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

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

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I
Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN
TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS. Bùi Đăng Thảnh
Sinh viên thực hiện:
Nhóm 1:

1. Cao Ngọc Thắng

ĐK TĐH 1 – K56

2. Bùi Bình Dương

ĐK TĐH 8 – K56

3. Bùi Minh Đức

ĐK TĐH 3 – K56

1


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

A.

LỜI MỞ ĐẦU

Xử lí nước thải cơng nghiệp là một vấn đề quan trọng và chuyên biệt với
mỗi một ngành công nghiệp, đảm bảo vệ sinh môi trường và phát triển bền vững
cho kinh tế. Ngày nay, mơ hình xử lí nước thải cơng nghiệp đã có rất nhiều cải
tiến nhằm phục vụ cho mục đích quản lí và điều khiển dễ dàng hơn cho người
sử dụng. Tiêu biểu là việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong mơ hình
SCADA, mọi động tác giám sát và điều khiển người quản lý đều thực hiện thao
tác trên một chiếc PC. Chỉ cần một cái click chuột hay gõ phím đơn giản thay vi
điều khiển bằng tay tại mỗi công đoạn trong mỗi khâu xử lý. Việc này góp phần
nâng cao hiệu quả, tiết kiệm thời gian sức lực cho người sử dụng.
Trong quá trình học tập được sự giúp đỡ hướng dẫn của thầy giáo Bùi Đăng
Thảnh cũng như tham khảo thêm các tài liệu chúng em đã hoàn thành bài báo cáo.

Nội dung bài báo cáo gồm 3 phần :
Phần 1 : Tổng quan và hướng nghiên cứu đề tài
Phần 2 : Hệ thống xử lí nước thải trong công nghiệp
Phần 3 : Nghiên cứu ứng dụng SCADA vào hệ thống xử lí nước thải cơng
nghiệp.
Tuy nhiên, trong q trình làm bài khơng thể tránh khỏi có sai sót, chúng
em mong nhận được sự góp ý, nhận xét của thầy cô giáo và các bạn để bài báo
cáo có thể hồn thiện hơn nữa..
Em xin chân thành cảm ơn !!!

2


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

B.

NỘI DUNG

Đề tài: Tìm hiểu và thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước
thải cơng nghiệp
I. TỔNG QUAN HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Xử lí nước thải công nghiệp là vấn đề vô cùng quan trọng trong sản xuất
công nghiệp hiện nay bảo đảm cho sự trong sạch của môi trường và tạo sự phát
triển bền vững cho nền kinh tế. Trên thế giới, các hệ thống xử lí nước thải đã
được nghiên cứu và ứng dụng từ rất lâu, và cơng nghệ xử lí nước thải cũng ngày
càng tiên tiến và hiệu quả hơn. Có thể nói trình độ tự động hố xử lý nước thải
đã đạt mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện
được tại một trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công cụ
đơn giản, dễ sử dụng như giao diện đồ hoạ trên PC, điều khiển bằng kích
chuột,... góp phần nâng hiệu quả cho công việc quản lý điều hành dây chuyền
cơng nghệ. Ngồi ra cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn
thông, khoảng cách về không gian và thời gian đã được rút ngắn, cho phép
người vân hành có thể điều khiển từ cách xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính
PC hoặc nhận được thông tin về hệ thống thông qua sms…
SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition (Điều
khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó khơng những là một hệ thống điều khiển
đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA là kết quả của sự kết hợp
chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và và cơng nghệ tự động hóa. Các thiết bị tự
động hóa ở đây đều có khả năng truyền thơng và tham gia vào mạng truyền
thông công nghiệp.
Một hệ thống SCADA bao gồm một hay nhiều máy tính, dùng kèm với
một phần mềm ứng dụng thích hợp có thành phần cấu trúc cơ bản gồm:
Remote Terminal Unit (RTU): thiết bị đầu cuối từ xa, thực hiện các công
việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực. Các RTU được đặt ở nhiều vị
trí khác nhau để thu thập dữ liệu, điều khiển từ xa, tự điều khiển linh hoạt hệ

thống và thơng báo định kì kết quả về máy tính chủ.
Master Terminal Unit (MTU): trung tâm điều phối, thực hiện cơng việc xử lí
dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực mềm. Một trong những

