Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình sản xuất công nghiệp và sinh hoạt của người lao động, lượng nước thải phát sinh chứa nhiều thành phần phức tạp gồm chất thải rắn, cặn lơ lửng, hợp chất hữu cơ (BOD, COD), các hợp chất dinh dưỡng (Nitơ, Photpho) cùng nồng độ hóa chất có tính axit hoặc bazơ biến động liên tục theo từng ca làm việc. Nếu không được xử lý đồng đều và triệt để, nguồn thải này sẽ gây tắc nghẽn hạ tầng đường ống, ăn mòn cơ học, phá hủy hệ thống công trình thoát nước và hủy hoại môi trường sinh thái của nguồn tiếp nhận (sông, ngòi, ao hồ). Mặt khác, phương thức vận hành hệ thống xử lý nước thải dựa trên điều khiển rơ-le rời rạc hoặc giám sát thủ công bộc lộ nhiều điểm hạn chế về độ tin cậy, tốc độ đáp ứng, khả năng kiểm soát liên tục các chỉ số hóa lý và gây khó khăn khi mở rộng hoặc nâng cấp dây chuyền.

Từ thực tiễn đó, đồ án chuyên ngành Tự động hóa tập trung nghiên cứu và xây dựng giải pháp tự động hóa toàn diện quy trình xử lý nước thải thông qua bộ điều khiển logic khả trình (PLC). Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể được xác định như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc của từng khâu trong quy trình xử lý nước thải công nghiệp kết hợp sinh hoạt, bao gồm mương lắng cát, bể cân bằng, bồn định lượng, bể trung hòa pH, bể lắng ngang keo tụ, bể chứa bùn, bể xử lý sinh học vi sinh và bể khử trùng.
  2. Khảo sát, tính toán và lựa chọn các thiết bị đo lường cảm biến (cảm biến đo độ pH, cảm biến sóng siêu âm đo mức bùn, cảm biến quang học đo độ đục, hệ thống công tắc phao mức) cùng các cơ cấu chấp hành (bơm chìm nước thải, máy khuấy chìm, máy thổi khí, đĩa phân phối bọt mịn, van điện từ, bơm định lượng hóa chất).
  3. Thiết kế hệ thống trang bị điện và mạch điều khiển: Phân tích, so sánh và lựa chọn bộ điều khiển trung tâm PLC cùng module chuyển đổi tín hiệu tương tự (Analog), lập bảng phân chia địa chỉ vào/ra (I/O).
  4. Tính toán, kiểm tra và lựa chọn thiết bị đóng cắt, khí cụ bảo vệ cho mạch động lực phụ tải công suất lớn (rơ-le trung gian, khởi động từ/contactor, áptômát).
  5. Xây dựng sơ đồ thuật toán điều khiển logic và lập trình điều khiển tự động chu trình vận hành theo trình tự công nghệ.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống công nghệ xử lý nước thải cục bộ và hệ thống trang thiết bị điều khiển tự động ứng dụng thiết bị PLC. Phạm vi kỹ thuật tập trung vào cấu hình phần cứng điều khiển bằng dòng PLC họ FX3U của hãng Mitsubishi Electric, phối hợp cùng các thiết bị đo lường chuyên dụng trong ngành nước thải và hệ thống cơ cấu chấp hành động lực công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế hệ thống

Đề tài áp dụng các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật điều khiển logic, lý thuyết điều khiển lập trình trong công nghiệp và công nghệ xử lý nước thải hóa lý kết hợp sinh học. Hệ thống điều khiển dựa trên nguyên lý xử lý quét vòng tuần hoàn (cyclic scan) của PLC, bao gồm chuỗi ba giai đoạn nối tiếp: đọc trạng thái đầu vào vật lý, thực thi chương trình điều khiển tuần tự trong bộ nhớ, và cập nhật trạng thái ra các cơ cấu chấp hành tại cuối chu kỳ quét.

