Đồ án Hệ thống tự động hóa xử lý nước thải

Đồ án: Hệ thống tự động

hóa xử lý nước thải

MỤC LỤC

HỆ THỐNG TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

I. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI.5

1. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải .......................5

2. Khả năng áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia..................9

II.NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC

THẢI.......................................................................................................10

1. Mục đích áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải.....................................10

2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tựđộng hoá ...............................10

3. Thiết kế các chức năng hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải .............12

4. Lưu đồ hoạt động của hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải ...............19

5. Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tựđộng hoá ........... 30

6. Giới thiệu các thiết bị chính trong hệ thống tựđộng hoá.......................35

7. Thiết kế phần mềm SCADA (Superviser Control And Data Aquisision) cho hệthống TĐH

.................................................................................................42

III.PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ÁP DỤNG TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI51

1. Tính ưu việt của tựđộng hoá về mặt kinh tế - kỹ thuật..........................51

2. Các chỉ số về hiệu quả kinh tế của tựđộng hoá....................................51

IV.PHỤ LỤC...............................................................................................55

1. Sơđồ hệ thống điện - tựđộng hoá........................................................55

2. Mã chương trình điều khiển trên PLC....................................................55

V.TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ SỬ DỤNG..................................................65

Quy định các từ viết tắt trong tài liệu

Từ viết tắt

Viết đầy đủ

XLNT

HTXLNT

HTTĐH

ĐK

CB

Xử lý nước thải

Hệ thống xử lý nước thải

Hệ thống tựđộng hoá

Điều khiển

Cảnh báo

BĐ

Báo động

SC

Sự cố

P

Pump (bơm)

DP

SP

D

M

Dosing Pump (bơm định lượng)

Sludge Pump (bơm bùn)

Decanter (máy ép bùn)

Motor

B

FL

LV

FI

Blower (máy thổi khí)

Flow (lưu lượng)

Level (mức nước)

Frequency Inverter (Biến tần)

TỔNG QUAN VỀ TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRÊN THẾ GIỚI

Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nước thải công nghiệp đang là vấn đề vô

cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môi trường sống đồng thời góp phần vào sự phát triển

bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên thế giới. Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển

cao như Nhật, Mỹ, Anh, Pháp,... các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu và

đưa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực tựđộng hoá cũng đã được áp

dụng và đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế xã hội vô cùng to lớn.

Nhiều hãng đi đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation

(HWC), Global Industries.Inc... đã đưa ra các giải pháp công nghệ xử lý nước thải hiện đại. Những

công nghệ tựđộng hoá của các công ty hàng đầu trên thế giới nhưSIEMENS, AB, YOKOGAWA,...

được sử dụng rộng rãi trong các công trình xử lý nước thải. Có thể nói trình độ tựđộng hoá 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 trợbởi những công cụđơn 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 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 được rút ngắn, cho phép người vân hành có thểđiều khiển

từ cách xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận được thông tin về hệ thống thông qua

SMS. Hơn thế, hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải còn được tích hợp với các hệ thống điều hành ở

cấp độđiều khiển cao hơn như cấp điều hành sản xuất (manufacturing execution: workflow, order

tracking, resources), cấp xí nghiệp (enterprise:Production planning, orders, purchase) và trên cùng là

cấp quản trị (administration:Planning, Statistics, Finances) nhằm nâng cao hơn nữa mức tựđộng hoá

và tối ưu hoá quá trình sản xuất.

Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều các lý thuyết điều khiển hiện đại được áp dụng

nhưđiều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo trước (predicted control), điều khiển lai ghép

(hybrid control),... được ứng dụng trong xử lý nước thải để nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu

suất của các công đoạn xử lý. Lý thuyết hệ chuyên gia cũng được áp dụng mở ra khả năng tựđộng

hoá hoàn toàn cho xử lý nước thải[3].

I. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1. Khảo sát và đánh giá trình độ công nghệ xử lý nước thải

Khảo sát công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia

Hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia gồm nhiều công đoạn được thể hiện nhưtrên Hình 1. Hoạt

động của hệ thống như sau:

Nước thải từ nhà máy được thu gom vào hố bơm. Từ hố bơm P1 bơm nước qua song chắn rác.

Đây là bước xử lý sơ bộ. Mục đích của quá trình là khử tất cả các tạp vật có thể gây ra sựcố trong

quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc máy bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là

bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệthống. Rác tựđộng vào

thùng chứa bằng cách xối nước liên tục hoặc cào thủ công.

Sau song chắn rác, nước tự chảy vào bể cân bằng. Bể này có tác dụng điều hoà lưu lượng để duy

trì dòng thải vào gần như không đổi cho các công đoạn sau, khắc phục những vấn đềvận hành do sự

dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ởcuối dây chuyền xử lý.

Nhiệt độ nước được đo thủ công theo chu kỳ hoặc thời điểm tuỳ thuộc vào kỹ sư vận hành. Máy bơm

P2 sẽ bơm nước từ bể cân bằng vào bể trung hoà và ổn định lưu lượng.[5]

Nước thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cần được trung hoà đưa pH về khoảng 7±0.2 trước khi

sử dụng cho công đoạn xử lý tiếp theo. Trung hoà nước thải thực hiện bằng cách bổsung các tác

nhân hoá học. Trong quá trình trung hoà, một lượng bùn cặn được tạo thành. Lượng bùn này phụ

thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng các tác nhân sử dụng cho quá

trình [5]

Để trung hoà trong công nghệ này người ta sử dụng tác nhân hoá học là NaOH và HCl. Khi pH

vượt ngưỡng dưới thì bơm định lượng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH vượt ngưỡng trên thì DP bổ

sung HCl và cho máy khuấy M1 hoạt động. Máy khuấy tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng trung

hoà và làm đồng đều hoá chất bổ sung với nước thải. Điều khiển pH được thực hiện thủ công. Để

bảo đảm an toàn cho vi sinh vật người vận hành thường xuyên phải đo tay độ pH đầu nguồn nước

vào bể kỵ khí đểđảm bảo chắc chắn rằng pH không vượt ngưỡng cho phép. Khi phát hiện pH không

đạt yêu cầu thì người vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nước không bảo đảm chỉ tiêu pH cho

công đoạn xử lý sinh học tiếp sau vì các vi sinh vật rất nhạy cảm với pH, pH ảnh hưởng rất lớn đến

quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào. Nếu vi sinh vật

chết sẽ cần nhiều thời gian và kinh phí đểkhôi phục lại chúng đồng thời làm gián đoạn sản xuất [5]

Sau khi trung hoà nước được xử lý tiếp bằng các phương pháp sinh học. Người ta sử dụng các

phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi nhiều chất hữu cơ hoà tan và một sốchất vô cơ như

H²S, các chất sunfit, amoniac, nitơ…Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh

vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất

hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh

dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối

của chúng được tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá

sinh hoá [4]. Trong công nghệ sử dụng hai phương pháp là kỵ khí và hiếu khí tại các bể kỵ khí và

hiếu khí (Hình 1).

