Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT VÀ NÔNG NGHIỆP
CÔNG NGHỆ CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP

Chuyên ngành: Cơ điện tử
Giảng viên hướng dẫn: ThS. Trần Thái Sơn
Sinh viên thực hiện: Dương Chí Tuấn - 16032377
Trịnh Minh Hiếu - 16031416

Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 4 năm 2020


MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO ...................................................................... v
DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO ........................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO ....................................................ix
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... x
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ..................................................................xi
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................................... 1
1.1. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam .................................................... 1
1.2. Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam ................................................................. 2
1.2. Mục đích chọn đề tài ...................................................................................................... 5
1.3. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................................... 5
1.4. Giới hạn của đề tài .......................................................................................................... 6

1.5. Các ứng dụng của đề tài ................................................................................................. 6
1.6. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................ 8
2.1. Đề xuất sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 8
2.2. Đề xuất sơ đồ khối điều khiển ........................................................................................ 9
2.3. Phương án thiết kế ........................................................................................................ 10
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................... 12
3.1. Bộ lọc đĩa ...................................................................................................................... 12
3.1.1. Cấu tạo bộ lọc đĩa................................................................................................... 12
3.1.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 13
i


3.1.3. Thông số kỹ thuật ................................................................................................... 15
3.1.4. Ưu điểm .................................................................................................................. 15
3.2. Quá trình siêu lọc.......................................................................................................... 16
3.2.1. Cấu tạo màng siêu lọc ............................................................................................ 16
3.2.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 17
3.3.3. Các chế độ lọc ........................................................................................................ 19
3.2.4. Ưu điểm .................................................................................................................. 24
3.3. Quá trình lọc thẩm thấu ngược ..................................................................................... 26
3.3.1. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược........................................................................ 26
3.3.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 27
3.3.3. Ưu điểm của lọc thẩm thấu ngược ......................................................................... 28
3.4. PLC Mitsubishi FX2N – 48MT.................................................................................... 29
3.4.1. Tổng quan về PLC ................................................................................................. 29
3.4.2. PLC FX2N-48MT của hãng mitsubishi ................................................................... 32
3.5. Mô đun FX2N – 4AD .................................................................................................... 36
3.5.1. Cấu tạo mô đun FX2N – 4AD ................................................................................. 36
3.5.2. Kết nối với PLC ..................................................................................................... 37

3.6. HMI INVT .................................................................................................................... 39
3.6.1. Tổng quan về HMI ................................................................................................. 39
3.6.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 40
3.7. Van điện từ ................................................................................................................... 41
3.7.1. Giới thiệu................................................................................................................ 41
3.7.2. Cấu tạo van điện từ ................................................................................................ 42
3.7.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 42
ii


3.8. Cảm biến áp suất .......................................................................................................... 43
3.8.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 43
3.8.2. Cấu tạo ................................................................................................................... 43
3.9. Động cơ bước ............................................................................................................... 45
3.9.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 45
3.9.2. Cấu tạo động cơ bước ............................................................................................ 46
3.10. Công tắc điện phao nước ............................................................................................ 46
3.10.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 46
3.10.2. Cấu tạo công tắc điện phao nước ......................................................................... 47
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỚNG................................................................ 48
4.1. Thiết kế hệ thống lọc .................................................................................................... 48
4.1.1. Tính toán và thiết kế bộ lọc thẩm thấu ngược ........................................................ 48
4.1.2. Lựa chọn và thiết kế màng siêu lọc ........................................................................ 51
4.1.3. Kiểm nghiệm thiết kế hệ thống bằng phần mềm WAVE của hãng Dupont. ......... 53
4.1.4. Thiết kế mô hình 3D hệ thống xứ lý nước cấp ...................................................... 57
4.1.5. Bản vẽ 2D hệ thống xử lý nước cấp ....................................................................... 59
4.2. Thiết kế hệ thống điện và lập trình ............................................................................... 60
4.2.1. Thiết kế hệ thống điện ............................................................................................ 60
4.2.2. Lập trình điều khiển hệ thống ................................................................................ 65
4.3. Thiết kế bộ van áp suất ................................................................................................. 68

4.4. Thực hiện mơ hình, mơ phỏng hệ thống ...................................................................... 69
4.5. Quy trình vận hành ....................................................................................................... 71
4.4.1. Điều khiển tự động ................................................................................................. 72
4.4.2. Điều khiển bằng tay ............................................................................................... 74
iii


CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................. 77
5.1. Kết quả đề tài ................................................................................................................ 77
5.2. Sản phẩm của đề tài ...................................................................................................... 77
5.3. Tính hiệu quả của đề tài................................................................................................ 78
5.4. Hướng phát triển đề tài ................................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 79
1. Tài liệu truyền thống ....................................................................................................... 79
2. Tài liệu điện tử ................................................................................................................. 79
PHỤ LỤC 1. KẾT QUẢ XÉT NGHIỆM MẪU NƯỚC SINH HOẠT Ở BẾN TRE ............ 80
PHỤ LỤC 2. CHƯƠNG TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ................... 82
PHỤ LỤC 3. BẢN VẼ 2D BỐ TRÍ THIẾT BỊ ...................................................................... 87

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO
Hình 1.1. Sơ đồ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức ............................................ 4
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước cấp ................................................................ 8
Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống ................................................................................ 9
Hình 3.1. Bộ lọc đĩa ................................................................................................................ 12
Hình 3. 2. Hoạt động của bộ lọc đĩa ....................................................................................... 13
Hình 3. 3.Rửa ngược bộ lọc đĩa .............................................................................................. 14
Hình 3. 4. Quy trình xử lý nước qua bộ lọc đĩa ...................................................................... 14

Hình 3. 5. Kích thước bộ lọc đĩa ............................................................................................. 15
Hình 3. 6. Màng siêu lọc là tập hợp các ống PVDF ............................................................... 16
Hình 3. 7. Nguyên lý của màng siêu lọc ................................................................................. 17
Hình 3. 8. Sơ đồ các chế độ lọc .............................................................................................. 19
Hình 3. 9. Quá trình xử lý nước qua màng siêu lọc ............................................................... 19
Hình 3. 10. Q trình rửa khí .................................................................................................. 20
Hình 3. 11. Q trình xả áp suất sau khi rửa khí .................................................................... 21
Hình 3. 12.Q trình rửa ngược phía trên ............................................................................... 21
Hình 3. 13.Q trình rửa ngược phía dưới.............................................................................. 22
Hình 3. 14. Q trình rửa xi ................................................................................................ 22
Hình 3. 15. Q trình rửa CEB phía trên ................................................................................ 23
Hình 3. 16. Q trình rửa CEB phía dưới ............................................................................... 23
Hình 3. 17. Chế độ rửa định kỳ tại chổ CIP............................................................................ 24
Hình 3. 18. Sidney Loeb và mơ hình màng áp suất thẩm thấu chậm ..................................... 26
Hình 3. 19. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược ..................................................................... 27
Hình 3. 20. Thẩm thấu và thấm rthấu ngược .......................................................................... 27
Hình 3. 21. Cấu trúc của PLC ................................................................................................. 31
Hình 3. 22. PLC Mitsubishi FX2N - 48MT - 001 .................................................................. 32
Hình 3. 23. Sơ đồ các chân của PLC FX2N – 48MT ............................................................. 33
Hình 3. 24. Sơ đồ nối source dây thiết bị ngoại vi và PLC .................................................... 36
Hình 3. 25. Mô đun FX2N – 4AD .......................................................................................... 36
v


Hình 3. 26. Màn hình HMI VT-070........................................................................................ 39
Hình 3. 27. Van điện từ ........................................................................................................... 41
Hình 3. 28. Cấu tạo van điện từ .............................................................................................. 42
Hình 3. 29. Cảm biến áp suất .................................................................................................. 43
Hình 3. 30. Cảm biến áp suất dạng áp điện trở (dạng màng) ................................................. 44
Hình 3. 31. Cảm biến áp suất kiểu tụ ...................................................................................... 45

Hình 3. 32. Động cơ bước ....................................................................................................... 46

