Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các cơ sở sản xuất công nghiệp và khu dân cư, nước thải phát sinh từ dây chuyền sản xuất cũng như hoạt động sinh hoạt của công nhân thường chứa nhiều thành phần phức tạp: rác thải thô, cặn lơ lửng, các hợp chất hữu cơ (biểu thị qua chỉ số BOD, COD), hàm lượng Nitơ (N), Photpho (P), cùng sự dao động lớn về độ pH và tải lượng vi sinh vật gây hại. Nếu không được thu gom và xử lý theo quy trình khoa học, lượng nước thải này sẽ gây tắc nghẽn hệ thống bơm, ăn mòn hóa học đường ống và phá hủy hệ sinh thái nguồn tiếp nhận (sông, ngòi, ao, hồ). Việc điều khiển thủ công hoặc sử dụng hệ thống rơ le dây nối truyền thống bộc lộ nhiều nhược điểm: kích thước tủ điện cồng kềnh, độ tin cậy kém trong môi trường công nghiệp ẩm ướt, khó thay đổi logic điều khiển và tốn nhiều nhân công vận hành.
Đề tài "Đồ án môn học điều khiển logic" do TS. Nguyễn Kim Ánh hướng dẫn tập trung giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn quy trình xử lý nước thải thông qua bộ điều khiển logic khả trình (PLC). Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:
- Khảo sát sơ đồ công nghệ và nguyên lý vận hành của hệ thống xử lý nước thải qua các công đoạn liên hoàn: mương lắng cát, bể cân bằng, bồn định lượng, bể trung hòa pH, bể lắng ngang, bể chứa bùn, bể vi sinh hiếu khí và bể khử trùng.
- Khảo sát, tính chọn các thiết bị đo lường (cảm biến đo độ pH, cảm biến mức bùn dạng xoay, cảm biến đo độ đục quang học, hệ thống công tắc phao) và các cơ cấu chấp hành (máy khuấy chìm, máy thổi khí, đĩa phân phối bọt mịn, máy bơm chìm nước thải, van điện tự động).
- Lựa chọn cấu hình bộ điều khiển PLC công nghiệp phù hợp với quy mô vào/ra của hệ thống, trang bị thêm khối biến đổi tín hiệu tương tự (Analog), đồng thời tính toán lựa chọn khí cụ đóng cắt và bảo vệ cho mạch động lực (contactor, rơ le nhiệt, aptomat).
- Thiết kế sơ đồ thuật toán điều khiển tuần tự, phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra và xây dựng chương trình điều khiển logic cho toàn bộ chu trình xử lý.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống công nghệ xử lý nước thải liên hoàn kết hợp các phương pháp cơ học, hóa lý và sinh học. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giải pháp trang bị điện, thiết bị đo đạc và thuật toán điều khiển logic ứng dụng dòng PLC MELSEC FX3U của hãng Mitsubishi Electric phối hợp cùng mạch động lực hạ áp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng giải pháp dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động và kỹ thuật điều khiển khả trình (Programmable Logic Controller - PLC):
- Khung lý thuyết điều khiển logic: Nguyên lý làm việc của PLC dựa trên chu kỳ quét (scan cycle) khép kín gồm ba giai đoạn: đọc trạng thái đầu vào vật lý, thực thi tuần tự chương trình trong bộ nhớ và cập nhật dữ liệu ra các cơ cấu chấp hành. Đồ án ứng dụng phương pháp lưu ảnh quá trình xuất nhập (I/O image memory) vào bộ đệm RAM để tối ưu hóa thời gian quét của CPU, với thời gian thi hành một lệnh cơ bản từ 0,065 µs đến 0,08 µs.
- Tiêu chuẩn đo lường và cảm biến công nghiệp: Đo lường độ đục dựa trên nguyên lý quang học tán xạ Nephelometric theo tiêu chuẩn châu Âu ISO 7027 và DIN EN 27027; nguyên lý điện hóa đo chênh lệch điện thế ion $H^+$ bằng điện cực thủy tinh kết hợp điện cực so sánh bạc/bạc chloride ($Ag/AgCl$) và bù nhiệt tự động NTC $300,\Omega$; nguyên lý cảm biến cơ học cánh xoay phát hiện lực cản của lớp bùn lắng.
