Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC s7 1200 có giám sát bằng WinCC và webserver

Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................3
CHƯƠNG 1................................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ........................................4
1.1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN NAY ..........4

1.1.1.

Nước thải từ khu công nghiệp ................................................................4

1.1.2. Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp..........................................5
1.2. NƯỚC THẢI SINH HOẠT ..............................................................................6
1.2.1. Nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt ...................................................6
1.2.2. Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt .......................................7
1.2.3. Các phương pháp xử lý nước thải và xử lý cặn..........................................7
1.3. NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN ............................................................................10
CHƯƠNG 2..............................................................................................................11
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ..............................11
2.1. SENSOR ĐO COD .........................................................................................11
2.2. SENSOR ĐO TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS) ...................................12
2.3. SENSOR ĐO PH ............................................................................................12
2.4. SENSOR ĐO OXY HÒA TAN ......................................................................13
CHƯƠNG 3..............................................................................................................15
BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200 ............................................................................15

3.1. GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200 ......................................................................15
3.2. GIỚI THIỆU VỀ TIA PORTAL ....................................................................17
3.2.1. Lập trình trên TIA Portal ..........................................................................18
3.2.2. Lập trình hướng đối tượng (Object-oriented programing) .......................19
3.2.3. Lập trình Đếm xung tốc độ cao (High Speed Counter) để đo lưu lượng
nước. ...................................................................................................................23
3.2.4. Đọc thời gian thực ....................................................................................25
CHƯƠNG 4..............................................................................................................27
LẮP RÁP MÔ HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI .27
4.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ..........27
4.1.1. Mô hình bể xử lý nước thải ......................................................................27

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 1

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

4.1.2. Mô hình tủ điện điều khiển và giám sát hệ thống ....................................29
4.2. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ........31
CHƯƠNG 5..............................................................................................................37
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG WIN
CC VÀ WEB SERVER ...........................................................................................37
5.1. THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VỚI WINCC - TIA PORTAL ........37

5.1.1. Tạo kết nối (connections) .........................................................................39
5.1.2 Tạo thư viện ...............................................................................................39
5.1.3. Hiển thị cảnh báo với HMI Alarm. ..........................................................43
5.1.4.Vẽ đồ thị trên HMI ....................................................................................43
5.2. WEB SERVER ...............................................................................................44
5.2.1. Tìm hiểu về HTML. .................................................................................45
5.2.2. Tìm hiểu về AWP .....................................................................................47
5.2.3. Tìm hiểu về kỹ thuật AJAX: ....................................................................48
5.2.3. Lập trình truy cập Web server trên TIA Portal. .......................................52
5.3. HMI .................................................................................................................57
5.3.1. Giới thiệu HMI KTP400 ..........................................................................57
5.3.2. HMI KTP400 trên TIA Portal ..................................................................57
5.3.3. Thiết kế giao diện giám sát.......................................................................60
5.4. Hướng phát triển đề tài. ..................................................................................66
KẾT LUẬN ..............................................................................................................67

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 2

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển như vũ bão của nền kinh tế, tại các khu đô thị lớn, ngày càng

có nhiều khu công nghiệp, nhà máy được xây dựng lên kéo theo đó là thải ra môi
trường một lượng lớn chất thải dẫn đến hệ luỵ môi trường càng ngày càng bị ô nhiễm.
Ngày nay chất thải công nghiệp, các đô thị lớn nước thải sinh hoạt đều đổ ra
sông, biển mùi hôi bẩn gây ảnh hưởng đến chất lượng đời sống của người dân và phát
triển kinh tế - xã hội.
Mặc dù hàng loạt các biện pháp bảo vệ môi trường đã ra đời và được thực hiện
như: luật quốc gia , công ước quốc tế… nhưng thời gian qua tình trạng môi trường
vẫn tiếp tục suy giảm, tiếp tục bị ô nhiễm: tài nguyên cạn kiệt, nhiệt độ trái đất ngày
càng tăng, hạn hán, lũ lụt, các nguồn nước thiên nhiên và khí quyển bị ô nhiễm nặng
nề….
Trong giai đoạn thúc đẩy công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nước ta cũng không
nằm ngoài khung cảnh chung đó. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nước thì
vấn đề môi trường cũng trở nên gay gắt hơn. Trong đó, ô nhiếm nguồn nước thải và
vấn đề xử lý nó đã trở thành nhiệm vụ hàng đầu của các chuyên gia kỹ thuật nói riêng
và của toàn xã hội nói chung. Chính vì vậy việc đầu tư và áp dụng công nghệ xử lý
nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học là điều rất cần thiết để xử lý triệt để vấn
đề gây ô nhiễm.
Là sinh viên ngành Điện Tự Động việc nghiên cứu lập trình điều khiển giám sát
hệ thống xử lý nước thải là một trong những điều cần thiết để áp dụng những kiến
thức đã học từ trong ghế nhà trường đưa vào cuộc sống nhằm nâng cao năng lực thực
tế và giải quyết vấn đề tồn tại trong cuộc sống.Trong khuôn khổ đề tài tốt nghiệp của
mình, em quyết định chọn đề tài “ Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải
bằng PLC S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server ”.
Sau thời gian hơn bốn tháng tìm hiểu nghiên cứu thực tế sử dụng kiến thức đã
học làm đề tài tốt nghiệp bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của
thầy Nguyễn Lê Hoàng, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác
trong khoa em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp này đúng thời gian quy định. Một
lần nữa cho phép em gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 3

