Tập bài giảng Tự động hóa quá trình công nghệ

quá trình xử lý sinh học phía sau. Lượng dầu mỡ được tách khỏi nước thải nhờ thiết bị gạt dầu tự động được dẫn về Bồn chứa ván nổi để xử lý như chất thải rắn hoặc làm thức ăn gia súc. Phần nước sau khi qua bể DAF sẽ tự chảy xuống Bể Unoxic – T301. Trong điều kiện yếm khí (anoxic), vi khuẩn tác động đến các acid béo bay hơi sẵn có trong nước thải để giải phóng phospho. Khí sinh ra từ quá trình yếm khí được hệ thống thu gom và dẫn đến quạt hút khí – QH01. Phần khí thải sau khi qua quạt hút khí được dẫn về bồn hấp thụ khí – HT01 để xử lý. Tiếp theo, nước thải sẽ được dẫn qua trình xử lý sinh học tiếp theo là Bể Aerotank – T401/402/403. Tại đây, các chất hữu cơ còn lại trong nước thải sẽ được xử lý triệt để. Thiết bị thổi khí – AB40A/B/C được vận hành liên tục nhằm cung cấp oxy cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động. Trong điều kiện thổi khí liên tục, quần thể vi sinh vật hiếu khí tồn tại ở trạng thái lơ lửng (bùn hoạt tính) sẽ phân hủy 163 các hợp chất hữu cơ có trong nước thải thành các hợp chất vô cơ đơn giản như CO2 và nướctheo phản ứng sau: Chất hữu cơ + Vi sinh vật hiếu khí H2O + CO2 + sinh khối mới + Bên cạnh đó, trong môi trường hiếu khí (oxic) vi khuẩn hấp phụ phospho cao hơn mức bình thường, phospho lúc này không những chỉ cần cho việc tổng hợp, duy trì tế bào và vận chuyển năng lượng mà còn được vi khuẩn chứa thêm một lượng dư vào trong tế bào để sử dụng ở các giai đoạn hoạt động tiếp sau. Sau khi qua bể bùn hoạt tính, nước thải được dẫn sang công trình xử lý sinh học thứ 3 Bể lọc sinh học – T501. Bể lọc sinh học có chức năng xử lý hoàn thiện các hợp chất Nitơ, Phospho còn lại trong nước thải. Trong bể được lắp đặt vật liệu lọc bằng nhựa PVC đặt ngập trong nước, lớp vật liệu này có đỗ rỗng và diện tích tiếp xúc lớn giữ vai trò là giá thể vi sinh để các vi sinh vật xử lý nước sinh sống. Nước thải có chứa các chất hữu cơ đi từ dưới lên va chạm với lớp vật liệu chia thành các hạt nhỏ chảy thành màng mỏng nhỏ qua khe lớp vật liệu và tạo thành lớp màng nhầy gelatin bám quanh vật liệu lọc. Sau một thời gian, chiều dày lớp gelatin dày lên ngăn cản oxy của không khí không thấm vào trong lớp màng nhầy được. Do không có oxy, vi khuẩn yếm khí phát triển tạo ra sản phẩm phân hủy yếm khí cuối cùng làm mêtan và CO2 làm tróc lớp màng ra khỏi vật cứng rồi bị nước cuốn trôi. Trên bề mặt hạt vật liệu lại hình thành lớp màng mới, hiện tượng này được lập đi lập lại tuần hoàn và nước thải được làm sạch BOD và các chất dinh dưỡng. Nước thải sau khi ra khỏi bể lọc sinh học sẽ chảy tràn qua Bể lắng – T601. Tại đây, xảy ra quá trình lắng tách pha và giữ lại phần bùn (vi sinh vật). Phần bùn lắng này chủ yếu là vi sinh vật trôi ra từ bể unoxic. Phần bùn sau bể khi lắng được Bơm bùn trục ngang PS01A/B. bơm bùn tuần hoàn về bể hiếu khí nhằm duy trì nồng độ vi sinh cho vi sinh vật hoạt động. Phần bùn dư sẽ được bơm về Bể chứa bùn – T001 nhằm làm giảm độ ẩm của bùn. Sau dó được bơm bùn chìm – PS001 bơm về máy ép bùn hoá chất Polyme được châm vào đồng thời để ép thành các bánh bùn khô. Các bánh bùn có thể sử dụng làm phân bón cho cây trồng hoặc đổ bỏ tùy nhu cầu của Nhà máy, phần nước tách pha được dẫn về bể điều hòa để tiếp tục xử lý. Phần nước trong sau khi qua bể lắng theo máng tràn sẽ tự chảy xuống Bể trung gian – T602 để điều hoà lưu lượng. Nước thải từ bể trung gian được bơm cao áp – PW701A/B bơm lên bể lọc áp lực – T701A/B. Qua cơ chế lọc áp lực phần cặn lơ lửng còn lại trong nước thải sẽ được xử lý triệt để. Phần nước trong sau khi lọc sẽ tự chảy xuống bể khử trùng – T801, hóa chất khử trùng (dung dịch NaOCl) được bơm hóa chất PC03A/B bơm đồng thời vào bể để xử lý triệt để các vi trùng gây bệnh như E.Coli, Coliform, Nước thải 164 sau khi qua bể khử trùng đạt tiêu chuẩn TCVN 5945 – 2005, cột A và được xả ra môi trường tiếp nhận. 3) Thiết bị công nghệ a) Bơm nước thải chìm – PW102A/B - Nhiệm vụ: bơm nước thải từ bể tiếp nhận lên thiết bị lọc rác tinh. - Kiểu: bơm chìm. - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: tự động theo cảm biến mức nước. - Vị trí lắp đặt: trong bể tiếp nhận – T102. - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) b) Máy thổi khí bể điều hòa – AB103A/B - Nhiệm vụ: cung cấp khí oxy xáo trộn và khử chlo. - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: tự động theo theo chế độ timer. - Vị trí lắp đặt: trong nhà đặt máy thổi khí. - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) c) Bơm nước thải chìm – PW103A/B - Nhiệm vụ: bơm nước thải từ bể tiếp nhận lên thiết bị lọc rác tinh. - Kiểu: bơm chìm - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: tự động theo cảm biến mức nước. - Vị trí lắp đặt: trong bể điều hòa – T103 - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) d) Motor khuấy + cánh khuấy hóa chất – M201 - Nhiệm vụ: khuấy trộn dung dịch polyme. - Phương thức vận hành: liện tục - Vị trí lắp đặt: trên bồn bể phản ứng. - Số lượng: 1 bộ e) Máy nén khí – AC202 - Nhiệm vụ: cấp khí tạo những bọt mịn đối với bể tuyển nổi. - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: tự động theo chế độ timer. - Vị trí lắp đặt: cạnh bể tuyển nổi. - Số lượng: 1 cái f) Thiết bị gạt dầu tự động – M202 165 - Nhiệm vụ: gạt phần dầu nổi từ bể tuyển nổi. - Phương thức vận hành: liên tục - Số lượng: 1 bộ g) Bơm tuần hoàn tạo áp – PW202A/B - Nhiệm vụ: tuần hoàn nước trong bể tuyển nổi. - Kiểu: bơm trục ngang - Phương thức vận hành: chạy luân phiên - Vị trí lắp đặt: cạnh bể tuyển nổi. - Số lượng: 2 cái h) Máy khuấy trộn chìm – MX301A/B - Nhiệm vụ: khuấy trộn để điều hòa các thành phần nước thải. - Kiểu: khuấy trộn chìm - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: chạy luân phiên - Vị trí lắp đặt: trong bể yếm khí T301. - Số lượng: 2 cái i) Máy thổi khí bể hiếu khí Aerotank – AB401A/B/C - Nhiệm vụ: cung cấp khí oxy cho vi sinh vật trong bể hiếu khí. - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: tự động theo chế độ cài đặt sẵn. - Vị trí lắp đặt: trong nhà đặt máy thổi khí. - Số lượng: 3 cái (2 hoạt động và 1 dự phòng) j) Máy gạt bùn bể lắng M601 - Nhiệm vụ: gạt gom bùn trong bể lắng. - Phương thức vận hành: liên tục - Vị trí lắp đặt: trên bể lắng - Số lượng: 1 bộ k) Bơm bùn tuần hoàn – PS601A/B - Nhiệm vụ: bơm bùn tuần hoàn từ bể lắng về bể bùn hoạt tính. - Kiểu: bơm chìm - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: tự động theo chế độ timer. - Vị trí lắp đặt: cạnh bể lắng - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) L) Bơm cao áp – PW701A/B - Nhiệm vụ: bơm nước thải từ bể trung gian lên bể lọc áp lực. 166 - Kiểu: bơm trục ngang - Phương thức vận hành: hai chế độ  Man: ON/OFF  Auto: tự động theo cảm biến mức nước. - Vị trí lắp đặt: cạnh bể trung gian - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) m) Bơm bùn chìm – PS001 - Nhiệm vụ: bơm bùn từ bể nén đến máy ép bùn. - Kiểu: bơm chìm - Phương thức vận hành: theo chế độ timer. - Vị trí lắp đặt: cạnh bể nén bùn - Số lượng: 1 cái n) Máy ép bùn - Nhiệm vụ: làm giảm độ ẩm của bùn thải. - Phương thức vận hành: theo bơm bùn chìm PS001. - Vị trí lắp đặt: trong nhà đặt máy ép bùn. - Số lượng: 1 cái o) Bơm định lượng hóa chất phèn nhôm – PC01A/B - Nhiệm vụ: vận chuyển dung dịch phèn nhôm đến thiết bị trộn tĩnh. - Phương thức vận hành: theo độ PH - Vị trí lắp đặt: bên cạnh bồn hóa chất - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) p) Bơm định lượng hóa chất polyme – PC02A/B - Nhiệm vụ: vận chuyển dung dịch polyme đến bể tạo bông. - Phương thức vận hành: theo độ đục - Vị trí lắp đặt: bên cạnh bồn hóa chất. - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) q) Bơm định lượng hóa chất chlorine – PC03A/B - Nhiệm vụ: vận chuyển dung dịch chlorin đến bể khử trùng. - Phương thức vận hành: liên tục - Vị trí lắp đặt: bên cạnh bồn hóa chất - Số lượng: 2 cái (1 hoạt động và 1 dự phòng) 2.4.3. Tự động hóa xử lý nước thải nhà máy bia 1) Yêu cầu và cơ sở xây dựng hệ thống tự động hoá Hệ thống tự động 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 167 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. 