Về mặt công nghệ hóa lý và sinh học, quy trình vận hành dựa trên các quy chuẩn kỹ thuật xử lý nước thải:

  • Quá trình điều hòa lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm nhằm ổn định tải trọng hữu cơ, tránh sốc tải cho hệ thống vi sinh.
  • Quá trình trung hòa pH đưa giá trị nước thải về ngưỡng trung tính (6.5 – 7.5) nhằm triệt tiêu tính ăn mòn và tạo điều kiện tối ưu cho các phản ứng sinh hóa tiếp theo.
  • Quá trình keo tụ và tạo bông cặn bằng hóa chất PAC (Poly Aluminium Chloride) để đẩy nhanh tốc độ lắng trọng lực của các hạt lơ lửng tại bể lắng ngang, tuân thủ tiêu chuẩn đo lường quang học Nephelometric theo chuẩn châu Âu ISO 7027 và DIN EN 27027.
  • Quá trình xử lý sinh học bùn hoạt tính hiếu khí nhằm phân hủy hợp chất hữu cơ, oxy hóa các chất dinh dưỡng với yêu cầu duy trì nồng độ oxy hòa tan (DO) luôn lớn hơn 2 mg/l.
  • Quá trình khử trùng tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh (điển hình là Coliform) bằng dung dịch Chlorine với nồng độ từ 6 – 9 ppm.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết công nghệ và thiết kế kỹ thuật thực tế:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo sát thông số từ sổ tay công nghệ môi trường và catalogue kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp (Mitsubishi Electric, Hach, Faggiolati, Longtech).
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật điện động lực: Tính dòng điện định mức phụ tải, hệ số an toàn mở máy để lựa chọn tiết diện tiếp điểm contactor và dòng tác động của áptômát bảo vệ theo các công thức chuẩn:

$$I_{\text{đm}} = \frac{P_{\text{đm}}}{U_{\text{đm}}}$$

$$I_{\text{aptomat}} \ge 1{,}5 \cdot I_{\text{đm}}$$

  • Phương pháp lập bảng đối chiếu lựa chọn giải pháp điều khiển: Đánh giá định tính và định lượng giữa bốn giải pháp đóng cắt truyền thống và hiện đại (Rơ-le, Mạch số, Máy tính công nghiệp, Bộ điều khiển lập trình PLC).
Chỉ tiêu so sánh Rơ-le Mạch số Máy tính PLC
Giá thành từng chức năng Khá thấp Thấp Cao Thấp
Kích thước vật lý Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn
Tốc độ điều khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh
Khả năng chống nhiễu Rất tốt Tốt Khá tốt Tốt
Độ phức tạp lắp đặt Tốn thời gian thiết kế, lắp ráp Mất thời gian thiết kế Lập trình phức tạp Lập trình, lắp đặt đơn giản
Khả năng điều khiển tác vụ phức tạp Không có Có Có Có
Khả năng thay đổi, nâng cấp Rất đơn giản (phần cứng) Rất khó Khó Khá đơn giản (phần mềm)
Công tác bảo trì Kém Kém Kém Tốt

Thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển

1. Kiến trúc phần cứng và lựa chọn bộ điều khiển trung tâm

Dựa trên yêu cầu thu thập dữ liệu và điều khiển các cụm thiết bị chấp hành trong toàn trạm xử lý, hệ thống cần xử lý:

  • 13 tín hiệu đầu vào số (Digital Inputs) từ các nút nhấn vận hành và các phao báo mức chất lỏng, hóa chất (thực tế cấu hình 14 cổng vào số).
  • 3 kênh tín hiệu đầu vào tương tự (Analog Inputs) từ các đầu đo nồng độ pH, độ đục và mức bùn lắng.
  • 29 tín hiệu đầu ra số (Digital Outputs) điều khiển cuộn hút của các rơ-le trung gian và contactor đóng cắt van điện từ, máy bơm, máy khuấy và máy nén khí.

Bộ điều khiển trung tâm được chọn là khối CPU Mitsubishi FX3U-64MR/ES-A, kết hợp cùng module mở rộng đầu vào tương tự FX3U-4AD-ADP. Cấu hình phần cứng này đáp ứng các thông số kỹ thuật sau:

  • Khối CPU tích hợp sẵn 64 cổng vào/ra (32 ngõ vào số 24VDC hỗ trợ cả hai kiểu đấu nối Sink/Source; 32 ngõ ra dạng tiếp điểm Relay, đáp ứng linh hoạt tải 24VDC hoặc 220VAC).
  • Nguồn cấp điều khiển: 100 – 240 VAC, công suất tiêu thụ 45W.
  • Dung lượng bộ nhớ chương trình đạt 64.000 bước lệnh (steps), tích hợp đồng hồ thời gian thực (RTC) và các cổng truyền thông nối tiếp RS-232C, RS-485.
  • Module FX3U-4AD-ADP cung cấp 4 kênh chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số với độ phân giải cao, sử dụng đầu kết nối dạng terminal block chuẩn châu Âu và truyền dữ liệu trực tiếp về thanh ghi nội của CPU.

