Đồ án HCMUTE: Giám sát và điều khiển hệ thống xử lý nước thải qua mạng 3G

Đồ án nghiên cứu hcmute điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước thải diện rộng qua mạng 3g, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Giám sát Hệ Thống Xử Lý Nước Thải Qua Mạng 3G Tại HCMUTE
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.3. NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HIỆN
• 1.4. GIỚI THIỆU VỀ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ SCADA
• 2.2. TÍNH NĂNG CỦA HỆ THỐNG SCADA
• 2.3. MẠNG MODBUS TRONG TỰ ĐỘNG HÓA
• 3. CHƯƠNG 3
• 4. CHƯƠNG 4
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát xử lý nước thải qua mạng 3G tại HCMUTE được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu giám sát và điều khiển từ xa. Việc áp dụng công nghệ giám sát hiện đại giúp tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải, giảm thiểu chi phí và thời gian. Hệ thống này cho phép người dùng theo dõi tình trạng thiết bị, kiểm soát các thông số như nhiệt độ, pH và độ trong của nước. Đặc biệt, hệ thống có khả năng gửi cảnh báo qua tin nhắn SMS khi có sự cố xảy ra, giúp người vận hành có thể can thiệp kịp thời. Theo nghiên cứu, việc sử dụng mạng 3G trong giám sát không chỉ tiết kiệm chi phí lắp đặt mà còn nâng cao tính linh hoạt trong việc quản lý hệ thống.

1.1. Lý do chọn đề tài

Nhu cầu về giám sát hệ thống ngày càng tăng trong bối cảnh công nghiệp hiện đại. Việc kết hợp công nghệ thông tin với tự động hóa trong giám sát và điều khiển là rất cần thiết. Hệ thống SCADA đã trở thành một phần không thể thiếu trong việc quản lý và giám sát các quy trình công nghệ. Đặc biệt, trong lĩnh vực xử lý nước thải, việc giám sát từ xa qua mạng 3G giúp giảm thiểu chi phí và thời gian, đồng thời nâng cao hiệu quả quản lý. Hệ thống này không chỉ giúp theo dõi tình trạng thiết bị mà còn cho phép người vận hành thực hiện các thao tác điều khiển từ xa, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình xử lý nước thải.

II. Cấu trúc hệ thống xử lý nước thải

Hệ thống xử lý nước thải được thiết kế với nhiều thành phần chính, bao gồm bể ozone, bể lọc thô, bể lắng và bể lọc than hoạt tính. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng nước đầu ra. Hệ thống sử dụng cảm biến để đo lường các thông số như pH, độ đục và nhiệt độ, từ đó điều chỉnh quy trình xử lý cho phù hợp. Việc sử dụng công nghệ thông tin trong việc thu thập và phân tích dữ liệu giúp nâng cao hiệu quả giám sát. Hệ thống có khả năng tự động cấp nước trở lại nếu nước đầu ra không đạt yêu cầu, đảm bảo quy trình xử lý luôn được duy trì ở mức tối ưu.

2.1. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống xử lý nước thải bao gồm nhiều thành phần chính như bể ozone, bể lọc thô, bể lắng và bể lọc than hoạt tính. Mỗi bể có chức năng riêng biệt, từ việc khử trùng nước đến việc loại bỏ các tạp chất. Cảm biến được lắp đặt để theo dõi các thông số quan trọng như pH, độ đục và nhiệt độ. Dữ liệu từ các cảm biến này được truyền về hệ thống điều khiển qua mạng 3G, cho phép người vận hành theo dõi và điều chỉnh quy trình xử lý một cách hiệu quả. Hệ thống cũng có khả năng tự động hóa, giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người và nâng cao độ chính xác trong quá trình xử lý.

III. Ứng dụng công nghệ 3G trong giám sát

Việc sử dụng mạng 3G trong hệ thống giám sát mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, nó cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa, không bị giới hạn bởi khoảng cách. Thứ hai, công nghệ thông tin giúp thu thập và phân tích dữ liệu một cách nhanh chóng và chính xác. Hệ thống có thể gửi cảnh báo qua tin nhắn SMS khi có sự cố xảy ra, giúp người vận hành có thể can thiệp kịp thời. Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả quản lý mà còn đảm bảo an toàn cho hệ thống xử lý nước thải.

3.1. Lợi ích của việc sử dụng mạng 3G

Sử dụng mạng 3G trong giám sát hệ thống xử lý nước thải mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì hệ thống, vì không cần phải kéo dây tín hiệu phức tạp. Thứ hai, khả năng giám sát từ xa giúp người vận hành có thể theo dõi tình trạng thiết bị và các thông số quan trọng mọi lúc, mọi nơi. Hệ thống cũng có khả năng tự động gửi cảnh báo qua SMS khi có sự cố, giúp nâng cao tính chủ động trong việc xử lý sự cố. Nhờ đó, hệ thống không chỉ hoạt động hiệu quả mà còn đảm bảo an toàn cho môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, nhu cầu ứng dụng công nghệ thông tin kết hợp với kỹ thuật tự động hóa để giám sát và điều khiển các tiến trình sản xuất, xử lý môi trường ngày càng mở rộng. Đối với các hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA) truyền thống, việc mở rộng phạm vi giám sát đến các cơ sở phân tán trên diện rộng thường gặp trở ngại lớn về hạ tầng truyền dẫn. Việc kéo cáp tín hiệu vật lý giữa các khu vực địa lý xa xôi làm phát sinh chi phí đầu tư lớn, phức tạp trong khâu thi công và bảo trì. Do đó, việc tận dụng mạng viễn thông di động không dây (cụ thể là mạng 3G/GPRS) kết hợp giao thức công nghiệp để thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa là một hướng giải quyết mang tính thực tiễn cao cho các trạm quan trắc và xử lý nước thải.

