Tài liệu Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển trong quy trình xử lý nước thải sử dụng plc s7 300

ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG QUY TRÌNH XỬ LÝ NƢỚC THẢI SỬ DỤNG PLC S7-300 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ MÃ NGÀNH: 7510203 Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. Trần Kim Khuê Sinh viên thực hiện : Vũ Văn Linh MSV : 1551080793 Lớp : K60_CĐT Khoá học : 2015 - 2019 Hà Nội - năm 2019 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội. Đời sống con ngƣời ngày càng đƣợc nâng cao. Đô thị đƣợc mở rộng nhiều. Nếu không đƣợc sự quan tâm của chính quyền, cũng nhƣ ngƣời dân, môi trƣờng sống sẽ ngày càng giảm sút. Đặc biệt là môi trƣờng nƣớc. Nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm nƣớc thải là do quá trình sử dụng của con ngƣời trong các hoạt động sống hay sản xuất của mình, làm thay đổi tính chất và thành phần nƣớc ban đầu. Các chất thải này khi thải ra môi trƣờng nƣớc, gây mùi hôi thối, làm chậm quá trình chuyển hóa và hòa tan oxy vào nƣớc, dinh dƣỡng hóa nƣớc mặt, làm cản trở quá trình sinh trƣởng và phát triển của sinh vật. Có rất nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải, nhƣng do tính chất và thành phần của nƣớc thải khác nhau cần lựa chọn phƣơng pháp xử lý cho phù hợp. Chính vì thế mà em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển trong quy trình xử lý nƣớc thải sử dụng PLC S7-300”. Mục tiêu nghiên cứu chính trong đề tài này là Nghiên cứu lí thuyết công nghệ xử lý nƣớc thải. Lập trình điều khiển hệ thống xử lý nƣớc thải bằng phần mềm S7 Manager. Lập trình hệ thống điều khiển giám sát mô phỏng trên máy tính bằng WinCC. Đề tài của em chia làm 2 phần chính sau: Phần 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Phần 2: Nội dung khóa luận Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Các thiết bị chấp hành và xây dựng sơ đồ mạch động lực Chƣơng 3: Bài toán điều khiển và lập trình mô phỏng cho hệ thống xử lý nƣớc thải Trong suốt thời gian làm đề tài đƣợc sự giúp đỡ của các thầy, cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật điện và Tự đông hóa và đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình, chi tiết của thầy giáo ThS. Trần Kim Khuê đã giúp em hoàn thành bản khóa luận này. Mặc dù đã rất cố gắng nhƣng kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên khóa luận của em không thể tránh những thiếu sót, em rất mong đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô, để em hoàn thiện tốt khóa luận tốt nghiệp này. Hà Nội, Ngày 16 tháng 05 năm 2019 Sinh viên thực hiện Vũ Văn Linh NHẬN XÉT (Của giảng viên hƣớng dẫn) ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Chữ ký, họ tên) NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN (Chữ ký, họ tên) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................2 MỤC LỤC ...................................................................................................................5 DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................7 DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1 1.1 Khái niệm ..........................................................................................................1 1.2 Công nghệ xử lí nƣớc thải trong nƣớc ..............................................................1 1.3 Công nghệ xử lí nƣớc thải ở nƣớc ngoài ...........................................................1 1.4 Các thông số ô nhiễm đăc trƣng của chất thải ..................................................3 1.5 Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lí ...............................................................4 1.6 Nghiên cứu áp dụng công nghệ tự động hóa nƣớc thải ........................................4 2.2 Các thiết bị chấp hành trong hệ thống nƣớc thải ..................................................8 2.3 Sơ đồ đấu nối các thiết bị chấp hành ................................................................9 2.4 Các đầu đo sử dụng trong hệ thống xử lí nƣớc thải ........................................17 2.5 Sơ đồ đấu nối các đầu đo với PLC – 300 ............................................................18 CHƢƠNG 3: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG CHO S7 – 300 .............................................................................................................................19 3.1 Xây dựng bài toán xử lí nƣớc thải tự động .....................................................19 3.1.1 Khảo sát và tính toán dân số ............................................................................19 3.1.2 Tính toán lƣu lƣợng nƣớc thải..........................................................................19 3.1.3. Cơ sở đề xuất công nghệ xử lý . ......................................................................19 3.1.4 Thống kê các thiết bị điện hiện có trong dây chuyền XLNT. ..........................21 3.2. Xây dựng lƣu đồ thuật toán ................................................................................33 3.2.1. Điều khiển bơm P1 vào Bể cân bằng ..............................................................33 3.2.1 Điều chỉnh pH trong Bể trung hoà ...................................................................37 3.2 Viết chƣơng trình điều khiển cho S7 – 300 ........................................................40 3.2.1 Các bƣớc tạo và viết chƣơng trình điều khiển cho S7 - 300 ............................40 3.2.2 Chƣơng trình điều khiển cho S7 – 300 ............................................................46 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG XỬ LÍ NƢỚC THẢI ............................................................. Error! Bookmark not defined. 4.1 Thiết kế giao diện phần mềm trên WinCC ......... Error! Bookmark not defined. 4.2 Lƣu trữ, báo cáo thống kê hoạt động của hệ thống ........... Error! Bookmark not defined. 4.3 Vận hành hệ thống, chạy mô phỏng .................... Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN ........................................................................................61 5.1 Giới hạn đề tài .....................................................................................................61 5.2. Kết luận kiến nghị ..............................................................................................61 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: khối lƣợng chất rắn có trong nƣớc thải sinh hoạt (g/ngƣời.ngày) ..............3 Bảng 1.2: Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lý ...................................................4 Bảng 2.1: Đầu ra .........................................................................................................9 Bảng 2.2: Đầu vào .....................................................................................................10 Bảng 3.1: Hệ số điều hòa phụ thuộc vào lƣu lƣợng. .................................................19 Bảng 3.2: So sánh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý với QCVN 14:2008/BTNMT. ...20 Bảng 3.3: Các biến sử dụng trong hệ thống ..............................................................21 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Nguyên lý đấu dây Module EM323.................................................................... 11 Hình 2.2: CPU 312 và Module EM323 của Siemens .......................................................... 11 Hình 2.3: Bộ nguồn 24VDC cấp cho CPU 312 và Module EM323 của Siemens ............... 12 Hình 2.5: Sơ đồ dấu nối thiết bị đầu vào ............................. Error! Bookmark not defined. Hình 2.6: Mạch động lực động cơ bơm và nút ấn ............................................................... 14 Hình 2.7: Mạch động lực Động cơ bơm định lƣợng, Động cơ máy khuấy, Động cơ sục khí ............................................................................................................................................. 