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 tự động 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 ...). Đối với mỗi hệ thống tự động 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 tự động điều khiển quá trình công nghệ thực chất là điều khiển tập trung quá trình đó nhờ các phương tiện kỹ thuật điều khiển tự động. Vấn đề đo lường từ xa các thông số của hệ thống công nghệ là rất quan trọng. Các thông số cần đo có thể kể đến 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, về hỏng hóc các thiết bị điều khiển hay của các thiết bị phụ trợ (quạt, máy bơm ...), giá trị sự cố của các thông số công nghệ, sự trục trặc điều tiết chất phản ứng . 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 bị điều khiển cần được sắp xếp như thế nào để người điều khiển từ chỗ ngồi làm việc có thể bao quát được tất cả các dụng cụ đo 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 sơ đồ bằng 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. Với tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ tự động 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 nghệ được điều khiển bằng các thiết bị vừa tính toán vừa điều khiển 168 lại vừa có khả năng tự động lập trình gọi là thiết bị tự động lập trình công nghiệp (máy tính PC và các thiết bị tự động 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. 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 độ ẩm, độ kết dính, độ ô xít hoá, nhiệt độ biến đổi nên gây nhiều khó khăn phức tạp cho việc áp dụng tự động hoá. Cụ thể như ta không thể sử dụng các thiết bị tự động đã sản xuất hàng loạt lưu hành trên thị trường như cho tự động hoá các môi trường bình thường khác, mà phải chọn các thiết bị tự động hoá chuyên sử dụng cho tự động 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 độ đậm đặc các loại rác bẩn vô cơ và hữu cơ, có thể có nhiệt độ cao. 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 chế độ tối ưu về cả kỹ thuật lẫn kinh tế là một nhiệm vụ nan giải. Vì vây, khi tự động hoá các quá trình xử lý nước thải, chế độ 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 tự động 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 tự động 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 tự động hoá cho phù hợp về mặt kinh tế (tự động hoá từng phần hay toàn phần). Trong các trạm điều khiển được trang bị nhiều sơ đồ của quá trình công nghệ xử lý nước thải. Các sơ đồ 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 sơ đồ đó 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. 2) Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hoá xử lý nước thải a) Điều chỉnh tự động 169 Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác động lên quá trình công nghệ cần điều khiển theo một chế độ 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 số đại lượng được duy trì không đổi, một số đại lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó. Đây là một trong những chức năng quan trọng nhất quyết định đến mức độ tự động hoá. Trong dây chuyền xử lý nước thải nhà máy bia có ba khâu điều chỉnh tự động 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 cố hoặc mất điều khiển tự động, đòi hỏi điều khiển tay phải kịp thời và đồng bộ, ví dụ như dừng nhanh nhiều máy bơm đặt tại nhiều vị trí khác nhau, điều khiển cùng lúc nhiều quá trình có liên quan hệ quả với nhau. Để làm được điều này hệ thống tự động hoá phải có chức năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều khiển từ Trung tâm đặt cách dây chuyền công nghệ một khoảng cách nhất định (hàng chục đến hàng trăm mét). Điều khiển từ xa qua mạng LAN, WAN cũng là một chức năng không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống tự động 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, kỹ thuật cần thiết cho vận hành, bảo trì hệ thống tự động hoá. Một nhóm chuyên gia có thể điều 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 bị điều khiển từ bất kỳ địa điểm nào trên thế giới,... nhưng đó là sự thực. Hệ thống tự động 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 170 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 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). d) Cấu hình hệ thống Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống tự động hoá, chủ yếu là các giá trị chủ đạo (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng báo động. Các tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bị điều 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. e) 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 cố. Ngoài ra các thiết bị tự động còn thực hiện chức năng liên động tự động, cho phép bảo vệ các thiết bị máy móc khỏi nguy hiểm do thao tác nhầm lẫn của người vận hành. Ta phân biệt hai loại liên động: liên động sự cố và liên động cấm chỉ. Liên động sự cố dùng để điều khiển bảo vệ (ví dụ: điều khiển dừng) một nhóm máy móc thiết bị có liên quan khi sự cố xảy ra Liên động cấm chỉ loại trừ khả năng điều khiển sai, 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 cố đường truyền, sự cố thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành, báo động sự cố cảm biến. Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo động ở chỗ: cảnh báo tự mất đi khi thông số hết vượt ngưỡng, trái lại báo động sẽ tồn tại cho đến khi người vận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định xoá bỏ trạng thái báo 171 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 nghệ đã thay đổi và nhiều thông tin khác cần thiết cho các chuyên gia công nghệ, kỹ thuật và các nhà quản lý trong việc điều chỉnh để đạt chế độ làm việc tối ưu; phát hiện, dự báo sự cố; bảo trì thay thế kịp thời máy móc thiết bị; điều hành sản xuất và tính toán hiệu quả kinh tế. h) Một số chức năng mở rộng trong tương lai - Điều khiển dự phòng Sự cố của hệ thống tự động 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 sẽ đòi hỏi nhiều thời gian và kinh phí để phục hồi, mặt khác nếu thiết bị điều 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 hệ điều 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 - 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 tự động, các thông số khác phải dùng máy phân tích, có thông số đòi hỏi thời gian phân tích lâu như BOD5 cần 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. Để điều 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 để điều 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 172 quan và phụ thuộc nhiều vào trình độ và kinh nghiệm của chuyên gia. Chính vì vậy chức năng hỗ trợ quyết định sẽ đưa 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 số điều chỉnh đem đến chất lượng nước đầu ra đạt yêu cầu thì người vận hành có thể lưu 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 nghệ để tự động phát sinh ra bộ tham số điều chỉnh và tự học. 3) Sơ đồ khối hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia NƯỚC RA T1 LV3 LV4 NaOH HCL PH 1 FI1 HỆ THỐNG THU HỒI VÀ XỬ LÝ BIOGAS FL 1 PH 2 FL 2 F12 T2 D O NƯỚC THẢI TỪ NHÀ MÁY P 1 CHẮN RÁC HỐ BƠM BỂ CÂN BẰNG LV1 LV2 P2 DP V1 V2 P 3 M1 V3 BIOGAS BỂ TRUNG HOÀ BỂ KỴ KHÍ V4 V5 SP D MÁY ÉP BÙN BÙN KHÔ B M2 BỂ LẮNG Hình 2.56. Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải 173 Bảng 2. Danh mục thiết bị trong hệ th.ống xử lý nước thải. TT Tên thiết bị Thông số kỹ thuật chính 1 Bơm nước P1, P2, P3 Công suất 5.5 KW 5 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; 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 bị đo pH1, pH2, T1, T2, 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 Công suất 15 KW 174 Lưu đồ hoạt động của hệ thống tự động hoá xử lý nước thải Hình 2.57. Lưu đồ điều khiển Điều chỉnh pH trong Bể trung hoà Lưu đồ điều chỉnh pH được hiển thị trên Hình 4. Để tiết kiệm chi phí mua thiết bị, chỉ dùng 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 để điều 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 để điều 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. START CHỌN MODE Mode Auto PH1<PH_lOW PH1>PH_Hi Hết HCL Đóng van điện từ NaOH Mở van điện từ HCL Tính lượng HCL Cần bơm Bơm HCL (bơm DP) Bật M1 END Đóng van điện từ NaOH Đóng van điện từ HCL Tắt bơm DP Tắt M1 Xử lý lệnh điều khiển bằng tay Bơm NaOH/HCL và M1 theo yêu cầu Hết NaOH Đóng van điện từ HCL Mở van điện từ NaOH Tính lượng NaOH cần bơm Bơm NaOH (bơm DP) Bật M1 N Y N N Y Y N Y N 175 START Đã giải trừ sự cố END Y PH_Low<PH2<PH_Hi SC=0 BD=0 Cho phép đk bơm P1, P2, P3 SC=1 BD=1 Đèn BD PH2 