3


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

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

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

4


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

MÁY TÍNH

BẢNG ĐIỀ
KHIỂN

Từ một vị trí trung tâm SCADA có thể theo dõi được các trang thiết bị đầu
cuối đơn vị từ xa RTU hoặc PLC. Các RTU có thể đo lường một loạt các thơng số
trong điều kiện đa dạng bao gồm nhiệt độ hiện tại, dòng điện, điện áp và mức
tăng... theo thời gian thực. Kết quả được lấy từ RTU qua các cảm biến khác nhau
được tích hợp bên trong. Các thành phần của cảm biến bao gồm: nhiệt độ, lưu
lượng, áp suất, cấp độ… Các dữ liệu sau đó được gửi trở lại các đơn vị thông qua
các kênh truyền thông. Các đơn vị lần lượt báo cáo lại cho các đơn vị xử lí trung
tâm CPU thực hiện các chức năng kiểm sốt và phân tích cần thiết.

5


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

Tài liệu tham khảo:
1.

Giáo trình cơng nghệ xử lí nước thải (Trần Văn Nhân, Ngơ Thị Nga

– Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật).
2.

Wastewater treatment plan SCADA application (Humoreanu, B.

Fac. of Autom. & Comput. Sci, Tech. Univ. of Cluj-Napoca, Cluj-Napoca,
Romania - Nascu, I. )
3.

Wastewater treatment with scada application (Z. Tugce OZCAN)

4.
S7-300 programmable controller installation and hardware SIEMENS
5.

Giáo trình S7-300 tiếng việt - Hà Văn Trí

6.

Wincc manual – SIEMENS

7.
Measuring, modeling and controlling the pH value – Jean-peter
Ylén
8.

Tài liệu SCADA, WINCC , STEP7 (internet)


6


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

II.
HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP
1. Khảo sát và đánh giá cơng nghệ xử lý nước thải.
Hiện nay công nghệ xử nước thải công nghiệp trên thế giới ngày càng
tiên tiến và hiện đại. Càng ngày càng có nhiều quy trình xử lí nước thải
trên thế giới. Mỗi quy trình lại tương ứng với một ngành công nghiệp,

nhà máy, phân xưởng nhất định. Đề tài này sẽ thiết kế hệ thống đo lường
và điều khiển cho hệ thống xử lí nước thải sau:

P1
NƯỚC THẢI
TỪ NHÀ MÁY
P2

Hình 1: Quy trình xử lí nước thải cơng nghiệp
TT
1
2
3
4
5
6
7

TÊN THIẾT BỊ
Bơm nước P1, P2, P3
Bơm bùn SP
Máy thổi khí B
Máy khuấy M1
Máy gạt bùn M2
Bơm hóa chất DP
Van điện tử V1, V2

Bảng 1: Danh sách thiết bị trong hệ thống xử lí nước thải nhà máy bia
7

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

Hệ thống xử lý nước thải gồm những công đoạn như sau:
Nước thải từ nhà máy được thu vào hố bơm. Từ hố bơm, bơm nước
qua song chắn rác.Mục đích là để khử tất cả tạp vật có thể gây sự cố trong
q trình vận hành như: tắc máy bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Rác vào
thùng chứa bằng cách xối liên tục hoặc cào thủ công.
Sau khi đi qua song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng làm điều
hịa lưu lượng để duy trì dịng thải khơng đổi ở cơng đoạn sau, khắc phục
những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và
nâng cao hiệu suất của quá trình ở cuối dây chuyền xử lí. Nhiệt độ nước
đo thủ công theo chu kỳ hoặc theo thời điểm cụ thể. Máy bơm sẽ bơm
nước từ bể cân bằng vào bể trung hòa và ổn định lưu lượng.
Nước thải chứa acid vơ cơ hoặc kiềm cần được trung hịa về pH trong
khoảng 7±0.2 trước khi sử dụng cho công đoạn xử lí tiếp theo bằng cách sử
dụng tác nhân hóa học. Trong q trình trung hịa sẽ có một lượng bùn tạo
thành. Lượng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải
cũng như loại và lượng các tác nhân sử dụng cho quá trình.
Các tác nhân hóa học thường sử dụng là NaOH và HCl. Khi pH
vượt ngưỡng dưới thì bơm định lượng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH
vượt ngưỡng trên thì DP bổ sung HCl vào cho máy khuấy M1 hoạt động.
Máy khuấy tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung hòa và làm đồng
đều hóa chất bổ sung với nước thải. Điều khiển pH được thực hiện thủ
công. Để đảm bảo an toàn cho cho vi sinh vật, người vận hành thường
xuyên phải đo tay độ pH đầu nguồn nước vào bể kỵ khí để đảm bảo độ
pH khơng vượt ngưỡng cho phép. Khi phát hiện pH khơng đạt u cầu thì
người vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nước khơng đảm bảo chỉ tiêu
cho cơng đoạn xử lí sinh học tiếp theo vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với