2. Thiết bị đo lường cảm biến và cơ cấu chấp hành

Hệ thống sử dụng các thiết bị đo công nghiệp chuyên dụng:

  • Cảm biến đo độ pH: Model Hach DPD1R1, dải đo từ -2 đến 14 pH, độ nhạy ±0.01 pH, độ trôi 0.03 pH/24h, tích hợp bù nhiệt tự động bằng điện trở nhiệt NTC 300 $\Omega$, thân vỏ bằng nhựa Ryton chịu hóa chất và áp suất danh định 6 bar. Cảm biến kết nối với bộ điều khiển hiển thị kỹ thuật số SC200/SC1000 qua cáp tín hiệu có thể mở rộng tới 100m.
  • Cảm biến đo mức bùn đáy: Model Hach SONATAX sc Sludge Blanket Level Probe, hoạt động theo nguyên lý phát và thu sóng siêu âm phản xạ từ lớp bùn đáy. Thang đo từ 0 đến 5 m (mở rộng 0.2 đến 12 m), độ phân giải cao, cấp bảo vệ chống nước IP68 (chịu áp lực nước đến 3 m), có cần gạt cơ khí tự làm sạch bề mặt đầu đo, tích hợp đèn LED báo trạng thái và truyền dữ liệu về bộ điều khiển SC1000.
  • Cảm biến đo độ đục: Thiết bị đo quang học theo nguyên lý tán xạ ánh sáng Nephelometric (nguồn phát hồng ngoại), thang đo 0 – 1000 NTU, độ chính xác ±2%, lưu lượng mẫu nước cấp yêu cầu từ 6 – 60 l/h, áp suất nhỏ hơn 1 bar.
  • Máy khuấy chìm: Model Faggiolati GM17A1T (mã đặt hàng GM17A471T1-4V2KA0), công suất động cơ 1.1 kW, công suất cánh khuấy 0.42 kW, lực đẩy 120 N, cấp cách điện lớp H (chịu nhiệt 180°C), chuẩn bảo vệ IP68, điện áp làm việc 380V 3 pha 50Hz, tốc độ vòng quay 1380 vòng/phút, cánh quạt 2 cánh làm bằng thép không gỉ Inox AISI 316 đường kính 176 mm, vỏ gang EN-GJL-250.
  • Hệ thống cấp khí và máy thổi khí: Cụm máy thổi khí Longtech (Đài Loan) kết hợp hệ thống 300 đĩa phân phối bọt mịn (lưu lượng mỗi đĩa 0.2 $\text{m}^3/\text{phút}$, kích thước bọt khí 1 – 6 mm), phục vụ cấp khí duy trì DO > 2 mg/l cho bể hiếu khí và sục xáo bể cân bằng.

3. Phân chia địa chỉ vào/ra (I/O Mapping)

Ký hiệu thiết bị Địa chỉ PLC Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
START X000 Nút nhấn khởi động toàn bộ hệ thống
P1 X002 Phao đo mức nước mương lắng cát
P2 X003 Phao báo mức nước thấp tại bể cân bằng
P3 X004 Phao báo mức nước cao tại bể cân bằng
P4 X005 Phao đo mức nước bể trung hòa pH
AX X006 Phao báo mức dung dịch tại bồn chứa axit
BZ X007 Phao báo mức dung dịch tại bồn chứa bazơ
PAC X010 Phao báo mức hóa chất tại bồn chứa PAC
P5L X011 Phao báo mức nước thấp bể xử lý sinh học
P5M X012 Phao báo mức nước trung bình bể xử lý sinh học
P5H X013 Phao báo mức nước cao bể xử lý sinh học
P10 X014 Phao đo mức nước tại bể khử trùng
CLO X015 Phao báo mức dung dịch clo tại bồn hóa chất
ĐĐỤC / pH / BÙN Module 4AD Nhận 3 kênh tín hiệu tương tự từ các bộ đo chuyên dụng
VN1, VN2, VN3 Y000, Y001, Y002 Cuộn hút contactor điều khiển van tự động 1, 2, 3
MB1, MB2 Y003, Y004 Cuộn hút contactor máy bơm nước thải 1, 2 (bể cân bằng)
MSK1, MSK2 Y005, Y006 Cuộn hút contactor máy sục khí 1, 2
VN4, VN5, VN6 Y007, Y024, Y031 Cuộn hút contactor điều khiển các van tự động 4, 5, 6
MK1, MK2, MK3 Y010, Y011, Y012 Cuộn hút contactor máy khuấy 1, 2, 3 (bể trung hòa)
B_AX1, B_AX2 Y013, Y014 Cuộn hút contactor máy bơm định lượng axit 1, 2
B_BZ1, B_BZ2 Y015, Y016 Cuộn hút contactor máy bơm định lượng bazơ 1, 2
MK4, MK5 Y017, Y020 Cuộn hút contactor máy khuấy 4, 5 (bể keo tụ tạo bông)
HB Y021 Cuộn hút contactor máy bơm hút bùn đáy
B_PAC1, B_PAC2 Y022, Y023 Cuộn hút contactor máy bơm định lượng hóa chất PAC 1, 2
BNS Y025 Cuộn hút contactor bơm nước sạch
MSK3, MSK4 Y026, Y027 Cuộn hút contactor máy sục khí 3, 4 (bể vi sinh)
MK6, MK07 Y030, Y033 Cuộn hút contactor máy khuấy 6, 7
PTC7 Y032 Cuộn hút contactor máy bơm định lượng dung dịch Clo
CCAX, CCBZ Y034, Y035 Contactor cấp nguồn cụm châm hóa chất axit, bazơ
CCPAC, CCCL Y036, Y037 Contactor cấp nguồn cụm châm hóa chất PAC, clo