nhấp nháy Chọn Mode Mode Auto Liên động PH=1 Liên động P1=1 Dừng bơm P1 Liên động P2=1 Dừng bơm P2 Liên động P3=1 Dừng bơm P3 N Y N N Y N Y N Y N Y N Y Hình 2.58. Lưu đồ điều khiển độ PH 176 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 tự đối 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 chế độ 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 đồ điều khiển khoá liên động đối với pH thể hiện trên Hình 2.59 Đối với trường hợp giá trị pH2 vượt ngưỡng, nếu đặt chế độ 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 chế độ là Auto thì PLC sẽ tự động 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. START Mode Auto Y DO_LoW<DO<DO_Hi Điều chỉnh lưu lượng Blower N Chọn Mode Điều khiển Blower theo yêu cầu người vận hành END Giữ lưu lượng Blower Y N Hình 2.59. Lưu đồ điều khiển liên động điều chỉnh độ PH 177 Trong lưu đồ biến SC (sự cố) chỉ được chương trình trên PLC cho =1 duy nhất 1 lần khi pH2 vượt ngưỡng và chương trình chỉ đưa biến này về 0 khi tín hiệu từ nút giải trừ sự cố đưa về PLC là =1. 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, từ đó 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 trừ để xoá bỏ sự cố đi. Như vậy sau một khâu điều khiển nào đó mà kiểm tra thấy thông số điều chỉnh vẫn không đạt yêu cầu thì phải ngừng bắt buộc một số thiết bị để đảm bảo an toàn. Điều chỉnh DO trong Bể hiếu khí Lưu đồ điều chỉnh DO được hiển thị trên Hình 2.60 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 dụ: hỏng biến tần, tắc đường dẫn khí, hỏng động cơ) và cần báo động. Điều chỉnh lưu lượng vào Bể kỵ khí START Mode Auto Y Chọn Mode Lấy gía trị lưu lượng đặt Để điều khiển theo lưu lượng đặt END Điều khiển lưu lượng theo lệnh của người vận hành N Hình 2.60. Lưu đồ điều khiển đo DO 178 Để điều chỉnh lưu lượng 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 chủ đạo (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. Điều khiển bơm P1 vào Bể cân bằng Lưu đồ điều khiển bơm P1 vào bể cân bằng được hiển thị trên Hình 2.61. Ở chế độ 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 Cảnh báo sự cố Lưu đồ cảnh báo sự cố được hiển thị trên lưu đồ hình vẽ. Các cảnh báo gồm hai loại: cảnh báo vượt ngưỡng (phát hiện bằng cách so sánh giá trị thiết bị đo với ngưỡng đặt trước trong chương trình) và cảnh báo theo thiết bị khống chế dạng tiếp điểm (ví dụ: van phao). START Mode Auto Y Chọn Mode Tắt bơm P1 END Điều khiển P1 theo yêu cầu người vận hành N LV=LV_Hi LV=LV_Low Bật bơm P1 N Y N Y Hình 2.61. Lưu đồ điều khiển bơm P1 179 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 cố được hiển thị . Việc Kiểm tra phát hiện sự cố được thực hiện bằng các phương pháp sau: - PP1 : Bằng thiết bị chuyên dụng như các thiết bị bảo vệ và báo động sự cố động 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 quả đầu 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 bị đo như đo tốc độ,...) báo động cơ tắt thì báo động sự cố. Tuy nhiên PP3 có nhược điểm là nếu thiết bị điều khiển (PLC) hỏng thì không thể báo động được, do đó cần kết hợp cả 3 phương pháp và thậm chí cả điều khiển dự phòng để tăng độ tin cậy. 4. Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô hình hệ thống tự động hoá a) Yêu cầu lựa chọn công nghệ Công nghệ hệ thống tự động hoá được lựa chọn trên cơ sở sau: Hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực tự động 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 (như Profibus, 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 kế đúng 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 *) Hệ thống điều khiển tự động bao gồm các thành phần chính sau: - Tủ điện cấp nguồn động lực và điều khiển. - Trạm điều khiển tự động. - Trạm máy tính. 180 - Bàn điều khiển bằng tay - Bối các thiết bị đo, transmitter. - Cơ cấu chấp hành (động cơ, van điện). *) Tủ điện cấp nguồn động lực và điều khiển gồm các thành phần chính sau: - Các bộ cầu chì, cầu dao, aptomat, rơle nhiệt. - Các thiết bị đo điện, đèn chỉ thị, đồng hồ von kế và ampe kế - Các thiết bị chuyển dòng. Tất cả các thiết bị trong Tủ điện 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 sơ đồ, 