- Phương pháp nghiên cứu: Đồ án sử dụng phương pháp phân tích - tổng hợp công nghệ để mô hình hóa quy trình xử lý nước thải thành các khâu logic độc lập nhưng liên kết chặt chẽ; phương pháp tính toán kỹ thuật điện công nghiệp để xác định công suất tiêu thụ, dòng điện làm việc dài hạn ($I_{đm}$) và dòng cắt ngắn mạch nhằm chọn kích cỡ cáp dẫn, contactor và aptomat bảo vệ; phương pháp thiết kế đồ họa điều khiển bằng lưu đồ thuật toán và ngôn ngữ bậc thang (Ladder Diagram - LD) kết hợp lưu đồ tuần tự SFC (Sequence Function Charts).
- Nguồn dữ liệu: Đồ án sử dụng số liệu kỹ thuật trích xuất từ catalog nhà sản xuất Mitsubishi Electric (họ PLC FX3U, module FX3U-4AD-ADP), hãng cảm biến Hach (Mỹ), hãng cảm biến Kansai (Nhật Bản), thiết bị sục khí Longtech (Đài Loan), máy khuấy Faggiolati (Italia) và các tài liệu chuyên ngành về thiết bị điện hạ thế.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc điều khiển logic tập trung. Trung tâm xử lý dữ liệu sử dụng khối vi xử lý PLC Mitsubishi FX3U-64MR/ES-A kết hợp module mở rộng tín hiệu tương tự FX3U-4AD-ADP nhằm thu thập dữ liệu đo đạc liên tục và điều phối hệ thống cơ cấu chấp hành công suất lớn.
Bảng phân bổ tín hiệu vào/ra (I/O Allocation)
Hệ thống yêu cầu tổng cộng 18 đầu vào số (Digital Input), 2 đầu vào tương tự (Analog Input) và 29 đầu ra số (Digital Output) điều khiển qua rơ le trung gian:
| Ký hiệu địa chỉ |
Tên thiết bị / Chức năng |
Phân loại tín hiệu |
Ghi chú vị trí lắp đặt |
| X000 |
START |
Digital Input |
Nút ấn khởi động hệ thống |
| X001 |
STOP |
Digital Input |
Nút ấn dừng hệ thống |
| X002 |
V1_P1 |
Digital Input |
Phao đo mức nước mương lắng cát |
| X003 |
V2_P2 |
Digital Input |
Phao báo mức nước thấp bể cân bằng |
| X004 |
V2_P3 |
Digital Input |
Phao báo mức nước cao bể cân bằng |
| X005 |
V3_P4 |
Digital Input |
Phao báo mức nước thấp bể trung hòa |
| X006 |
V3_P5 |
Digital Input |
Phao báo mức nước cao bể trung hòa |
| X007 |
V4_SB1 |
Digital Input |
Cảm biến báo mức bùn thấp bể lắng |
| X010 |
V4_SB2 |
Digital Input |
Cảm biến báo mức bùn cao bể lắng |
| X011 |
V5_P6L |
Digital Input |
Phao báo mức nước thấp bể vi sinh |
| X012 |
V5_P6M |
Digital Input |
Phao báo mức nước trung bình bể vi sinh |
| X013 |
V5_P6H |
Digital Input |
Phao báo mức nước cao bể vi sinh |
| X014 |
V6_P7 |
Digital Input |
Phao báo mức nước thấp bể khử trùng |
| X015 |
V6_P8 |
Digital Input |
Phao báo mức nước cao bể khử trùng |
| X016 |
P_AX |
Digital Input |
Phao báo cạn hóa chất bồn axit |
| X017 |
P_BZ |
Digital Input |
Phao báo cạn hóa chất bồn bazơ |
| X020 |
P_PAC |
Digital Input |
Phao báo cạn hóa chất bồn PAC |
| X021 |
P_CLO |
Digital Input |
Phao báo cạn hóa chất bồn Clo |
| M8262 / CH1 |
V4_DDUC |
Analog Input (0-10V) |
Đo độ đục nước bể lắng qua FX3U-4AD-ADP |
| CH2 |
Sensor pH |
Analog Input (0-10V) |
Đo giá trị pH nước thải bể trung hòa |
| Y000 |
K_TONG |
Digital Output |
Cuộn dây contactor tổng |
| Y001 |
V1_V1 |
Digital Output |
Van điện từ cấp nước mương lắng |
| Y002 - Y003 |
V2_B1, V2_B2 |
Digital Output |