14 Hình 2.8: Mạch động lực Động cơ máy gạt bùn, Động cơ bơm bùn, Động cơ máy ép bùn. ............................................................................................................................................. 16 Hình 3.1: Transmitter MAG 5000 SIEMENS .................................................................... 22 Hình 3.2: MAG 5100W SIEMENS .................................................................................... 23 Hình 3.3: Clorator ................................................................................................................ 23 Hình 3.4 : Cảm biến phát hiện rò rỉ khí Clo ........................................................................ 24 Hình 3.4: Máy khuấy ........................................................................................................... 26 Hình 3.5: Máy bơm chìm nƣớc thải APP KS-50 GT 5 HP (có dao cắt) .............................. 27 Hình 3.6: Cảm biến nhiệt độ PT100 .................................................................................... 28 Hình 3.7: PM6RTD.............................................................................................................. 29 Hình 3.8: Đồng hồ đo lƣu lƣợng EFM-115 ......................................................................... 30 Hình 3.9: Bảng chọn model tất cả các dòng đồng hồ đo lƣu lƣợng EFM-115 .................... 31 Hình 3.10: Model Orbipac CPF81D .................................................................................... 33 Hình 3.11 khởi động chƣơng trình ....................................................................................... 41 Hình 3.12 khai báo ............................................................................................................... 41 Hình 3.13 khai báo ............................................................................................................... 42 Nhấp Hardware mở ra màn hình đặt cấu hình cứng cho trạm ............................................ 42 Hình 3.14 đặt câú hình cứng cho trạm ................................................................................. 42 Hình 3.15 đặt câú hình cứng cho trạm ................................................................................. 43 Hình 3.16 đặt câú hình cứng cho trạm ................................. Error! Bookmark not defined. Hình 3.17 đặt câú hình cứng cho trạm ................................................................................. 43 ............................................................................................. Error! Bookmark not defined. ............................................................................................................................................. 44 ............................................................................................................................................. 44 ............................................................................................. Error! Bookmark not defined. ............................................................................................................................................. 45 ............................................................................................. Error! Bookmark not defined. ............................................................................................................................................. 45 ............................................................................................................................................. 