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN NAY
1.1.1. Nước thải từ khu công nghiệp
Tại các khu công nghiệp hàng ngày nhu cầu sản xuất rất là lớn , một lượng lớn
nước tẩy rửa sử dụng cho mục đích công nghiệp kéo theo đó là thải ra môi trường
một lượng lớn chất thải. Nước thải công nghiệp ở các doanh nghiệp gồm nhiều
chất độc hại rất nguy hiểm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường
Nước làm mát sử dụng trong quá trình công nghiệp như sản xuất thép và than cốc
không chỉ tạo ra nước thải với nhiệt độ cao, có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh vật, mà
còn gây ra ô nhiễm với một loạt các chất độc hại, bao gồm cyanua, ammoniac,
benzene, phenol, PAH…Nước cũng được sử dụng như một chất bôi trơn máy móc
công nghiệp và có thể trở nên ô nhiễm do các loại dầu thuỷ lực, thiếc, crom, sắt
sunphat, các loại axit khác nhau. Như vậy ta cần phải có hồ chứa để xử lý nước thải.

Hình 1.1. Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp được chia làm 2 loại:

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 4

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

+ Nước bẩn: là nước thải sinh ra từ các quá trình sản xuất, xúc rửa máy móc
thiết bị hay từ quá trình sinh hoạt của công nhân viên. Loại nước thải này chứa nhiều
tạp chất, chất độc hại, ô nhiễm.
+ Nước không bẩn: là loại nước sinh ra chủ yếu khi làm nguội thiết bị, giải nhiệt
trong các trạm làm lạnh, ngưng tụ hơi nước hay nước rửa một số vật liệu sản xuất
sạch... Loại nước này lấy nguồn từ nước sạch và nước phát sinh hầu như vẫn là nước
sạch, có chứa một ít bụi bẩn.
1.1.2. Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp
Cũng tương tự như nước thải sinh hoạt thì xử lý nước thải công nghiệp có
những phương pháp sau:
- Phương pháp xử lý cơ học:
Những phương pháp loại các chất rắn có kích thước và tỷ trọng lớn trong nước
thải được gọi chung là phương pháp cơ học.
+ Để giữ các tạp chất không hoà tan lớn như rác: dùng song chắn rác hoặc lưới
lọc.
+ Để tách các chất lơ lửng trong nước thải dùng bể lắng:
+ Để tách các chất cặn nhẹ hơn nước như dầu, mỡ dùng bể thu dầu, tách mỡ.
+ Để giải phóng chất thải khỏi các chất huyền phù, phân tán nhỏ…dùng lưới

lọc, vải lọc, hoặc lọc qua lớp vật liệu lọc.
- Phương pháp xử lý hóa lý:
Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý là áp dụng
các quá trình vật lý và hóa học để loại bớt các chất ô nhiễm mà không thể dùng quá
trình lắng ra khỏi nước thải. Công trình tiêu biểu của việc áp dụng phương pháp hóa
lý là: Bể keo tụ, tạo bông.
Quá trình keo tụ tạo bông được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và
các hạt keo có kích thước rất nhỏ (10-7 - 10-8 cm). Các chất này tồn tại ở dạng phân
tán và không thể loại bỏ bằng quá trình lắng vì tốn rất nhiều thời gian. Để tăng hiệu
quả lắng, giảm bớt thời gian lắng của chúng thì thêm vào nước thải một số hóa chất
như phèn nhôm, phèn sắt, polymer,… Các chất này có tác dụng kết dính các chất
khuếch tán trong dung dịch thành các hạt có kích cỡ và tỷ trọng lớn hơn nên sẽ lắng
nhanh hơn.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 5