độ pH, pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo tạo men và hấp thụ chất
dinh dưỡng trong tế bào.
Sau khi trung hòa nước được xử lý tiếp bằng biện pháp sinh học để
làm sạch nước khỏi chất hữu cơ hịa tan và một số chất vơ cơ như H2S,
chất sunfit, amoni, nitơ,… Phương pháp này sử dụng vi sinh vật để phân
hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm vì chúng sử dụng chất hữu cơ để lấy
dinh dưỡng sinh trưởng. Quá trình này gọi là quá trinh oxy hóa sinh hóa.
Ở đây dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếu khí.
Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá
trình xử lí bằng phương pháp sinh học hoặc nước thải công nghiệp chứa hàm
lượng các chất hữu cơ cao. Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn
định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân hủy các chất hữu cơ. Tùy
thuộc vào sản phẩm cuối cùng người ta phân loại quá trình này thành: lên
men rượu, lên men axit lactic, lên men metan…Những sản phẩm cuối của
q trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4. Trong
8


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

cơng nghệ các chất khí (biogas) sẽ được thu hồi và đốt nhờ hệ thống thu
hồi và xử lý.
Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật
hiếu khí. Bể hiếu khí ln chứa các vi sinh vật hiếu khí. Trong cơng đoạn có
hê thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và ống dẫn khí làm nhiệm vụ cung
cấp đủ oxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải chất hữu cơ. Kết
qua hình thành các bơng sinh học có thể lắng trọng lực ở đầu ra của bể. Đối
với đa số các sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là 6,5 – 8,5. Nhiệt độ nước
thải ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa số

vi sinh vật nhiệt độ nước thải phải từ 6 – 37 độ C. Nói chung giá trị DO luôn
được đảm bảo trong khoảng cho phép nhờ cơng suất khơng đổi của máy thổi
khí theo thiết kế trừ trường hợp có sự cố.
Nước thải sau khi được xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng.
Ở đây dùng phương pháp lắng trọng lực. Trong nước chứa bùn hoạt tính
là do q trình phân giải vi sinh vật ở bể hiếu khí chứa các vi sinh vật
sống và chất rắn. Một phần bùn đưa quay lại bể hiếu khí để đảm bảo
lượng vi sinh vật cần thiết. Bể lắng có thể tích thiết kế đủ lớn để nước
được lưu thơng trong đó nhiều giờ đảm bảo q trình lắng. Do đó máy gạt
bùn, bơm hút bùn và ép bùn hoạt động liên tục (luôn bật gạt bùn M2, bơm
hút bùn SP và máy ép bùn D). Các van tay V4, V5 được mở trước ở các
chế độ mở nhất định, các mức mở này do kỹ sư vận hành thực hiện nhằm
cân bằng giữa thức ăn và vi khuẩn hiếu khí.
Đánh giá cơng nghệ xử lí:
Cơng nghệ có khả năng cho phép nước đầu ra đạt chuẩn
- Công nghệ chưa áp dụng tự động hóa, việc giám sát và điều khiển được
thực hiện thủ công dẫn đến độ tin cậy, độ ổn định, an toàn thấp.
Hiệu quả kỹ thuật kinh tế chưa cao
Yêu cầu đặt ra:
Thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển tự động (SCADA) cho hệ thống
trên.
III.
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG SCADA VÀO HỆ THỐNG
XỬ LÝ NƯỚC THẢI.
1.
Tổng quan về hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công
nghiệp.
SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition
(Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó khơng những là một hệ
thống điều khiển đầy đủ mà còn là hệ thống giám sát. Hệ thống SCADA

là kết quả của sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ thông tin và và cơng
nghệ tự động hóa. Các thiết bị tự động hóa ở đây đều có khả năng truyền
thơng và tham gia vào mạng truyền thông công nghiệp.
Để giám sát tất cả các hoạt động của hệ thống từ một trung tâm điều
khiển cần có một mạng truyền thơng để truyền tất cả các thông tin thu thập
9