4. Tính toán và lựa chọn trang bị điện mạch động lực

Đối với động cơ dẫn động có công suất định mức $P_{\text{đm}} = 30\text{ kW}$, điện áp nguồn $U_{\text{đm}} = 220\text{V}$, dòng điện làm việc định mức được tính toán:

$$I_{\text{đm}} = \frac{30000}{220} \approx 136\text{ A}$$

  • Lựa chọn contactor: Chọn thiết bị đóng cắt có điện áp định mức tiếp điểm chính 220V và dòng định mức danh định $I_{\text{đm}} = 150\text{ A}$ (đảm bảo $150\text{ A} > 136\text{ A}$).
  • Lựa chọn áptômát bảo vệ: Điều kiện chọn theo dòng quá tải khởi động là $I_{\text{aptomat}} \ge 1{,}5 \cdot I_{\text{đm}}$:

$$I_{\text{aptomat}} = 1{,}5 \cdot 136 = 204\text{ A}$$

Thiết bị đóng cắt được chọn có thông số dòng định mức tác động là 204 A.

  • Rơ-le trung gian điều khiển: Sử dụng loại rơ-le 24VDC có dòng tiếp điểm chịu tải 1A để đệm tín hiệu giữa đầu ra bán dẫn/relay của PLC và cuộn hút contactor 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 công nghệ xử lý nước thải theo dây chuyền liên tục gồm 7 hạng mục công trình:

  1. Mương lắng cát: Thu gom nước thải tự chảy qua song chắn rác thô và tấm lọc rác tinh nhằm giữ lại nylon, sỏi đá, giẻ lau, bảo vệ cụm bơm. Phao P01 điều khiển van nạp tự động VTĐ1: phao ở mức thấp (tín hiệu mức 0) thì mở van cho nước vào; khi nước dâng cao làm phao nổi kín mạch (tín hiệu mức 1) thì đóng van ngăn tràn.
  2. Bể cân bằng: Bố trí dàn đĩa sục khí dưới đáy để khuấy trộn đồng đều nồng độ BOD, COD, pH, N, P và nhiệt độ. Hai phao P2 (mức thấp) và P3 (mức cao) điều khiển hai bơm chìm B1, B2 và máy sục khí MSK1. Nếu nước dưới ngưỡng P2, hệ thống ngắt toàn bộ bơm và sục khí; khi đạt mức P2, khởi động B1 và MSK1; khi nước dâng đến P3, khởi động đồng thời cả B1 và B2.
  3. Bồn định lượng: Thiết kế dạng 2 ngăn điều tiết lưu lượng nạp sang bể trung hòa, lượng nước bơm dư sẽ tự tràn qua ngăn thứ hai để hồi lưu về bể cân bằng.
  4. Bể trung hòa pH: Trang bị bồn chứa axit, bồn chứa bazơ, các bơm định lượng (AX1, AX2, BZ1, BZ2), các máy khuấy (MK1, MK2, MK3), phao P4 và van tự động V3_V4 phối hợp cùng cảm biến pH thang đo 0 – 14. Quy luật điều khiển được thiết lập:
    • Khi $\text{pH} < 3{,}5$: Kích hoạt bơm BZ1, BZ2 và máy khuấy MK3.
    • Khi $3{,}5 \le \text{pH} < 6{,}5$: Chỉ kích hoạt bơm BZ1 và máy khuấy MK3.
    • Khi $7{,}5 < \text{pH} \le 10{,}5$: Kích hoạt máy khuấy MK2 và bơm axit AX1.
    • Khi $\text{pH} > 10{,}5$: Kích hoạt đồng thời bơm AX1, AX2 và máy khuấy MK2.
    • Khi pH đạt ngưỡng cho phép ($6{,}5 \le \text{pH} \le 7{,}5$): Tắt các bơm hóa chất, ngắt máy khuấy MK1 và mở van xả V3_V4 đưa nước sang bể lắng, sau đó đóng van lại.
  5. Bể lắng: Sử dụng bể lắng ngang hình chữ nhật có kích thước tiêu chuẩn: chiều sâu $H = 1{,}5 - 4\text{ m}$, chiều dài $L = (8 - 12) \cdot H$, chiều rộng $B = 3 - 6\text{ m}$, áp dụng cho lưu lượng nước thải lớn hơn 15, hiệu quả lắng đạt 60%, vận tốc dòng nước nhỏ hơn hoặc bằng 0.01 m/s, thời gian lưu nước từ 1 đến 3 giờ. Cảm biến độ đục điều khiển châm chất keo tụ PAC và máy khuấy MK4, MK5:
    • Độ đục từ 0 đến 100 NTU: Giữ nguyên trạng thái không tác động.
    • Độ đục từ 100 đến 500 NTU: Khởi động bơm PAC1 và máy khuấy MK4, MK5.
    • Độ đục từ 500 đến 1000 NTU: Kích hoạt đồng thời cả hai bơm PAC1, PAC2 và máy khuấy MK4, MK5.
    • Cảm biến mức bùn (TBĐB) đo độ dày bùn đáy: Khi bùn chạm mức cực đại (Max), khởi động máy hút bùn (MHB) xả về bể chứa bùn; khi mức bùn tụt xuống cực tiểu (Min), ngắt máy hút.
  6. Bể chứa bùn: Thu gom và nén bùn lắng sơ cấp, phân hủy thành nước dơ hồi lưu về đầu chu trình và xác bùn đặc được hút bỏ định kỳ 6 tháng một lần bằng xe bồn.
  7. Bể vi sinh: Quá trình hiếu khí xử lý BOD, Nitơ và Photpho nhờ máy sục khí MSK3 và máy khuấy chìm MK6. Phao đo mức P5 có 3 vị trí (P5_TL mức thấp, P5_TM mức trung bình, P5_TH mức cao):
    • Mức P5_TL: Mở van cấp nước V2; sau 3 phút (timer T38) bật máy sục khí MSK3; sau 4 phút bật máy khuấy MK6.
    • Mức P5_TH: Tắt đồng thời MK6, MSK3 và đóng van V2; kích hoạt timer T38 đếm thời gian lắng tĩnh 5 phút; sau 5 phút kích hoạt thiết bị thu nước bề mặt (LNBM) và đóng van V3.
    • Mức P5_TM (nước rút xuống mức trung bình): Reset bơm thu gom BNS, nạp lại nước qua V2 và bật lại máy sục khí, máy khuấy để lặp lại chu kỳ mới.
  8. Bể khử trùng: Hòa trộn dung dịch Chlorine (6 – 9 ppm) để diệt vi khuẩn đường ruột Coliform. Cột nước bể cao 5m được định lượng bơm clo trong thời gian 1 phút và lưu ngâm trong 4 phút trước khi mở van xả VTĐ3 thải ra hệ thống thoát nước chung.

