Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình phát triển kinh tế - xã hội và tốc độ mở rộng đô thị làm gia tăng áp lực lên môi trường sống, đặc biệt là nguồn tài nguyên nước. Nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hoạt động thường nhật của con người (tắm rửa, giặt giũ, nấu ăn, vệ sinh nhà bếp) chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, chiếm khoảng 55% đến 65% tổng lượng chất bẩn, cùng nhiều vi sinh vật gây bệnh và các hợp chất khó phân hủy. Khi xả thải trực tiếp không qua xử lý, các chất thải này gây ô nhiễm nguồn nước, phát sinh mùi hôi thối, làm chậm quá trình hòa tan oxy và thúc đẩy hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước mặt.

Trước thực trạng đó, việc áp dụng công nghệ tự động hóa trong các trạm xử lý nước thải trở nên cấp thiết nhằm loại bỏ các thao tác thủ công nặng nhọc, nâng cao độ tin cậy vận hành, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và hóa chất sử dụng. Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển trong quy trình xử lý nước thải sử dụng PLC S7-300" của sinh viên Vũ Văn Linh (chuyên ngành Công nghệ Cơ điện tử, Trường Đại học Lâm nghiệp) tập trung giải quyết bài toán tự động hóa dây chuyền xử lý nước thải sinh hoạt.

Văn bản xác định rõ 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp.
  2. Lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống xử lý nước thải bằng phần mềm SIMATIC Manager cho bộ điều khiển khả trình PLC S7-300.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát và mô phỏng giao diện vận hành trên máy tính bằng phần mềm WinCC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học (bể cân bằng, bể trung hòa, bể tuyển nổi DAF, bể kỵ khí, bể hiếu khí, bể lắng bùn); hệ thống điều khiển tự động tích hợp PLC Siemens S7-300 và SCADA WinCC.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Thiết kế tính toán dựa trên quy chuẩn kỹ thuật cho khu dân cư với chu kỳ niên hạn thiết kế 20 năm, tốc độ gia tăng dân số giả định $r = 1{,}2%$, tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt trung bình lấy theo TCVN 33:2006.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đồ án tổng hợp các công nghệ xử lý nước thải phổ biến:

  • Công nghệ màng sinh học bám dính AFBR (Advance Fixed Bed Reactor).
  • Công nghệ màng lọc sinh học MBR (Membrane Bio-Reactor) với nồng độ bùn hoạt tính lên tới 15 g/l.
  • Quy trình sinh học AAO (Anaerobic - Anoxic - Oxic) ứng dụng cho nguồn nước có tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD} > 0{,}5$.
  • Công nghệ tuyển nổi khí hòa tan DAF (Dissolved Air Flotation) kết hợp lắng nhằm loại bỏ dầu mỡ và chất rắn lơ lửng (SS).

Hệ thống tính toán và đối chiếu chất lượng xử lý dựa trên các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam:

  • TCVN 33:2006: Tiêu chuẩn thiết kế cấp nước, lấy tiêu chuẩn nước thải trung bình $q_{\text{tb}} = 350\text{ lít/người.ngày}$.
  • TCVN 7957:2008: Tiêu chuẩn mạng lưới thoát nước và công trình bên ngoài.
  • QCVN 14:2008/BTNMT (Cột A): Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt.

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật

  • Phương pháp tính toán thủy lực và công nghệ: Xác định lưu lượng nước thải trung bình ngày đêm ($Q_{\text{ng.đ}}$), lưu lượng giờ lớn nhất ($Q_{h\max}$) và nhỏ nhất ($Q_{h\min}$) thông qua hệ số không điều hòa chung ($K_0$).
  • Phương pháp phân tích tỷ lệ dinh dưỡng vi sinh: Đánh giá tỷ lệ $\text{BOD}:\text{N}:\text{P}$ và tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD}$ để xác định khả năng phân hủy sinh học và nhu cầu bổ sung chất dinh dưỡng cho cụm bể hiếu khí.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng điện - tự động hóa: Phân loại và lập danh mục tín hiệu vào/ra (I/O), lựa chọn CPU PLC S7-300, module mở rộng, bộ nguồn, thiết bị đóng cắt bảo vệ (khởi động từ, rơle trung gian) và các cảm biến công nghiệp chuyên dụng.
  • Phương pháp lập trình thuật toán điều khiển: Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tự động (Auto) và điều khiển bằng tay (Manual), tích hợp thuật toán vòng kín PID cho các biến quá trình (pH, DO, lưu lượng) và xây dựng logic khóa liên động an toàn (interlock).