Xuất phát từ thực tế này, đề tài "Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước thải diện rộng qua mạng 3G" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán liên lạc diện rộng không phụ thuộc vào hạ tầng đường dây cố định. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được tác giả xác định theo bốn nội dung chính:

1. Xây dựng hệ thống phần mềm giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị chấp hành trên cơ sở hạ tầng mạng viễn thông 3G.
2. Điều khiển và giám sát từ xa các thông số vận hành của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (nhiệt độ, độ pH, độ đục, mức nước).
3. Xây dựng phần mềm tự động lưu trữ dữ liệu các thông số giám sát, điều khiển và tự động xuất cảnh báo, báo cáo dạng tin nhắn văn bản (SMS) khi có sự cố.
4. Xây dựng hệ thống phần cứng mô phỏng mô hình xử lý nước thải sinh hoạt tích hợp bộ điều khiển lập trình và các module truyền thông công nghiệp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bao gồm đầy đủ các công đoạn cơ bản: bể sục ozone, bể lọc thô, bể khuấy keo tụ hóa chất, bể lắng và bể lọc thẩm thấu ngược sử dụng than hoạt tính kết hợp cát thạch anh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc ghép nối phần cứng PLC Siemens S7-1200, các cảm biến đo lường môi trường nước với module truyền thông 3G RTU (sử dụng giao thức Modbus RTU qua cổng RS485), truyền dữ liệu về máy tính trung tâm qua cổng COM ảo và phần mềm giám sát giao diện WinCC Flexible.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên các nền tảng lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điều khiển, truyền thông công nghiệp và hóa học môi trường:

• Hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu (SCADA): Nghiên cứu dựa trên nguyên lý kiến trúc SCADA phân tán, khai thác các tính năng trọng tâm gồm: quản lý truy cập và phân quyền người dùng, giao diện người - máy (MMI), lập biểu đồ xu hướng (Trending) thời gian thực, quản lý và xử lý báo động (Alarm Handling), lưu trữ dữ liệu lịch sử (Logging/Archiving), xuất báo cáo tự động và điều khiển tuần tự bằng tập lệnh kích hoạt theo sự kiện.
• Giao thức truyền thông Modbus RTU: Mô hình giao tiếp mạng dạng chủ - tớ (Master - Slave) liên kết qua chuẩn vật lý RS485. Tác giả sử dụng khung truyền nhị phân với cơ chế kiểm tra lỗi vòng dư thừa (CRC 16-bit) và cấu trúc phân vùng bản đồ bộ nhớ chuẩn công nghiệp:

Dải địa chỉ Modbus	Loại tín hiệu	Tên gọi vùng nhớ	Chức năng truy xuất
1 – 9999	1 bit	Cuộn cảm (Coil)	Đọc hoặc Viết (Read/Write)
10001 – 19999	1 bit	Đầu vào rời rạc (Discrete Input)	Chỉ đọc (Read-only)
30001 – 39999	16 bit	Bộ ghi đầu vào (Input Register)	Chỉ đọc (Read-only)
40001 – 49999	16 bit	Bộ ghi giữ (Holding Register)	Đọc hoặc Viết (Read/Write)

• Tiêu chuẩn kỹ thuật môi trường: Đồ án căn cứ theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT (áp dụng cho cột A và cột B) để xác định ngưỡng giới hạn cho phép của các chỉ tiêu xả thải, làm cơ sở lập trình điều kiện chuyển hướng dòng chảy và gửi tin nhắn cảnh báo.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành về thiết bị điều khiển logic khả trình PLC Siemens, module truyền thông viễn thông công nghiệp và cảm biến môi trường.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật và tích hợp hệ thống: lựa chọn thiết bị phần cứng, tính toán phân phối công suất nguồn, lập sơ đồ đấu nối tín hiệu tương tự (Analog) và tín hiệu số (Digital).
• Phương pháp thực nghiệm: lắp ráp mô hình cơ khí - thủy lực, nạp chương trình điều khiển vào CPU PLC, cấu hình thông số mạng 3G của nhà mạng Mobifone, kiểm tra khả năng truyền nhận tín hiệu giữa module RTU với máy chủ qua phần mềm trung gian OPC Server và cổng COM ảo.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế hệ thống theo cấu trúc phân tầng hoàn chỉnh từ thiết bị hiện trường đến trạm giám sát trung tâm:

1. Kiến trúc phần cứng và thiết bị hiện trường

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình Siemens S7-1200 CPU 1215C làm trung tâm xử lý, kết hợp cùng các module mở rộng tín hiệu và truyền thông chuyên dụng:

Tên thiết bị / Module	Mã thiết bị / Thông số	Đặc tính kỹ thuật chính
Khối xử lý trung tâm	Siemens S7-1200 CPU 1215C	Bộ nhớ Work 100 KB, Load 4 MB, Retentive 10 KB; tích hợp 14 DI / 10 DO, 2 AI / 2 AO, 2 cổng PROFINET, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC)
Module cấp nguồn	Siemens 6EP1333-2BA01	Điện áp ngõ vào 120/230 VAC; ngõ ra 24 VDC, dòng điện định mức 5A
Module mở rộng tín hiệu tương tự	Siemens SM 1231	Nguồn cấp 24 VDC; 4 ngõ vào tương tự (4AI), hỗ trợ cả dạng dòng điện và điện áp
Module truyền thông nối tiếp	Siemens CM 1241	Chuẩn giao tiếp RS485; nguồn cấp 24 VDC, dòng tiêu thụ cực đại 200 mA
Cảm biến đo mức nước siêu âm	SRF06	Nguồn cấp 9-24 VDC; tín hiệu ngõ ra dòng 4-20 mA; chu kỳ quét 70-100 ms; dải đo 0 - 510 cm
Cảm biến đo nhiệt độ	Pt100 (3 dây) kèm Transmitter	Đầu dò Pt100 3 dây gắn với bộ chuyển đổi tín hiệu sang dòng 4-20 mA (2 dây); nguồn cấp 24 VDC
Cảm biến đo độ đục	LGZD sensor v1.1	Điện áp 5 VDC, dòng điện 40 mA; đáp ứng < 500 ms; ngõ ra áp 0-5 V; dải đo 0 - 10 NTU; nhiệt độ làm việc 30 - 80°C
Cảm biến đo pH	Cảm biến điện cực thủy tinh	Kết nối thông qua bộ hiển thị và xử lý tín hiệu pH chuyên dụng
Van điện từ điều khiển dòng	Van điện từ 2/2	2 cổng 2 vị trí, loại thường đóng; áp lực vận hành từ 0 Bar; thời gian đáp ứng 6-20 ms; chu kỳ làm việc 100%; điện áp 220 VAC
Bơm nước tuần hoàn và chuyển tiếp	Động cơ bơm nước DC	Nguồn định mức 24 VDC (vận hành thực tế ở 12 VDC để điều chỉnh giảm áp lực dòng chảy); lưu lượng đạt 13 lít/phút tại 24 VDC
Rơ le cách ly trung gian	Omron MY4N-J	Đóng cắt trung gian, cách ly mạch điều khiển công suất thấp với tải chấp hành
Module truyền thông không dây	GPRS RTU WRC-610 / WG-8010	Hỗ trợ khe cắm SIM 3G; tích hợp cổng RS485 giao tiếp Modbus RTU; cấu hình gửi tin nhắn SMS sự cố

2. Cấu hình phần mềm và liên kết truyền thông

Quy trình liên kết điều khiển và giám sát được tổ chức qua các phần mềm công nghiệp:

• Lập trình điều khiển PLC: Sử dụng phần mềm TIA Portal V13 để cấu hình phần cứng trạm S7-1200, khai báo các kênh địa chỉ I/O, xử lý chuẩn hóa tín hiệu cảm biến (Scale khối hàm Analog từ dải đo kỹ thuật số sang đại lượng vật lý thực tế), lập trình thuật toán điều khiển bơm, van và bộ sục khí.
• Thiết kế giao diện SCADA: Thiết kế bằng phần mềm WinCC Flexible, tạo dựng màn hình hiển thị trực quan các bể lọc, bồn chứa, các nút điều khiển chế độ chạy/dừng, bảng nhập thông số đặt trước cho ngưỡng pH và độ đục, vùng hiển thị biểu đồ và thông báo lỗi.
• Thiết lập truyền thông qua mạng 3G:
  • Tín hiệu đo đạc từ PLC được truyền qua module RS485 CM 1241 đến module 3G RTU (WRC-610/WG-8010) theo chuẩn Modbus RTU.
  • Module 3G chứa SIM nhà mạng (Mobifone) sẽ đẩy dữ liệu lên máy chủ dữ liệu (Data Server) qua sóng di động 3G.
  • Trên máy tính điều khiển trung tâm, cài đặt phần mềm tạo cổng COM ảo để kết nối từ xa với địa chỉ IP của module 3G thông qua mạng Internet.
  • Phần mềm KepServerEx (OPC Server) đóng vai trò trung gian đọc dữ liệu từ cổng COM ảo bằng giao thức Modbus Serial, sau đó liên kết các biến (Tag) này với phần mềm giám sát WinCC Flexible để hiển thị và phát lệnh điều khiển ngược trở lại PLC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát

Chương này giới thiệu lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu cấp thiết về tích hợp công nghệ thông tin vào mạng công nghiệp nhằm giảm chi phí lắp đặt dây truyền dẫn đối với các trạm quan trắc diện rộng. Tác giả xác định rõ 4 mục tiêu cụ thể, 8 nhiệm vụ triển khai thực hiện, định vị đối tượng nghiên cứu là hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt với 4 công đoạn cốt lõi (bể ozone, bể lọc thô, bể ngưng tụ keo tụ, bể lọc thạch anh kết hợp than hoạt tính), cùng phương pháp tiếp cận dựa trên hệ thống thiết bị của Siemens và module chuyển đổi giao tiếp 3G.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan cấu trúc SCADA từ thời kỳ máy tính mini thập niên 1960 đến kiến trúc phân tán hiện đại, phân tích 7 tính năng then chốt của SCADA (bảo mật truy cập, MMI, đồ thị, báo động, ghi nhật ký, xuất báo cáo, tự động hóa). Tiếp đó, chương phân tích chi tiết giao thức Modbus (so sánh Modbus ASCII, Modbus RTU và Modbus/TCP), nguyên lý địa chỉ thiết bị từ 0 đến 247, mã chức năng, cấu trúc kiểm tra lỗi CRC 16-bit và bản đồ bộ nhớ. Phần truyền thông 3G giải thích cơ chế chuyển tiếp dữ liệu qua Data Server nhà mạng và cổng COM ảo.