46 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm Nƣớc thải sinh hoạt là nƣớc đã đƣợc sử dụng bởi con ngƣời và trong đó chứa tất cả các chất bẩn sau khi sử dụng. Nó đƣợc sinh ra bởi các nhu cầu hàng ngày, nhƣ tắm rửa, vệ sinh, và từ các cống thoát nƣớc đó là loại nƣớc tắm rửa của con ngƣời, giặt giũ, chế biến thực phẩm, nấu ăn, vệ sinh nhà bếp,… Đặc trƣng của nƣớc thải sinh hoạt là: hàm lƣợng chất hữu cơ cao (55-65% tổng lƣợng 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 nƣớc thải. 1.2 Công nghệ xử lí nƣớc thải trong nƣớc Công nghệ xử lí nƣớc thải bằng AFBR (Advance Fixed Bed Reactor) là ứng dụng để xử lí các chất hữu cơ hòa tan trong nƣớc thải cũng nhƣ 1 số chất vô cơ Công nghệ xử lí nƣớc thải MBR (Membrane Bio-Reactor – MBR hay còn gọi là màng MBR) bể hoặc thiết bị sinh học xử lí nƣớc thải trong đó áp dụng kĩ thuật bùn hoạt tính AS phân tán có kết hợp với màng lọc tách vi sinh. Công nghệ có thể đẩy nồng độ vi sinh hay bùn hoạt tính trong bể MBR lên tới 15g/l. Công nghệ xử lý nƣớc thải AAO Anaerobic – Anoxic – Oxic (Kị khí – Thiếu khí – Hiếu khí) đƣợc ứng dụng cho các loại nƣớc thải có tỷ lệ BOD/COD > 0.5, hàm lƣợng các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao. Công nghệ AAO có khả năng xử lý triệt để hàm lƣợng các chất dinh dƣỡng (Nito, photpho) cao. Với đặc điểm vận hành ổn định Bởi vì khả năng ứng dụng rộng rãi của công nghệ này. Mặc dù vấn đề cần phải xử lý, hóa lý trƣớc sinh học (trừ xử lý bậc cao) nhƣng có rất nhiều hệ thống xử lý nƣớc thải đã xây dựng vẫn sử dụng quá trình sử lý sinh học trƣớc hóa lý. Nguyên nhân là do có nhiều công ty chƣa có kinh ngiệm trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải áp dụng không đúng quá trình xử lý trên nên hiệu quả xử lý thấp. Để xác định đƣợc loại hóa chất phù hợp với loại nƣớc thải nào đó thì cần phải test thử mẫu trƣớc khi ứng dụng vào thực tế. 1.3 Công nghệ xử lí nƣớc thải ở nƣớc ngoài Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nƣớc thải công nghiệp 1 đang là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môi trƣờng sống đồng thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên thế giới. Tại nhiều nƣớc có nền công nghiệp phát triển cao nhƣ Nhật, Mỹ, Anh, Pháp,... các hệ thống xử lý nƣớc thải công nghiệp đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiên tiến trong lĩnh vực tự động hoá cũng đã đƣợc 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 nhƣ USFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation (HWC), Global Industries.Inc... đã đƣa ra các giải pháp công nghệ xử lý nƣớc thải hiện đại. Những công nghệ tự động hoá của các công ty hàng đầu trên thế giới nhƣ SIEMENS, AB, YOKOGAWA,... đƣợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xử lý nƣớc thải. Có thể nói trình độ tự động hoá xử lý nƣớc thải đã đạt mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện đƣợc tại một Trung tâm, tại đây ngƣời vận hành đƣợc hỗ trợ bởi những công cụ đơn giản, dễ sử dụng nhƣ 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 đƣợc rút ngắn, cho phép ngƣời vận hành có thể điều khiển từ cách xa hàng ngàn km với chỉ một máy tính PC hoặc nhận đƣợc thông tin về hệ thống thông qua SMS. Hơn thế, hệ thống tự động hoá xử lý nƣớc thải còn đƣợc tích hợp với các hệ thống điều hành ở cấp độ điều khiển cao hơn nhƣ 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 tự động hoá và tối ƣu hoá quá trình sản xuất. Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều các lý thuyết điều khiển hiện đại đƣợc áp dụng nhƣ điều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo trƣớc (predicted control), điều khiển lai ghép (hybrid control),... đƣợc ứng dụng trong xử lý nƣớc thải để nâng cao chất lƣợng điều khiển và hiệu suất của các công đoạn xử lý. Lý thuyết hệ chuyên gia cũng đƣợc áp dụng mở ra khả năng tự động hoá hoàn toàn cho xử lý nƣớc thải. 2 1.4 Các thông số ô nhiễm đặc trƣng của chất thải Hàm lƣợng chất rắn trong nƣớc thải. Nƣớc thải là hệ đa phân tán bao gồm nƣớc và các chất bẩn. Các nguyên tố chủ yếu có trong thành phần của nƣớc thải sinh hoạt là C, H, O, N với công thức trung bình C12H26O6N. Các chất bẩn trong nƣớc thải gồm