với tốc độ của kênh truyền kết nối với trung tâm điều khiển.
- Master Terminal Unit (MTU):
Thực hiện công việc xử lý dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian
thực mềm. Một trong những chức năng cơ bản của MTU là cung cấp giao diện giữa
con ngƣời với hệ thống. MTU có thể bằng những dạng khác nhau.
- Communication System (CS):
Thực hiện công việc truyền dữ liệu từ các địa điểm ở nơi xa đến MTU và
truyền tín hiệu điều khiển đến RTU.
1.4.2 Phân chia nhiệm vụ trên hệ thống SCADA
+ Có 4 thành phần chức năng cơ bản:
- Con ngƣời

9


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

- Máy tính tƣơng tác với con ngƣời
- Máy tính tƣơng tác với đối tƣợng điều khiển
- Đối tƣợng điều khiển.
+ Cấu trúc của hệ thống điều khiển hiện đại:
Web
Server

SCADA
Station

Flow
measur.

T
Temp
measur.

Modules of factory
resource management

SCADA
Station

P
Pressure
measur.

Relation DB

VB, C++
Applications

Realtime
DB

Actuator
Analog I/O,
Discrete I/O

Configuration
and maintenance

Control objects

Hình 1.7. Cấu trúc của một hệ SCADA hiện đại.
Qua nghiên cứu trên học viên thấy các hệ thống SCADA trong xử lý nƣớc thải
công nghiệp hiện nay đang dùng truyền thông hữu tuyến. Môi trƣờng truyền dẫn
truyền thống này có nhiều ƣu điểm nhƣng cũng tồn tại không ít các nhƣợc điểm
nhƣ: Tốn nhiều chi phí về dây dẫn, nhân công lắp đặt, nhân công bảo dƣỡng đặc
biệt khi thay đổi vị trí của thiết bị, khả năng mở rộng tham số …Truyền thông
không dây có thể khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm nêu trên, do đó học viên đã chọn
truyền thông không dây RF ứng dụng trong xử lý nƣớc thải công nghiệp.

10


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRONG CÁC KHU CÔNG
NGHIỆP
2.1 Các qui trình chung
Ngoài các công nghệ qui trình sinh học, về cơ bản các quy trình thông dụng
hiện nay bao gồm các thành phần sau:
- Trạm bơm nƣớc thải đầu vào
- Công trình thu (lƣới lọc, hố lắng cát có sục khí, thiết bị tháo nƣớc cho lƣới
lọc và hố gạn sạn).
- Khu xử lý khử trùng và bể khử trùng
- Nhà đặt máy phát điện
- Hệ thống xử lý bùn
- Hệ thống xử lý mùi
- Nhà điều hành, khu phục vụ nhân viên, phòng thí nghiệm, khu bảo dƣỡng,

bãi đậu xe.
Các công nghệ xử lý nước thải chính được sử dụng trong khu công nghiệp:
- Hồ ổn định nƣớc thải (WSP)
- Hệ thống lọc nhỏ giọt (TF)
- Hệ thống bùn hoạt tính (AS)
- Hệ thống mƣơng oxy hóa (OD)
- Hệ thống bể phản ứng theo mẻ kế tiếp (SBR)
2.1.1 Hồ ổn định nƣớc thải (WSP)
Công nghệ WSP là một qui trình xử lý nƣớc thải đƣợc sử dụng rộng rãi. Quá
trình xử lý diễn ra nhờ những qui trình sinh hóa tự nhiên đƣợc trợ lực từ gió, ánh
sáng mặt trời và tảo mọc. Công tác vận hành cũng đơn giản và yêu cầu năng lƣợng
cũng thấp. Thƣờng thì qui trình WSP gồm có 3 giai đoạn xử lý và 3 loại hồ là: các
hồ kỵ khí (sâu 5 – 6m), các hồ sinh học (sâu 1.5 - 2m) và các hồ làm thoáng (sâu
khoảng 1m).
Nhƣợc điểm chính của qui trình WSP là rất tốn diện tích đất.

11


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Hình 2.1. Công nghệ WSP tại Buôn Mê Thuột
2.1.2 Hệ thống lọc nhỏ giọt (TF)
Các hệ thống lọc nhỏ giọt truyền thống đã đƣợc sử dung rộng rãi để xử lý
nƣớc thải gần thế kỷ qua. Lọc nhỏ giọt là những qui trình xử lý sinh học qua các
màn phim cố định mà tại đó nƣớc thải đầu vào đã qua xử lý bậc một sẽ tự chảy
xuống đáy của một khối lọc xốp theo dòng chảy chậm xuyên qua bề mặt và thấm
vào khối lọc trƣớc khi xuống đáy khối lọc. Khi nƣớc thải chảy qua bề mặt khối lọc
sẽ hình thành một lớp ―nhầy‖ vi khuẩn hiếu khí dày 1 – 2mm, lớp nhầy này sẽ tiêu