Đặc biệt, chương cung cấp dữ liệu nền tảng về thành phần nước thải sinh hoạt (chia thành nước thải nhiễm bẩn do bài tiết và do sinh hoạt nhà bếp/tẩy rửa) kèm bảng nồng độ đánh giá ô nhiễm:

Chất ô nhiễm trong nước thải	Loại mạnh (mg/l)	Loại trung bình (mg/l)	Loại yếu (mg/l)
Tổng chất rắn (TS)	$\ge 1200$	750	$\le 350$
Chất rắn lơ lửng (SS)	$\ge 350$	200	$\le 100$
Nitơ tổng số	$\ge 85$	40	$\le 20$
Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5)	$\ge 300$	200	$\le 100$
Nhu cầu oxy hóa học (COD)	$\ge 500$	500	$\le 250$
Photphat tổng số	$\ge 20$	10	$\le 6$
Dầu, mỡ	$\ge 150$	100	$\le 50$
$\text{NO}_2^-$	0	0	0
$\text{NO}_3^-$	0	0	0

Bên cạnh đó, chương viện dẫn chỉ tiêu nước thải sinh hoạt đầu vào trung bình (pH 4,5-9; BOD 212,5 mg/l; COD 450 mg/l; SS 265 mg/l; Coliform 10.000 MPN/100ml) và bảng giới hạn xả thải đầu ra theo QCVN 14:2008/BTNMT:

Thông số ô nhiễm	Đơn vị	Mức A (QCVN 14:2008)	Mức B (QCVN 14:2008)
pH	-	5 - 9	5 - 9
BOD5	mg/l	30	50
Chất rắn lơ lửng (TSS)	mg/l	50	100
Tổng chất rắn hòa tan (TDS)	mg/l	500	1000
Sunfua ($\text{H}_2\text{S}$)	mg/l	1,0	4,0
Amoni ($\text{NH}_4^+$ tính theo N)	mg/l	5	10
Nitrat ($\text{NO}_3^-$)	mg/l	30	50
Dầu mỡ động thực vật	mg/l	10	20
Tổng chất hoạt động bề mặt	mg/l	5	10
Photphat ($\text{PO}_4^{3-}$)	mg/l	6	10
Tổng Coliform	MPN/100 ml	3000	5000

Chương kết thúc bằng phân tích sơ đồ công nghệ xử lý nước thải (bể sục ozone giúp giảm trên 90% hàm lượng COD, BOD, SS và trên 95% Coliform; bể lọc thô; bể khuấy hóa chất keo tụ; bể lắng cặn; bể lọc cát thạch anh kết hợp than hoạt tính khử mùi, màu; bồn xả) và tổng quan về lịch sử, kiến trúc phần cứng, tập lệnh của PLC.

Chương 3: Tổng quan về phần cứng

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối hệ thống và quy trình công nghệ vận hành: khi nhấn ON, thiết bị sục ozone, động cơ khuấy và bơm B1 kích hoạt đưa nước từ bồn cấp qua bể lọc thô (nếu mực nước thực tế cao hơn mức tối thiểu đặt trước; nếu cạn nước sẽ gửi tin nhắn báo động). Nước tuần tự qua bể lắng cặn, bồn khuấy hóa chất, bể lọc thạch anh và than hoạt tính trước khi xuống bồn thành phẩm. Bơm B2 hoạt động để đưa nước qua các đầu dò đo kiểm chất lượng nước: nếu chỉ số pH và độ đục đạt ngưỡng cài đặt, van xả mở ra và van hồi đóng lại; ngược lại, nếu chưa đạt yêu cầu, van xả đóng, van hồi mở ra để tuần hoàn nước trở lại bồn lọc thô ban đầu để tái xử lý.

Chương cũng cung cấp đầy đủ thông số kỹ thuật, bản vẽ kích thước và đặc tính điện của CPU 1215C, bộ nguồn 6EP1333-2BA01, module analog SM 1231, module giao tiếp RS485 CM 1241, cảm biến SRF06, cảm biến nhiệt độ Pt100 kèm transmitter, cảm biến độ đục LGZD v1.1, đầu đo pH, rơ le Omron MY4N-J, van điện từ 220 VAC, bơm nước 12/24 VDC và hai dòng module 3G RTU (WG-8010, WRC-610), kèm sơ đồ đấu dây chi tiết giữa các khối phần cứng.

Chương 4: Cấu hình phần mềm

Chương 4 tập trung vào các bước cấu hình kỹ thuật thực nghiệm:

• Hướng dẫn các bước thiết lập dự án trên TIA Portal V13: khởi tạo project, cấu hình trạm CPU PLC S7-1200, khai báo các module mở rộng tín hiệu SM 1231 và module truyền thông CM 1241.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển và thiết kế đồ họa giao diện giám sát WinCC Flexible với đầy đủ màn hình vận hành, các nút nhấn điều khiển, bảng nhập dữ liệu ngưỡng thông số.
• Thiết lập giao thức Modbus Serial trên phần mềm KepServerEx (OPC Server): tạo Channel liên kết mới, định nghĩa thiết bị Modbus Serial, cài đặt thông số cổng COM, cấu hình địa chỉ trạm và khởi tạo hệ thống Tag kết nối tương ứng với vùng nhớ PLC.
• Cấu hình thông số mạng cho bộ truyền thông 3G (WRC-610 và WG-8010): thiết lập thông số APN nhà mạng Mobifone, cấu hình tốc độ truyền thông cổng RS485, dải địa chỉ ngõ vào/ngõ ra, nhập số điện thoại người nhận và soạn thảo nội dung tin nhắn SMS cảnh báo khi xảy ra sự cố.
• Tạo lập và định tuyến cổng COM ảo trên máy tính cá nhân để chuyển tiếp gói dữ liệu TCP/IP qua mạng di động thành tín hiệu nối tiếp ảo cho phần mềm OPC Server tiếp nhận.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết các kết quả đạt được sau quá trình thi công và thử nghiệm mô hình thực tế, đồng thời đề xuất các định hướng nâng cấp, mở rộng hệ thống cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc chế tạo mô hình phần cứng và thiết lập hệ thống điều khiển, giám sát hoàn chỉnh với các kết quả cụ thể:

• Kết quả kỹ thuật thực nghiệm:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng xử lý nước thải sinh hoạt tích hợp 4 cụm xử lý vật lý - hóa học: sục khí ozone, lọc thô cơ học, khuấy keo tụ - lắng cặn và lọc hấp phụ qua than hoạt tính kết hợp cát thạch anh.
  • Vận hành thành công thuật toán tự động tuần hoàn nước: hệ thống tự động kiểm soát trạng thái van điện từ và bơm hồi lưu, giữ nước lại lọc tuần hoàn về bể ban đầu khi các thông số cảm biến pH và độ đục (đo qua sensor LGZD v1.1, dải đo 0-10 NTU) chưa nằm trong ngưỡng an toàn đặt trước; chỉ xả ra ngoài bồn thành phẩm khi đạt chuẩn.
  • Thiết lập kênh truyền dữ liệu từ PLC S7-1200 CPU 1215C qua module CM 1241 (RS485 Modbus RTU) tới module 3G RTU (WRC-610/WG-8010), đẩy dữ liệu qua mạng di động Mobifone và đưa về máy tính giám sát thông qua cổng COM ảo và KepServerEx OPC Server.
  • Xây dựng giao diện SCADA trên WinCC Flexible cho phép quan sát trực quan trạng thái bơm, van, nồng độ các thông số môi trường nước và điều khiển đóng/ngắt thiết bị từ xa.
  • Thực thi tính năng bảo vệ an toàn và gửi cảnh báo: khi mực nước trong bồn cấp giảm xuống dưới ngưỡng tối thiểu (được nhận diện qua cảm biến siêu âm SRF06, dải đo 0-510 cm), hệ thống phát tín hiệu dừng bơm B1 và module 3G tự động kích hoạt gửi tin nhắn SMS cảnh báo sự cố đến số điện thoại người quản lý.

• Đóng góp của đồ án:

  • Giải quyết bài toán truyền thông giám sát diện rộng trong công nghiệp xử lý nước thải mà không cần đầu tư chi phí hạ tầng đường dây kéo dài từ hiện trường về phòng điều khiển trung tâm.
  • Tích hợp thành công giải pháp kết nối giữa mạng công nghiệp truyền thống (Modbus RTU qua RS485) với mạng viễn thông di động không dây (3G) thông qua kỹ thuật tạo cổng COM ảo và máy chủ OPC, tạo mô hình tham chiếu thực tế cho các ứng dụng đo đạc từ xa (Telemetry).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung tác giả tự đánh giá trong văn bản đồ án, đề tài tồn tại một số hạn chế và định hướng phát triển:

• Hạn chế:

  • Mô hình chỉ dừng lại ở quy mô thử nghiệm mô phỏng phòng thí nghiệm, chưa triển khai thử nghiệm trên trạm xử lý nước thải công nghiệp thực địa với lưu lượng lớn.
  • Các công đoạn xử lý sinh học phức tạp chưa được tích hợp đầy đủ do giới hạn phần cứng mô hình; hệ thống vẫn còn một số thiếu sót về mặt kiểm soát chất lượng nước đầu ra toàn diện (chưa tích hợp đầy đủ các cảm biến phân tích tự động chỉ số COD, BOD5, Amoni, Coliform theo QCVN 14:2008 mà chỉ tập trung đo lường pH, độ đục, nhiệt độ và mức nước).
  • Tốc độ truyền nhận dữ liệu qua mạng 3G còn phụ thuộc vào độ ổn định của chất lượng sóng di động tại trạm thu phát.

• Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng phạm vi điều khiển và giám sát đối với nhiều trạm xử lý nước thải phân tán cùng lúc trên một hệ thống giao diện máy chủ trung tâm duy nhất.
  • Nâng cấp thuật toán xử lý dữ liệu và cải tiến giao diện điều khiển tương thích trên nền tảng ứng dụng di động hoặc Web Server để người quản trị có thể giám sát linh hoạt qua điện thoại thông minh.
  • Tích hợp thêm các bộ cảm biến chuyên dụng để giám sát đa chỉ tiêu chất lượng nước trực tuyến (đặc biệt là nồng độ oxy hòa tan DO, hàm lượng Nitrat, Amoni và COD).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Môi trường và Điện - Điện tử. Các phần có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Tài liệu hướng dẫn phương pháp cấu hình phần cứng PLC Siemens S7-1200 kết hợp các module mở rộng Analog SM 1231 và Module RS485 CM 1241.
• Hướng dẫn quy trình thiết lập mạng truyền thông Modbus RTU giữa thiết bị điều khiển công nghiệp với module truyền thông di động 3G/GPRS RTU (WRC-610 và WG-8010).
• Phương pháp luận và các bước kỹ thuật cấu hình cổng COM ảo, liên kết biến Tag qua phần mềm KepServerEx OPC Server để giao tiếp với giao diện SCADA trên WinCC Flexible.
• Sơ đồ mạch đấu nối cảm biến công nghiệp (Pt100, cảm biến siêu âm SRF06, cảm biến quang học đo độ đục, đầu dò pH) cùng cơ chế tuần hoàn xử lý nước theo điều kiện tín hiệu đo.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống xử lý như thế nào khi các thông số chất lượng nước ở đầu ra không đạt yêu cầu?
Khi cảm biến pH hoặc cảm biến độ đục (LGZD sensor v1.1) đo được giá trị vượt ra ngoài ngưỡng an toàn mà người vận hành đã cài đặt trước trên giao diện WinCC Flexible, bộ điều khiển PLC S7-1200 sẽ tự động phát lệnh đóng van điện từ đầu ra (ngăn không cho nước xả ra bồn chứa thành phẩm) và đồng thời mở van hồi lưu để bơm nước quay ngược trở lại bồn lọc thô đầu tiên nhằm tiếp tục chu trình lọc cho đến khi các thông số đạt tiêu chuẩn.