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

Phương pháp keo tụ có thể làm trong nước và khử màu nước thải vì sau khi
tạo bông cặn, các bông cặn lớn lắng xuống thì những bông cặn này có thể kéo theo
các chất phân tán không tan gây ra màu.
- Phương pháp xử lý hóa học:

Đó là quá trình khử trùng nước thải bằng hoá chất (Clo, Javen), hoặc trung hòa
độ pH với nước thải có độ kiềm hoặc axit cao.
-Phương pháp xử lý sinh học:
Sử dụng các loại vi sinh vật để khử các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải.
Các vi sinh vật có sẵn trong nước thải hoặc bổ sung vi sinh vật vào trong nước thải.
Các chất hữu cơ ở dạng keo, huyền phù và dung dịch là nguồn thức ăn của vi sinh
vật.
Trong quá trình hoạt động sống, vi sinh vật oxy hoá hoặc khử các hợp chất
hữu cơ này, kết quả là làm sạch nước thải khỏi các chất bẩn hữu cơ.
1.2. NƯỚC THẢI SINH HOẠT
1.2.1. Nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt

Hình 1.2. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt

Nguồn gốc nước thải sinh hoạt Nước thái sinh hoạt là nước được thải bỏ sau
khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ,tẩy rửa, vệ sinh
cá nhân,… Chúng thường được thaỉ ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện,
chợ, và các công trình công cộng khác. Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 6

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát
nước. Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng
cung cấp nước của các nhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có. Các trung tâm
đô thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông
thôn, do đó lượng nước thải sinh hoạt tính trên một đầu người cũng có sự khác biệt
giữa thành thị và nông thôn. Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thường thoát
bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông
thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên
vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm.
1.2.2. Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt
1.2.2.1. Thành phần nước thải sinh hoạt
Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt phụ thuộc rất nhiều vào nguồn
nước thải. Ngoài ra lượng nước thải ít hay nhiều còn phụ thuộc vào tập quán sinh
hoạt.
Thành phần nước thải sinh hoạt gồm 2 loại :
–Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết con người từ các phòng vệ sinh;
–Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã, dầu mỡ từ các nhà bếp
của các nhà hàng, khách sạn, các chất tẩy rửa, chất hoạt động bề mặt từ các phòng
tắm, nước rửa vệ sinh sàn nhà…
1.2.2.2. Tính chất của nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngoài ra
còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất
hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein(40-50%);hydrat
cacbon(40-50%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong
khoảng 150-450mg/l theo trọng lượng khô. Có khoảng 20-40% chất hữu cơ khó bị
phân huỷ sinh học. Ơ những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước
thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm
môi trường nghiêm trọng.
1.2.3. Các phương pháp xử lý nước thải và xử lý cặn

1.2.3.1. Xử lý cơ học
Xử lý cơ học là nhằm loại bỏ các tạp chất không hoà tan chứa trong nước thải
và được thực hiện ở các công trình xử lý: song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng, bể lọc
các loại. Song chắn rác, lưới chắn rác làm nhiệm vụ giữ lại các chất bẩn kích thước
lớn có nguồn gốc hữu cơ.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 7

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

Bể lắng cát được thiết kế trong công nghệ xử lý nước thải nhằm loại bỏ các
tạp chất vô cơ, chủ yếu là cát chứa trong nước thải. Bể lắng làm nhiệm vụ giữ lại các
tạp chất lắng và các tạp chất nổi chứa trong nước thải. Khi cần xử lý ở mức độ cao(xử
lý bổ sung) có thể sử dụng các bể lọc, lọc cát,.. Về nguyên tắc, xử lý cơ học là giai
đoạn xử lý sơ bộ trước khi xử lý tiếp theo.
1.2.3.2. Xử lý sinh học
Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học nước thải là dựa vào khả năng oxy hoá
các liên kết hữu cơ dạng hoà tan và không hoà tan của vi sinh vật – chúng sử dụng
các liên kết đó như là nguồn thức ăn của chúng.
Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên gồm có:
- Hồ sinh vật
- Hệ thống xử lý bằng thực vật nước(lục bình, lau, sậy, rong- tảo,..)