hủy hàm lƣợng BOD hữu cơ có trong nƣớc thải đầu vào khi nƣớc thải ―nhỏ giọt‖
qua khắp các bề mặt của khối lọc. Đến một lúc nào đó lớp ―nhầy‖ vi khuẩn bám vào
khối lọc này đã trở nên quá nặng, tạo thành các khối có sự phát triển của tế bào.
Theo định kỳ các khối có chứa vi khuẩn sinh trƣởng này sẽ bị nƣớc thải đầu vào
cuốn chảy đến bể lắng bậc hai, tại đây các khối này kết lại thành bùn ở đáy bể. Lớp
―nhầy‖ vi khuẩn mới lại tiếp tục mọc lại tại vị trí của ―lớp nhầy‖ cũ và qui trình cứ
thế lặp lại. Nƣớc thải đầu vào đƣợc phân tán qua bề mặt bể lọc nhỏ giọt nhờ thiết bị
phân tán có trục xoay tròn chạy bằng phản lực thủy lực, thiết bị này xoay tròn quanh
một tiếp điểm trung tâm, phân tán đều nƣớc thải đầu vào qua các khe tròn rỗng dẫn
ra đến bề mặt khối lọc.

12


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Các bể lọc nhỏ giọt trƣớc đây đƣợc thiết kế với khối lọc có nền đá rất nặng
nên nhƣợc điểm của nó là làm phát sinh mùi hôi và dễ bị nghẽn vì các khe hở nhỏ
tại mặt nền đá. Tuy nhiên, trong 30 năm qua công nghệ này đã đƣợc cải tiến nhiều,
khối đá lọc đã đƣợc thay bằng khối lọc nhựa PVC và Polyme có trọng lƣợng nhẹ,
đƣợc sản xuất và cung cấp thành khối, mỗi khối có kích thƣớc khoảng 1m3 – làm
tăng đáng kể diện tích bề mặt của khối lọc so với các khối lọc nền đá trƣớc đây, nhờ
vậy có thể thi công các khối lọc nhỏ giọt với kích thƣớc thu gọn nhƣng sâu hơn,
97% các khoảng rỗng tạo ra từ khối lọc nhựa cho phép dòng chảy nƣớc thải chảy
xuyên qua đã loại bỏ đƣợc các khiếm khuyết của khối lọc đá trƣớc đây. Để đạt hiệu
quả hơn, quy trình lọc nhỏ giọt chủ yếu bao gồm bƣớc tuần hoàn nƣớc thải và thông
gió cƣỡng bức. Nƣớc thải tuần hoàn hoặc đi vào bể lắng hoặc là nƣớc đầu ra của bể
lắng. Ngoài ra, quy trình lọc nhỏ giọt thƣờng bao gồm bể lắng bậc 1 và các công
trình ổn định bùn (hiếu khí hoặc kỵ khí).

Ví dụ về công nghệ lọc nhỏ giọt sử dụng khối lọc nhựa PVC có thể thấy tại
nhà máy xử lý nƣớc thải thành phố Đà Lạt. Hình 2-2 miêu tả sơ đồ qui trình lọc nhỏ
giọt và bể lọc nhỏ giọt, Hình 2-3 là hình ảnh công trình nhà máy xử lý nƣớc thải Đà
Lạt.

Hình 2.2. Sơ đồ qui trình lọc nhỏ giọt và bể lọc nhỏ giọt

13


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Hình 2.3. Một số nét đặc trƣng của nhà máy xử lý nƣớc thải công nghệ lọc nhỏ
giọt:
•

Bên kia hình là hai bể lắng bậc một, còn đƣợc sử dụng để làm ổn định

bùn sản sinh trong qui trình xử lý
•

Phía gần suối là hai bể lọc nhỏ giọt và hai bể lắng bậc hai,

•

Cận hình là hai sân phơi bùn có mái che

•

Phía bên phải là các hồ làm thoáng cho mục đích khử trùng.

Hình 2.3. Nhà máy xử lý theo công nghệ lọc nhỏ giọt tại thành phố Đà Lạt
Bảng 2.1. Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống lọc nhỏ giọt
Ƣu điểm

Nhƣợc điểm

1. Công nghệ tin cậy, đã đƣợc

1. Cần có bể lắng bậc hai, và thƣờng thì

chứng minh (khối lọc nhựa đã đƣợc

cũng cần có:
 Các bể lắng bậc 1

sử dụng trên 40 năm)

 Trạm bơm tuần hoàn nƣớc thải

14


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

 Thông gió cƣỡng bức
 Các công trình ổn định bùn
2. Ít tốn điện nhất

2. Yêu cầu về diện tích đất hơi lớn hơn so
với các nhà máy xử lý nƣớc thải có công
nghệ bùn họat tính.

3. Là qui trình dễ vận hành bảo 3. Khả năng xử lý Nitơ kém
dƣỡng nhất
4. Khối lọc nhựa có tuổi thọ >30

4. Không có khả năng xử lý Phốtpho sinh

năm

học

5. Yêu cầu về thiết bị và dụng cụ ít

5. Nhìn chung ít khả năng xử lý hơn so

hơn.