Hình 4. 1. Quy trình xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt ........................................................ 48
Hình 4. 2. Phần mềm WAVE ................................................................................................. 54
Hình 4. 3. Cài đặt các thông số nguồn nước cấp .................................................................... 55
Hình 4. 4. Cài đặt các thông số màng UF ............................................................................... 55
Hình 4. 5. Cài đặt các thông số màng lọc RO ......................................................................... 56
Hình 4. 6. Kết quả thiết kế UF bằng phần mềm WAVE ........................................................ 56
Hình 4. 7. Kết quả thiết kế RO từ phần mềm WAVE ............................................................ 57
Hình 4. 8. Phần mềm INVENTOR thiết kế 3D ...................................................................... 58
Hình 4. 9. Mô hình 3D hệ thống nhìn từ phía trước ............................................................... 58
Hình 4. 10. Phần mềm vẽ 2D AutoCAD ................................................................................ 59
Hình 4. 11. Phần mềm thiết kế tủ điện EPLAN ...................................................................... 61
Hình 4. 12. Sơ đồ các khối của điều khiển và truyền động .................................................... 62
Hình 4. 13. Mạch truyền động ................................................................................................ 63
Hình 4. 14. Mạch điều khiển................................................................................................... 64
Hình 4. 15. Phần mềm GX Developer .................................................................................... 65
Hình 4. 16. Lưu đồ chọn chế độ hoạt động............................................................................. 65
Hình 4. 17. Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động ................................................................... 66
Hình 4. 18. Phần mềm VT Designer ....................................................................................... 67
Hình 4. 19. Thiết kế màn hình khởi động HMI ...................................................................... 67
Hình 4. 20. Sơ đồ truyền động van áp suất ............................................................................. 68
Hình 4. 21. Bộ van áp suất ...................................................................................................... 68
vi


Hình 4. 22. Hàn khung mô hình.............................................................................................. 69
Hình 4. 23. Lập trình và nạp vào PLC .................................................................................... 69
Hình 4. 24. Lắp đặt tủ điện ..................................................................................................... 70
Hình 4. 25. Lập trình và nạp cho màn hình HMI.................................................................... 70

Hình 4. 26. Màn hình cài đặt hệ thống.................................................................................... 73
Hình 4. 27. Màn hình chế độ tự động - Automatic ................................................................. 73
Hình 4. 28. Màn hình chế độ điều khiển bàng tay – Manual .................................................. 74
Hình 4. 29. Kết nối thiết bị để rửa hóa chất định kỳ ............................................................... 76

Hình 5. 1. Mô hình thử nghiệm hệ thống................................................................................ 77

vii


DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO
Bảng 1. 1. Tiêu chuẫn cấp nước theo đầu người theo TCXDVN 33:2006 ............................... 1
Bảng 1. 2. So sánh các nguồn nước và QCVN 02:2009/BYT .................................................. 2
Bảng 3. 1. Ưu điểm của lọc đĩa............................................................................................... 15
Bảng 3. 2. Ưu điểm của PLC .................................................................................................. 30
Bảng 3. 3. Đặc tính kỹ thuật của PLC FX2N ......................................................................... 33

Bảng 4. 1. Các thiết bị sử dụng ............................................................................................... 60
Bảng 4. 2. Trạng thái của các thiết bị trong từng quy trình .................................................... 71
Bảng 4. 3. Thời gian hoạt động của các quá trình .................................................................. 72

viii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO
AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

UL

UltraFiltation

Siêu lọc

RO

Reverse Osmosis

Thẩm thấu ngược

TCXDVN

Tiêu chuẫn xây dựng Việt Nam

QCVN

Quy chuẫn Việt Nam

BYT

Bộ Y Tế

PLC

Programmable Logical Controller

Chương trình điều khiển tự động
có lập trình

HMI

Human Machine Interface

thiết bị giao tiếp giữa người điều
hành và máy móc thiết bị

2D

Two Dimension

2 chiều

3D

Three Dimension

3 chiều

LAD

Ladder

Ngơn ngữ lập trình kiểu đồ họa

A/D

Analog/Digital

Chuyển đối tín hiệu tương tự/tín
hiệu số

CPU

Central Processing Unit

Đơn vị điều khiển trung tâm

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ lưu trữ tạm thời

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

EPROM

Erasable Programmable Read

Bộ nhớ chỉ đọc chương trình

Only Memory

xóa được

I/O

Input/Output

Ngõ vào/Ngõ ra

TDS

Total Dissolved Solids

Tổng chất rắn hòa tan

PVDF

Poly Vinylidene Fluoride

CEB

Chemically Enhanced Backwash

Rửa ngược bằng hóa chất

CIP

Clean in place

Chế độ rửa định kỳ

ix