Chương 2: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành sử dụng trong hệ thống

Nội dung chương đi sâu vào cấu tạo, thông số kỹ thuật và nguyên lý làm việc của các thiết bị đo lường và cơ cấu chấp hành:

  • Thiết bị đo lường: Cảm biến pH kỹ thuật số Hach DPD1R1 (điện cực thủy tinh, cầu muối titan, NTC 300 $\Omega$); cảm biến đo mức bùn đáy Hach SONATAX sc (sóng siêu âm, IP68, tần số quét tự động, cáp nối M12); cảm biến độ đục (quang học hồng ngoại Nephelometric ISO 7027); các cụm công tắc phao bi cơ học đóng cắt tiếp điểm điện khi mực nước dâng hoặc hạ.
  • Cơ cấu chấp hành động lực: Máy khuấy chìm Faggiolati GM17A1T công suất 1.1 kW (vật liệu gang EN-GJL-250, cánh Inox AISI 316, phớt làm kín kép); máy thổi khí Longtech kết hợp hệ thống 300 đĩa phân phối bọt mịn (0.2 $\text{m}^3/\text{phút}$/đĩa); các dòng máy bơm chìm nước thải dạng ly tâm và tích cực (dải công suất 0.4 – 30 kW, cột áp 3 – 30 m, lưu lượng 1 – 3000 $\text{m}^3/\text{h}$).

Chương 3: Lựa chọn bộ điều khiển PLC và thiết bị điện cho hệ thống

Chương 3 trình bày lịch sử hình thành và phát triển của PLC từ năm 1968 (General Motors), cấu trúc phần cứng (CPU, hệ thống Address Bus, Data Bus, Control Bus 8 đường song song, xung nhịp 18 MHz, bộ nhớ RAM, EPROM). Phân tích 5 ngôn ngữ lập trình theo chuẩn IEC: ST/STL, IL, FBD, SFC và Ladder Diagram (LD). Bảng so sánh thông số kỹ thuật các dòng PLC Mitsubishi (FX1S, FX1N, FX2N, FX3U) làm cơ sở chọn dòng FX3U-64MR/ES-A tốc độ xử lý lệnh cơ bản 0.065 $\mu\text{s}$, bộ nhớ 64.000 bước. Thiết kế mạch ghép nối với module tín hiệu tương tự FX3U-4AD-ADP và phân bổ chi tiết 14 ngõ vào số, 3 ngõ vào tương tự cùng 29 ngõ ra số. Thực hiện tính chọn khí cụ điện mạch động lực: Rơ-le đệm 24VDC 1A, Contactor $I_{\text{đm}} = 150\text{ A}$ và Áptômát bảo vệ $I_{\text{aptomat}} = 204\text{ A}$ cho cụm phụ tải động cơ 30 kW.

Chương 4: Thiết kế sơ đồ thuật toán và chương trình điều khiển

Chương này tập trung xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tuần tự cho toàn bộ hệ thống xử lý, phân chia theo từng khâu công nghệ độc lập:

  • Thuật toán khâu 1: Tiếp nhận nước thải, kiểm soát phao mương lắng cát P01, giám sát mức bể cân bằng qua phao P2, P3 để khởi động và luân phiên hai bơm chìm B1, B2 cùng máy sục khí MSK1.
  • Thuật toán khâu 2: Thu thập dữ liệu liên tục từ cảm biến pH và cảm biến độ đục, thực thi logic so sánh giá trị tương tự để điều khiển các bơm định lượng hóa chất (axit, bazơ, PAC), kích hoạt các máy khuấy tương ứng và đóng mở van tự động xả nước theo đúng các dải ngưỡng công nghệ đã đề ra.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã hoàn thiện thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa cho trạm xử lý nước thải dựa trên số liệu và cấu hình thực tế:

  • Xây dựng sơ đồ công nghệ khép kín gồm 7 công trình đơn vị xử lý từ cơ học, hóa lý đến sinh học và khử trùng với các thông số định lượng cụ thể: Bể lắng ngang hiệu quả lắng 60%, thời gian lưu 1 – 3 giờ, vận tốc dòng chảy $\le 0{,}01\text{ m/s}$; bể khử trùng cột nước 5m với thời gian châm hóa chất clo 1 phút và thời gian khử trùng 4 phút bằng dung dịch 6 – 9 ppm.
  • Lựa chọn đồng bộ hệ thống cảm biến chuyên dụng: Cảm biến pH Hach DPD1R1 (thang đo -2 đến 14 pH), cảm biến siêu âm SONATAX sc đo mức bùn đáy (thang đo 0 – 5 m), cảm biến độ đục hồng ngoại (thang đo 0 – 1000 NTU, sai số ±2%).
  • Cấu hình hoàn chỉnh phần cứng điều khiển trung tâm với bộ điều khiển PLC FX3U-64MR/ES-A phối hợp module analog FX3U-4AD-ADP, thực hiện phân chia chi tiết và chính xác 14 đầu vào số, 3 đầu vào tương tự và 29 đầu ra số.
  • Thiết lập thuật toán điều hòa pH nhiều cấp linh hoạt dựa trên 4 dải giá trị thực tế ($\text{pH} < 3{,}5$; $3{,}5 \le \text{pH} < 6{,}5$; $7{,}5 < \text{pH} \le 10{,}5$; $\text{pH} > 10{,}5$) và kiểm soát keo tụ PAC theo 3 dải độ đục.
  • Hoàn thành tính toán lựa chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ cho cụm phụ tải động lực 30 kW gồm Contactor 150 A và Áptômát 204 A, bảo đảm an toàn điện theo tiêu chuẩn công nghiệp.