với các công nghệ khác

2.1.3 Hệ thống bùn hoạt tính (AS)
Công nghệ bùn hoạt tính truyền thống đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý nƣớc
thải. Qui trình công nghệ này dựa trên sự phát triển của vi khuẩn dạng treo, còn gọi
là ―bùn hoạt tính‖ phát triển nhanh trong môi trƣờng giàu oxy, bùn hoạt tính này
phá hủy chất hữu cơ có trong nƣớc thải đầu vào. Sự phá hủy chất hữu cơ này làm
phát sinh khối tế bào vi khuẩn, làm tăng khối lƣợng chất rắn bùn hoạt tính. Sau khi
lƣu tại bể bùn hoạt tính khoảng 8 giờ, hỗn hợp bùn hoạt tính và nƣớc thải, còn gọi là

―chất lỏng hỗn hợp‖ đƣợc chuyển tới bể lắng bậc hai để thực hiện qui trình tách
phần nƣớc đã đƣợc xử lý khỏi phần bùn thải lắng kết. Một phần bùn thải này đƣợc
tái tuần hoàn về điểm tiếp nhận nƣớc thải đầu vào của bể bùn hoạt tính, tại đây bùn
này lại bổ sung thêm chất cho qui trình bùn hoạt tính, lại phá hủy thêm tải lƣợng
BOD hữu cơ có trong nƣớc thải đầu vào. Phần còn lại của bùn lắng này đƣợc thải ra
đến qui trình làm sánh và tháo nƣớc bùn, sau đó đƣợc đƣa đi khỏi công trƣờng.
Hình 2-4 thể hiện sơ đồ qui trình bùn hoạt tính. Hình 2-5 là hình ảnh một phần của
qui trình này.

15


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

Hình 2.4. Sơ đồ qui trình bùn hoạt tính.

Hình 2.5. Bể sục khí (Aeroten) và bể lắng bậc hai trong qui trình bùn hoạt tính
Bảng 2.2. Ƣu và nhƣợc điểm của qui trình bùn hoạt tính:
Ƣu điểm

Nhƣợc điểm

1. Công nghệ tin cậy, đã đƣợc chứng 1. Cần có bể lắng bậc một và bể lắng
minh (đã đƣợc sử dụng > 100 năm)

bậc hai.

2. Không là công nghệ độc quyền

2. Điện tiêu thụ cao hơn

3. Tại Việt Nam đã có mặt các nhà 3. Công nghệ CAS dễ gây sốc tải

16


Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải công nghiệp‖

lƣợng và kết bùn.

cung cấp có tiếng về công nghệ này

4. Công nghệ này đã đƣợc sử dụng tại 4. Qui trình phức tạp, khó kiểm soát
các nhà máy xử lý nƣớc thải lớn tại Hà
Nội và Hồ Chí Minh
5. Tại Việt Nam đã có những nhà cung 5. Cần đào tạo kỹ cho nhân viên vận
cấp phụ kiện, thiết bị có tiếng về công hành bảo dƣỡng.
nghệ này.
2.1.4 Hệ thống mƣơng oxy hóa (OD)
Qui trình mƣơng oxy hóa – một dạng khác của bùn hoạt tính, đã đƣợc sử dụng
để xử lý nƣớc thải hơn năm mƣơi năm qua. Công nghệ qui trình này dựa trên sự
phát triển sinh học dạng ―lơ lửng‖ gọi là ―bùn hoạt tính‖ duy trì trong môi trƣờng
giàu oxy, sự phát triển sinh học này rất nhanh và phá hủy chất hữu cơ có trong nƣớc
thải đầu vào. Sự phá hủy này gây ra khối lƣợng tế bào chết lớn, làm tăng khối lƣợng
chất rắn bùn họat tính. Sau khi lƣu tại bể mƣơng oxy hóa khoảng 24 giờ, bùn hoạt
tính và nƣớc thải kết hợp – thƣờng đƣợc gọi là ―chất lỏng hỗn hợp‖ đƣợc chuyển tới
bể lắng bậc hai để phân tách khỏi nƣớc thải đầu ra đã qua xử lý và bùn kết. Một
phần bùn thải này đƣợc tài tuần hoàn đến đầu dẫn nƣớc thải vào bể mƣơng oxy hóa

và trở lại thành bùn họat tính, phá hủy thêm tải lƣợng BOD5 hữu cơ. Phần còn lại
của bùn lắng này đƣợc thải ra một qui trình làm sánh rồi đến công đọan tháo nƣớc
trong quá trình đƣa bùn thải còn lại ra khỏi công trƣờng nhà máy. Không giống nhƣ
qui trình bùn hoạt tính truyền thống, không có yêu cầu cụ thể về các bể lắng bậc
một nhƣ là qui trình xử lý giai đọan đầu tiên, vì nƣớc thải thô đầu vào có thể đƣợc
dẫn thẳng đến các bể mƣơng oxy hóa để xử lý.

17