Phương pháp kỵ khí được dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương

pháp sinh học hoặc nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD=4÷5 g/l). Đây

là phương pháp cổđiển nhất dùng đểổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân huỷ các chất

hữu cơ. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, người ta phân loại quá trình này thành: lên men

rượu, lên men axit lactic, lên men metan, ...Những sản phẩm cuối của quá trình lên men là: cồn, các

axit, axeton, khí CO², H2, CH4. Trong công nghệcác chất khí (biogas) sẽđược thu hồi và đốt nhờ hệ

thống thu hồi và xử lý khí[4].

Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Bể hiếu khí luôn

chứa các vi khuẩn hiếu khí. Trong công đoạn có hệ thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và các

ống dẫn khí làm nhiệm vụ cung cấp đủ lượng ôxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải

chất hữu cơđồng thời xáo trộn làm tăng khả năng hấp thụ các chất hữu cơ của vi sinh vật đảm bảo sự

phân giải tối đa. Kết quả là hình thành các bông sinh học có thể lắng trọng lực ởđầu ra của bể. Đối

với đa số các vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu là 6.5÷8.5. Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới

0

chức năng hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa sốvi sinh vật, nhiệt độ nước thải phải từ 6÷37 C[4].

Nói chung giá trị DO luôn được bảo đảm trong khoảng cho phép nhờ công suất không đổi của máy

thổi khí theo thiết kế trừ trường hợp có sự cố (hỏng máy thổi, tắc ống dẫn khí,...) và được giám sát

thủ công. Nhiệt độ nước trong bểđo thủ công theo quy trình vận hành (định kỳ hoặc theo thời điểm

do kỹ sư vận hành quyết định).

Nước thải sau khi được xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng. Tại đây sử dụng phương

pháp lắng trọng lực. Trong nước thải vào các bể này chứa bùn hoạt tính là sản phẩm của quá trình

phân giải của vi sinh tại bể hiếu khí. Bùn hoạt tính có dạng bông màu vàng nâu, dễ lắng, kích thước

từ 3 đến 5µm. Những bông này gồm các vi sinh vật sống và chất rắn (40%). Vi sinh bao gồm vi

khuẩn, động vật bậc thấp, dòi, giun, nấm men, nấm mốc, xạkhuẩn,.... [4], một phần bùn được đưa

quay trở lại bể hiếu khí để bảo đảm đủ lượng vi sinh cần thiết. Bể lắng có thể tích thiết kếđủ lớn để

nước được lưu trong đó vài giờ, đủ thời gian cho quá trình lắng, do đó có thể xả bùn và ép bùn liên

tục (luôn bật máy gạt bùn M2, bơm hút bùn SP và máy ép bùn D). Các van tay V4, V5 được mở

trước ở các độ mở nhất định, các mức mở này do kỹ sư vận hành thực hiện nhằm đảm bảo sự cân

bằng giữa thức ăn và vi khuẩn hiếu khí.

Đánh giá trình độ công nghệ tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia

Trên cơ sở khảo sát công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia nói trên chúng tôi đưa ra đánh giá như

sau:

.

Công nghệ có khả năng cho phép chất lượng nước đầu ra đạt TCVN theo đúng quy

định (TCVN 7221:2002, TCVN 5945:1995)

.

Công nghệ chưa áp dụng tựđộng hoá, việc giám sát điều khiển được thực hiện thủcông

dẫn tới độổn định, tin cậy thấp

.

Hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội chưa cao.

Thống kê các thiết bịđiện hiện có trong dây chuyền công nghệ XLNT

Bảng 1 Danh mục thiết bịđiện hiện có

TT Tên thiết bị

Thông số kỹ thuật chính

1

2

3

4

5

6

7

8

Bơm nước P1, P2, P3

Công suất 5.5 KW

Bơm bùn SP

Công suất 2.2 KW

Máy thổi khí B

Máy khuấy M1

Máy ép bùn D

Công suất 15 KW

Công suất 2.2 KW; 60 rpm

Công suất 15 KW

Máy gạt bùn M2

Bơm hoá chất DP

Van điện từ V1, V2

Công suất 5.5 KW; 0.2rpm

Công suất 0.5 KW

Nguồn cấp 220V AC

D

BÙN KHÔ

MÁY ÉP BÙN

Hình 1 Sơđồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia hiện tại

2. Khả năng áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia

Tại nhiều quốc gia có nền công nghiệp phát triển cao (Mỹ, Nhật, Đức, Anh, Pháp,...), các hệ

thống xử lý nước thải công nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu. Nhiều hãng hàng

đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation(HWC), Global

Industries.Inc ... đã đưa ra các giải pháp công nghệ tiên tiến xử lý nước thải. Hầu hết các công nghệ

hiện đại ngày nay đều được tựđộng hoá cao, nhờđó đảm bảo năng suất, chất lượng, hiệu quả như

mong muốn.

Tại Việt Nam đã có những nhà máy xử lý nước thải hiện đại, sử dụng hoàn toàn hoặc phần lớn

các công nghệ của nước ngoài do đó mức độ tựđộng hoá cao, tuy nhiên giá thành đắt, nhiều công

nghệ không mang tính mở nên khó làm chủ hoàn toàn, chi phí nâng cấp, bảo trì rất lớn.

Qua khảo sát kết hợp nghiên cứu, tìm hiểu các hệ thống xử lý nước thải trong và ngoài nước,

chúng tôi khẳng định rằng chúng ta hoàn toàn có thể tự thiết kế và xây dựng một hệthống tựđộng hoá

hiện đại cho dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia. Bên cạnh đó, chính nhờ phát huy tối đa nội lực

trong nước chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống sẽ giảm đáng kể.

Mức độ tựđộng hoá chủ yếu phụ thuộc vào khả năng đầu tư của nhà máy, song một thiết kế hợp lý

dựa trên các chuẩn quốc tế mở sẽ cho phép linh hoạt khi lựa chọn cấu hình hệ thống cũng như nâng

cấp mức độ tựđộng hoá và mở rộng hệ thống một cách dễ dàng trong tương lai.

Hệ thống tựđộng hoá sẽ cho phép giám sát điều khiển tất cả các công đoạn xử lý nước thải từ một

Trung tâm điều khiển. Để làm được điều này cần trang bị thêm các thiết bịđo lường, điều khiển và

xây dựng thêm một số chức năng cần thiết đối với hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải hiện đại. Các

thiết bịđo lường, điều khiển nói chung rất sẵn có tại Việt Nam với nhiều đại diện của các hãng lớn

như Endress+Hauser, Yokogawa, Siemens,...Đây là một thuận lợi khi xây dựng hệ thống tựđộng

hoá.

Tóm lại:

Tựđộng hoá cho xử lý nước thải nhà máy bia là hoàn toàn khả thi về kỹ thuật và kinh tếtrong

điều kiện Việt Nam hiện nay.

II. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ TỰĐỘNG HOÁ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1. Mục đích áp dụng tựđộng hoá xử lý nước thải

Tựđộng hoá xử lý nước thải là điều cần thiết nhưng cũng không cần phải chạy đua theo mốt, mà

phải phân tích rõ mục đích của tựđộng hoá và đặc biệt phải chú ý: vì sao phải tựđộng hoá và cho

ai?[1]

Cải thiện điều kiện làm việc: Mục đích đầu tiên của tựđộng hoá là phải loại bỏ công việc lặp lại và

khó nhọc cho việc vận hành, ví dụ: liên tục theo dõi, kiểm tra nhiều thông số công nghệ, tắt bật cơ

cấu chấp hành, ghi chép số liệu, sự cố,...Tựđộng hoá và giám sát bằng máy tính làm tiện lợi thêm

khả năng khống chế từ xa một số lượng lớn các thông tin, đơn giản hoá nhiệm vụ khai thác, giám sát

và quản lý.[1]

Nâng cao hiệu quả của thiết bị: Trước hết ta có thể cải thiện chất lượng xử lý nước bằng các thiết

bịđo và điều chỉnh . Ví dụ nhưđịnh lượng chất phản ứng, mức độ ô xy hoá, kiểm tra nhiệt độ các bể

phản ứng…Tựđộng hoá quá trình cho phép giải phóng con người và làm tăng tốc độ tin cậy của hệ

thống. Nhưng mục tiêu quan trọng là nâng cao độ chắc chắn vận hành của thiết bị có tính đến các

tiêu chuẩn độ tin cậy qua việc nghiên cứu các sự cố vận hành. Nghĩa là dự phòng các phương án để

thiết bị có thể làm việc liên tục trong trường hợp bịhỏng hóc một bộ phận nào đó bằng cách đưa

tựđộng các thiết bị dự phòng vào làm việc và giải quyết hỏng hóc. Tựđộng hoá cho phép việc nghiên

cứu thống kê các dữ liệu đã thu được, mở ra con đường tối ưu của việc xử lý.[1]

Tăng năng suất lao động: Tựđộng hoá nhằm nâng cao năng suất bằng cách giảm chi phí vận hành.

Ta cũng có thể tối ưu hoá giá thành năng lượng chi phí hàng giờ và chi phí vật liệu. Giảm nhân công

vận hành và giảm công việc bảo dưỡng cũng cho phép giảm giá thành.[1]

Trợ giúp việc giám sát: Nó bao gồm việc lắp đặt bộ biến đổi, phát hiện báo động, đặt các phương

tiện ghi các dữ liệu và truyền đi xa cho đến nơi giám sát bằng máy tính. Tựđộng hoá không có mục

đích riêng, mức độ phức tạp của thiết bị phải đáp ứng điều kiện của nhà máy và đối tượng xử lý.

Tựđộng hoá chỉ xem như một bộ trợ giúp, không ép buộc. Một trong những hậu quả của một hệ

thống tựđộng không chắc chắn là khi “mất nhớ” nó không tiếp xúc trực tiếp được với quá trình công

nghệđược nữa. Tuy nhiên những ưu điểm của nó quá rõ ràng nếu thiết bịđược một chuyên gia về xử

lý nước thải thiết kế và vận hành thực hiện.[1]

2. Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tựđộng hoá

Hệ thống tựđộng hoá có thể chia làm hai phần: hệ thống thông tin và hệ thống điều khiển.

Hệ thống thông tin có nhiệm vụ thực hiện các chức năng thông tin. Các chức năng này cho phép

giám sát quá trình công nghệ: cụ thể là thu thập, bảo quản, thống kê và ghi lại các thông tin đã diễn

ra của quá trình điều khiển, cần cho dự báo trước các tình huống sự cố hay thông tin về sự thay đổi

yêu cầu đặt trước của quá trình[1].

Hệ thống điều khiển dùng để tạo ra và thực hiện các tác động điều khiển dựa trên các nguyên lý

điều khiển các đại lượng phụ thuộc của quá trình công nghệ; thực hiện điều khiển

tối ưu; bằng các phương tiện tựđộng thực hiện các thao tác logic và theo chương trình đối với các

phần tử phân tán (điều khiển phân tán các cơ cấu chấp hành , các liên động sự cố, khởi động và dừng

hệ thống máy ...).[1].

Đối với mỗi hệ thống tựđộng điều khiển quá trình công nghệ không nhất thiết phải thực hiện tất cả

các chức năng kể trên. Một số các chức năng không thích hợp với đối tượng công nghệ này lại có thể

thích hợp với đối tượng công nghệ trong hệ thống điều khiển ở mức cao hơn. Hệ thống tựđộng điều

khiển quá trình công nghệ thực chất là điều khiển tập trung quá trình đó nhờ các phương tiện kỹ

thuật điều khiển tựđộng.[1].

Vấn đềđo lường từ xa các thông số của hệ thống công nghệ là rất quan trọng. Các thông sốcần đo

có thể kểđến như: mực nước trong các bể chứa, trong các buồng đầu vào công trình, lưu lượng, các

chỉ số chất lượng nước như pH, T, DO,.... Các thiết bị cho tín hiệu từ xa giúp người điều khiển nhìn

nhận được toàn cảnh về trạng thái làm việc của các thiết bị. Các thiết bị hiện trường truyền về Trung

tâm điều khiển các tín hiệu sau đây: tín hiệu về tắt sự cố, vềhỏng hóc các thiết bịđiều khiển hay của

các thiết bị phụ trợ (quạt, máy bơm ...), giá trị sự cốcủa các thông số công nghệ, sự trục trặc điều tiết

chất phản ứng ....[1].

Các phòng trong Trung tâm điều khiển thường được sắp xếp liền kề nhau, phòng có diện tích lớn

là phòng điều khiển chính có đặt các tủ nhiều thiết bị có bàn ghế của người vận hành. Đằng sau tủ là

các bộ phận cung cấp nguồn, điều khiển xa và các đầu vào của cáp. Trong Trung tâm điều khiển, các

tủ, trạm đặt thiết bịđiều khiển cần được sắp xếp như thế nào đểngười điều khiển từ chỗ ngồi làm việc

có thể bao quát được tất cả các dụng cụđo lường và các tín hiệu. Kết cấu các tủ và trạm điều khiển

yêu cầu phải đơn giản nhưng cho khả năng lắp ráp dụng cụ một cách dễ dàng hoặc có thể thực hiện

đổi chỗ chúng khi cần thiết. Trên sơđồbằng các ký hiệu tương ứng làm tái hiện lại các tín hiệu truyền

từ xa, đánh dấu trạng thái tác động của các máy bơm, của khoá van, của các cầu giao dầu và các thiết

bị khác. Bằng sự thay đổi màu sắc, ánh sáng và kim quay chỉ trạng thái của đối tượng. Khi có các tín

hiệu cảnh báo, báo động cần cho ánh sáng đèn nhấp nháy..[1].

Với tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ tựđộng các phương tiện điều khiển ngày một

hiện đại hơn, có độ chắc chắn, tinh vi trong công tác lại có kích thước thu nhỏ. Rất tiện ích về nhiều

mặt. Điều đó đạt được khi các quá trình công nghệđược điều khiển bằng các thiết bị vừa tính toán

vừa điều khiển lại vừa có khả năng tựđộng lập trình gọi là thiết bị tựđộng lập trình công nghiệp (máy

tính PC và các thiết bị tựđộng khả trình PLC) và chúng được lắp đặt làm việc trong mạng riêng gọi

là mạng công nghiệp. Nhờ có mạng truyền thông công nghiệp mà điều hành, quản lý giám sát một

nhà máy, xí nghiệp nói chung hay một quá trình công nghệ nói riêng thu được nhiều kết quả tốt

hơn..[1].