Bơm nước thải 1 và 2 bể cân bằng |
| Y004 |
V2_MSK1 |
Digital Output |
Máy sục khí bể cân bằng |
| Y005 |
V3_V2 |
Digital Output |
Van tự động xả nước bể trung hòa |
| Y006 - Y010 |
V3_MK1, MK2, MK3 |
Digital Output |
Máy khuấy bể trung hòa, bồn axit, bồn bazơ |
| Y011 - Y014 |
V3_AX1-2, V3_BZ1-2 |
Digital Output |
Bơm định lượng axit 1-2, bazơ 1-2 |
| Y015 - Y016 |
V4_MK4, V4_MK5 |
Digital Output |
Máy khuấy hỗ trợ keo tụ bể lắng |
| Y017 |
V4_BB |
Digital Output |
Máy bơm bùn bể lắng |
| Y020 - Y021 |
V4_PAC1, V4_PAC2 |
Digital Output |
Bơm định lượng phèn keo tụ PAC 1 và 2 |
| Y022 - Y023 |
V5_V3, V5_BNS |
Digital Output |
Van nạp và bơm hút nước trong bể vi sinh |
| Y024 - Y025 |
V5_MSK2, V5_MK6 |
Digital Output |
Máy sục khí 2 và máy khuấy chìm vi sinh |
| Y026 - Y030 |
V6_V4, V6_CLO, MK7 |
Digital Output |
Van xả 4, bơm dung dịch Clo, máy khuấy Clo |
| Y031 - Y034 |
CCAX, CCBZ, CCPAC, CCCL |
Digital Output |
Contactor cấp nguồn các cụm hóa chất |
Tính toán mạch động lực và thiết bị bảo vệ
Hệ thống trang bị phụ tải động cơ công nghiệp có tổng công suất làm việc lớn nhất tại một nhánh tải là $P_{đm} = 30\text{ kW}$, điện áp lưới $U_{đm} = 220\text{ V}$. Dòng điện định mức tính toán chạy qua mạch:
$$I_{đm} = \frac{P_{đm}}{U_{đm}} = \frac{30000}{220} \approx 136\text{ A}$$
Từ dòng điện tính toán, đồ án thực hiện lựa chọn các khí cụ điện đóng ngắt và bảo vệ:
- Contactor (Công tắc tơ): Tiếp điểm chính làm việc ở chế độ dài hạn, lựa chọn loại contactor hạ áp có thông số định mức $U_{đm} = 220\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 150\text{ A}$ (đáp ứng điều kiện $I_{đm_contactor} > 136\text{ A}$).
- Aptomat (MCCB/MCB): Căn cứ vào dòng điện tính toán và dòng khởi động ngắn hạn của phụ tải động cơ, dòng bảo vệ định mức của aptomat được tính theo hệ số an toàn:
$$I_{aptomat} \ge 1{,}5 \cdot I_{đm} = 1{,}5 \cdot 136 = 204\text{ A}$$
Đồ án chọn aptomat có dòng định mức là $204\text{ A}$ nhằm tránh hiện tượng nhảy ngắt khi động cơ khởi động và đảm bảo cắt nhanh khi xảy ra sự cố ngắn mạch.
- Rơ le trung gian: Sử dụng loại rơ le cuộn dây kích $24\text{ VDC}$, dòng tải tiếp điểm $1\text{ A}$, kết nối trực tiếp với đầu ra relay của PLC để cách ly mạch điều khiển và mạch động lực.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Quy trình công nghệ xử lý nước thải
Chương 1 trình bày chi tiết sơ đồ công nghệ xử lý nước thải qua chuỗi công trình đơn vị:
- Mương lắng cát: Nước thải tự chảy qua song chắn rác thô để giữ lại đá vụn, cành gỗ, giẻ, nylon, bảo vệ đường ống và bơm. Tấm lọc rác tinh giữ lại cặn bùn nhỏ. Phao đo mức nước $V1_P1$ điều khiển van tự động $V1_V1$: khi bể cạn, phao hạ thấp làm hở mạch, van mở cho nước vào; khi đầy, mạch đóng lại, van ngắt để chống tràn.
- Bể cân bằng: Trang bị dàn ống sục khí dưới đáy kết hợp máy sục khí $V2_MSK1$ nhằm khuấy trộn đều các chỉ số BOD, COD, pH, N, P và nhiệt độ. Hai phao mức thấp ($V2_P2$) và mức cao ($V2_P3$) điều khiển hai máy bơm $V2_B1, V2_B2$ hoạt động luân phiên nhằm tăng tuổi thọ thiết bị, bơm nước lên bồn định lượng.