- Cánh đồng tưới
- Cánh đồng lọc
- Đất ngập nước
Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo gồm có:
- Bể lọc sinh học các loại
- Quá trình bùn hoạt tính
- Lọc sinh học tiếp xúc dạng trống quay(RBC)
- Hồ sinh học thổi khí
- Mương oxy hoá,….
1.2.3.3. Khử trùng nước thải
Khử trùng nước thải là giai đoạn cuối cùng của công nghệ xử lý nước thải
mhằm loại bỏ vi trùng và virus gây bệnh trước khi xả vào nguồn nước.
Để khử trùng nước thải có thể sử dụng clo và các hợp chất chứa clo, có thể
tiến hành khử trùng bằng ozôn, tia hồng ngoại, ion bạc, .. nhưng cần phải cân nhắc
kỹ về mặt kinh tế.
1.2.3.4. Xử lý cặn nước thải
Nhiệm vụ của xử lý cặn ( cặn được tạo nên trong quá trình xử lý nước thải) là:
- Làm giảm thể tích và độ ẩm của cặn
- Ổn định cặn
- Khử trùng và sử dụng lại cặn cho các mục đích khác nhau
Rác (gồm các tạp chất không hoà tan kích thước lớn: cặn bã thực vật, giấy, giẻ
lau,..) được giữ lại ở song chắn rác có thể được chở đến bãi rác( nếu lượng rác không

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 8

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng

Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

lớn) hay nghiền rác và sau đó dẫn đến bể mêtan để tiếp tục xử lý. Cát từ các bể lắng
được dẫn đến sân phơi cát để làm ráo nước và chở đi sử dụng vào mục đích khác.
Cặn tươi từ bể lắng cát đợt một được dẫn đến bể mêtan để xử lý Một phần
bùn hoạt tính (vi sinh vật lơ lửng) từ bể lắng đợt 2 được dẫn trở lại aeroten để tiếp tục
tham gia quá trình xử lý (gọi là bùn hoạt tính tuần hoàn) , phần còn lại ( gọi là bùn
hoạt tính dư) được dẫn đến bể nén bùn để làm giảm độ ẩm và thể tích, sau đó được
dẫn vào bể mêtan để tiếp tục xử lý. Đối với các trạm xử lý nước thải xử dụng bể
biophin với sinh vật dính bám, thì bùn lắng được gọi là màng vi sinh và được dẫn đến
bể mêtan. Cặn ra khỏi bể mêtan có độ ẩm 96-97%. Để giảm thể tích cặn và làm ráo
nước có thể ứng dụng các công trình xử lý trong điều kiện tự nhiên như: sân phơi
bùn, hồ chứa bùn, hoặc trong điều kiện nhân tạo: thết bị lọc chân không, thết bị lọc
ép, thiết bị li tâm cặn,… Độ ẩm của cặn sau xử lý đạt 55-75%.
Để tiếp tục xử lý cặn có thể thực hiện sấy bằng nhiệt với nhiều dạng thiết bị
khác nhau: thiết bị sấy dạng ống, dạng khí nén, dạng băng tải,…Sau khi sấy độ ẩm
còn 25-30% và cặn ở dạng hạt dễ dàng vận chuyển. Đối với các trạm xử lý công suất
nh, việc xử lý cặn có thể tiến hành đơn giản hơn: nén và sau đó làm ráo nước ở sân
phơi cặn trên nền cát.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 9

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng

Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

1.3. NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN

Hình 1.3. Hệ thống xử lý nước thải bệnh viện

Nước thải từ bệnh viện phần lớn là nguồn nước thải phát sinh từ nhà vệ sinh,
khu vực rửa dụng cụ, nhà ăn, nhà bếp, nước thải từ các ca phẫu thuật, điểu trị, khám,
chữa bệnh, xét nghiệm, từ hoạt động giặt giũ, vệ sinh của người bệnh,… Bên cạnh
đó, tuy chiếm một phần nhỏ nhưng nước thải từ hoạt động in chụp X- quang, các chất
phóng xạ lỏng và bệnh phẩm là phần nước thải nguy hại chứa rất nhiều chất độc hại,
với lượng nồng độ kháng sinh và các vi khuẩn gây bệnh cao.
Nước thải bệnh viện có các thông số ô nhiễm khá cao: đặc biệt là nồng độ
Amoni trong nước thải vượt tiêu chuẩn xả thải gấp 8 lần. Đặc biệt lượng Amoni trong
nước thải sẽ gây ảnh hưởng rất lớn tới môi trường xung quanh. Nếu lượng nước thải
này phát sinh ra ngoài môi trường sẽ gây ô nhiễm nguồn nước trầm trọng – gây mùi
hôi thối, kênh đen, phú dưỡng hóa…. Vì thế xây dựng cho bệnh viện là điều vô cùng
cần thiết đối với mỗi bệnh viện hay trạm xá ở nước ta hiện nay.
* Phương pháp xử lý nước thải bệnh viện
Người ta thường xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học nhằm mục đích:
- Tách các chất không hòa tan,những vật chất lơ lửng có kích thước lớn (rác,
nhựa, dầu mỡ,cặn lơ lửng,các tạp chất nổi…) ra khỏi nước thải.
- Loại bỏ cặn nặng như sỏi,cát,mảnh kim loại,thủy tinh…
- Điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải.
Xử lý cơ học là giai đoạn chuẩn bị và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình
xử lý hóa lý và sinh học