Chúng ta cũng biết rằng công nghệ làm sạch nước thải rất phức tạp, vì trong đó có nhiều quá trình

khác biệt nhau xảy ra… Mặt khác các quá trình đó về phương diện công nghệ cũng còn nhiều vấn đề

chưa được nghiên cứu thấu đáo. Nước thải là một môi trường luôn thay đổi về thành phần cấu tạo

bởi các hợp chất và lưu lượng: lại có độẩm, độ kết dính, độ ô xít hoá, nhiệt độ biến đổi nên gây nhiều

khó khăn phức tạp cho việc áp dụng tựđộng hoá. Cụ thể nhưta không thể sử dụng các thiết bị tựđộng

đã sản xuất hàng loạt lưu hành trên thị trường nhưcho tựđộng hoá các môi trường bình thường khác,

mà phải chọn các thiết bị tựđộng hoá chuyên sử dụng cho tựđộng hoá ở môi trường đặc biệt như

nước thải. Các loại cảm biến này phải chống chọi được những ảnh hưởng khắc nghịêt của môi

trường ô xy hoá cao, có độđậm đặc các loại rác bẩn vô cơ và hữu cơ, có thể có nhiệt độ cao….[1].

Với một đối tượng luôn thay đổi là nước thải (lưu lượng, mức độ bẩn, nồng độ các chất bẩn,

lượng bùn hoạt tính…), lại có những hạn chế về phía công nghệ nên việc đưa công trình vào làm

việc ở chếđộ tối ưu về cả kỹ thuật lẫn kinh tế là một nhiệm vụ nan giải. Vì vây, khi tựđộng hoá các

quá trình xử lý nước thải, chếđộ công nghệ luôn cần được dịch chỉnh sao cho theo sát gần với các

điều kiện thay đổi của môi trường. Như vậy nhiệm vụ của tựđộng hoá các công trình xử lý nước thải

đã được hiện ra rõ nét là: tổ chức việc điều khiển, kiểm tra, bảo vệ, cho tín hiệu tựđộng về sự làm

việc của các công trình công nghệ từ một Trung tâm điều khiển sao cho công trình xử lý nước thải có

hiệu quả cao. Tuỳ thuộc vào qui mô của trạm xử lý (công suất thiết kê, kết cấu của công trình) và đặc

tính của nước thải cần xử lý mà chọn khối lượng và mức độ tựđộng hoá cho phù hợp về mặt kinh tế

(tựđộng hoá từng phần hay toàn phần).[1].

Trong các trạm điều khiển được trang bị nhiều sơđồ của quá trình công nghệ xử lý nước thải. Các

sơđồ này phải chỉ rõ được trạng thái làm việc của tất cả các công trình, máy móc mà nó điều khiển

(trạng thái "làm việc", "dừng máy", hay "sự cố"). Ngoài ra các sơđồđó phải cho khả năng theo dõi dễ

dàng các tín hiệu; đơn giản hoá và giảm các sai sót trong việc điều khiển. Để tiện cho việc theo dõi,

kiểm tra công tác của các thiết bị máy móc, ở các trạm điều khiển đặt cách xa công trình nên sử dụng

thiết bị truyền hình công nghiệp..[1].

Ngày nay khoa học công nghệ mỗi ngày một phát triển. Trong việc áp dụng tựđộng hoá vào việc

điều khiển, kiểm tra, bảo vệ các công trình công nghệđã gặt hái được những thành quảđáng ca ngợi.

Trong các hệ thống điều khiển người ta đã sử dụng các block logic hay các máy tính điện tử có thiết

bịđo lường từ xa các thông tin ở dạng tín hiệu tương tự hoặc dạng số rất tiện ích, đã có các thiết bị

gọi là thiết bị tựđộng lập trình công nghiệp ra đời (API) hơn hẳn các bộđiều chỉnh trước đây, có khả

năng tính toán và điều khiển; có thể kết nối với đối tượng điều khiển qua các cảm biến điện tử có độ

tin cậy cao với cơ cấu chấp hành và các thiết bị ngoại vi khác (màn hình, phím lập trình, thẻđiện tử,

mạng thông tin…). Cũng đã có các API có khả năng điều khiển quá trình đồng thời với nhiều thông

sốđầu vào biến đổi với các qui luật khác nhau. Các API có khả năng làm việc trong điều kiện khắc

nghiệt về môi trường. Sự xuất hiện của thiết bị tựđộng lập trình công nghiệp đã mở ra những triển

vọng tốt đẹp trong việc áp dụng tựđộng hoá vào điều khiển các công trình xử lý nước thải..[1].

3. Thiết kế các chức năng hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải

Đểđạt được mục đích cũng nhưđáp ứng các yêu cầu nói trên, hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải

cần có những chức năng cơ bản sau đây:

a) Điều chỉnh tựđộng

Điều chỉnh tựđộng là sử dụng các thiết bị tựđộng để tác động lên quá trình công nghệ cần điều

khiển theo một chếđộ làm việc đã định sẵn. Mỗi quá trình công nghệ xảy ra trong đối tượng điều

chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại lượng. Một sốđại lượng được duy trì không đổi, một sốđại

lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó.[1]

Đây là một trong những chức năng quan trọng nhất quyết định đến mức độ tựđộng hoá. Trong dây

chuyền xử lý nước thải nhà máy bia có ba khâu điều chỉnh tựđộng là điều chỉnh pH tại Bể trung hoà,

lưu lượng nước vào Bể kỵ khí và DO tại bể hiếu khí.

b) Giám sát điều khiển có khoảng cách hoặc từ xa

Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải tiếp xúc với môi trường độc

hại, đi lại khó khăn và tốn thời gian. Mặt khác nhiều trường hợp, ví dụ như sự cốhoặc mất điều khiển

tựđộng, 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 quá trình có liên quan hệ quả với nhau. Để làm

được điều này hệ thống tựđộng hoá phải có chức năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều

khiển từ Trung tâm đặt cách dây chuyền công nghệmột 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 tựđộng hoá 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 quá 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,....

Ngoài ra, điều khiển từ xa còn cho phép giảm đáng kể số lượng chuyên gia công nghệ, kỹthuật

cần thiết cho vận hành, bảo trì hệ thống tựđộng hoá. Một nhóm chuyên gia có thểđiều hành cùng lúc

cả mạng lưới các nhà máy xử lý nước thải tại nhiều nơi trong thành phố, nhiều tỉnh mà không cần

đến tận nơi. Đặc biệt, ngày nay mạng Internet toàn cầu đã rút ngắn khoảng cách về không gian và

thời gian khiến cho khó ai có thể tin được từ cách xa hàng nghìn km vẫn có thể giám sát, điều khiển

thậm chí chuẩn đoán, sửa lỗi, nạp lại chương trình cho thiết bịđiều khiển từ bất kỳđịa điểm nào trên

thế giới,... nhưng đó là sự thực!!!

Hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải nhà máy bia có chức năng giám sát điều khiển có khoảng

cách (từ Trung tâm điều khiển) và từ xa (qua mạng LAN hoặc Internet) các máy bơm, máy khuấy,

máy gạt bùn, ép bùn, thổi khí, van điện từ và các thông số công nghệ

c) Hiển thị thông số công nghệ

Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước, trạng thái thiết bị,

sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành. Việc hiển thịđược 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 không gây

mỏi mắt khi nhìn lâu. Cảnh báo, báo động bằng đổi màu và nhấp nháy liên tục để gây sự chú ý. Kiểu

thể hiện đa dạng : kiểu số riêng biệt, kiểu bảng thống kê, kiểu đồ thị trực tuyến (online trend).

d) Cấu hình hệ thống

Chức năng này dùng đểđặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống tựđộng hoá, chủ yếu

là các giá trị chủđạo (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng báo động. Các tham sốđặt sẽđược

truyền từ PC xuống thiết bịđiều khiển sau đó lại được truyền ngược lại PC đểso sánh, nếu thấy

không trùng nhau thì báo động, trái lại chứng tỏ rằng việc truyền và xử lý dữ liệu chính xác, đường

truyền và thiết bịđiều khiển không có sự cố. Chức năng này nâng cao độ an toàn (fail-safe) của hệ

thống.

e) Bảo vệ tựđộng

Bảo vệ hệ thống máy móc, đường ống và các đối tượng khác khỏi các sự cốđược thực hiện bởi

các thiết bị chuyên dụng để ngắt các bộ phận bị sự cố. Ngoài ra các thiết bị tựđộng

còn thực hiện chức năng liên động tựđộng, 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 sựcố và liên động

cấm chỉ.

Liên động sự cố dùng đểđiều khiển bảo vệ (ví dụ: điều khiển dừng) một nhóm máy móc thiết bị

có liên quan khi sự cố xảy ra

Liên động cấm chỉ loại trừ khả năng điều khiển sai, không đúng trình tự có khả năng gây sự cố.

f) 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, gửi tin nhắn tới điện thoại di động của những

người có trách nhiệm thông qua dịch vụ tin nhắn SMS. 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 cốđường truyền, sự

cố thiết bịđiều khiển, cơ cấu chấp hành, báo động sựcố cảm biến. Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo

động ở chỗ: cảnh báo tự mất đi khi thông sốhết 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.

g) 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 nghệđã 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 đểđạt chếđộ làm việc tối ưu;

phát hiện, dự báo sự cố; bảo trì thay thế kịp thời máy móc thiết bị; điều hành sản xuất và tính toán

hiệu quả kinh tế.

Một số chức năng mở rộng trong tương lai

h) Điều khiển dự phòng

Sự cố của hệ thống tựđộng có thể gây ra những tổn thất vô cùng lớn (do chi phí khởi động lại, do

dẫn đến hỏng thiết bị, hỏng sản phẩm,..), thậm chí gây nguy hiểm tới tính mạng con người. Trong

dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học, vi khuẩn nếu bị chết sẽđòi hỏi

nhiều thời gian và kinh phí để phục hồi, mặt khác nếu thiết bịđiều khiển bị hỏng thì phải điều khiển

tay, khó chính xác, do đó điều khiển dự phòng là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều

khiển. Xây dựng hệ thống có điều khiển dự phòng sẽ làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, nhưng với lựa

chọn giải pháp hợp lý cùng với thiết kế ban đầu có khả năng mở rộng sẽ làm cho việc nâng cấp thành

hệđiều khiển dự phòng ít tốn kém mà vẫn có hiệu quả. Chúng tôi lựa chọn điều khiển dự phòng mềm

(Software Redundancy) hay còn gọi là dự phòng ấm (Warm Standby) cho CPU điều khiển vì vừa

đáp ứng yêu cầu công nghệ vừa có giá thành rẻ, phù hợp với điều kiện Việt Nam

i) Hỗ trợ quyết định hoặc hệ chuyên gia

Số lượng thông số chất lượng nước cần đảm bảo đạt TCVN là vài chục (TCVN 5945:1995 có

khoảng 30), tuy nhiên do trình độ công nghệ, do bản chất thông số, do điều kiện kinh tế

nhà máy không cho phép đo tức thời được tất cả các thông số cần cho hệ thống điều khiển. Chỉ một

vài thông số như pH, T, DO, Turbidity, NO³,... được đo và điều khiển tựđộng, các thông số khác

phải dùng máy phân tích, có thông sốđòi hỏi thời gian phân tích lâu như BOD⁵cần tới 5 ngày. Mặt

khác chất lượng nước đầu vào nói chung là không ổn định, phụ thuộc vào thời gian, thời tiết, vào

hoạt động của nhà máy do đó cần hiệu chỉnh lại tham số công nghệ là cần thiết.

Đểđiều chỉnh tham số công nghệ, sau khi phân tích chất lượng nước, chuyên gia công nghệ sẽ căn

cứ vào chỉ số chất lượng nước đầu vào và đầu ra đểđiều chỉnh lại các thiết bị cho hợp lý (điều chỉnh

bơm định lượng hoá chất, thời gian phản ứng, thời gian lắng,....). Tuy vậy việc điều chỉnh này mang

tính chủ quan và phụ thuộc nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của chuyên gia. Chính vì vậy chức

năng hỗ trợ quyết định sẽđưa ra các bộ tham số có tính chất gợi ý cho người vận hành khi điều chỉnh

(điều chỉnh xung quanh giá trị gợi ý), đồng thời nếu bộ tham sốđiều chỉnh đem đến chất lượng nước

đầu ra đạt yêu cầu thì người vận hành có thểlưu lại trong cơ sở dữ liệu tạo ra kho kinh nghiệm cho

các lần điều chỉnh sau. Ở mức cao hơn, hệ chuyên gia sẽ thay cho một chuyên gia công nghệđể

tựđộng phát sinh ra bộ tham sốđiều chỉnh và tự học.

Hình 2 là sơđồ tổng kết các chức năng của hệ thống tựđộng hoá. Để thực hiện các chức năng trên Hệ

thống TĐH cần có thêm một số thiết bị bổ sung. Dây chuyền công nghệ áp dụng tựđộng hoá và danh

mục các thiết bịđiện - tựđộng hoá tại hiện trường thể hiện tương ứng trong Hình 3 và Bảng 2

Hình 2 Sơđồ chức năng hệ thống tựđộng hoá

Điều chỉnh DO

Giám sát, điều khiển động cơ

Giám sát, điều khiển van

Giám sát, điều khiển thông số nước

Nhập giá trị chủđạo (setpoint)

Nhập ngưỡng cảnh báo/báo động

Nhập các thông số khác của hệ thống

Bảo vệ liên động tựđộng sự cố

Bảo vệ liên động cấm chỉ

Cảnh báo sớm

Báo động sự cố

Giải trừ sự cố

Lưu trữ, báo cáo thông số chất lượng nước

Lưu trữ, báo cáo sự cố, cảnh báo, báo động

Lưu trữ, báo cáo thông số cần cho quản lý

D

BÙN KHÔ

MÁY ÉP BÙN

Hình 3 Sơđồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy bia sau khi áp dụng tựđộng hoá