Nguồn dữ liệu thông số đầu vào

Tính chất nguồn nước thải sinh hoạt ban đầu được xác định qua các thông số thực nghiệm:

STT Thông số ô nhiễm Đơn vị đo Giá trị ban đầu
1 Độ pH - 7,3
2 Hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) mg/l 130
3 Nhu cầu oxy hóa học (COD) mg/l 246
4 Nhu cầu oxy sinh hóa ($\text{BOD}_5$) mg/l 200
5 Nitơ tổng số (N) mg/l 8
6 Photpho tổng số (P) mg/l 3
7 Dầu mỡ động thực vật mg/l 14

Thành phần chất rắn trong nước thải sinh hoạt phân bổ theo khối lượng ($g/\text{người.ngày}$):

  • Cặn lắng: 30 g chất hữu cơ, 10 g chất vô cơ (Tổng: 40 g).
  • Cặn không lắng: 10 g chất hữu cơ, 5 g chất vô cơ (Tổng: 15 g).
  • Chất hòa tan: 50 g chất hữu cơ, 75 g chất vô cơ (Tổng: 125 g).
  • Tổng chất rắn sinh hoạt: 180 $g/\text{người.ngày}$ (90 g hữu cơ, 90 g vô cơ).

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Cấu hình phần cứng điều khiển và thiết bị đo

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-300 kết hợp các module mở rộng và thiết bị đo công nghiệp:

  • Bộ điều khiển trung tâm: CPU 312 (hoặc CPU 321) cùng 02 Module mở rộng EM 323 ($16\text{ DI} / 16\text{ DO}\times 24\text{VDC}$), bộ nguồn cấp $24\text{VDC}$.
  • Thiết bị đo lưu lượng: Bộ chuyển đổi tín hiệu MAG 5000 kết hợp cảm biến điện từ Mag 5100W (Siemens) đo lưu lượng chất lỏng dẫn điện, độ chính xác $0{,}5%$, ngõ ra analog $4\text{--}20\text{ mA}$, xung và relay; đồng hồ đo lưu lượng điện tử EFM-115 (nguồn $24\text{VDC}$ hoặc $85\text{--}260\text{VAC}$, ngõ ra $4\text{--}20\text{ mA}$, truyền thông Modbus RTU / RS485).
  • Thiết bị đo độ pH: Đầu dò kỹ thuật số Orbipac CPF81D (công nghệ Memosens, chuẩn IP68, ngâm trực tiếp, sai số $\pm 5%$) kết nối bộ hiển thị CM444.
  • Thiết bị đo nhiệt độ: Cảm biến nhiệt điện trở Pt100 kết hợp module nhận tín hiệu RTD 6 kênh PM6RTD (Procon), truyền thông Modbus RTU qua cổng RS485.
  • Cảm biến cảnh báo môi trường: Bộ phát hiện rò rỉ khí Clo ADVANCE series 1610B/1620B (tiêu chuẩn ISO 9001, ngõ ra $4\text{--}20\text{ mA}$, dải đo $0\text{--}10\text{ ppm }\text{Cl}_2/\text{SO}_2$, $0\text{--}100\text{ ppm }\text{NH}_3$).
  • Thiết bị khử trùng: Clorator chân không K S10™ kiểm soát tốc độ cấp khí qua tín hiệu điều khiển analog $4\text{--}20\text{ mA}$.
  • Cơ cấu chấp hành chính: Máy bơm chìm nước thải APP KS-50 GT 5 HP ($3750\text{W}$, lưu lượng $1200\text{ lít/phút}$, đường ống $114\text{ mm}$ có dao cắt rác), máy khuấy hóa chất ($20\text{--}70\text{ vòng/phút}$, $380\text{V}/3\text{ pha}$ hoặc $220\text{V}/1\text{ pha}$), động cơ máy thổi khí, máy gạt bùn, bơm bùn và máy ép bùn.