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 tủ điện 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. Tủ điện 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 từ Nhật hoặc G7. Tủ sẽ do Việt Nam thiết kế chế tạo vỏ, đi dây và lắp đặt. *) Trạm điều khiển tự động Trạm điều khiển tự động 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. Ngoài ra, nhiều công trình tại Việt Nam và trên thế giới sử dụng công nghệ tự động hoá SIMATIC đã chứng tỏ độ ổn định và tin cậy cao và SIEMENS là một trong những hãng lớn trong lĩnh vực tự động 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 chế độ bằng tay. Bàn điều khiển được thiết kế gồm các nút ấn, đèn hiệu và còi báo động. Các thiết bị, vật 181 tư lựa chọn có xuất xứ từ Nhật hoặc G7. Bàn điều khiển sẽ do Việt Nam thiết kế chế tạo. *) Khối các thiết bị đo, 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 bị đo 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 từ đã 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 tự động hoá *) Giải thích mô hình Việc điều khiển xử lý nước thải được tập trung vào một Trung tâm điều khiển (Hình 13), từ đây có thể theo dõi giám sát, điều khiển toàn bộ dây chuyền. Trung tâm có thể đặt 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: Hình 2.62. Hình ảnh nguyên lý điều khiển hệ thống xử lý nước thải 182 -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. Chế độ làm việc tối ưu được hiểu là chế độ 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. Tủ điện cấp nguồn, Trạm điều khiển tự động 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 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 ESTOP. 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 của các khâu sau: pH, DO, Flow và người vận hành hoàn toàn chủ động 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 sự chi phối của điều khiển tự động (trong trường hợp này Manual chỉ là chế độ bán tự động). Khi chế độ điều 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 chế độ bằng tay có thể lựa chọn một số hoặc tất cả các công đoạn trong hệ thống sẽ điều khiển bằng tay (thông qua bàn điều khiển bằng tay hoặc kích hoạt chuột trên máy tính) trong khi các 183 công đoạn còn lại vẫn chạy trong chế độ tự động. Đối với các công đoạn vận hành bằng tay, người vận hành sẽ tự 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 trị đo, cảnh báo, báo động sự cố cho người vận hành. Trái lại, nếu người vận hành vặn khoá trên bàn điều khiển sang chế độ 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 chế độ thì đèn trên bàn điều khiển và trên HMI đều đồng bộ thay đổi theo. Khi vận hành trong chế độ tự động, hệ thống sẽ tự động 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, tự động điều khiển các thiết bị theo chu trình công nghệ định trước. Chu trình này có thể dễ dàng thay đổi các tham số làm việc, có thể can thiệp, chuyển đổi sang chế độ vận hành bằng tay dễ dàng cũng như sau đó có thể đưa trở lại về chế độ tự động để hệ thống tiếp tục điều khiển chu trình công nghệ. Việc điều khiển các thiết bị có thể đơn 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 bị được cập nhật về phòng điều khiển trung tâm và hiển thị lên màn hình máy tính. Từ đây, 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 thể điều 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 tự động đặc biệt trong dây chuyền công nghệ như điều 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 như điều khiển mờ, mạng nơron, ... 6. Giới thiệu các thiết bị chính trong hệ thống tự động hoá a) Thiết bị trong Trạm điều khiển PLC và Trạm máy tính IPC b) Thiết bị đo lường (cảm biến + transmitter) 184 - Đo độ pH Transmitter CPM 223-PR0305: Cho phép nối với các loại đầu đo CPF81/82. Hiện thị tại chỗ với màn hình LCD với 6 loại ngôn ngữ khác nhau. Hiển thị các giá trị đo nhiệt độ, độ pH cùng một thời điểm. Ngoài ra còn cho phép báo động, cảnh báo và điều khiển các thiết bị ngoại vi. - Đầu đo CPF81: Loại đầu đo này có hai loại là tích hợp sensor và không tích hợp sensor đo nhiệt độ. Nhiệt độ được thiết kế để đo trong môi trường nước thải công nghiệp. Đo Oxygen Transmitter COM 223/253: Cho phép nối với các loại đầu đo COS31/41/71. Hiện thị tại chỗ với màn hình LCD trên hai dòng text với 6 loại ngôn ngữ khác nhau. Hiển thị các giá trị đo nhiệt độ, độ pH cùng một thời điểm. Ngoài ra còn cho phép báo động, cảnh báo và điều khiển các thiết bị ngoại vi . - Đầu đo COS41: Loại đầu đo này có hai loại là tích hợp sensor đo nhiệt độ và không tích hợp sensor nhiệt độ được thiết kế để đo trong môi trường nước thải công nghiệp. Phần mềm SCADA (Superviser Control And Data Aquisision) cho hệ thống TĐH.Chương trình giám sát, điều khiển được phát triển trên nền SIMATIC WinCC V6.0 của hãng SIEMENS. SIMATIC WinCC (Windows Control Center) là phần mềm giao diện người- máy (HMI-Human Machine Interface) dựa trên máy tính PC và được chạy trên nền Windows NT 4.0/Windows 2000. WinCC được thiết kế cho phép theo dõi trực quan về quá trình hoạt động và xử lí của hệ thống tự động cũng như hỗ trợ mạnh về xử lí giao diện. WinCC có đặc điểm chính sau: - Xử lí tin cậy và đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu thông qua chức năng dự phòng (redundancy) - Chức năng mở rộng nhờ có tích hợp thành phần ActiveX - Hệ thống giao tiếp mở thông qua OPC (OLE cho điều khiển quá trình) - Dễ dàng cấu hình thông qua phần mềm SIMATIC STEP7. - Khả năng cấu hình nối với nhiều máy tính theo mô hình Client-Server. - WebBrowser cho phép truy cập từ xa qua mạng Internet. - Dễ dàng phát triển nhờ các công cụ, thư viện tuỳ chọn (options) và các thành phần mở rộng (Add-On) của các hãng thứ ba. WinCC version 6.0 là phầm mềm giao diện người máy trong môi trường hệ điều hành Window 2000 hoặc Window XP. Khác với các phiên bản trước (V4, V5), cơ sở dữ liệu của WinCC6.0 dựa trên nên Microsoft SQL server 2000. Do vậy người sử dụng được cung cấp ác công cụ lưu trữ, tích hợp dữ liệu của SQL. Hơn nữa việc tích hợp thêm ngôn ngữ lập trình VBScript đã làm cho WinCC 6.0 trở nên mềm dẻo hơn trong khi lập trình. Ngoài ra, trong Version 6.0 còn có nhiều điểm mới trong các vấn để về truyền thông qua OPC, về tích hợp 185 Web, về vấn đề bảo mậtVì vậy nhóm thực hiện đã chọn WinCC V6.0 để thiết kế Phần mềm SCADA cho hệ thống tự động hoá xử lý nước thải. c) Màn hình chính Hình 2.63. Hình ảnh giao diện chính điều khiển hệ thống xử lý nước Màn hình chính là màn hình hiển thị đầu tiên sau khi đăng nhập vào hệ thống. Trên màn hình này có sơ đồ tổng thể dây chuyền xử lý nước thải và các menu chính dạng nút bấm- button (Hình 2.63). Khi bấm vào các menu sẽ hiện các cửa sổ khác cho phép người vận hành khai thác các chức năng khác của hệ thông hoặc có thông tin chi tiết hơn so với thông tin hiện có trên màn hình chính. Hầu hết các giá trị hiện thời của các thông số trong hệ thống được hiển thị trên màn hình chính. Các giá trị thông số chất lượng nước được hiện dưới dạng số nằm trong các ô hình bình hành, khi thông số vượt ngưỡng thì ô tương ứng sẽ nhấp nháy xanh/đỏ. Trạng thái các thiết bị chấp hành (động cơ, van) được thể hiện bằng màu sắc: xanh là đang hoạt động, xám là dừng. Khống chế mức được thể hiện bằng hai màu: xanh là chưa tới mức khống chế, trái lại thì màu đỏ. Bảo mật hệ thống: Để đảm bảo an toàn cho hệ thống tự động hoá, tránh xâm nhập bất hợp pháp và lỗi vận hành do trình độ người sử dụng, phần mềm 186 SCADA có chức năng phân quyền và bảo mật. Mỗi người sử dụng tuỳ thuộc chức năng nhiệm vụ được giao sẽ được cấp một số quyền nhất định (ví dụ: chỉ được xem mà không được điều khiển; được xem và điều khiển một số công đoạn; được thay đổi cấu hình hệ thống; được thêm-sửa-xoá user;....), quyền cao nhất thuộc về người quản trị (Administrator). Mỗi người sử dụng được cấp tên và mật khẩu đăng nhập để truy cập hệ thống. d) Màn hình điều khiển Cơ cấu chấp hành (động cơ, van) có thể điều khiển từ HMI bằng cách kích chuột hoặc dùng bàn phím. Trên hình Hình 2.64 là cửa sổ điều khiển tắt/bật các động cơ máy bơm, máy thổi khí, máy khuấy, máy gạt bùn, máy ép bùn, biến tần. Trên cửa sổ này cũng thể hiện trạng thái các thiết bị đó (ON/OFF). Hình 2.64. Màn hình hiển thị các thông số hay trạng thái của hệ thống 187 e) Các dạng hiển thị thông số. Ngoài cách thể hiện trên màn hình