cả vô cơ và hữu cơ, tồn tại dƣới dạng cặn lắng, các chất rắn không lắng đƣợc là các chất hòa tan và dạng keo. Bảng 1.1. khối lƣợng chất rắn có trong nƣớc thải sinh hoạt (g/ngƣời.ngày) Cặn không lắng Hữu cơ 30 10 Vô cơ 10 5 Tổng cộng 40 15 Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trƣng Thành phần Cặn lắng Chất hòa tan 50 75 125 của nƣớc thải. Tổng cộng 90 90 180 Các chất rắn không hoà tan có hai dạng: chất rắn keo và chất rắn lơ lửng. Chất rắn lơ lửng đƣợc giữ lại trên giấy lọc kích thƣớc lỗ 1,2 micromet (bao gồm chất rắn lơ lửng lắng đƣợc và chất rắn lơ lửng không lắng đƣợc), làm giảm lƣợng hóa chất cần sử dụng trong quá trình xử lý. + Độ pH của nƣớc pH là chỉ số đặc trƣng cho nồng độ H+ có trong dung dịch, thƣờng dùng để biểu hiện tính kiềm hay tính axit của nƣớc. Độ pH có liên quan đến dạng tồn của kim loại và khí hòa tan trong nƣớc, ảnh hƣởng tới hiệu quả của các quá trình xử lý nƣớc. Ngoài ra độ pH còn ảnh hƣởng tới quá trình trao đổi chất trong cơ thể sinh vật tồn tại trong nƣớc. Do vậy rất có ý nghĩa về khía cạnh sinh thái môi trƣờng. + Hàm lƣợng oxy hòa tan(Dissolved oxygen - DO). DO là lƣợng oxy hòa tan cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật sống trong nƣớc, thƣờng đƣợc tạo ra do sự hòa tan từ khí quyển hay sự quang hợp của tảo. Nồng độ oxy tự do trong nƣớc 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 nƣớc, đe dọa sự sống các loài sinh vật sống trong nƣớc. Do vậy, DO là chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nƣớc. Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand - BOD). 3 BOD là lƣợng 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 Do đó, nó là thƣớc đo nồng độ chất hữu cơ trong chất thải có thể bị oxy hóa bởi vi sinh vật. Nhu cầu oxy hóa học(Chemical Oxygen Demand - COD). COD là lƣợng oxy cần thiết để oxy hóa các hợp chất hóa học trong nƣớc bao gồm cả vô cơ và hữu cơ. Toàn bộ lƣợng oxy sử dụng cho các phản ứng trên đƣợc lấy từ oxy hoà tan trong nƣớc (DO). Do vậy nhu cầu oxy hoá học và oxy sinh học cao sẽ làm giảm nồng độ DO của nƣớc, có hại cho sinh vật nƣớc và hệ sinh thái nƣớc nói chung. Nƣớc thải hữu cơ, nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải hoá chất là các tác nhân tạo ra các giá trị BOD và COD cao của môi trƣờng nƣớc. 1.5 Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lí Bảng 1.2. Tính chất của nguồn nƣớc thải cần xử lý STT Thông số Đơn vị Giá trị 1 pH - 7,3 2 SS mg/l 130 3 COD mg/l 246 4 BOD5 mg/l 200 5 Nitơ mg/l 8 6 P mg/l 3 7 Dầu mỡ thực vật mg/l 14 1.6 Nghiên cứu áp dụng công nghệ tự động hóa nƣớc thải 1.6.1 Mục đích áp dụng tự động hoá xử lý nƣớc thải Tự động hoá xử lý nƣớc thải là điều cần thiết nhƣng cũng không cần phải vội vàng, mà phải phân tích rõ mục đích của tự động hoá và đặc biệt phải chú ý: vì sao phải tự động hoá và cho ai? Cải thiện điều kiện làm việc: Mục đích đầu tiên của tự động hoá là phải loại bỏ công việc lặp lại và khó nhọc cho việc vận hành, ví dụ: liên tục theo dõi, kiểm tra 4 nhiều thông số công nghệ, tắt bật cơ cấu chấp hành, ghi chép số liệu, sự cố,...Tự động hoá và giám sát bằng máy tính làm tiện lợi thêm khả năng khống chế từ xa một số lƣợng lớn các thông tin, đơn giản hoá nhiệm vụ khai thác, giám sát và quản lý. Nâng cao hiệu quả của thiết bị: Trƣớc hết ta có thể cải thiện chất lƣợng xử lý nƣớc bằng các thiết bị đo và điều chỉnh . Ví dụ nhƣ định lƣợng chất phản ứng, mức độ ô xy hoá, kiểm tra nhiệt độ các bể phản ứng…Tự động hoá quá trình cho phép giải phóng con ngƣời và làm tăng tốc độ tin cậy của hệ thống. Nhƣng 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 phƣơng án để thiết bị có thể làm việc liên tục trong trƣờng hợp bị hỏng hóc một bộ phận nào đó bằng cách đƣa tự động các thiết bị dự phòng vào làm việc và giải quyết hỏng hóc. Tự động hoá cho phép việc nghiên cứu thống kê các dữ liệu đã thu đƣợc, mở ra con đƣờng tối ƣu của việc xử lý. Tăng năng suất lao động: Tự động hoá nhằm nâng cao