Đồ án
điều khiển logic
Tên đề tài: Nghiên cứu thiếu kế bộ điều khiển cho bể khử trùng trong
hệ thống xử lí nước thải sinh hoạt bằng PLC S7 1200


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

Mở đầu
1.Đặt vấn đề
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều khu đô thị, khu công nghiệp,
khu nhà cao tầng đã làm ảnh hưởng không nhỏ đến nguồn nước mặt bởi những
chất thải do nhu cầu sinh hoạt của con người thải ra ngoài môi trường.
Cũng giống như bao nhiêu vấn đề về môi trường khác, việc xử lý nước thải
sinh hoạt ở các thành phố, các khu vui chơi giải trí... luôn là một vấn đề hết sức
nan giải. Hầu hết nước thải của các thành phố, khu du lịch, khu vui chơi giải trí
đều không có hệ thống xử lý nước thải hoặc hệ thống xử lý nước thải bằng công
nghệ cũ không đáp ứng nổi yêu cầu nên nước sau xử lý không đạt chất lượng nên
sau khi thải ra ngoài môi trường đã gây ra hậu quả nghiêm trọng. Trong quá trình
hội nhập hiện nay, nếu các vấn đề về môi trường không xử lý triệt để nó sẽ ảnh
hưởng trực tiếp tới đời sông sinh hoạt của con người.
Trên thế giới, việc ứng dụng thành tựu khoa học kĩ thuật vào kĩ thuật môi
trường ngày càng phổ biến. Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển cao
như Nhật, Mỹ, Anh, Pháp,... các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt đã được
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hoá cũng
đã được áp dụng và đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế xã hội vô cùng to lớn.
Những công nghệ tự động hoá của các công ty hàng đầu trên thế giới như
SIEMENS, AB, YOKOGAWA,... được sử dụng rộng rãi trong các công trình xử
lý nước thải. Có thể nói trình độ tự động 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 trợ bởi những công cụ đơn giản, dễ sử dụng

4.Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ
sinh học truyền thống.
Chương 2: Phân tích bài toán và lập lưu đồ điều khiển bể khử trùng.
Chương 3:Thiết kế bộ điều khiển hoạt động bể khử trùng
5.Giới hạn đề tài
Do thời gian làm đồ án hạn hẹp và đồ án ở cấp độ môn học nên trong hệ thống
xử lý nước thải, em chỉ nghiên cứu thiết kế bể khử trùng

3


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

CHƯƠNG 1
Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học
truyền thống
1.Tổng quan về bước thải sinh hoạt
1.1 Khái niệm
-Nước thải sinh hoạt là nước đã được sử dụng bởi con người và trong đó chứa
tất cả các chất bẩn sau khi sử dụng. Nó được sinh ra bởi các nhu cầu hàng ngày,
như tắm rửa, vệ sinh, và từ các cống thoát nước đó là loại nước tắm rửa của con
người, giặt giũ,chế biến thực phẩm, nấu ăn, vệ sinh nhà bếp,…
-Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là: hàm lượng chất hữu cơ cao (55-65%
tổng lượng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật có cả vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn
phân hủy chất hữu cơ cần thiết cho các quá trình chuyển hóa chất bẩn trong nước
thải.
1.2 Các thông số ô nhiễm đăc trưng của chất thải
-Hàm lượng chất rắn trong nước thải
Nước thải là hệ đa phân tán bao gồm nước và các chất bẩn. Các nguyên tố chủ

lửng lắng được và chất rắn lơ lửng không lắng được), làm giảm lượng hóa chất
cần sử dụng trong quá trình xử lý.
4


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

5


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56
-Độ pH của nước
pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ H+ có trong dung dịch, thường dùng để
biểu hiện tính kiềm hay tính axit của nước.
Độ pH có liên quan đến dạng tồn của kim loại và khí hòa tan trong nước, ảnh
hưởng tới hiệu quả của các quá trình xử lý nước. Ngoài ra độ pH còn ảnh hưởng
tới quá trình trao đổi chất trong cơ thể sinh vật tồn tại trong nước. Do vậy rất có
ý nghĩa về khía cạnh sinh thái môi trường.
-Hàm lượng oxy hòa tan(Dissolved oxygen - DO)
DO là lượng oxy hòa tan cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật sống trong
nước, thường được tạo ra do sự hòa tan từ khí quyển hay sự quang hợp của tảo.
Nồng độ oxy tự do trong nước nằm trong khoảng 8-10 ppm, và dao động
mạnh vào nhiệt độ, sự phân hủy hóa chất, sự quang hợp của tảo.Các quá trình
oxy hóa của các chất thải sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn
nước, đe dọa sự sống các loài sinh vật sống trong nước. Do vậy, DO là chỉ số
quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước.
-Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand - BOD)
BOD là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ theo phản
ứng:
Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + tế bào mới + Sản phẩm cố định

thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu
lọc… Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng
với các phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải
hoàn chỉnh.
2.2Phương pháp sinh học
Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt
là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân huỷ
các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải. Các quá trình xử lý
sinh học chủ yếu có năm nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình trung gian
anoxic, quá trình kị khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic – kị khí
các quá trình hồ. Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra không
quá khắt khe đối với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt
tính là quá trình xử lý sinh học thường được ứng dụng nhất.

7


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

3.Sơ đồ công nghệ xử lý của HTXLNT sinh hoạt.

Tuy nhiên, trong thiết kế không áp dụng một sơ đồ mẫu cụ thể nào mà tùy vào
từng yêu cầu và mục đích, người ta xây dựng dây chuyền xử lý nước thải cụ thể.
Đối với trường hợp trạm xử lý quy mô lớn và yêu cầu vệ sinh cao thì mới sử
dụng sơ đồ xử lý như trên. Đối với trường hợp cho phép giảm mức độ xử lý hoặc
đối với những trạm có công suất nhỏ, sơ đồ có thể đơn giản hơn.

8



chuẩn
4.Bể khử trùng-nhiệm vụ yêu cầu điều khiển
Trong quy trình xử lý nước thải, bể khử trùng thường là công trình được đặt ở cuối
cùng trước khi đưa nước ra môi trường.
Khử trùng nước thải là nhằm mục đích phá hủy, tiêu diệt các loại vi khuẩn gây
bệnh nguy hiểm chưa được hoặc không thể khử bỏ trong quá trình xử lý nước thải.
Các biện pháp khử trùng bao gồm sử dụng hóa chất, sử dụng các quá trình cơ lý, sử
dụng các bức xạ. Trong phần này chúng ta chỉ nghiên cứu đến việc khử trùng bằng
bằng Chlorine. Phương pháp này có ưu điểm là rẻ tiền, đơn giản, hiệu quả cao
Clo có tính khử mạnh nên khi dùng Clo để khử trùng nước thải sẽ xảy ra rất nhiều
phản ứng giữa Clo với các thành phần hóa học có mặt trong nước thải. Bể khử trùng
bằng Chlorine đươc cấu tạo để nước thải và dung dịch clo (phân phối qua ống châm
lổ, hoặc suốt chiều ngang của bể trộn) được đưa vào bể trộn trang bị một máy khuấy
vận tốc cao, thời gian lưu tồn của nước thải và dung dịch chlorine trong bể trộn
không ngắn hơn 30 giây. Sau đó nước thải đã trộn lẫn với dung dịch chlorine được
cho chảy qua bể tiếp xúc được chia thành những kênh dài và hẹp theo đường gấp
khúc.
Thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước thải khoảng từ 15 – 45 phút, và ít nhất
phải giữ được 15 phút ở tải lượng lớn nhất. Bể tiếp xúc chlorine thường được thiết kế
theo kiểu plug-flow (ngoằn ngoèo). Tỉ lệ dài : rộng từ 10 : 1 đến 40 : 1. Vận tốc tối
thiểu của nước thải phải từ 2 - 4,5 m/phút để tránh lắng bùn trong bể.

10


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

11



tuy nhiên quá trình lâu ngày có thể xảy ra một vài sự cố rò rỉ. Biện pháp phù hợp nhất
để xử lý sự cố rò rỉ vẫn là thiết bị trung hòa khí Clo. Do vậy để bảo đảm an toàn về
tính mạng con người, tài sản thiết bị, môi trường xung quanh thì cần lắp đặt hệ thống
này cho nhà trạm Clo.