chính, các thông số còn được hiển thị dưới dạng đồ thị, ...nhằm mục đích tạo điều kiện thuận lợi tối đa cho người vận hành trong việc theo dõi giám sát quá trình công nghệ. f) Cấu hình hệ thống Các cửa sổ cấu hình hệ thống cho phép đặt các giá trị chủ đạo điều khiển và ngưỡng cảnh báo/báo động cho từng thông số g) Cảnh báo/Báo động: Ngoài phương pháp cảnh báo bằng màu sắc, âm thanh, chức năng này còn cho phép lưu trữ tất cả các cảnh báo hiện tại vào một bảng chung để thuận tiện cho theo dõi tất cả hệ thống như hình 2.65. Trên bảng có nhiều thông tin chi tiết hơn các phương pháp thể hiện khác, ví dụ: chỉ rõ địa điểm sự cố, hướng dẫn xử lý, gợi ý nguyên nhân,.... g) Lưu trữ, báo cáo thống kê Lưu trữ các thông số công nghệ, trạng thái thiết bị, sự cố được thực hiện theo chu kỳ hoặc thời điểm tuỳ theo yêu cầu người vận hành. Dữ liệu lưu trữ sau đó sẽ được sử dụng làm báo cáo thống kê theo nhiều tiêu chí khác nhau phục vụ cho công việc quản lý và bảo hành bảo trì thiết bị máy móc. Hình 2.66 dưới chỉ cho ta thấy các sự kiện xảy ra đối với hệ thống được thông báo chi tiết. Hình 2.65.Màn hình hiển thị các thông số cần theo dõi của hệ thống 188 Hình 2.66. Màn hình thông báo các sự kiện xẩy ra với hệ thống. Thông thường trong các phần mềm giao diện điều khiển các nhà thiết kế đều đưa ra phần nội dung ghi lại các sự kiện đã xẩy ra với hệ thống. Điều này giúp cho người vận hành hay bảo trì sửa chữa hệ thống dễ dàng phân tích tìm lỗi và khắc phục hệ thống. 189 Câu hỏi chương 2 Câu 1: Vẽ và phân tích sơ đồ khối công nghệ lọc nước nấu bia. Câu 2: Phân tích quy trình tái sinh than hoạt tính Câu 3: Phân tích quá trình hoàn nguyên trong tank lọc Cation, Anion Câu 4: Vẽ và phân tích sơ đồ khối công nghệ sản xuất bia. Câu 5: Trình bày nguyên lý hoạt động tank nấu bia Câu 6: Mô tả hệ thống điều khiển tự động nhà nấu bia Câu 7: Trình bày khả năng điều khiển, vận hành nhà nấu bia Câu 8: Vẽ và phân tích sơ đồ khối công nghệ sản xi măng. Câu 9: Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống lò nung Câu 10: Trình bày nội dung bài toán điều khiển tối ưu hệ thống lò nung Câu 11: Trình bày Nguyên lý điều khiển nhiệt độ hệ thống lò nung Câu 12: Nêu các phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học Câu 13: Nêu các phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý Câu 14: Vẽ phân tích sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt Câu 15: Vẽ phân tích 1 sơ đồ công nghệ xử lý nước thải công nghiệp (Tự tìm hiểu) 190 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS,TS, Trần văn Địch, T.S. Trần Xuân Việt, T.S, Nguyễn Trọng Doanh, Th.S Lưu Văn Nhang, Tự động hoá quá trình sản xuất, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2001. [2]. Trần Doãn Tiến, Tự động hoá điều khiển các quá trình công nghệ, Nhà xuất bản Giáo dục, 1999. [3]. Vũ Quang Hồi, Trang bị Điện - Điện tử công nghiệp, Nhà xuất bản Giáo dục, 2000. [4]. Lê Văn Doanh, Cẩm nang Kỹ thuật Tự động hoá và tin học công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1999. [5]. Bộ môn tự động hóa BKHN, Bài giảng tự động hóa quá trình công nghệ (tài liệu nội bộ) [6]. Công ty bia Hương sen, tài liệu nội bộ, Quy trình công nghệ sản xuất bia, năm 2009 [7]. Công ty xi măng Bút Sơn, tài liệu nội bộ, Quy trình công nghệ sản xuất xi măng. [8]. Công ty xi măng Duyên hà, tài liệu nội bộ, Quy trình công nghệ sản xuất xi măng PC. [9]. Công ty bia Hương sen, tài liệu nội bộ, Quy trình xử lý nước nấu bia 70m3/ giờ. [10]. Hoàng Minh Sơn, mạng truyền thông công nghiệp, NXB KHKT 2008 [11]. Trần Văn Nhân- Ngô Thị Nga, Bài giảng công nghệ xử lý nước thải, NXB KHKT 2002 [12]. Trần Đức Hạ, Xử lý nước sinh hoạt vừa và nhỏ, NXB KHKT 2002 [13]. Nguyễn Đức Lượng, công nghệ sinh học, nhà xuất bản ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2000. [14]. Nguyễn Đức Lượng, công nghệ vi sinh tập 2, nhà xuất bản ĐH Quốc Gia Tp. HCM, 2006. [15]. Lương Đức Phẩm, Hồ xưởng vi sinh vật tổng hợp, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1978. [16]. Wincc 2008 Flexible, help content FR 1 PR 1 FT FY 1 PT TRC TSL 3 TAL 3 TV3 D?ch th? cho (l?y) nhi?t D?ch th? c?n gia nhi?t