2. Hệ thống cảnh báo cho người vận hành bằng phương thức nào khi xảy ra sự cố cạn nước ở bồn cấp?
Khi mực nước trong bồn đầu vào giảm xuống thấp hơn mức an toàn tối thiểu (được phát hiện bởi cảm biến siêu âm SRF06), PLC sẽ khóa lệnh hoạt động của bơm B1 để chống cháy bơm, đồng thời truyền lệnh qua cổng RS485 đến module 3G RTU để tự động gửi tin nhắn SMS cảnh báo sự cố kèm nội dung cụ thể tới số điện thoại của người vận hành đã được cài đặt sẵn trong cấu hình SIM Mobifone.

3. Làm thế nào máy tính trung tâm có thể giao tiếp với module 3G khi không có kết nối dây vật lý trực tiếp?
Module 3G RTU (WRC-610/WG-8010) tại trạm xử lý gửi dữ liệu cảm biến nhận từ PLC lên máy chủ dữ liệu (Data Server) của nhà mạng qua sóng 3G. Trên máy tính giám sát, tác giả sử dụng phần mềm chuyên dụng để tạo một cổng COM ảo kết nối tới địa chỉ IP của module 3G qua mạng Internet. Sau đó, phần mềm KepServerEx OPC Server kết nối vào cổng COM ảo này bằng giao thức Modbus Serial để chuyển đổi dữ liệu cho giao diện SCADA trên WinCC Flexible.

4. Khối xử lý trung tâm PLC S7-1200 CPU 1215C sử dụng trong đồ án có các thông số kỹ thuật bộ nhớ và cổng vào/ra ra sao?
Theo số liệu kỹ thuật trong đồ án, CPU 1215C có kích thước vật lý $130 \times 100 \times 75\text{ mm}$, bộ nhớ làm việc (Work memory) là 100 Kbytes, bộ nhớ nạp (Load memory) 4 Mbytes, vùng nhớ duy trì (Retentive) 10 Kbytes. CPU tích hợp sẵn 14 ngõ vào số (DI), 10 ngõ ra số (DO), 2 ngõ vào tương tự (AI), 2 ngõ ra tương tự (AO), 2 cổng truyền thông chuẩn Ethernet PROFINET, 6 bộ đếm tốc độ cao (HSC) và hỗ trợ mở rộng tối đa 3 module truyền thông.

5. Bể sục ozone trong quy trình xử lý nước thải của đồ án có vai trò và hiệu suất xử lý như thế nào?
Bể sục ozone đảm nhiệm chức năng khử màu, khử mùi và khử trùng nước thải. Căn cứ theo số liệu công bố trong đồ án, nước thải sau khi qua quá trình phân hủy bằng ozone giảm được trên 90% hàm lượng COD, BOD, SS và giảm trên 95% chỉ số vi khuẩn Coliform, không phát sinh sản phẩm phụ thứ cấp gây độc hại cho môi trường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển và giám sát hệ thống xử lý nước thải diện rộng qua mạng 3G" của sinh viên Nguyễn Hoàng Tuấn và Vũ Huy Hảo đã thiết kế, chế tạo thành công một mô hình tự động hóa xử lý nước thải sinh hoạt tích hợp đầy đủ các khâu lọc thô, sục khí ozone, lắng keo tụ và hấp phụ qua than hoạt tính kết hợp cát thạch anh. Nghiên cứu đã giải quyết hiệu quả bài toán truyền thông công nghiệp diện rộng thông qua việc tích hợp PLC Siemens S7-1200 với module 3G RTU qua giao thức Modbus RS485, kết hợp cổng COM ảo và OPC Server để điều khiển, giám sát trực quan trên WinCC Flexible cũng như gửi cảnh báo tự động qua SMS. Đây là một tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao, cung cấp hướng dẫn chi tiết từ việc lựa chọn linh kiện, đấu nối phần cứng đến lập trình cấu hình phần mềm cho các hệ thống giám sát môi trường phân tán từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây nhu cầu về ứng dụng công nghệ thông tin kết hợp với tự động hóa trong các hoạt động giám sát điều khiển của các cơ quan, xí nghiệp đang phát triến rất mạnh. Sự phát triển và kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ thông tin với mạng công nghiệp đã mang lại bước đi mới cho các giải pháp tự động hoá, và tạo ra sự chuyển biến tích cực trong mọi ngành kinh tế quốc dân. Trong số các hệ thống tích hợp tự động hoá nói chung, hệ SCADA chiếm vị trí quan trọng bởi khả năng thu thập, giám sát và điều khiển các quá trình công nghệ và sản xuất.