Đóng góp so với các hệ thống điều khiển truyền thống

So với các mạch điều khiển thuần túy bằng rơ-le và công tắc tơ hoặc vận hành thủ công, giải pháp thiết kế mang lại các cải tiến kỹ thuật mà tác giả đã chỉ rõ:

  • Thay thế hoàn toàn hệ thống dây nối rơ-le cồng kềnh bằng chương trình điều khiển logic được nạp vào bộ nhớ PLC, giúp hệ thống nhỏ gọn, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt và nâng cao độ tin cậy vận hành.
  • Khả năng tiếp nhận và xử lý tín hiệu tương tự (Analog) từ các cảm biến đo lường nồng độ pH, độ đục và mức bùn liên tục, loại bỏ sai số do con người và đảm bảo hóa chất được châm đúng định lượng theo tải lượng ô nhiễm thực tế.
  • Khả năng mở rộng và thay đổi quy trình công nghệ linh hoạt mà không cần can thiệp hay sửa đổi phần cứng đi dây, chỉ cần điều chỉnh các khối lệnh trong chương trình PLC.

Hạn chế và hướng phát triển

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong tài liệu, đề tài còn tồn tại một số điểm hạn chế:

  • Văn bản dừng lại ở giai đoạn thiết kế sơ đồ thuật toán và lưu đồ điều khiển logic cho các khâu công nghệ, chưa triển khai chi tiết mã lệnh chương trình (Ladder Diagram hoàn chỉnh) cũng như bảng dữ liệu vùng nhớ trung gian.
  • Hệ thống điều khiển chưa tích hợp giao diện giám sát và thu thập dữ liệu SCADA hoặc màn hình cảm ứng HMI tại chỗ để hiển thị trực quan các thông số đo lường, cảnh báo sự cố và lưu trữ biểu đồ lịch sử vận hành.
  • Đồ án chưa tiến hành lắp ráp mô hình thực nghiệm thực tế hoặc chạy mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển trên phần mềm chuyên dụng (như GX Developer hoặc GX Works2).

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo bao gồm:

  • Viết mã hoàn chỉnh chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ Ladder Diagram, cấu hình các khối hàm chức năng đọc dữ liệu tương tự từ module FX3U-4AD-ADP.
  • Thiết kế hệ thống giám sát SCADA/HMI kết nối truyền thông qua cổng RS-485/Modbus hoặc Ethernet công nghiệp để giám sát từ xa các thông số pH, độ đục, mức bùn.
  • Bổ sung các giải thuật điều khiển tự động nâng cao (như bộ điều khiển mờ hoặc điều khiển PID) cho quá trình châm hóa chất axit/bazơ nhằm tối ưu hóa độ chính xác và tiết kiệm hóa chất xử lý.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Nguồn nước.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

  • Phương pháp tính chọn thiết bị đo chuyên dụng: Cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết của các cảm biến công nghiệp ngành nước (Hach DPD1R1, Sonatax sc, cảm biến Nephelometric), rất hữu ích cho các đề tài thiết kế trạm quan trắc hoặc xử lý nước thải.
  • Quy trình tính toán mạch động lực: Công thức và phương pháp tính toán thực tế để lựa chọn contactor, áptômát bảo vệ cho phụ tải động cơ công suất lớn (30 kW).
  • Mẫu phân bổ I/O và cấu hình PLC: Bảng phân bổ 46 kênh tín hiệu vào/ra cùng phương thức kết nối mở rộng module tín hiệu tương tự trên dòng PLC Mitsubishi FX3U.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm được sử dụng trong hệ thống là gì và có thông số kỹ thuật cơ bản ra sao?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-64MR/ES-A kết hợp module mở rộng tín hiệu tương tự FX3U-4AD-ADP. CPU tích hợp 64 ngõ vào/ra (32 Digital In, 32 Digital Out dạng Relay), nguồn cấp 100 – 240 VAC, công suất 45W, bộ nhớ chương trình 64.000 bước lệnh, thời gian quét lệnh cơ bản đạt 0.065 $\mu\text{s}$, tích hợp đồng hồ thời gian thực và cổng truyền thông nối tiếp RS-232C, RS-485.