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 10

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
2.1. SENSOR ĐO COD

Hình 2.1. Sensor đo COD

Một số hợp chất hữu cơ thường tìm thấy trong nước thải như lignin, tannin,
các chất humic và nhiều hợp chất thơm khác nhau, hấp thụ mạnh mẽ bức xạ tia cực
tím (UV). Theo tiêu chuẩn của Đức DIN 38404 C3, hệ số hấp thụ quang tại bước
sóng 254nm (SAC254) được dùng như phép đo chất hữu cơ hòa tan trong một mẫu
nước. Độ hấp thu này thể hiện bằng đơn vị đo SAC (Spectro Absorption
Coefficient) Đơn vị: 1/m hay m-1
Đầu đo chất hữu cơ Model UVSAC của Hach ứng dụng nguyên lý đo độ hấp
thu bằng tia tử ngoại ở bước sóng 254 theo DIN38404 C3. Độ hấp thụ này (SAC)
quan hệ với COD, BOD theo một tỉ lệ nhất định. Sau khi cài đặt tỉ lệ này từ người
sử dụng khi đối chiếu với giá trị đo của phòng thí nghiệm, màn hình sẽ hiển thị các
đơn vị đo theo mg/l hoặc ppm.v.v
- Ưu điểm của phương pháp:

+ Xác định một cách trực tiếp trong dòng mẫu mà không tiến hành quá trình
xử lý mẫu
+ Không dùng hóa chất: tiết kiệm chi phí, không thải chất độc hại ra môi
trường
+ Nhanh, quan trắc liên tục sự thay đổi của chất hữu cơ
+ Bù trừ sai số do độ đục của nước gây ra
+ Sensor cảm biến có cần gạt tự làm sạch: chi phí bảo trì thấp nhất
+ Không yêu cầu điều kiện của mẫu (nhiệt độ, áp suất,..)
+ Lắp đặt dễ dàng: chỉ cần cắm sensor vào SC1000 là tự động chạy

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 11

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

2.2. SENSOR ĐO TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS)

Hình 2.1. Sensor đo tổng rắn lơ lửng

Sensor sử dụng phương pháp quang học để phân tích SS tự động. Nguồn đèn
LED bên trong phát ra bước sóng hồng ngoại 860nm và tia sáng này bị phản xạ bởi
những hạt trong nước, các tia phản xạ được cảm biến bằng đầu dò quang học.
Sensor kết hợp đo độ đục của nước với một đầu dò (detector) nhận ánh sáng tán xạ

góc 90 độ so với tia tới. Khi đo SS của nước thì đầu dò (Backscatter detector) đặt
góc 140 độ so với tia sáng tới
- Ưu điểm phương pháp đo:
+ Bù trừ độ màu của hạt và kích thước hình dạng của hạt
+ Tự làm sạch, giảm tối thiểu chi phí bảo trì
+ Thân sensor làm bằng thép không gỉ, đảm bảo độ bền cao
+ Đáp ứng tiêu chuẩn đo theo ISO7027
+ Lắp đặt không cần điều kiện mẫu
2.3. SENSOR ĐO PH