- Bồn định lượng: Thiết kế gồm 2 ngăn, có chức năng điều tiết lưu lượng nạp vào bể trung hòa; lượng nước bơm thừa từ ngăn thứ nhất sẽ tự động tràn sang ngăn thứ hai và chảy hồi lưu về bể cân bằng.
- Bể trung hòa pH: Nước thải được kiểm soát độ axit/bazơ để tránh phá hủy đường ống và bảo đảm điều kiện xử lý sinh học. Bể gồm bồn chứa axit (2 bơm $V3_AX1, AX2$, máy khuấy $V3_MK2$), bồn chứa bazơ (2 bơm $V3_BZ1, BZ2$, máy khuấy $V3_MK3$), máy khuấy chính $V3_MK1$, hai phao mức $V3_P4, V3_P5$ và van xả tự động $V3_V2$. Logic định lượng vận hành theo 5 ngưỡng giá trị:
- $\text{pH} < 3{,}5$: Kích hoạt 2 bơm bazơ ($BZ1, BZ2$) cùng máy khuấy $MK1, MK3$.
- $3{,}5 \le \text{pH} < 6{,}5$: Kích hoạt 1 bơm bazơ ($BZ1$) cùng máy khuấy $MK1, MK3$.
- $6{,}5 \le \text{pH} \le 7{,}5$: Ngưỡng đạt chuẩn, ngừng khuấy $MK1$, mở van $V3_V2$ xả nước sang bể lắng.
- $7{,}5 < \text{pH} \le 10{,}5$: Kích hoạt 1 bơm axit ($AX1$) cùng máy khuấy $MK1, MK2$.
- $\text{pH} > 10{,}5$: Kích hoạt 2 bơm axit ($AX1, AX2$) cùng máy khuấy $MK1, MK2$.
- Bể lắng: Sử dụng dạng bể lắng ngang hình chữ nhật ($H = 1{,}5 \div 4\text{ m}$, $L = 8 \div 12\text{ m}$, $B = 3 \div 6\text{ m}$), ứng dụng cho lưu lượng nước thải $> 15\text{ m}^3/\text{h}$, hiệu quả lắng đạt $60%$, vận tốc dòng nước $\le 0{,}01\text{ m/s}$, thời gian lắng từ 1 đến 3 giờ. Cảm biến đo độ đục điều khiển châm chất keo tụ PAC:
- $0 < \text{Độ đục} < 100\text{ NTU}$: Không tác động.
- $100 \le \text{Độ đục} < 500\text{ NTU}$: Chạy bơm $V4_PAC1$ và máy khuấy $MK4, MK5$.
- $500 \le \text{Độ đục} < 1000\text{ NTU}$: Chạy đồng thời 2 bơm $V4_PAC1, PAC2$ và 2 máy khuấy $MK4, MK5$.
- Cảm biến mức bùn thấp $V4_SB1$ và mức bùn cao $V4_SB2$ kiểm soát bơm bùn $V4_BB$ hút bùn về bể chứa bùn.
- Bể chứa bùn: Chứa bùn lắng và nén bùn sơ cấp, định kỳ 6 tháng hút bùn thải một lần bằng xe bồn chuyên dụng.
- Bể vi sinh (Aerotank): Xử lý chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí, duy trì nồng độ oxy hòa tan $\text{DO} > 2\text{ mg/l}$. Hệ thống gồm máy sục khí $V5_MSK2$, máy khuấy chìm $V5_MK6$, thiết bị thu nước bề mặt $V5_BNS$ và 3 phao mức ($V5_P6L, V5_P6M, V5_P6H$). Chu trình gồm pha sục khí - khuấy trộn, sau đó ngắt khí chuyển sang pha lắng tĩnh trong 5 phút, rồi khởi động thiết bị $V5_BNS$ thu nước bề mặt đưa sang bể khử trùng.
- Bể khử trùng: Nước thải sau bể vi sinh được hòa trộn dung dịch Clo nồng độ 6 - 9 ppm để tiêu diệt vi khuẩn đường ruột (chủ yếu là coliform). Chu trình vận hành: nước bơm đầy bể khử trùng (phao $V6_P8$ tác động), hệ thống bơm dung dịch Clo và khuấy đều trong 1 phút, tiếp tục ngâm khử trùng tĩnh trong 4 phút, sau đó mở van tự động $V6_V4$ đưa nước đã đạt chuẩn ra ngoài.