năng suất bằng cách giảm chi phí vận hành. Ta cũng có thể tối ƣu hoá giá thành năng lƣợng chi phí hàng giờ và chi phí vật liệu. Giảm nhân công vận hành và giảm công việc bảo dƣỡng cũng cho phép giảm giá thành. Trợ giúp việc giám sát: Nó bao gồm việc lắp đặt bộ biến đổi, phát hiện báo động, đặt các phƣơng tiện ghi các dữ liệu và truyền đi xa cho đến nơi giám sát bằng máy tính. Tự động hoá không có mục đích riêng, mức độ phức tạp của thiết bị phải đáp ứng điều kiện của nhà máy và đối tƣợng xử lý. Tự động hoá chỉ xem nhƣ một bộ trợ giúp, không ép buộc. Một trong những hậu quả của một hệ thống tự động không chắc chắn là khi “mất nhớ” nó không tiếp xúc trực tiếp đƣợc với quá trình công nghệ đƣợc nữa. Tuy nhiên những ƣu điểm của nó quá rõ ràng nếu thiết bị đƣợc một chuyên gia về xử lý nƣớc thải thiết kế và vận hành thực hiện. 5 CHƢƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ CHẤP HÀNH VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1 Bài toán xử lý nƣớc thải tự động Nƣớc thải từ dân cƣ đƣợc thu gom vào hố bơm. Từ hố bơm P1 bơm nƣớc qua song chắn rác. Đây là bƣớc xử lý sơ bộ. Mục đích của quá trình là khử tất cả các tạp vật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nƣớc thải nhƣ làm tắc máy bơm, đƣờng ống hoặc kênh dẫn. Đây là bƣớc quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống. Rác tự động vào thùng chứa bằng cách xối nƣớc liên tục hoặc cào thủ công. Sau song chắn rác, nƣớc tự chảy vào bể cân bằng. Bể này có tác dụng điều hoà lƣu lƣợng để duy trì dòng thải vào gần nhƣ không đổi cho các công đoạn sau, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lƣu lƣợng nƣớc thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Nhiệt độ nƣớc đƣợc đo thủ công theo chu kỳ hoặc thời điểm tuỳ thuộc vào kỹ sƣ vận hành. Máy bơm P2 sẽ bơm nƣớc từ bể cân bằng vào bể trung hoà và ổn định lƣu lƣợng. Nƣớc thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cần đƣợc trung hoà đƣa pH về khoảng 7±0.2 trƣớc khi sử dụng cho công đoạn xử lý tiếp theo. Trung hoà nƣớc thải thực hiện bằng cách bổ sung các tác nhân hoá học. Trong quá trình trung hoà, một lƣợng bùn cặn đƣợc tạo thành. Lƣợng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nƣớc thải cũng nhƣ loại và lƣợng các tác nhân sử dụng cho quá trình Để trung hoà trong công nghệ này ngƣời ta sử dụng tác nhân hoá học là NaOH và HCl. Khi pH vƣợt ngƣỡng dƣới thì bơm định lƣợng DP bổ sung thêm NaOH, khi pH vƣợt ngƣỡng 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 nƣớc thải. Điều khiển pH đƣợc thực hiện thủ công. Để bảo đảm an toàn cho vi sinh vật ngƣời vận hành thƣờng xuyên phải đo tay độ pH đầu nguồn nƣớc vào bể kỵ khí để đảm bảo chắc chắn rằng pH không vƣợt ngƣỡng cho phép. Khi phát hiện pH không đạt yêu cầu thì ngƣời vận hành tắt P1, P2, P3 để cắt nguồn nƣớc 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 hƣởng rất lớn đến quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dƣỡng vào tế bào. Nếu vi sinh vật chết sẽ cần nhiều thời gian và kinh phí để khôi phục lại chúng 6 đồng thời làm gián đoạn sản xuất Sau khi trung hoà nƣớc đƣợc xử lý tiếp bằng các phƣơng pháp sinh học. Ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp sinh học để làm sạch nƣớc thải khỏi nhiều chất hữu cơ hoà tan và một số chất vô cơ nhƣ H2S, các chất sunfit, amoniac, nitơ…Phƣơng 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 nƣớc thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dƣỡng và tạo năng lƣợng. Trong quá trình dinh dƣỡng, chúng nhận các chất dinh dƣỡng để xây dựng tế bào, sinh trƣởng và sinh sản nên sinh khối của chúng đƣợc tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá . Trong công nghệ sử dụng hai phƣơng pháp là kỵ khí và hiếu khí tại các bể kỵ khí và hiếu khí. Phƣơng pháp kỵ khí đƣợc dùng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phƣơng pháp sinh học hoặc nƣớc thải công nghiệp chứa hàm lƣợng các chất hữu cơ cao (BOD=4÷5 g/l). Đây là phƣơng pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn, trong đó các vi khuẩn kỵ khí phân huỷ các chất hữu cơ. Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm cuối cùng, ngƣời ta phân loại quá trình này thành: lên men rƣợu, 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 nghệ các chất khí (biogas) sẽ đƣợc thu hồi và đốt nhờ hệ thống thu hồi và xử lý khí. Phƣơng pháp hiếu khí là phƣơng 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 lƣợng ôxi cần thiết cho vi khuẩn trong quá trình phân giải chất hữu cơ đồng 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 ở đầu ra của bể. Đối với đa số các vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ƣu là 6.5÷8.5. Nhiệt độ nƣớc thải ảnh hƣởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nƣớc thải phải từ 6÷370 C. Nói chung giá trị DO luôn đƣợc bảo đảm trong khoảng cho phép nhờ công suất không đổi của máy thổi khí theo thiết kế trừ trƣờng hợp có sự cố (hỏng máy thổi, tắc ống dẫn khí,...) và đƣợc giám sát thủ công. Nhiệt độ nƣớc trong bể đo thủ công theo quy trình vận hành (định kỳ hoặc theo 7 thời điểm do kỹ sƣ vận hành quyết định). Nƣớc thải sau khi đƣợc xử lý tại bể hiếu khí sẽ tràn sang bể lắng đứng. Tại đây sử dụng phƣơng pháp lắng trọng lực. Trong nƣớc 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 thƣớc 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, xạ khuẩn,.... , một phần bùn đƣợc đƣa quay trở lại bể hiếu khí để bảo đảm đủ lƣợng vi sinh cần thiết. Bể lắng có thể tích thiết kế đủ lớn để nƣớc đƣợc lƣu 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 đƣợc mở trƣớc ở các độ mở nhất định, các mức mở này do kỹ sƣ vận hành thực hiện nhằm đảm bảo sự cân bằng giữa thức ăn và vi khuẩn hiếu khí. 2.2 Các thiết bị chấp hành trong hệ thống nƣớc thải Đèn hệ thống làm việc. Động cơ bơm 1, 2, 3. Động cơ bơm bùn . Động cơ sục khí. Động cơ bơm định lƣợng. Động cơ máy khuấy. Động cơ máy ép bùn . Động cơ máy gạt bùn . Van điện từ V1, V2, V3, V4, V5. 8 2.3 Sơ đồ đấu nối các thiết bị chấp hành Bảng 2.1. Đầu ra Giải thích TT Symbol Bit Ký hiêu công tắc tơ 1 Đèn hệ thống làm việc Q_DEN_RUN Q 0.0 Đ1 2 Động cơ bơm 1 Q_BOM_1 Q 0.1 M1 3 Động cơ bơm 2 Q_BOM_2 Q 0.2 M2 4 Động cơ bơm 3 Q_BOM_3 Q 0.3 M3 5 Động cơ bơm định lƣợng Q_BOM_DL Q 0.4 M4 6 Động cơ máy khuấy Q_DC_KHUAY Q 0.5 M5 7 Động cơ sục khí Q_DC_SUC_KHI Q 0.6 M6 8 Động cơ máy gạt bùn Q_MAY_GAT_BUN Q 0.7 M7 9 Động cơ bơm bùn Q_BOM_BUN Q 1.0 M8 10 Động cơ máy ép bùn Q_EP_BUN Q 1.1 M9 11 Van 1 Q_VAN_1 Q 1.2 V1 12 Van 2 Q_VAN_2 Q 1.3 V2 13 Van 3 Q_VAN_3 Q 1.4 V3 14 Van 4 Q_VAN_4 Q 1.5 V4 15 Van 5 Q_VAN_5 Q 1.6 V5 9 Bảng 2.2. Đầu vào TT Giải thích Symbol Bit Ký hiệu nút ấn 1 Nút ấn Start B_START I 0.0 B1 2 Nút ấn Stop B_STOP I 0.1 B2 3 Nút ấn chế độ tự động B_AUTO I 0.2 B3 4 Nút ấn chế độ bằng tay B_MANU I 0.3 B4 5 Nút ấn xác nhận lỗi B_XAC_NHAN_LOI I 0.4 B5 6 Cảm biến mức 1 CB_LEVEL_1 I 0.5 CB1 7 Cảm biến mức 2 CB_LEVEL_2 I 0.6 CB2 8 Cảm biến mức 3 CB_LEVEL_3 I 0.7 CB3 9 Cảm biến mức 4 CB_LEVEL_4 I 1.0 CB4 10 Bật tắt bơm 1 B_BOM_1 I 1.1 B6 11 Bật tắt bơm 2 B_BOM_2 I 1.2 B7 12 Bật tắt bơm 3 B_BOM_3 I 1.3 B8 13 Bật tắt bơm định lƣợng B_BOM_DL I 1.4 B9 14 Bật tắt động cơ khuấy B_DC_KHUAY I 1.5 B10 15 Bật tắt máy sục khí B_DC_SUC_KHI I 1.6 B11 16 Bật tắt máy gạt bùn B_MAY_GAT_BUN I 1.7 B12 17 Bật tắt bơm bùn B_BOM_BUN I 2.0 B13 18 Bật tắt máy ép bùn B_EP_BUN I 2.1 B14 19 Đóng mở van 1 B_VAN_1 I 2.2 B15 20 Đóng mở van 2 B_VAN_2 I 2.3 B16 21 Đóng mở van 3 B_VAN_3 I 2.4 B17 22 Đóng mở van 4 B_VAN_4 I 2.5 B18 23 Đóng mở van 5 B_VAN_5 I 2.6 B19 Theo thống kê các bit vào ra của bài toán thì có 23 bit input và 15 bit out put, cho nên chọn 2 Module EM323 (mỗi module có 16/16 input/Output), đồng thời lựa chọn CPU là CPU 321, và chọn một bộ nguồn 24VDC. 10 Hình 2.1. Nguyên lý đấu dây Module EM323 Hình 2.2. CPU 312 và Module EM323 của Siemens 11 Hình 2.3. Bộ nguồn 24VDC cấp cho CPU 312 và Module EM323 của Siemens 12