Hiện nay, xu hướng xây dựng một hệ SCADA có thể áp dụng vào nhiều lĩnh vực và mở rộng trên phạm vi cả nước, và đang là mục tiêu chính cho các nhà tích hợp giải pháp. Việc phát triển không ngừng các hệ thống SCADA hiện đại không dừng lại ở phạm vi giám sát thuần tuý một hệ thống dây chuyền sản xuất mà còn yêu cầu với những hệ thống có phạm vi rộng và số lượng điểm cần giám sát lớn như quan trắc, giám sát dữ liệu hệ thống nhà máy xử lý nước thải. Với những yêu cầu như trên thì hệ thống thu thập dữ liệu qua mạng 3G là giải pháp tối ưu cho hệ thống ,với ưu điểm gọn nhẹ,không yêu cầu hạ tầng dây dẫn tín hiệu và dây nguồn nuôi, chỉ cần có sóng điện thoại là có thể dễ dàng thi công hệ thống. Trên nhu cầu đó, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài có thể:  Giám sát theo dõi trạng thái thiết bị toàn bộ hệ thống.

 Kiểm soát nhiệt độ hệ thống.  Kiểm soát PH hệ thống.  Kiểm soát độ trong nước.  Cảnh báo sự cố và hiển thị vị trí sự cố trực tiếp lên giao diện giám sát.

 Gửi cảnh báo, sự cố về tin nhắn điện thoại SMS. 1 do an  Cho phép người vận hành từ xa, chuẩn đoán và dự đoán sự cố.  Hệ thống tự bảo vệ thiết bị khi có sự cố xảy ra.  Có khả năng cho truy xuất từ xa qua mạng internet.

Theo định hướng phát triển trên, em chọn đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI QUA MẠNG 3G”, đồng thời áp dụng cụ thể cho một mô hình xử lý nước thải sinh hoạt cơ bản. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI  Xây dựng hệ thống phần mềm giao tiếp giữa người và thiết bị trên cơ sở nền mạng 3G.  Điều khiển và giám sát từ xa các thông số của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt.  Xây dựng phần mềm tự động lưu dữ liệu các thông số giám sát, điều khiển và xuất ra báo cáo dạng tin nhắn SMS.

 Xây dựng hệ thống phần cứng mô phỏng mô hình xử lý nước thải sinh hoạt. NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HIỆN  Nghiên cứu tổng quan hệ thống.  Đưa ra giải pháp và thiết bị đáp ứng nhu cầu.  Sơ đồ khối phần điều khiển.

 Lập trình cho hệ thống thiết bị control đáp ứng yêu cầu hệ thống.  Thiết lập giao diện giám sát cho hệ thống theo yêu cầu cụ thể.  Lập hệ thống lưu trữ ghi lịch sử dữ liệu hệ thống.  Xây dựng hệ thống giám sát từ xa qua mạng 3G với phân quyền theo yêu cầu nhà máy.

 Mô phỏng hệ thống bằng Phần mềm TIA Portal + Winccflexible. GIỚI THIỆU VỀ ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu Hệ thống đáp ứng tương đối đầy đủ các khâu lọc nước của một hệ thống xử lý nước thải thực tế để đảm bảo vẫn giữ đúng được tính thực tế của đề tài. Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát từ xa các thông số hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt gồm:  Bể ozone.

 Bể lọc thô.  Bể ngưng tụ.  Bể lọc thạch anh và than hoạt tính. Phương pháp nghiên cứu  Sử dụng cơ sở lý thuyết của hệ thống điều khiển giám sát SCADA dựa trên nền tảng phần mềm WinccFlexible của Siemen để giải quyết vấn đề.

 Sử dụng nền tảng thiết bị S7-1200 của Siemen làm thiết bị điều khiển chính.  Dựa trên sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống xử lý nước thải.  Dựa nền tảng thiết bị chuyển đổi RS232/485 sang sóng 3G là thiết bị thu thập dữ liệu từ PLC về hệ thống máy tính giám sát trung tâm.  Kết hợp cơ sở lý thuyết xây dựng hệ thống điều khiển giám sát mô hình xử lý nước thải sinh hoạt.

 Chạy hệ thống mô hình và giao diện giám sát kiểm tra kết quả. 3 do an Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. TỔNG QUAN VỀ SCADA Hệ thống SCADA đã được phát triển từ đầu thập niên 1960. Sự ra đời của thế hệ máy tính nhỏ (minicomputer) như Digital Equipment Corporation (DEC) PDP-8 và PDP-11 làm cho điều khiển quá trình và sản xuất bằng máy tính là khả thi.

Tiến trình của Programmable Logic Controlers (PLC) cũng diễn ra song song. Khi máy vi tính được phát triển, chúng được lập trình và thu gọn nhằm cạnh tranh với các chức năng, lập trình và vận hành của PLC. Lúc đầu, hệ thống điều khiển chỉ hạn chế ở từng thiết bị cụ thể. Sự kết hợp giữa các thiết bị điều khiển chỉ cục bộ ở thiết bị, nhà máy và không kết nối với mạng bên ngoài.