Hình 2.3. Sensor đo pH

Phần chính của sensor là bầu thủy tinh cảm biến pH, bầu thủy tinh này chỉ cho

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 12

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

phép ion H+ sẽ di chuyển vào trong để tạo ra sự cân bằng bên trong và bên ngoài
dung dịch. Sự di chuyển của các ion này tạo ra sự thay đổi điện thế và máy sẽ đọc
điện thế này để chuyển thành giá trị pH. Theo phương trình Nerst thì nhiệt độ sẽ ảnh
hưởng đến giá trị pH, do đó thiết bị sẽ có một sensor nhiệt độ đi kèm để đo nhiệt độ

và lấy giá trị này để bù trừ sai số đó. Ngoài ra sau thời gian đo do ion đi vào bên
trong sensor nên điện thế chuẩn ban đầu E0 sẽ thay đổi nên phải dùng dung dịch
chuẩn để hiệu chuẩn lại. Khi bảo trì sensor chỉ cần rửa sạch bầu thủy tinh bằng nước
sạch và hiệu chuẩn lại bằng các dung dịch đệm pH 4, pH 7 (hoặc pH 10). Các
sensor pH này yêu cầu dòng chảy không quá 2m/s để tạo kết quả đọc ổn định
• Ưu điểm của sensor hach:
+ Sensor gồm điện cực đo, điện cực tham chiếu và thêm điện cực nối
đất thay vì chỉ hai hiện cực như các sensor pH thông thường.
+ Trở kháng của điện cực so sánh cao giúp giảm ảnh hưởng đóng bám
chất bẩn, duy trì độ chính xác lâu dài.
+ Dễ thay cầu muối khi đầu nối bị tắc nghẽn
+ Đầu điện cực được niêm kín để tránh bị nhiễm bẩn
+ Dung dịch đệm có thể thay mới để kéo dài tuổi thọ điện cực
+ Thể tích dung dịch đệm lớn để tránh bị hao hụt nhanh chóng
+ Điện thế đất đi qua điện cực E3 thay vì E2 ngăn ngừa được sai số do
vòng điện lặp sinh ra.
+ Khoảng cách tối đa đến controller có thể lên đến 1000m nhờ có bộ
khuếch đại tín hiệu bên trong.
2.4. SENSOR ĐO OXY HÒA TAN

Hình 2.4. Sensor đo oxy hòa tan

- Ưu điểm của phương pháp đo
+ Do nguyên lý đo trên nên so với các phương pháp khác có những ưu điểm

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 13

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng

Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

sau:
+ Không cần dung dịch thay thế, giảm chi phí bảo trì thay thế màng, dung dịch
điện phân
+ Thời gian đo nhanh khoảng 30s (nếu so với phương pháp truyền thống phải
chờ ít nhất 90s cho đọc ổn định)
+ Không cần hiệu chuẩn thường xuyên, chỉ cần 1 hoặc 2 lần trong năm, so với
phương pháp khác là hàng tháng.
+ Không bị nhiễu do các ion như ion kim loại nặng hoặc sulfide…

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 14

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

CHƯƠNG 3
BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7-1200

3.1. GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200
S7-1200 là một bộ điều khiển PLC cỡ nhỏ, là sản phẩm của tập đoàn Siemens
ra mắt vào năm 2009 tiếp nối phát triển của dòng PLC S7-200 trước đó.
PLC S7-1200 được thiết kế theo dạng module, thích hợp để phát triển các dự
án từ cấp độ nhỏ tới trung bình. PLC S7-1200 tích hợp cổng truyền thông Ethernet.
Các module của S7-1200 như : module truyền thông Profibus, 3G; module mở rộng
I/O Digital, Analog…

PLC S7-1200 được lập trình bằng phần mềm Step 7 và được tích hợp trong
TIA Portal của Siemens.
Dòng S7-1200 có các họ CPU là 1211c, 1212c, 1214c, 1215c, 1217c. Mỗi loại
CPU có đặc điểm khác nhau phù hợp với từng kích thước, nhu cầu dự án khác nhau.

Đồ án này sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214c AC/DC/relay với các thông số
chính:

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 15

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

- Phiên bản phần mềm V4.2.3

- Mã sản phẩm: 6ES7214-1BG40-0XB0
- Điện áp cung cấp CPU hoạt động :
+ 120VAC, giới hạn thấp 85VAC
+ 230VAC, giới hạn cao 264VAC.
+ Tần số hoạt động 47-63 Hz.
- Số lượng khối (block): Bao gồm các khối DB, FC, FB, Counter, Timer. Số
lượng địa chỉ tối đa nằm trong khoảng từ 1 đến 65535.
- Đồng hồ thời gian thực tích hợp trên phần cứng: Có.
- Số lượng ngõ vào số (digital): 14
+ Trong đó có 6 cổng Đếm xung tốc độ cao HSC với tốc độ cao nhất 100
kHz
+ Điện áp tín hiệu ngõ vào (input voltage): 24 VDC
• Tác động mức logic “0”: 5 VDC tại 1mA
• Tác động mức logic “1”: 15 VDC tại 2.5mA
- Số lượng ngõ ra số (digital): 10
+ Ngõ ra đóng mở bằng relay.
- Số lượng ngõ vào analog: 2
+ Dải điện áp vào : 0 – 10VDC
- Chuẩn kết nối tích hợp: PROFINET
- Web server : Có
+ Website người dùng tạo : Có
- Chế độ bảo vệ:
+ Đặt mật khẩu cho CPU.
+ Đặt mật khẩu cho chương trình, khối dữ liệu cụ thể.
- Ngõ ra phát xung PWM/PTO: 4
+ Tần số xung lên tới 100kHz.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 16

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

+ Ứng dụng điều khiển động cơ servo và động cơ bước.
- Module mở rộng:
+ 3 module truyền thông.
+ 8 module mở rộng I/O.
+ 1 board tín hiệu.
- Bộ nhớ:
+ Work memory: 100 kbyte.
+ Load memory: 4 Mbyte.
+ Hỗ trợ sao lưu (backup) dữ liệu.
- Hỗ trợ 1 khe cắm thẻ nhớ (Memory Card Siemens).
3.2. GIỚI THIỆU VỀ TIA PORTAL
Phần mềm TIA Portal (Totally Intergrated Automation Portal) là phần mềm tự
động hóa tích hợp của hãng Siemens. Phần mềm có thể lập trình cho các dòng PLC
của hãng như S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400, thiết kế màn hình HMI, WinCC
Runtime.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 17

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng

Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

TIA Portal tích hợp công cụ mô phỏng như S7-PLCSIM, S7-PLCSIM
Advanced giúp người lập trình có thể chạy thử chương trình và chẩn đoán lỗi mà
không cần phải có thiết bị thực tế.
Tia Portal cho phép tích hợp tất cả các thành phần chính trong dự án tự động
hóa .Với phiên bản hiện tại là TIA Portal V15 được giới thiệu vào cuối năm 2017 với
nhiều công cụ tùy chọn nổi bật như Multiuser Engineering, Teamcenter Gateway,
Cloud Connector.
3.2.1. Lập trình trên TIA Portal
Sau khi khởi động phần mềm TIA Portal và tạo Project, tiến hành thêm PLC
mới với mã và thông số đúng với thiết bị thực tế.

Đặt địa chỉ IP cho thiết bị PLC

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 18

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC

S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

TIA Portal hỗ trợ lập trình bằng 3 ngôn ngữ: LAD, SCL, FBD

Các khối chương trình để lập trình bao gồm Khối tổ chức (OB), khối hàm
(FB), hàm (FC), khối dữ liệu (DB)

3.2.2. Lập trình hướng đối tượng (Object-oriented programing)
Ngôn ngữ lập trình này giải quyết các bài toán từ nhỏ tới lớn bằng cách quan
sát và tưởng tượng những hành động, đặc điểm của thực thể thật và đem vào lập trình
như một đối tượng ảo. Thể hiện qua các lớp (class), đối tượng (object) mà hành động
là các hàm (function) còn đặc điểm là các biến (variable).
Phương pháp lập trình hướng đối tượng giảm thời gian lập trình và dễ dàng
quản lí các biến dữ liệu.
Ví dụ “Bơm” đối tượng (object), có các đặc điểm như: Chế độ bằng tay/tự
động, tắt/mở, thời gian hoạt động,… là các biến (variable). Thay vì khai báo từng
biến cho từng động cơ, thì ta tạo một lớp (class) với các biến đặc điểm trên và lập
trình hoạt động bằng các hàm (function). Class đó sẽ áp dụng chung tất cả các bơm
có chung đặc điểm trên.
Với TIA Portal, có thể tạo một Class bằng một khối hàm (Function block):

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 19

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

SVTH: Võ Văn Cường

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

Trang 20

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

Khai báo các biến (variable), với Offset là địa chi của các biến.