Bảng 2 Danh mục thiết bịđiện - tựđộng hoá tại hiện trường của hệ thống TĐH XLNT

TT Tên thiết bị

Thông số kỹ thuật chính

Công suất 5.5 KW

1

2

3

4

5

6

7

8

Bơm nước P1, P2, P3

Bơm bùn SP

Công suất 2.2 KW

Máy thổi khí B

Máy khuấy M1

Máy ép bùn D

Công suất 15 KW

Công suất 2.2 KW; 60 rpm

Công suất 15 KW

Máy gạt bùn M2

Bơm hoá chất DP

Van điện từ V1, V2

Công suất 5.5 KW; 0.2rpm

Công suất 0.5 KW

Nguồn cấp 220V AC

9

Thiết bịđo pH1, pH2, T1, T2, DO, FL1, FL2

Khống chế mức LV1, LV2, LV3, LV4

Biến tần FI1 điều khiển P3

Mức bảo vệ IP65-68

10

11

12

Công suất 5.5 KW

Công suất 15 KW

Biến tần FI2 điều khiển B

4. Lưu đồ hoạt động của hệ thống tựđộng hoá xử lý nước thải

Điều chỉnh pH trong Bể trung hoà

Lưu đồđiều chỉnh pH được hiển thị trên Hình 4. Để tiết kiệm chi phí mua thiết bị, chỉdùng một

bơm định lượng. Khi pH<pH_Low (ngưỡng điều khiển dưới), đóng van HCl, nếu còn NaOH thì mở

van NaOH, tính lượng bơm đểđiều khiển bơm đạt lượng cần, bật bơm NaOH và máy khuấy. Trái lại

nếu pH>pH_Hi (ngưỡng điều khiển trên), đóng van NaOH, nếu còn HCl thì mở van HCl, tính lượng

bơm đểđiều khiển bơm đạt lượng cần, bật bơm HCl và máy khuấy. Điều khiển theo luật PID sử dụng

PID mềm kiểu điều khiển liên tục hoặc điều khiển tạo xung.[6]

Khi điều khiển tay, không cho phép mở cùng một lúc hai van NaOH và HCl (liên động cấm chỉ).

Khi muốn bơm NaOH bắt buộc phải mở van NaOH trước, trái lại nếu van đang đóng thì không cho

phép bơm. Tương tựđối với bơm HCl. Đây chính là điều kiện khoá liên động để tránh hỏng bơm.

Điều kiện liên động này được đặt trong PLC. Khi chếđộ là Manual thì người vận hành có thể tự

quyết định bật bơm hoá chất bao lâu để pH đạt yêu cầu (lượng hoá chất tỷ lệ với thời gian mở bơm).

Nếu bơm hoá chất dùng biến tần thì có thể thiết kế núm điều chỉnh mịn cho lượng hoá chất trên bàn

điều khiển hoặc HMI.

Điều khiển khoá liên động đối với pH

Lưu đồđiều khiển khoá liên động đối với pH thể hiện trên Hình 5. Đối với trường hợp giá trị pH2

vượt ngưỡng, nếu đặt chếđộ là Manual thì người vận hành sẽ quan sát biến động pH trên màn hình.

Khi pH2 vượt ngưỡng thì người vận hành sẽ tự quyết định đưa ra lệnh điều khiển cho PLC để tắt các

bơm P1, P2, P3. Nếu chếđộ là Auto thì PLC sẽ tựđộng tắt các bơm P1, P2, P3 nếu các khoá liên

động được khoá, trái lại bơm vẫn hoạt động bình thường. Có nhiều khoá liên động phụ cho phép

người vận hành lựa chọn bơm cần tắt khi có sự cố. Việc cho phép bơm hoạt động trở lại và hết báo

động chỉ khi đã bấm nút giải trừ sự cố trên bàn điều khiển.

Trong lưu đồ biến SC (sự cố) chỉđược chương trình trên PLC cho =1 duy nhất 1 lần khi pH2 vượt

ngưỡng và chương trình chỉđưa biến này về 0 khi tín hiệu từ nút giải trừ sự cốđưa về PLC là =1. Còn

nếu không thì cho dù pH2 sau đó có không 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 công đoạn Bể trung hoà, từđó

kiểm tra xem khâu điều khiển pH có vấn đề gì không (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 trừđể xoá bỏ sự cốđi.

Như vậy sau một khâu điều khiển nào đó mà kiểm tra thấy thông sốđiều chỉnh vẫn không đạt yêu cầu

thì phải ngừng bắt buộc một sốthiết bịđểđảm bảo an toàn.

Hình 4 Lưu đồđiều chỉnh pH trong Bể trung hoà Hình 5 Lưu đồđiều khiển khoá liên động đối với

pH

Điều chỉnh DO trong Bể hiếu khí

Lưu đồđiều chỉnh DO được hiển thị trên Hình 6. Thiết bịđo DO sẽđưa giá trị phản hồi cho vòng

điều khiển kín trong chương trình PLC. PLC sẽđưa ra tín hiệu điều khiển (dòng 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 nhờđiều chỉnh DO vừa đủ yêu cầu, trái với trường hợp không có điều chỉnh DO có thể quá lớn

không cần thiết.

Nếu DO không đạt yêu 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.

Hình 6 Lưu đồđiều chỉnh DO trong Bể hiếu khí

Điều chỉnh lưu lượng vào Bể kỵ khí

Đểđiều chỉnh lưu lượng (Hình 7) chỉ cần đặt trước giá trịđầu vào (dòng hoặc áp) cho biến tần,

trong biến tần tích hợp sẵn bộđiều khiển PID đểđiều chỉnh ổn định tốc độđộng cơ bơm, nhờđó ổn

định lưu lượng theo giá trị chủđạo (setpoint). Sử dụng biến tần sẽ tiết kiệm điện vì biến tần có sẵn

chức năng tựđộng điều chỉnh công suất động cơ theo phụ tải. Nếu lưu lượng không đạt thì P1, P2

hoặc P3 có sự cố hoặc đường ống có sự cố và cần báo động.

Hình 7 Lưu đồđiều chỉnh lưu lượng vào Bể kỵ khí

Điều khiển bơm P1 vào Bể cân bằng

Lưu đồđiều khiển bơm P1 vào bể cân bằng được hiển thị trên Hình 8. Ở chếđộ Auto bơm P1

sẽđược điều khiển tựđộng tắt/bật theo mức nước trong bể cân bằng. Ở chếđộ Manual việc tắt/bật P1

hoàn toàn do người vận hành quyết định

Hình 8 Lưu đồđiều khiển bơm P1

Cảnh báo sự cố

Lưu đồ cảnh báo sự cốđược hiển thị trên Hình 9 và Hình 10. Các cảnh báo gồm hai loại: cảnh báo

vượt ngưỡng (phát hiện bằng cách so sánh giá trị thiết bịđo với ngưỡng đặt trước trong chương trình)

và cảnh báo theo thiết bị khống chế dạng tiếp điểm (ví dụ: van phao). Trong dây chuyền công nghệ

có các cảnh báo cho các thông số sau: T, pH, DO, lưu lượng, mức nước, mức hoá chất.

Báo động sự cố

Lưu đồ báo động sự cốđược hiển thị trên Hình 11. Việc Kiểm tra phát hiện sự cốđược thực hiện

bằng các phương pháp sau:

.

PP1 : Bằng thiết bị chuyên dụng như các thiết bị bảo vệ và báo động sự cốđộng cơ,

bơm,...

.