Chương 2: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành sử dụng trong hệ thống
Chương 2 thuyết minh thông số kỹ thuật và phương thức ghép nối của các thiết bị ngoại vi:
- Cảm biến đo độ pH Hach DPD1R1: Dải đo từ $0 \div 14\text{ pH}$, độ nhạy $\pm 0{,}01\text{ pH}$, độ trôi $0{,}03\text{ pH}/24\text{h}$, tích hợp bù nhiệt tự động bằng điện trở NTC $300,\Omega$, vỏ cảm biến bằng nhựa Ryton chống ăn mòn hóa chất, chịu được áp suất 6 bar, dòng nước làm việc $\le 3\text{ m/s}$. Tín hiệu ngõ ra khuếch đại dải điện áp $0 \div 10\text{ V}$, chuẩn kết nối ren 1" NPT gắn trên đường ống hoặc phao cầu nổi trong bể hở.
- Cảm biến báo mức bùn dạng xoay Kansai: Xuất xứ Nhật Bản, dùng phát hiện mức chất rắn lắng cặn. Nguồn cấp $200 \div 220\text{ VAC}$ hoặc $100 \div 110\text{ VAC}$, tần số $50/60\text{ Hz}$, tiếp điểm đầu ra relay NO/NC chịu tải $250\text{ VAC } 3\text{ A}$, cấp bảo vệ chống bụi nước IP55, nhiệt độ làm việc $0 \div 50^\circ\text{C}$. Cảm biến có 4 vị trí móc lò xo để điều chỉnh lực cản mô-men xoắn của motor cánh xoay.
- Cảm biến đo độ đục Nephelometric: Cấu tạo gồm sensor quang học, hệ điều chỉnh lưu lượng, điều áp và van đối áp, chế tạo theo chuẩn ISO 7027 & DIN EN 27027. Thiết bị sử dụng nguồn sáng hồng ngoại, dải đo $0 \div 1000\text{ NTU}$, độ chính xác $\pm 2%$, điện áp ngõ ra $0 \div 10\text{ V}$. Yêu cầu lưu lượng lấy mẫu $6 \div 60\text{ l/h}$, vị trí lấy mẫu cách cảm biến dưới $2 \div 3\text{ m}$.
- Hệ thống sục khí: Máy thổi khí Longtech (Đài Loan) kết hợp đĩa phân phối bọt mịn màng vi lỗ. Kích thước bọt khí bọt mịn từ $1 \div 6\text{ mm}$ (loại ống đục lỗ thô là $2 \div 10\text{ mm}$), lưu lượng mỗi đĩa là $0{,}1 \div 0{,}2\text{ m}^3/\text{phút}$. Với lưu lượng máy thổi khí yêu cầu $30\text{ m}^3/\text{phút}$, số lượng đĩa phân phối bọt mịn được tính toán là:
$$\text{Số lượng đĩa} = \frac{30}{0{,}1} = 300\text{ cái}$$
- Máy khuấy chìm Faggiolati GM17A1T (GM17A471T1-4V2KA0): Xuất xứ Italia. Công suất điện $1{,}1\text{ kW}$, công suất cánh khuấy $0{,}42\text{ kW}$, lực đẩy $120\text{ N}$, tốc độ quay $1380\text{ RPM}$, động cơ 4 cực, điện áp 3 pha $380\text{ V } 50\text{ Hz}$. Cấp bảo vệ IP68, cấp cách điện lớp H (chịu nhiệt tới $180^\circ\text{C}$). Thân máy đúc bằng gang EN-GJL-250, trục động cơ bằng inox SUS AISI 420, cánh quạt 2 cánh đường kính $176\text{ mm}$ bằng inox AISI 316, bộ làm kín phớt cơ khí kép gồm gốm/than chì (trên) và silic carbide (dưới).
- Công tắc phao và bơm chìm nước thải: Phao điện cơ khí đóng cắt bằng tiếp điểm viên bi bên trong cho hai trạng thái (mức cao, mức thấp). Bơm chìm nước thải lựa chọn dạng ly tâm chống tắc, dải thông số công nghiệp: lưu lượng $1 \div 3000\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $3 \div 30\text{ m}$, công suất $0{,}4 \div 30\text{ kW}$, sử dụng nguồn 1 pha 220V hoặc 3 pha.