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

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

đầu ra.
Communication Infrastructure (CI): kết nối RTC và PLC với hệ
thống giám sát.
Field Instrumentation (FI): đề cập đến các thiết bị đã được kết nối
với thiết bị hoặc máy móc được điều khiển và giám sát bởi hệ thống
SCADA. Đây là bộ cảm biến để giám sát thông số và truyền động cho
việc điều khiển chính xác mơ đun của hệ thống.
2.
Các chức năng của SCADA trong xử lí nước thải công nghiệp
2.1. Điều chỉnh tự động
Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác động lên
q trình cơng nghệ cần điều khiển theo một chếđộ làm việc đã định sẵn.
Mỗi q trình cơng nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc
trưng bởi một hay vài đại lượng. Một số đại lượng được duy trì khơng
đổi, một số đại lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó.
2.2.

Giám sát điều khiển

Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải
tiếp xúc với mơi trường độc hại, đi lại khó khăn và tốn thời gian. Mặt khác
nhiều trường hợp, ví dụ như sự cố hoặc mất điều khiển tự động, đòi hỏi điều
khiển tay phải kịp thời và đồng bộ, ví dụ như dừng nhanh nhiều máy bơm
đặt tại nhiều vị trí khác nhau, điều khiển cùng lúc nhiều q trình có
10


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

liên quan hệ quả với nhau. Để làm được điều này hệ thống phải có chức
năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều khiển từ Trung tâm đặt
cách dây chuyền công nghệ một khoảng cách nhất định (hàng chục đến
hàng trăm mét).
Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng là một chức năng
không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống nói chung và xử lý nước
thải nói riêng. Giám sát, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ xa là nền tảng cho
việc xây dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing
Execution System) nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội một
cách toàn diện. MES tạo ra một cầu nối thông suốt hai chiều giữa khối
quản lý và sản xuất, giúp tối ưu hóa q trình sản xuất từ khâu hoạch định
kế hoạch đến khâu sản xuất ra thành phẩm cuối cùng, cung cấp các chức
năng lập kế hoạch; quản lý nhân lực, thiết bị, nguyên vật liệu; theo dõi
quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự cố máy móc,....
2.3.

Hiển thị thơng số cơng nghệ

Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất
lượng nước, trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với
người vận hành. Việc hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các
cửa sổ, kiểu thể hiện. Màu sắc không quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu
khơng gây mỏi mắt khi nhìn lâu. Cảnh báo, báo động bằng đổi màu và
nhấp nháy liên tục để gây sự chú ý. Kiểu thể hiện đa dạng : kiểu số riêng
biệt, kiểu bảng thống kê, kiểu đồ thị trực tuyến (online trend).
2.4.

Cấu hình hệ thống

Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ

thống SCADA, chủ yếu là các giá trị đặt (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm,
ngưỡng báo động. Các tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bịđiều
khiển sau đó lại được truyền ngược lại PC để so sánh, nếu thấy khơng 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 khơng có sự cố. Chức năng này
nâng cao độ an toàn (fail-safe) của hệ thống.
2.5.

Bảo vệ tự động

Bảo vệ hệ thống máy móc, đường ống và các đối tượng khác khỏi các
sự cố được thực hiện bởi các thiết bị chuyên dụng để ngắt các bộ phận bị sự
11


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

cố. Ngồi ra các thiết bị cịn 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, khơng đúng trình tự có khả năng gây sự cố.
2.6.

Cảnh báo/Báo động

Chức năng được thực hiện bằng còi, đèn nhấp nháy trên bàn điều
khiển hoặc biểu tượng nhấp nháy trên PC, hiển thị thông báo dạng chữ trên

PC. Hệ thống đưa ra cảnh báo khi giá trị thông số vượt ngưỡng cảnh báo
sớm hoặc thông số vượt ngưỡng báo động trong giai đoạn quá độ của quá
trình điều khiển. Báo động được đưa ra khi thông số vượt ngưỡng báo động
liên tục trong khoảng thời gian nhất định (lớn hơn thời gian điều chỉnh ngầm
định) hoặc báo động sự cố đường truyền, sự cố thiết bị điều khiển, cơ cấu
chấp hành, báo động sự cố cảm biến. Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo
động ở chỗ: cảnh báo tự mất đi khi thông số hết vượt ngưỡng, trái lại báo
động sẽ tồn tại cho đến khi người vận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định
xoá bỏ trạng thái báo động. Như vậy mức độ cần chú ý của người vận hành
đối với báo động phải cao hơn cảnh báo.
2.7.