PP2: Xây dựng mạch phụ trợ riêng phục vụ báo động và bảo vệ liên động

PP3: Bằng chương trình kết hợp tín hiệu phản hồi

Trong đó PP3 là đơn giản nhất, được thực hiện theo nguyên tắc so sánh kết quảđầu ra thực tế của

quá trình điều khiển với giá trị yêu cầu. Ví dụ: nếu người vận hành hoặc chương trình ra lệnh điều

khiển bật động cơ nhưng tín hiệu phản hồi (từ mạch phụ trợ hoặc thiết bịđo nhưđo tốc độ,...) báo

động cơ tắt thì báo động sự cố. Tuy nhiên PP3 có nhược điểm là nếu thiết bịđiều khiển (PLC) hỏng

thì không thể báo động được, do đó cần kết hợp cả 3 phương pháp và thậm chí cảđiều khiển dự

phòng để tăng độ tin cậy.

Hình 9 Lưu đồ cảnh báo sự cố-1

Điều khiển bơm bùn

Lưu đồđiều khiển bơm bùn thể hiện trên Hình 12.

5. Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tựđộng hoá

a) Yêu cầu lựa chọn công nghệ

Công nghệ hệ thống tựđộng hoá được lựa chọn trên cơ sở sau:

.

Hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tựđộng hóa đồng thời

thiết bị, vật tư phải thông dụng trên thị trường Việt Nam để thuận tiện trong bảo hành, thay thế, sửa

chữa khi có sự cố.

.

Hệ thống phải dễ dàng mở rộng, hỗ trợ nối ghép với các hệ thống khác thông qua các

mạng công nghiệp thông dụng đã được chuẩn hóa theo các chuẩn hóa quốc tế (nhưProfibus,

Industrial Ethernet, ...) khi cần thiết sau này.

.

Phần mềm điều hành hệ thống được xây dựng trên nền hệ SCADA mở, hỗ trợ nhiều

chuẩn thông dụng hiện nay trên thế giới.

.

Đầu đo và các cơ cấu chấp hành cần được lựa chọn đảm bảo môi trường, điều kiện làm

việc đặc biệt trong xử lý nước thải. Cụ thể cần sử dụng các loại đầu đo chuyên dụng, thiết kếđúng

cho các ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải với các tiêu chuẩn bảo vệ cao (ít nhất IP65, chủ yếu

IP67/IP68).

b) Các thành phần hệ thống tựđộng hoá và lựa chọn công nghệ

Hệ thống điều khiển tựđộng bao gồm các thành phần chính sau:

.

Tủđiện cấp nguồn động lực và điều khiển.

Trạm điều khiển tựđộng.

Trạm máy tính.

Bàn điều khiển bằng tay

Khối các thiết bịđo, transmitter.

.

Cơ cấu chấp hành (động cơ, van điện).

Tủđiện cấp nguồn động lực và điều khiển

Tủđiện cấp nguồn động lực và điều khiển gồm các thành phần chính sau:

.

Các bộ cầu chì, cầu dao, aptomat, rơle nhiệt.

Các thiết bịđo điện, đèn chỉ thị, đồng hồ von kế và ampe kế

Các thiết bị chuyển dòng.

Tất cả các thiết bị trong Tủđiện cấp nguồn có cùng dạng thiết kế, bền, làm từ thép, cơ cấu chuyển

mạch đáp ứng các tiêu chuẩn về cung cấp điện và có sơđồ, tài liệu chi tiết kèm theo. Các thanh

chuyển làm bằng đồng, có trang bị phần bao bọc bên ngoài.

Các cơ cấu chuyển mạch được gắn trong cửa, có nhãn nhận dạng. Các nhãn mác phía dưới của

cửa tủđiện sẽ cung cấp các dữ liệu: mức điện áp, dòng điện, tần số, dòng ngắn mạch, mức độ dòng

của thanh chuyển mạch chính và phân loại bảo vệ. Tủđiện được sơn tĩnh điện chống ăn mòn và trang

bị quạt thông gió. Các thiết bị, vật tư chủ yếu lựa chọn có xuất xứ từNhật hoặc G7. Tủ sẽ do Việt

Nam thiết kế chế tạo vỏ, đi dây và lắp đặt.

Trạm điều khiển tựđộng

Trạm điều khiển tựđộng là đầu não của toàn bộ hệ thống. Tại đây toàn bộ các thông tin đo lường

từ các thiết bịđo, cơ cấu chấp hành, trạng thái hệ thống được kiểm soát chặt chẽ, xử lý, tính toán và

ra các lệnh điều khiển kịp thời, trực tiếp tới từng đối tượng điều khiển.

Trạm điều khiển tựđộng được xây dựng trên cơ sở bộ khả trình SIMATIC PLC S7-300 của hãng

SIEMENS cho phép đáp ứng các yêu cầu lựa chọn công nghệđã nêu trên đồng thời giá thành phải

chăng và có khả năng mở rộng, nâng cấp thành hệđiều khiển dự phòng một cách dễ dàng. Ngoài ra,

nhiều công trình tại Việt Nam và trên thế giới sử dụng công nghệ tựđộng hoá SIMATIC đã chứng

tỏđộổn định và tin cậy cao và SIEMENS là một trong những hãng lớn trong lĩnh vực tựđộng hoá đã

có mặt tại Việt Nam từ lâu với đại diện và nhiều đại lý phân phối chính thức, có hỗ trợ kỹ thuật tốt.

Trạm máy tính

Do yêu cầu làm việc liên tục 24/24 , 7/7 nên Trạm máy tính được xây dựng trên cơ sở các PC

công nghiệp có độ bền, tin cậy cao. Trạm máy tính bao gồm 01 IPC SIMATIC WinCC Server, 01

máy IPC SIMATIC WinCC Client, Switch Module, Router và SMS MODEM.

Bàn điều khiển bằng tay

Bàn điều khiển giúp vận hành hệ thống trong chếđộ bằng tay. Bàn điều khiển được thiết kế gồm

các nút ấn, đèn hiệu và còi báo động. Các thiết bị, vật tư lựa chọn có xuất xứ từ Nhật hoặc G7. Bàn

điều khiển sẽ do Việt Nam thiết kế chế tạo.

Khối các thiết bịđo, transmitter

Các đầu đo là loại đặc chủng dùng trong xử lý nước thải với mức độ bảo vệ cao (đa phần IP65,

IP67 hoặc IP68), chủ yếu sử dụng của hãng Endress&Hauser (E+H) [8]có hiển thị số tại chỗ. E+H

sản xuất các thiết bịđo chuyên dụng chất lượng cao cho xử lý nước thải. Hãng có đại diện và nhà

phân phối chính thức tại Việt Nam.

Cơ cấu chấp hành

Các động cơ, van điện từđã có sẵn trong hệ thống. Biến tần điều khiển động cơ sử dụng của hãng

Control Techniques (Anh)[7]

c) Thiết kế mô hình hệ thống tựđộng hoá

Giải thích mô hình

Việc điều khiển xử lý nước thải được tập trung vào một Trung tâm điều khiển (Hình 13), từđây có

thể theo dõi giám sát, điều khiển toàn bộ dây chuyền. Trung tâm có thểđặt ngay bên cạnh công trình

cần điều khiển hoặc ở vị trí cách xa công trình. Người vận hành tại Trung tâm phải làm các nhiệm vụ

sau:

.

Theo dõi, kiểm tra các thông số về mặt chất lượng và số lượng của quá trình công nghệ

.