Chương 3: Lựa chọn bộ điều khiển PLC và thiết kế trang bị điện cho hệ thống
Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết lựa chọn giải pháp điều khiển và tính chọn thiết bị điện:
- So sánh kỹ thuật: Tác giả phân tích ưu - nhược điểm của 4 phương pháp điều khiển (Rơ le, Mạch số, Máy tính và PLC). PLC được lựa chọn nhờ giá thành từng chức năng thấp, kích thước rất gọn, tốc độ xử lý nhanh, khả năng chống nhiễu vượt trội trong môi trường công nghiệp và việc lập trình, bảo trì rất đơn giản.
- Đánh giá các dòng PLC Mitsubishi MELSEC-F: Bảng so sánh giữa FX1S, FX1N, FX2N và FX3U cho thấy dòng FX3U sở hữu các thông số kỹ thuật tối ưu nhất:
| Chỉ tiêu kỹ thuật |
FX1S |
FX1N |
FX2N |
FX3U |
| Thời gian lệnh cơ bản |
$0{,}72\text{ }\mu\text{s}$ |
$0{,}72\text{ }\mu\text{s}$ |
$0{,}08\text{ }\mu\text{s}$ |
$0{,}065\text{ }\mu\text{s}$ |
| Dung lượng bộ nhớ |
2k Steps |
8k Steps |
8k Steps (max 16k) |
64k Steps |
| Cấu hình I/O tối đa |
30 I/O |
128 I/O |
256 I/O |
384 I/O |
| Rơ le phụ trợ (M) |
M0 - M511 |
M0 - M1535 |
M0 - M3071 |
M0 - M7679 |
| Rơ le trạng thái (S) |
S0 - S127 |
S0 - S999 |
S0 - S999 |
S0 - S4095 |
| Bộ định thời (Timer) |
64 |
128 |
256 |
512 (T0 - T511) |
| Bộ đếm (Counter) |
32 |
32 |
235 |
235 (C0 - C234) |
| Thanh ghi dữ liệu (D) |
D0 - D255 |
D0 - D999 |
D0 - D7999 |
D0 - D7999 |
- Lựa chọn cấu hình PLC FX3U-64MR/ES-A: Trang bị 32 ngõ vào digital (cấu hình sink/source linh hoạt qua chân S/S) và 32 ngõ ra relay (chân COM chung), nguồn nuôi $100 \div 240\text{ VAC}$, công suất tiêu thụ $45\text{ W}$, tích hợp đồng hồ thời gian thực RTC và cổng giao tiếp RS232C, RS485, USB.
- Module mở rộng FX3U-4AD-ADP: Lắp ghép trực tiếp bên sườn trái của CPU PLC, cung cấp 4 kênh đầu vào tương tự ($0 \div 10\text{ VDC}$ hoặc $4 \div 20\text{ mA}$), độ phân giải A/D tốc độ cao, sử dụng nguồn nuôi $24\text{ VDC}$ và cáp xoắn đôi chống nhiễu có nối đất mass.
- Tính toán khí cụ điện mạch động lực: Thiết lập công thức và lựa chọn chính xác contactor ($220\text{ V } 150\text{ A}$), aptomat bảo vệ phụ tải động cơ 30 kW ($I_{aptomat} = 204\text{ A}$) và rơ le trung gian kích $24\text{ VDC}$.
Chương 4: Thiết kế sơ đồ thuật toán và chương trình điều khiển
Chương 4 hoàn thiện thiết kế logic điều khiển cho toàn bộ dây chuyền công nghệ:
- Xây dựng sơ đồ thuật toán xử lý tuần tự cho từng khâu công nghệ độc lập: thuật toán khởi động/dừng hệ thống an toàn, thuật toán điều khiển mương lắng và bể cân bằng, thuật toán phân cấp định lượng axit/bazơ theo thang đo pH, thuật toán định lượng hóa chất PAC theo độ đục, thuật toán bơm hút xả bùn và thuật toán chu trình thời gian cho bể vi sinh và bể khử trùng.
- Cấu trúc chương trình điều khiển dạng bậc thang (Ladder Diagram): tận dụng triệt để các bộ rơ le phụ trợ chốt (latch relays) để lưu trạng thái sự cố, rơ le chuyên dùng, các hàm so sánh dữ liệu số học với dữ liệu Analog đọc về từ module FX3U-4AD-ADP và các timer định thời chính xác (pha lắng vi sinh 5 phút, pha cấp Clo 1 phút, pha ngâm khử trùng 4 phút).