12


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

CHƯƠNG 2
Phân tích bài toán và lập lưu đồ điều khiển bể khử trùng
1.Yêu cầu thiết kế
Thiết kế bộ điều khiển hoạt động của bể khử trùng có thể tích 62.5 m3, chiều cao
công tác là 1,2 m. Thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước thải là 30 phút
2.Sơ đồ bể khử trùng và các thiết bị

-Hoạt động của hệ thống:
Nước thải được bơm vào bể qua bơm B1, qua van tiết lưu V1 với lưu lương
125m3/h. Khi có nước thải chảy qua cảm biến lưu lượng sẽ gửi tín hiệu đến clorator
để định lượng clo cần điều chế. Nước thải được đưa vào bể trộn. Sau khi tiếp xúc với
chlorine, nước thải được đưa sang bể tiếp xúc. Sau 30 phút, khi mực nước trong bể
đạt 1.2m van giới hạn lưu lượng V2 ra kênh xả. Khi bể ngừng hoạt động, van xả V2

13


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56
-Bảo vệ 1: Bể tiếp xúc có 2 van xả: Van giới hạn lưu lượng V2 và van an toàn V3.
Van giới hạn lưu lượng hoạt động thường xuyên. Khi van V2 gặp sự cố không mở,

VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

Lưu đồ bảo vệ nhà Clo

16


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56

Chương 3
Thiết kế bộ điều khiển hoạt động bể khử trùng
1.Thiết bị phần cứng
1.1Lựa chọn cảm biến
Các thiết bị đo lưu lượng bằng nguyên lý điện từ của hãng Siemens bao gồm hai
phần chính là cảm biến (sensor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (Transmitter). Phần cảm
biến bao gồm các dòng sản phẩm sau: Mag 5100W, Bộ chuyển đổi tín hiệu bao gồm
các dòng sản phẩm sau: Mag 5000.
Các nguyên tắc đo lưu lượng dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faradays, là các
cảm biến chuyển đổi dòng chảy thành một điện áp điện tỉ lệ với vận tốc của dòng
chảy.
Transmitter MAG 5000 SIEMENS :

MAG 5000 là bộ chuyển đổi tín hiệu dùng cho các dòng cảm biến đo lưu lượng
Mag 1100, Mag 1100F, Mag 5100W, Mag3100W, và Mag 3100. Bộ chuyển đổi
tín hiệu này có độ chính xác cao 0.5% và giá rẻ, nó dùng kèm với các cảm biến lưu
lượng trong các ứng dụng thông thường và không yêu cầu chức năng định mẻ
(Batching controller)
+ Độ chính xác 0.5%
+ Không có chức năng định mẻ (Batching controller)
+ Hiển thị lưu lượng tức thời và lưu lượng tổng, có thể hiển thị lưu lượng tổng theo

công nghiệp, sinh hoạt và khử trùng bể bơi
-Độ chính xác
+Cho ăn khí ga là ± 4% dòng chỉ thị.
-Áp lực tại điểm đặt
+Áp lực cực đại với ống mềm hay polyetylen là 5bar / 75psi.
+Ống mềm áp suất cao hoặc ống cứng vững sẽ cho phép ứng dụng chống lại áp lực
ngược đến 10.7 bar/ 160 psi.
-Phương pháp điều khiển
Tốc độ cấp khí của k S10 ™ được kiểm soát bằng cách một hoặc cả hai phương
pháp này : ngắt cung cấp nước cho injector để đóng cắt chân không hoặc thay đổi
diện tích lỗ thoát khí.
Start-Stop or Control Program: loại điều khiển này được thực hiện với việc thực
hiện đơn giản. Đóng, cắt bằng cách ngưng cung cấp nước phun.
+Điều chỉnh tự động
K S10 ™ có thể được cung cấp điều khiển tỉ lệ theo vận tốc cấp dòng tự động, từ
đơn giản phức tạp. Tín hiệu đầu vào 4-20mA.
1.3Cảm phát hiện rò rỉ khí Clo
Bộ phát hiện khí rò rỉ clo ADVANCETM serie 1610B, 1620B cho phép phát hiện
liên tục khí clo, (hoặc các khí khác như sulphua hoặc Amoniac nếu sử dụng đầu dò
khác nhau) trong môi trường làm việc. Bộ phát hiện khí rò rỉ này sử dụng lí tưởng
cho việc bảo vệ người, tài sản ở những nơi có khả năng xuất hiện khí rò rỉ ở mức
dưới ngưỡng yêu cầu của cơ quan vệ sinh của Mỹ OSHA. Đầu rò cho phép phát hiện
được ngay khi khí bị rò rỉ, và được thiết kế để tránh báo động giả do bị nhiễu khí và
môi trường làm việc.