Phân bổ tín hiệu vào/ra (I/O Allocation)

Hệ thống quản lý 23 tín hiệu đầu vào số (Digital Input) và 15 tín hiệu đầu ra số (Digital Output):

Ký hiệu Bit Địa chỉ PLC Ký hiệu thiết bị Chức năng chi tiết
Đầu vào (Input)
B_START I 0.0 B1 Nút ấn khởi động hệ thống (Start)
B_STOP I 0.1 B2 Nút ấn dừng hệ thống (Stop)
B_AUTO I 0.2 B3 Nút chọn chế độ tự động (Auto)
B_MANU I 0.3 B4 Nút chọn chế độ bằng tay (Manual)
B_XAC_NHAN_LOI I 0.4 B5 Nút ấn xác nhận / giải trừ lỗi
CB_LEVEL_1 I 0.5 CB1 Cảm biến mức 1 (bể cân bằng)
CB_LEVEL_2 I 0.6 CB2 Cảm biến mức 2 (bể cân bằng)
CB_LEVEL_3 I 0.7 CB3 Cảm biến mức 3 (nồng độ NaOH/mức pH)
CB_LEVEL_4 I 1.0 CB4 Cảm biến mức 4 (nồng độ HCl/mức pH)
B_BOM_1 I 1.1 B6 Công tắc/Nút bật tắt bơm 1
B_BOM_2 I 1.2 B7 Công tắc/Nút bật tắt bơm 2
B_BOM_3 I 1.3 B8 Công tắc/Nút bật tắt bơm 3
B_BOM_DL I 1.4 B9 Công tắc/Nút bật tắt bơm định lượng hóa chất
B_DC_KHUAY I 1.5 B10 Công tắc/Nút bật tắt động cơ máy khuấy
B_DC_SUC_KHI I 1.6 B11 Công tắc/Nút bật tắt máy sục khí (thổi khí)
B_MAY_GAT_BUN I 1.7 B12 Công tắc/Nút bật tắt máy gạt bùn
B_BOM_BUN I 2.0 B13 Công tắc/Nút bật tắt bơm bùn
B_EP_BUN I 2.1 B14 Công tắc/Nút bật tắt máy ép bùn
B_VAN_1 I 2.2 B15 Đóng/mở van điện từ 1 (đường hóa chất HCl)
B_VAN_2 I 2.3 B16 Đóng/mở van điện từ 2 (đường hóa chất NaOH)
B_VAN_3 I 2.4 B17 Đóng/mở van điện từ 3
B_VAN_4 I 2.5 B18 Đóng/mở van điện từ 4
B_VAN_5 I 2.6 B19 Đóng/mở van điện từ 5
Đầu ra (Output)
Q_DEN_RUN Q 0.0 Đèn RUN Đèn chỉ thị trạng thái hệ thống hoạt động
Q_BOM_1 Q 0.1 K1 / R1 Khởi động từ / Rơle điều khiển Bơm 1
Q_BOM_2 Q 0.2 K2 / R2 Khởi động từ / Rơle điều khiển Bơm 2
Q_BOM_3 Q 0.3 K3 / R3 Khởi động từ / Rơle điều khiển Bơm 3
Q_BOM_DL Q 0.4 K4 / R4 Khởi động từ / Rơle Bơm định lượng hóa chất
Q_DC_KHUAY Q 0.5 K5 / R5 Khởi động từ / Rơle Động cơ máy khuấy
Q_DC_SUC_KHI Q 0.6 K6 / R6 Khởi động từ / Rơle Động cơ máy sục khí
Q_MAY_GAT_BUN Q 0.7 K7 / R7 Khởi động từ / Rơle Động cơ máy gạt bùn
Q_BOM_BUN Q 1.0 K8 / R8 Khởi động từ / Rơle Động cơ bơm bùn
Q_EP_BUN Q 1.1 K9 / R9 Khởi động từ / Rơle Động cơ máy ép bùn