Hệ thống điều khiển bao gồm máy tính mini hoặc PLC trung tâm kết nối với một số bộ điều khiển giao tiếp với động cơ, bơm, valve, công tắc, cảm biến … Hình 1.1 minh họa kiến trúc này. Kiến trúc này thường được gọi là hệ thống điều khiển phân tán (DCS - Distributed Control System). Các hệ thống đó thường được giới hạn ở các vị trí gần nhau, thông thường được kết nối với nhau sử dụng mạng cục bộ (LAN – Local Area Network).1 Mô hình hệ thống điều khiển phân bố tiêu biểu 4 do an Khi tính năng kĩ thuật của máy tính, hệ điều hành và mạng được cải tiến, thúc đẩy yêu cầu giám sát trạng thái, vận hành các thiết bị, nhà máy từ xa theo thời gian thực. Cũng như, nhiều công ty có các thành viên hoặc chi nhánh hoạt động ở vùng địa lý cách biệt nhau, yêu cầu thu thập dữ liệu từ xa, điều khiển và bảo trì trở nên hấp dẫn từ lập trường quản lý và chi phí.

Những khả năng này được biết như sự tập hợp của giám sát điều khiển và tập hợp dữ liệu (Supervisory Control and Data Acquisition - SCADA). Hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu dựa trên nền tảng máy tính SCADA đã được phát triển hơn 40 năm, từ mô hình đơn lẻ, điều hành phân tán đến kiến trúc mạng giúp truyền thông nhanh, linh động, chính xác và khoảng cách xa. Hơn nữa, SCADA đã chuyển từ độc quyền sang tiêu chuẩn hóa về phần cứng và phần mềm, sự thay đổi này giảm chi phí nâng cấp, vận hành và bảo trì cũng như cung cấp quản lý với thông tin thời gian thực hổ trợ cho việc lập kế hoạch, giám sát và ra quyết định. Các hệ thống SCADA là thành phần rất quan trọng hầu hết các cơ sở hạ tầng tối quan trong của các quốc gia như:  Nhà máy phát điện, truyền tải và phân phối điện năng.

 Nhà máy lọc ga, dầu và hệ thống quản lý đường ống.  Hệ thống lọc và phân phối nước.  Hệ thống sản xuất và xử lý hóa chất.  Hệ thống đường sắt và vận chuyển khối lượng.

Mặc dù SCADA được dùng phổ biến nhất ở các mạng tự động lớn như các công ty tiện ích công cộng, SCADA còn có thể được dùng trong hầu hết các tiến trình điều khiển tự động. Các công ty sử dụng dây chuyền lắp ráp, như nhà máy đóng chay, cũng có thể sử dụng các tiện lợi từ SCADA. Toàn bộ các nhà máy có thể được tự động hóa giúp cho việc sản xuất hiệu quả và tin cậy. TÍNH NĂNG CỦA HỆ THỐNG SCADA  Kiểm soát truy 5 do an Người dùng được chỉ định vào các nhóm, mỗi nhóm điều được định nghĩa các quyền truy cập đọc/ghi (read/write) các thông số của quá trình điều khiển trong hệ thống.

 MMI (Man Machine Interface) Biểu thị dữ liệu cho người vận hành và cho phép nhập lệnh điều khiển qua nhiều dạng: Hình ảnh, sơ đồ, cửa sổ, menu, màn hình cảm ứng…  Lập biểu đồ (Trending) Các sản phẩm SCADA điều hổ trợ tiện ích lập biểu đồ, tính năng lập biểu đồ thông thường bao gồm:  Thông số được ghi ở một biểu đồ cụ thể được định nghĩa trước hoặc được định nghĩa trực tiếp.  Lập biểu đồ thời gian thực và lưu lại cho việc tra cứu về sau.  Điều khiển báo động (Alarm Handling) Báo động được dựa trên kiểm tra giới hạn và trạng thái và được thực hiện trên các máy server. Sự báo động được thực hiện tập trung, thông tin chỉ tồn tại ở một vị trí và tất cả người dùng thấy cùng một trạng thái, báo động với nhiều mức ưu tiên được hỗ trợ.

Ta có thể nhóm các báo động và đối xử chúng như một thực thể. Chọn lựa các báo động vào các trang khác nhau hoặc khi xem bảng ghi báo động (alarm log) ta có thể xem theo độ ưu tiên, thời gian và theo nhóm. E-mails có thể tự động được gửi hoặc tự động thực thi các đáp ứng tùy thuộc vào mỗi điều kiện báo động.  Ghi sự kiện và lưu trữ (Logging/Archiving) Ghi sự kiện và lưu trữ thường được sử dụng để miêu tả một tiện ích.

Tuy nhiên, ghi sự kiện có thể được nghĩ là lưu trữ dữ liệu lên đĩa cho chiến lược ngắn hạn hoặc trung bình, trong khi đó lưu trữ được sử dụng cho chiến lược lâu dài trên đĩa hoặc các thiết bị lưu trữ thường trực khác. Ghi sự kiện tiêu biểu được thực hiện theo chu kỳ, khi dung 6 do an lượng dữ liệu hoặc khoảng thời gian đạt đến giới hạn thì dữ liệu cũ sẽ được ghi đè bởi dữ liệu mới. Sự kiện có thể được ghi theo một tần số đặt trước, hoặc khởi tạo khi có sự thay đổi, hoặc một sự kiện được chỉ định trước xảy ra. Dữ liệu của sự kiện có thể được chuyển qua lưu trữ khi bảng ghi sự kiện đã đầy.

Các sự kiện được đánh dấu thời gian và có thể được lọc theo thời gian xảy ra sự kiện khi được quan sát bởi người dùng.