Kết quả và đóng góp
Đồ án môn học đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể và đóng góp vào giải pháp tự động hóa công nghiệp:
- Kết quả thiết kế kỹ thuật:
- Hoàn thiện sơ đồ công nghệ và logic điều phối liên động cho 7 công đoạn xử lý nước thải liên hoàn, ngăn ngừa tuyệt đối nguy cơ tràn nước thải chưa qua xử lý ra môi trường.
- Xây dựng bảng phân bổ chi tiết 18 ngõ vào digital, 2 ngõ vào analog và 29 ngõ ra digital, bảo đảm hệ thống vận hành với dung lượng dự phòng của CPU FX3U-64MR/ES-A.
- Tính toán và xác lập chính xác thông số kỹ thuật trang bị điện cho hệ thống phụ tải 30 kW: contactor $220\text{ V } 150\text{ A}$, aptomat bảo vệ dòng $204\text{ A}$ và cấu hình 300 đĩa phân phối bọt mịn đáp ứng lưu lượng sục khí $30\text{ m}^3/\text{phút}$.
- Xác lập ngưỡng điều khiển tự động hóa chất: thuật toán 5 vùng cho khâu trung hòa pH ($0 \div 14$) và 3 cấp độ định lượng chất keo tụ PAC theo dải độ đục ($0 \div 1000\text{ NTU}$).
- Giải pháp đề xuất: Đồ án đề xuất cơ chế luân phiên vận hành giữa các cặp máy bơm (bơm bể cân bằng $V2_B1, V2_B2$) và phân cấp nhiều bơm định lượng ($AX1, AX2, BZ1, BZ2, PAC1, PAC2$) nhằm giảm tần suất khởi động, phân bổ đều thời gian hoạt động và nâng cao tuổi thọ cơ khí cho hệ thống bơm.
- Đóng góp so với phương pháp truyền thống: Thay thế hoàn toàn hệ thống tủ rơ le dây nối cổ điển bằng bộ điều khiển PLC, nâng cao khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp, rút ngắn thời gian xử lý chu kỳ quét xuống mức micro-giây, đồng thời cho phép mở rộng hoặc hiệu chỉnh thuật toán công nghệ hoàn toàn bằng phần mềm mà không cần thay đổi phần cứng đấu nối.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ trên phạm vi nghiên cứu và nội dung thuyết minh trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế và định hướng phát triển:
- Hạn chế: Toàn bộ giải pháp dừng lại ở thiết kế sơ đồ nguyên lý, cấu hình vào/ra và thuật toán chương trình điều khiển PLC, chưa tích hợp giao diện điều khiển và giám sát đồ họa thời gian thực SCADA/HMI trên máy tính; các ngưỡng nồng độ châm hóa chất được đặt cố định theo bậc thang logic chứ chưa ứng dụng các thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc thuật toán điều khiển PID để bù sai lệch nồng độ liên tục.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Xây dựng hệ thống giám sát SCADA hỗ trợ thu thập dữ liệu lịch sử và cảnh báo sự cố từ xa; tích hợp các chuẩn truyền thông công nghiệp (như CC-Link, Modbus RTU qua cổng RS485/RS232C sẵn có trên CPU FX3U); nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển vòng kín PID cho biến tần điều khiển lưu lượng bơm và tốc độ máy khuấy.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên các ngành kỹ thuật: Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Kỹ thuật Môi trường đang làm đồ án môn học Điều khiển logic, đồ án Trang bị điện hoặc Khóa luận tốt nghiệp về trạm xử lý nước thải.
- Kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về phương pháp lựa chọn cấu hình PLC Mitsubishi họ FX, cách ghép nối module analog FX3U-4AD-ADP, và công thức tính chọn khí cụ đóng cắt mạch động lực (aptomat, contactor) theo phụ tải công nghiệp.
- Phần giá trị nhất: Bảng đấu nối phân bổ địa chỉ I/O chi tiết, quy chuẩn công nghệ xử lý nước qua các bể và logic điều khiển hóa chất phân cấp theo cảm biến pH và độ đục.
Câu hỏi thường gặp
1. Phương pháp và công thức tính chọn Aptomat bảo vệ cho mạch động lực của hệ thống được tiến hành như thế nào?
Aptomat được tính chọn dựa trên phụ tải động cơ có công suất $P_{đm} = 30\text{ kW}$, điện áp lưới $U_{đm} = 220\text{ V}$. Dòng điện định mức tính toán là $I_{đm} = \frac{30000}{220} \approx 136\text{ A}$. Áp dụng điều kiện chọn aptomat công nghiệp có tính đến hệ số dòng khởi động và quá tải ngắn hạn $I_{aptomat} \ge 1{,}5 \cdot I_{đm}$, đồ án tính toán ra giá trị dòng định mức của aptomat là $I_{aptomat} = 1{,}5 \cdot 136 = 204\text{ A}$.