Thuật toán điều khiển quá trình công nghệ

  1. Điều khiển bơm P1 (Bể cân bằng):
    • Chế độ Auto: Bơm P1 tự động bật khi mức nước trong hố thu đạt ngưỡng cao (LV = H) và tự động tắt khi mức nước hạ xuống dưới ngưỡng thấp (LV = L).
    • Chế độ Manual: Người vận hành điều khiển trực tiếp bằng nút ấn trên bàn điều khiển hoặc giao diện SCADA.
  2. Điều chỉnh độ pH tại Bể trung hòa:
    • Để tiết kiệm chi phí đầu tư, hệ thống sử dụng 01 bơm định lượng duy nhất (DP) kết hợp 2 van điện từ độc lập ($V_1$ cho HCl và $V_2$ cho NaOH).
    • Khi $\text{pH}_1 < \text{pH}_L$ (axit hóa): Đóng van $V_1$, mở van $V_2$ (NaOH), khởi động bơm định lượng DP và máy khuấy $M_1$ để châm kiềm.
    • Khi $\text{pH}_1 > \text{pH}_H$ (kiềm hóa): Đóng van $V_2$, mở van $V_1$ (HCl), khởi động bơm định lượng DP và máy khuấy $M_1$ để châm axit.
    • Khóa liên động cấm chỉ: Chương trình ngăn chặn tuyệt đối việc mở đồng thời cả hai van $V_1$ và $V_2$; chỉ cho phép bơm DP hoạt động khi van tương ứng đã mở hoàn toàn.
    • Khóa liên động bảo vệ vi sinh: Khi cảm biến $\text{pH}_2$ (đo tại đầu ra bể trung hòa vào bể sinh học) vượt ngưỡng an toàn ($6\text{--}9$), cờ sự cố $\text{SC} = 1$, đèn cảnh báo nhấp nháy, PLC tự động ngắt các bơm P1, P2, P3 để ngăn nước chưa đạt chuẩn chảy vào bể sinh học làm chết vi sinh vật. Hệ thống chỉ cho phép tái khởi động khi người vận hành nhấn nút giải trừ sự cố (B_XAC_NHAN_LOI).
  3. Điều khiển lưu lượng và nồng độ oxy hòa tan (DO):
    • Điều khiển lưu lượng cấp vào bể kỵ khí: Tích hợp bộ điều khiển PID mềm trong PLC xuất tín hiệu tương tự sang biến tần điều khiển tốc độ động cơ bơm.
    • Điều khiển nồng độ DO trong bể hiếu khí: Thiết bị đo DO đưa tín hiệu phản hồi về vòng điều khiển kín trong PLC; PLC điều khiển biến tần thay đổi tốc độ động cơ máy thổi khí, duy trì nồng độ DO trong phạm vi tối ưu ($8\text{--}10\text{ ppm}$), giúp tiết kiệm điện năng so với phương pháp thổi khí liên tục công suất cố định.
  4. Cơ chế cảnh báo sự cố: Kết hợp 3 phương pháp:
    • Phương pháp 1 (PP1): Sử dụng rơle nhiệt, rơle bảo vệ chuyên dụng ngắt mạch phần cứng khi quá tải động cơ.
    • Phương pháp 2 (PP2): Xây dựng mạch phụ trợ liên động phần cứng báo động qua còi/đèn.
    • Phương pháp 3 (PP3): So sánh lệnh điều khiển đầu ra của PLC với tín hiệu phản hồi trạng thái thực tế từ tiếp điểm phụ contactor hoặc cảm biến tốc độ; nếu có sự sai lệch (lệnh mở nhưng trạng thái báo tắt), PLC kích hoạt cờ báo động.

