Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
1
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 Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
2 A. LỜI MỞ ĐẦU
Xử lí nước thải công 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, mô hình xử lí nước thải công 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 mô 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.

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 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 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 không 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 công nghệ tự động hóa. Các thiết bị tự
động hóa ở đây đều có khả năng truyền thông 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 thông báo định kì kết quả về máy tính chủ.
Master Terminal Unit (MTU): trung tâm điều phối, thực hiện công việc xử
lí dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực mềm. Một trong những
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
4

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:

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 soát và phân tích cần thiết.

MÁY TÍNH
PLC
BẢNG ĐIỀU
KHIỂN
CƠ CẤU
CHẤP
HÀNH
CẢM BIẾN
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
6

Tài liệu tham khảo:
1. Giáo trình công nghệ xử lí nước thải (Trần Văn Nhân, Ngô 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

BÙN KHÔ
NƯỚC THẢI
TỪ NHÀ MÁY
B
P1
P2
P3
THẢI RA
SÔNG, HỒ

Hình 1: Quy trình xử lí nước thải công nghiệp
TT
TÊN THIẾT BỊ
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
1
Bơm nước P1, P2, P3
Công suất 5.5 kw
2
Bơm bùn SP
Công suất 2.2 kw
3
Máy thổi khí B
Công suất 15 kw
4
Máy khuấy M1
Công suất 2.2 kw; 60rpm
5
Máy gạt bùn M2
Công suất 5.5 kw; 0.2rpm
6

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 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 đảm bảo chỉ tiêu cho công 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 hòa tan và một số chất vô 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 quá trình lên men là: cồn, các axit, axeton, khí CO2, H2, CH4. Trong
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
9

công 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 luôn chứa các vi sinh vật hiếu khí. Trong công đoạn
có hê thống sục khí bao gồm máy thổi khí B và ống dẫn khí làm nhiệm vụ

SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition
(Điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu). Nó không 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 công nghệ tự
động hóa. Các thiết bị tự động hóa ở đây đều có khả năng truyền thông 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 thông để truyền tất cả các thông tin thu thập
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
10

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 toàn thông tin khi truyền dữ liệu thông 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 thông 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 quá trình xử lí nước thải, được thiết kế với nhiều đầu vào và nhiều đầu

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,
2.3. 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 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
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).
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 không 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 không 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
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
12

cố. Ngoài ra các thiết bị còn thực hiện chức năng liên động tự động, cho phép

thải trên ở các quy trình như sau:
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
13

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 ô 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

SP
BÙN KHÔ
NƯỚC THẢI
TỪ NHÀ MÁY
B
P1
P2
P3
T1
LV1
LV2

Công suất 2.2 KW
3
Máy thổi khí B
Công suất 15 KW
4
Máy khuấy M1
Công suất 2.2 KW; 60 rpm
5
Máy ép bùn D
Công suất 15 KW
6
Máy gạt bùn M2
Công suất 5.5 KW; 0.2rpm
7
Bơm hoá chất DP
Công suất 0.5 KW
8
Van điện từ V1, V2
Nguồn cấp 220V AC
9
Thiết bịđo pH1, pH2, T, DO, FL1, FL2
Mức bảo vệ IP65-68
10
Khống chế mức LV1, LV2, LV3, LV4

11
Biến tần FI1 điều khiển P3
Công suất 5.5 KW
12
Biến tần FI2 điều khiển B

Bơm NaOH (bơm DP)
Bật M1
Tính lượng NaOH cần bơm
Tắt bơm DP
Tắt M1
Đóng van đt NaOH
Đóng van đt HCl
Tính lượng HCl cần bơm
Bơm HCl (bơm DP)
Bật M1
start
end
Y
N
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
Hình 3: lưu đồ điều chỉnh pH trong bể trung hòa
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
16 Trong quá 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 không cho phép


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 hoàn toàn do người vận hành
quyết định.

Start
LV=LV_low
Bật bơm P1
LV=LVHi
end
Tắt bơm P1
Hình 5: Điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng

N
Y
Y
N
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
18

- 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 vòng điều khiển kín trong chương trình PLC. PLC
sẽ đưa 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 nhờ điều 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

END
N
N
Y
Y
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
19

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 không đạt thì P1, P2 hoặc P3 có sự cố hoặc đường ống có sự cố và
cần báo động.


Hình 8: Lưu đồ điều khiển bơm bùn Y
Start
Bật máy gạt M2
Bật bơm bùn SP
Chạy máy ép bùn D
Chọn Mode
Điều khiển M2, SP và D
theo yêu cầu người
vận hành.
END
Mode
Auto
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
21

Start
N
N
Y
Y
N
N
Y
Y
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
22 Hình 9: Lưu đồ cảnh báo sự cố
Lưu đồ cảnh báo sự cố được hiển thị trên Hình 9. Các cảnh báo gồm


Trung tâm điều khiển là đầu não của toàn bộ hệ thống. Tại đây toàn
bộ các thông tin đo lường từ các thiết bị đo, 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 tự động 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 nghệ đã nêu trên đồng thời giá thành phải chăng và có khả
năng mở rộng, nâng cấp thành hệ điều khiển dự phòng một cách dễ dàng.
- 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 và Router.
- Bàn điều khiển bằng tay
Bàn điều khiển giúp vận hành hệ thống trong chế độ bằng tay. Bàn
điều khiển được thiết kế gồm các nút ấn, đèn hiệu và còi báo động.
- Khối các thiết bị đo, cảm biến, 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)
- Cơ cấu chấp hành (động cơ, van điện)
Các động cơ, van điện từ đã có sẵn trong hệ thống.
hoặc ở vị trí cách xa công trình. Người vận hành tại Trung tâm phải làm
các nhiêm 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, chế độ làm việc của thiết bị, về
cảnh báo, báo động
- Thông qua các chỉ số theo dõi để lựa chọn chế độ làm việc tối ưu
cho dây chuyền công nghệ.
Người vận hành điều khiển hệ thống thông qua IPC hoặc Bàn điều
khiển. Trạm điều khiển tự động PLC đặt trong phòng điều khiển cách hệ
MÁY TÍNH
PLC
BẢNG ĐIỀU
KHIỂN
CƠ CẤU
CHẤP
HÀNH
CẢM BIẾN
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển trong xử lý nước thải công nghiệp
25

thống máy tính và bàn điều khiển một khoảng cách ngắn 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 sẽ được 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 STOP. Trên bàn điều khiển có nút chuyển đổi giữa hai chế độ:
điều khiển tự động (Auto) và điều khiển tay (Manual). Chế độ điều 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 tự động