Ví dụ Lập trình hoạt động bằng các hàm như chọn chế độ, tắt mở động cơ,
đếm thời gian hoạt động,… với ngôn ngữ SCL.
(*MANUAL*)
IF #Mode = 0 THEN
#Command := (#StartMan OR #Command) AND NOT #StopMan AND NOT
#ProtectionRelay;
END_IF;

(*AUTO*)
IF #Mode = 1 THEN
#Command := #RunCon;
END_IF;

#IEC_Timer_0_Instance(IN := #Command,
PT := t#20d);
#Runtime := #IEC_Timer_0_Instance.ET;

(*ERROR*)
#Pump_Error:=#ProtectionRelay;

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 21

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

(*FLOW*)
#FlowOut := #FlowAct;

(*WHEN PRESS EMG STOP*)
IF #EMG_SBA = 1 THEN
#Mode := 1;
END_IF;

Sau khi tạo Class cho đối tượng “Bơm”, áp dụng Class đó cho từng bơm bằng
cách đưa chúng vào chương trình điều khiển. Với mỗi “Bơm” sẽ có khối dữ liệu, địa
chỉ riêng biệt nhưng các biến đặc điểm trong đó giống nhau.

Các khối dữ liệu của mỗi “Bơm” được xác định bằng địa chỉ của khối dữ liệu
đó.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 22

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

Các biến của mỗi khối dữ liệu được xác định bằng “địa chỉ datablock” + “địa
chỉ offset biến”. Ví dụ biến “RunCon” có offset là 0.3, nằm trong khối dữ liệu
(datablock) PUMP1 [DB24] thì sẽ có địa chỉ truy xuất là : %DB24.DBX0.3

3.2.3. Lập trình Đếm xung tốc độ cao (High Speed Counter) để đo lưu
lượng nước.
PLC S7-1200 hỗ trợ các cổng đếm xung tốc độ cao với tần số tối đa lên tới
100KHz ứng dụng trong đo tốc độ encoder, đo lưu lượng từ cảm biến lưu lượng,..
CPU 1214C AC/DC/relay có 6 cổng vào đếm xung tốc độ cao (HSC) với tần
số đọc tối đa lên tới 100KHz tùy theo chế độ được cài đặt.
Sau khi kích hoạt kênh HSC ta tiến hành thiết lập. Đối với cảm biến lưu lượng
YF-S201 được sử dụng trong đồ án này, có một dây tín hiệu đưa xung ra.
Thiết lập cho cổng phát xung: Loại “đếm” (Count) , chế độ 1 pha (Single
phase), hướng đếm lên (Count up).

Công thức tính lưu lượng:
𝑆ố 𝑥𝑢𝑛𝑔 đế𝑚 đượ𝑐 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 1 𝑔𝑖â𝑦
𝑆ố 𝑥𝑢𝑛𝑔 𝑡𝑟ê𝑛 𝑙í𝑡
𝑆ố 𝑥𝑢𝑛𝑔 đế𝑚 đượ𝑐 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 1 𝑔𝑖â𝑦
=
450∗

(𝟏. 𝟏) 𝑳ư𝒖 𝒍ượ𝒏𝒈 (𝒍í𝒕⁄𝒈𝒊â𝒚) =

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 23

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

(𝟏. 𝟐) 𝑳ư𝒖 𝒍ượ𝒏𝒈 (𝒍í𝒕⁄𝒑𝒉ú𝒕) = 𝐿ư𝑢 𝑙ượ𝑛𝑔 (𝑙í𝑡 ⁄𝑔𝑖â𝑦) × 60
(*) thông số của cảm biến.
Áp dụng công thức vào lập trình, sử dụng ngôn ngữ LAD:
Timer tạo thời gian đếm xung trong 1 giây để tính lưu lượng trong 1 giây

Khối điều khiển đếm xung tốc độ cao (HSC) trong đó chú ý tới:
-

HSC: Địa chỉ kênh đếm xung, ở đây là 257 (Local HSC 1)

-

CV: Tín hiệu đặt lại bộ đếm.

-

NEW_CV: Giá trị sau khi đặt lại bộ đếm.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 24

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng


Đồ Án Tốt Nghiệp

Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC
S7-1200 có giám sát bằng WinCC và Web server

Khối công thức 1.1 và 1.2, tính lưu lượng lít/giây và quy đổi ra lưu lượng
lít/phút. Giá trị lưu lượng tính được gán vào biến Lưu lượng của Bơm.

3.2.4. Đọc thời gian thực
PLC S7-1200 tích hợp đồng hồ đếm thời gian trên phần cứng. Tiến hành cài
đặt giờ địa phương (múi giờ) trên TIA Portal.

SVTH: Võ Văn Cường

Trang 25

GVHD:Th.S Nguyễn Lê Hoàng