2. Giải thuật kiểm soát và trung hòa pH tại bể trung hòa được thiết lập như thế nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến Hach DPD1R1 đo tín hiệu pH liên tục và điều khiển chấp hành theo các ngưỡng:

  • Khi $\text{pH} < 3{,}5$: Kích hoạt 2 bơm bazơ BZ1, BZ2 và máy khuấy MK3.
  • Khi $3{,}5 \le \text{pH} < 6{,}5$: Khởi động 1 bơm bazơ BZ1 và máy khuấy MK3.
  • Khi $7{,}5 < \text{pH} \le 10{,}5$: Kích hoạt máy khuấy MK2 và 1 bơm axit AX1.
  • Khi $\text{pH} > 10{,}5$: Kích hoạt đồng thời 2 bơm axit AX1, AX2 và máy khuấy MK2.
  • Khi pH trong khoảng trung tính ($6{,}5 \le \text{pH} \le 7{,}5$): Tắt các bơm và máy khuấy, kích hoạt mở van tự động V3_V4 xả nước sang bể lắng.

3. Bơm hóa chất keo tụ PAC được kích hoạt dựa trên chỉ số kỹ thuật nào?
Bơm PAC được điều khiển tự động dựa vào dữ liệu độ đục đo được từ cảm biến quang học tại bể lắng:

  • Độ đục dưới 100 NTU: Không tác động.
  • Độ đục từ 100 đến 500 NTU: Khởi động bơm định lượng PAC1 cùng máy khuấy MK4, MK5.
  • Độ đục từ 500 đến 1000 NTU: Khởi động đồng thời cả 2 bơm định lượng PAC1, PAC2 cùng máy khuấy MK4, MK5.

4. Khí cụ đóng cắt và bảo vệ cho động cơ công suất 30 kW được tính toán và lựa chọn như thế nào?
Với động cơ $P_{\text{đm}} = 30\text{ kW}$, điện áp 220V, dòng điện định mức tính toán là $I_{\text{đm}} = 30000 / 220 \approx 136\text{ A}$. Tác giả lựa chọn Contactor có dòng định mức $I_{\text{đm}} = 150\text{ A}$ (cấp điện áp 220V). Áptômát được chọn theo điều kiện quá tải khởi động $I_{\text{aptomat}} \ge 1{,}5 \cdot I_{\text{đm}} = 1{,}5 \cdot 136 = 204\text{ A}$, chọn áptômát có dòng tác động định mức là 204 A.

5. Cơ chế vận hành chu trình xử lý tại bể sinh học hiếu khí diễn ra theo trình tự thời gian nào?
Phao báo mức nước 3 vị trí P5 điều khiển chu trình: Khi nước ở mức thấp P5_TL, van cấp V2 mở; sau 3 phút máy sục khí MSK3 bật; sau 4 phút máy khuấy MK6 bật. Khi nước dâng lên mức cao P5_TH, tắt đồng thời MSK3, MK6 và van V2, kích hoạt bộ định thời T38 đếm 5 phút để nước lắng tĩnh. Sau 5 phút lắng, thiết bị thu nước bề mặt LNBM được kích hoạt để chuyển nước sang bể khử trùng. Khi mực nước rút xuống mức trung bình P5_TM, hệ thống thiết lập lại chu trình mới.

Kết luận

Đồ án môn học của tác giả Đào Văn Anh đã nghiên cứu và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều khiển tự động hóa quy trình công nghệ xử lý nước thải dựa trên nền tảng PLC Mitsubishi FX3U-64MR/ES-A và module tín hiệu tương tự FX3U-4AD-ADP. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể từ việc khảo sát công nghệ 7 khâu xử lý, lựa chọn đồng bộ các cảm biến đo lường công nghiệp (pH, độ đục, mức bùn siêu âm), phân chia 46 tín hiệu vào/ra, đến việc tính toán lựa chọn khí cụ đóng cắt bảo vệ mạch động lực cho động cơ 30 kW. Đây là tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật thực tế cho sinh viên và kỹ sư ngành Tự động hóa trong việc ứng dụng PLC giải quyết bài toán điều khiển tự động trong xử lý môi trường.