19


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56
Serie 1610B thiết kế để bảo vệ nhiễu sóng radio và sóng điện từ(RFI/RMI) có

-Tốc độ khuấy: 20 – 70 vòng/ phút
-Kiểu lắp đặt: Trục đứng, trục ngang
-Kiểu cánh khuấy: Tuabin, cánh quạt
-Số cánh khuấy: Từ 2-4 cánh đối xứng nhau
-Số tầng cánh: 1-2 tầng (tuỳ thuộc vào dung tích bồn pha)
2. Thiết bị trung tâm của hệ thống điều khiển tự động hóa PLS S7-1200
2.1 Dòng sản phẩm S7-1200 SIEMENS

Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200.
PLC S7-1200 có những tính năng nổi trội hơn S7-200 và sau đây là một vài đặc điểm
của dòng sản phẩm S7-1200
S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát
nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh
làm cho bạn có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng của mình với S7-1200.
S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các
đầu vào/ra (DI/DO).
- Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào cả CPU và chương
trình điều khiển:
+ Tất cả các CPU đều cung cấp bảo vệ bằng password chống truy cập vào PLC
+ Bạn cũng có thể dùng chức năng "know-how protection" để bảo vệ các block đặc
biệt của mình.
21


VNUA-A.ĐỨC- TĐH56
S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP. Ngoài
ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc
RS232.
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic. Step7 Basic hổ trợ ba
ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL. Phần mềm này được tích hợp trong TIA

• Module tín hiệu mở rộng :0
• Board tín hiệu/truyền thông :1
• Module truyền thông: 3
• Bộ đếm tốc độ cao :
1Pha 3 : 100KHZ
2 Pha 3: 80KHZ

√
√
√

√
√
22

S7 1200 CPU 1212C
• Kích thước : 90 x 100 x 75
• Bộ nhớ người dùng
Bộ nhớ làm việc : 25Kb
Bộ nhớl ưu trữ: 1Mb
Bộ nhớ Retentive : 2Kb
• Ngõ vào ra số :8 In/6 Out
• Ngõ vào ra tương tự: 2 in
• Vùng nhớ Truy suất bit (M) :
4096Byte
• Module tín hiệu mở rộng :2
• Board tín hiệu/truyền thông :1
• Module truyền thông: 3
• Bộ đếm tốc độ cao :
1 Pha 3 x 100KHZ/ 1 x 30KHZ

• Ngõ vào ra số :14 In/10 Out
• Ngõ vào ra tương tự: 2 in
• Vùng nhớ Truy suất bit (M) :
4096Byte
• Module tín hiệu mở rộng :8
• Board tín hiệu/truyền thông :1
• Module truyền thông: 3
• Bộ đếm tốc độ cao :
1 Pha 3 x 100KHZ/3 x 30KHZ
2 Pha 3 x 80KHZ/3 x 20KHZ
• Ngõ ra xuất xung tốc độ cao: 2
• Truyền thông : Ethernet
• Thời gian thực khi mất nguồn nuôi: 10
ngày
• Thực thi lệnh nhị phân : 0.1 micro
giây/lệnh

23

√

√
√

√
√

Ngõ ra xuất xung tốc độ cao: 2
Truyền thông : Ethernet
Thực thi lệnh nhị phân : 0.1 micro

√ 4 x 5 VDC out, 200 KHZ
• Bảng tín hiệu hỗn hợp vào ra số:
√ 2 x 24 VDC in/ 2 x 24 VDC out
√ 2 x 24 VDC in/ 2 x 24 VDC out, 200
KHZ
√ 2 x 5 VDC in/ 2 x 5 VDC out, 200 KHZ

Bảng tín hiệu analog loại SB
Siemens hổ trợ các loại sau:
• Modlue ngõ vào tương tự:
√ 1 x 12 Bit Analog in
√ 1 x 16 Bit RTD
√ 1 x 12 Bit Thermocouple
• Module ngõ ra tượng tự
√ 1 x Analog out 0-10V/0-20mA

Module tín hiệu số loại SM
Siemens hổ trợ các loại sau:
• Modlue ngõ vào số:
√ 8 x 24 VDC in
√ 16 x 24 VDC in
• Module ngõ ra số
√ 8 x 24 VDC out
√ 8 x Relay out
√ 8 x Relay out 2 tiếp điểm
√ 16 x 24 VDC out
√ 16 x Relay out
• Module hỗn hợp vào ra số:

Module tín hiệu tương tự loại SM

Trong đồ án này, em sử dụng CPU 1214C để thiết kế bộ điều khiển

3.Phần mềm tia portal
Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho cả
những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động hóa. Là
phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp các thiết bị
trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của Siemens. Ví dụ như
phầm mềm mới Simatic Step 7 V11 để lập trình các bộ điều khiển Simatic, Simatic
WinCC V11 để cấu hình các màn hình HMI và chạy Scada trên máy tính.
25