2. Thuật toán điều khiển định lượng axit và bazơ tại bể trung hòa pH được phân cấp theo các ngưỡng nào?
Dựa trên tín hiệu điện áp $0 \div 10\text{ V}$ từ cảm biến Hach DPD1R1 (thang đo $0 \div 14\text{ pH}$), hệ thống chia làm 5 vùng điều khiển:
- $\text{pH} < 3{,}5$: Bật 2 bơm bazơ ($BZ1, BZ2$) cùng máy khuấy $MK1, MK3$.
- $3{,}5 \le \text{pH} < 6{,}5$: Bật 1 bơm bazơ ($BZ1$) cùng máy khuấy $MK1, MK3$.
- $6{,}5 \le \text{pH} \le 7{,}5$: Tắt máy khuấy $MK1$, mở van xả $V3_V2$ xả nước sang bể lắng.
- $7{,}5 < \text{pH} \le 10{,}5$: Bật 1 bơm axit ($AX1$) cùng máy khuấy $MK1, MK2$.
- $\text{pH} > 10{,}5$: Bật 2 bơm axit ($AX1, AX2$) cùng máy khuấy $MK1, MK2$.
3. Số lượng đĩa phân phối bọt mịn trong hệ thống sục khí được tính toán dựa trên cơ sở nào?
Số lượng đĩa phân phối khí được tính theo công thức: $\text{Số lượng} = \frac{\text{Lưu lượng máy thổi khí}}{\text{Lưu lượng đĩa thổi khí}}$. Với lưu lượng máy thổi khí Longtech là $30\text{ m}^3/\text{phút}$ và lưu lượng định mức của một đĩa phân phối bọt mịn là $0{,}1\text{ m}^3/\text{phút}$ (kích thước bọt khí $1 \div 6\text{ mm}$), hệ thống cần lắp đặt chính xác $\frac{30}{0{,}1} = 300\text{ đĩa}$.
4. Chu trình điều khiển theo thời gian tại bể vi sinh và bể khử trùng được quy định ra sao?
Tại bể vi sinh, sau khi nước được sục khí và khuấy trộn đến khi phao cao $V5_P6H$ tác động, hệ thống ngắt sục khí và máy khuấy để thực hiện pha lắng tĩnh trong thời gian 5 phút trước khi khởi động bơm hút bề mặt $V5_BNS$. Tại bể khử trùng, sau khi nước nạp đầy (phao $V6_P8$ tác động), hệ thống bơm dung dịch Clo và bật máy khuấy trong 1 phút, sau đó duy trì quá trình ngâm khử trùng tĩnh trong 4 phút trước khi kích hoạt mở van xả $V6_V4$.
5. Vì sao hệ thống phải sử dụng thêm module FX3U-4AD-ADP kết hợp cùng CPU FX3U-64MR/ES-A?
Bộ điều khiển chính FX3U-64MR/ES-A chỉ tích hợp sẵn 32 ngõ vào số (Digital Input) và 32 ngõ ra relay (Digital Output), không có cổng nhận tín hiệu tương tự trực tiếp. Trong khi đó, hệ thống yêu cầu xử lý 2 tín hiệu tương tự liên tục từ cảm biến đo độ pH (dải $0 \div 10\text{ V}$) và cảm biến đo độ đục Nephelometric (dải $0 \div 10\text{ V}$). Do đó, việc ghép nối thêm module mở rộng FX3U-4AD-ADP là bắt buộc để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số đưa vào thanh ghi CPU xử lý.
Kết luận
Đồ án môn học của tác giả dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Kim Ánh đã xây dựng thành công thiết kế kỹ thuật tự động hóa toàn diện cho trạm xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Giải pháp sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-64MR/ES-A kết hợp module analog FX3U-4AD-ADP, đồng bộ cùng hệ thống cảm biến chuyên dụng và thiết bị đóng cắt mạch động lực tính toán chính xác. Công trình cung cấp giải pháp điều khiển logic tuần tự tin cậy, thay thế hiệu quả hệ thống điều khiển thủ công và làm cơ sở vững chắc cho các ứng dụng tự động hóa môi trường trong thực tiễn.