Theo dõi các tín hiệu về trạng thái, chếđộ làm việc của thiết bị, về cảnh báo, báo động

Thông qua các chỉ số theo dõi để lựa chọn chếđộ làm việc tối ưu cho dây chuyền công

nghệ. Chếđộ làm việc tối ưu được hiểu là chếđộ mà trong đó chi phí về nguyên vật liệu và năng

lượng trên một đơn vị sản phẩm là ít nhất.

Trung tâm điều khiển có 02 IPC (Industrial PC), trong đó có một máy chủ IPC Server, một máy

khách IPC Client1 kết nối với nhau qua Switch, chuẩn truyền thông là IE (Industrial Ethernet).

Router cho phép hệ thống máy tính kết nối với IPC Client2 điều khiển từ xa thông qua mạng

Internet. SMS MODEM cho phép IPC Server trao đổi thông tin với máy mobile phone của người có

trách nhiệm. IPC Server kết nối với Trạm điều khiển PLC qua mạng MPI nhờ trên IPC Server có

Card truyền thông công nghiệp SIMATIC CP 5613. Bàn điều khiển tay, cơ cấu chấp hành và cảm

biến kết nối với các module mở rộng của Trạm điều khiển bằng cáp tín hiệu chuẩn.

Người vận hành điều khiển hệ thống thông qua IPC hoặc Bàn điều khiển. Tủđiện cấp nguồn,

Trạm điều khiển tựđộng PLC đặt trong phòng điều khiển cách hệ thống máy tính và bàn điều khiển

một khoảng cách ngắn (theo thiết kế tính theo đường dây dưới 50m) và không cần phải theo dõi

thường xuyên trong quá trình vận hành. Toàn bộ các số liệu quá trình và trạng thái hệ thống cũng

như các cảnh báo, báo động sẽđược thể hiện trên máy tính và các đèn báo, trên bàn điều khiển.

Tín hiệu từ tất cả các nút điều khiển tay đều đi qua PLC, trừ nút dừng khẩn cấp ESTOP. Trên bàn

điều khiển có nút chuyển đổi giữa hai chếđộ: điều khiển tựđộng (Auto) và điều khiển tay (Manual) .

Chếđộđiều khiển do người vận hành bằng tay quyết định. Khi người vận hành chuyển khoá sang

Manual thì PLC sẽ không thực hiện các chức năng điều khiển tựđộng của các khâu sau: pH, DO,

Flow và người vận hành hoàn toàn chủđộng trong điều khiển tay. Cũng có thể thiết kế chi tiết hơn

nữa bằng cách thêm 03 khoá phụ cho ba khâu điều khiển pH, DO, Flow, nếu đã chuyển sang Manual

nhưng khoá phụ nào vẫn mở thì vẫn bị sựchi phối của điều khiển tựđộng (trong trường hợp này

Manual chỉ là chếđộ bán tựđộng). Khi chếđộđiều khiển là Manual tất cả các nút điều khiển ON/OFF

trên giao diện người máy (HMI) trên IPC đều bị vô hiệu hoá. Tuy nhiên PLC vẫn đưa dữ liệu về IPC

và thực hiện cảnh báo/báo động và cho phép đặt cấu hình. Khi vận hành hệ thống trong chếđộ bằng

tay có thểlựa chọn một số hoặc tất cả các công đoạn trong hệ thống sẽđiều khiển bằng tay (thông qua

bàn điều khiển bằng tay hoặc kích hoạt chuột trên máy tính) trong khi các công đoạn còn lại vẫn

chạy trong chếđộ tựđộng. Đối với các công đoạn vận hành bằng tay, người vận hành sẽtự quyết định

việc điều khiển các thiết bị trong công đoạn đó trong khi PLC mặc dù không tham gia trực tiếp vào

quá trình điều khiển nhưng vẫn giám sát các hoạt này và do vậy vẫn đảm bảo các chức năng hiển thị

các giá trịđo, cảnh báo, báo động sự cố cho người vận hành.

Trái lại, nếu người vận hành vặn khoá trên bàn điều khiển sang chếđộ Auto thì các nút điều khiển

ON/OFF các động cơ, điều khiển lượng hoá chất, lưu lượng nước trên bàn điều khiển tay đều bị vô

hiệu hoá trừ nút ESTOP và nút giải trừ sự cố. Khi chuyển chếđộ thì đèn trên bàn điều khiển và trên

HMI đều đồng bộ thay đổi theo. Khi vận hành trong chếđộ tựđộng, hệ thống sẽ tựđộng cập nhật số

liệu từ các đầu đo, nhận biết trạng thái làm việc của các thiết bị, máy móc trong hệ thống và xử lý,

tựđộng điều khiển các thiết bị theo chu trình công nghệđịnh trước. Chu trình này có thể dễ dàng thay

đổi các tham số làm việc, có thể can thiệp, chuyển đổi sang chếđộ vận hành bằng tay dễ dàng cũng

như sau đó có thểđưa trở lại về chếđộ tựđộng để hệ thống tiếp tục điều khiển chu trình công nghệ.

Việc điều khiển các thiết bịcó thểđơn giản thông qua chuột máy tính.

Tín hiệu từ tất cả các sensor (đầu đo) và điều khiển cơ cấu chấp hành (bơm, van điện, máy sục, ...)

đặt tại các khu vực trong dây chuyền được đưa tập trung về một trung tâm giám sát và điều hành. Tại

đây mọi diễn biến hoạt động của từng đối tượng được theo dõi và kiểm soát chặt chẽ thông qua bàn

điều khiển và trợ giúp của máy tính.

Các thông số về lưu lượng nước thải, khống chế mực nước trong các bể, chất lượng nước thải như

pH, nhiệt độ, ô xy hòa tan (DO) và tình trạng hoạt động của các thiết bịđược cập nhật về phòng điều

khiển trung tâm và hiển thị lên màn hình máy tính. Từđây, người vận hành hệ thống có thể nhận biết

một số thông số quan trọng về tính chất của nước thải trong từng hệ thống xử lý, hoạt động của các

thiết bị và có thểđiều khiển chúng theo mong muốn.

Các thông số hoạt động của hệ thống được ghi lưu lại trong đĩa cứng. Báo cáo hàng ngày qua các

bảng biểu được in ra máy in gắn với máy tính nhờ một chức năng trong phần mềm SCADA đã cài

đặt.

Một số quá trình điều khiển tựđộng đặc biệt trong dây chuyền công nghệ nhưđiều chỉnh pH, lưu

lượng nước được thực hiện thông qua các khối phần mềm chuyên dụng sử dụng các thuật toán điều

khiển kinh điển (PI, PID) và có thể kết hợp với phương pháp điều khiển hiện đại khác nhưđiều khiển

mờ, mạng nơron, ...

6. Giới thiệu các thiết bị chính trong hệ thống tựđộng hoá

a) Thiết bị trong Trạm điều khiển PLC và Trạm máy tính IPC[2]

Bảng 3 SIMATIC CPU 315-2DP Bảng 4 SIMATIC SM 321- 16DI

Tên

Đặc điểm

Bộ nhớ chương trình

Thời gian xử lý 1K lệnh

Số module mở rộng max

Bit nhớ

66K

0.3ms

32

2048

PROFIBUS DP master/slave, MPI

Giao diện truyền thông

Bộ thời gian/Bộđếm

Nguồn cung cấp

128 Timers / 64 Counters

24 VDC