Lưu trữ, báo cáo thống kê

Lưu trữ và lập báo cáo thống kê dữ liệu về thông số chất lượng nước,
trạng thái hoạt động, sự cố, thời gian hoạt động của máy móc thiết bị, tổng
lượng nước đã xử lý, lượng hoá chất đã dùng, danh sách người đã vận hành,
bộ tham số công nghệ đã thay đổi và nhiều thông tin khác cần thiết cho các
chuyên gia công nghệ, kỹ thuật và các nhà quản lý trong việc điều chỉnh để
đạt chế độ làm việc tối ưu; phát hiện, dự báo sự cố; bảo trì thay thế kịp thời
máy móc thiết bị, điều hành sản xuất và tính tốn hiệu quả kinh tế.
3.
Thiết kế hệ thống SCADA cho quy trình xử lý nước thải cơng
nghiệp.
3.1.
Phân tích các quy trình có thể ứng dụng SCADA
Qua việc phân tích hệ thống xử lý nước thải ở phần II ta nhận thấy có
thể thiết kế lắp đặt hệ thống đo lường, điều khiển cho hệ thống xử lý nước
thải trên ở các quy trình như sau:
12

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

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

LV4

V1

LV1

P1
T1

P2

THẢI RA SƠNG HỒ
FI1
LV2

SP
BÙN KHƠ

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


13


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

3.2.

Tính tốn thơng số của thiết bị trong hệ thống

TT

Tên thiết bị

1

Bơm nước P1, P2, P3

2

Bơm bùn SP

3

Máy thổi khí B

4

Máy khuấy M1

5

Máy ép bùn D

6

Máy gạt bùn M2

7

Bơm hoá chất DP

8

Van điện từ V1, V2

9

Thiết bịđo pH1, pH2, T, DO, FL1, FL2

10

Khống chế mức LV1, LV2, LV3, LV4

11

Biến tần FI1 điều khiển P3

12

Biến tần FI2 điều khiển B

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

14


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

Lưu đồ hoạt động:

N

start
Y
Y

pH1N
N

Hết NaOH

pH1>pH_H
Y

Y

Y

Đóng van đt HCl
Hết HCl
N

Mở van đt NaOH

Đóng van điện từ NaOH

Đóng van điện từ HCl

Tính lượng NaOH cần bơm

Mở van đt HCl

Tắt M1

Bơm NaOH (bơm DP)
Bật M1

Tắt bơm DP

Tính lượng HCl cần bơm

Bơm HCl (bơm DP)
Bật M1

end

Hình 3: lưu đồ điều chỉnh pH trong bể trung hòa

15


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

Trong q trình làm việc chú ý không được phép mở cả hai van
NaOH và HCl cùng lúc. Khi muốn bơm NaOH (hoặc HCl) bắt buộc phải
mở van NaOH (HCl) trước, trái lại nếu van đang đóng thì khơng cho
phép bơm. Đây gọi là điều kiện khóa liên động để tránh hỏng bơm. Khi
vận hành có thể chọn chế độ Manual để có thể quyết định bật bơm hóa

chất. Thời gian bơm tỷ lệ thuận với lượng hóa chất bơm vào. Hoặc có thế
dùng núm điều chỉnh lượng hóa chất bơm vào nhờ dùng biến tần.

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

16


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

9.

Điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng

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

Start

Y

LV=LVHi

N
N

LV=LV_low

Y

Bật bơm P1

end

Hình 5: Điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng

17


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

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

Start

Chọn mode

Y

Giữ lưu lượng
blower

END

Hình 6: Lưu đồ điều chỉnh DO trong bể hiếu khí.
- Điều chỉnh lưu lượng vào bể kị khí.


18


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

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

Start

Chọn mode

N

END

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


19


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

- Điều khiển bơm bùn

Start

Chọn Mode

N

Mode
Y
Bật máy gạt M2
Bật bơm bùn SP
Chạy máy ép bùn D

END

Hình 8: Lưu đồ điều khiển bơm bùn

20

Điều khiển M2, SP và D
theo yêu cầu người
vận hành.


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

- Cảnh báo sự cố
Start

T1>T1_Hi or

Không CB T

pH

Không CB p

DO>DO_Hi o

DO
FL1>FL1_Hi or

FL1
Không cảnh báo lưu lượng nước