Bảng biến truyền thông trên WinCC

Các biến nhớ dạng Double Word (MD) được khai báo để truyền thông giữa PLC S7-300 và giao diện WinCC:

Thông số công nghệ Vùng nhớ PLC Tên biến WinCC (Tag Name)
Nhiệt độ $T_1$ thực tế / Max / Min MD100 / MD104 / MD108 T1_REAL / T1_SETPOINT_MAX / T1_SETPOINT_MIN
Nhiệt độ $T_2$ thực tế / Max / Min MD112 / MD116 / MD120 T2_REAL / T2_SETPOINT_MAX / T2_SETPOINT_MIN
Độ $\text{pH}_1$ thực tế / Max / Min MD124 / MD128 / MD132 PH1_REAL / PH1_SETPOINT_MAX / PH1_SETPOINT_MIN
Độ $\text{pH}_2$ thực tế / Max / Min MD136 / MD140 / MD144 PH2_REAL / PH2_SETPOINT_MAX / PH2_SETPOINT_MIN
Lưu lượng 1 thực tế / Max / Min MD148 / MD152 / MD156 LL1_REAL / LL1_SETPOINT_MAX / LL1_SETPOINT_MIN
Lưu lượng 2 thực tế / Max / Min MD160 / MD164 / MD168 LL2_REAL / LL2_SETPOINT_MAX / LL2_SETPOINT_MIN
Nồng độ DO thực tế / Max / Min MD172 / MD176 / MD180 DO_REAL / DO_SETPOINT_MAX / DO_SETPOINT_MIN

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về nguồn gốc, thành phần và tác hại của nước thải sinh hoạt đô thị. Tác giả phân tích các công nghệ xử lý tiên tiến trong và ngoài nước (AFBR, MBR, AAO), làm rõ các chỉ tiêu ô nhiễm đặc trưng bao gồm chất rắn (cặn lắng, cặn không lắng, chất hòa tan), độ pH, DO, BOD, COD. Chương này cũng phân tích mục tiêu của tự động hóa trong xử lý nước thải: cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị thông qua cơ chế dự phòng sự cố, tăng năng suất và hỗ trợ công tác giám sát, thống kê dữ liệu từ xa.

Chương 2: Các thiết bị chấp hành và xây dựng sơ đồ mạch động lực

Chương 2 tập trung mô tả chi tiết bài toán công nghệ xử lý nước thải qua các công đoạn nối tiếp: song chắn rác $\rightarrow$ bể cân bằng $\rightarrow$ bể trung hòa $\rightarrow$ bể kỵ khí $\rightarrow$ bể hiếu khí $\rightarrow$ bể lắng đứng $\rightarrow$ cụm xử lý bùn. Tác giả lập bảng thống kê danh mục các cơ cấu chấp hành (bơm, máy khuấy, máy sục khí, máy gạt bùn, máy ép bùn, các van điện từ), xây dựng bảng gán địa chỉ 23 ngõ vào số và 15 ngõ ra số cho PLC S7-300. Trên cơ sở đó, tác giả thiết kế chi tiết sơ đồ đấu nối module EM 323, mạch điều khiển và sơ đồ mạch động lực cấp nguồn 3 pha ($380\text{V}$) và 1 pha ($220\text{V}$) thông qua hệ thống contactor ($K_1\text{--}K_9$) và rơle trung gian ($R_1\text{--}R_9$) cho từng động cơ.

Chương 3: Bài toán điều khiển và lập trình mô phỏng cho hệ thống xử lý nước thải

Chương 3 giải quyết phần tính toán công nghệ và lập trình điều khiển:

  • Khảo sát tính toán thủy lực cho trạm xử lý: với lưu lượng trung bình $q_{\text{tb}} = 1543\text{ l/s}$, nội suy tìm được hệ số điều hòa $K_{0\max} = 1{,}466$ và $K_{0\min} = 0{,}693$, tương ứng công suất ngày đêm $Q_{\text{ng.đ}} = 133.291\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, lưu lượng giờ lớn nhất $Q_{h\max} = 8142\text{ m}^3$ và nhỏ nhất $Q_{h\min} = 3849\text{ m}^3$.
  • Đánh giá chỉ tiêu đầu vào ($\text{BOD}_5/\text{COD} = 0{,}813$, tỷ lệ dinh dưỡng $\text{BOD}:\text{N}:\text{P} = 100:4:1{,}5$, $\text{SS} = 130\text{ mg/l} < 150\text{ mg/l}$) để lựa chọn bể tuyển nổi DAF và công nghệ sinh học bùn hoạt tính hiếu khí.
  • Lựa chọn thiết bị đo công nghiệp (Transmitter MAG 5000 / MAG 5100W, đồng hồ EFM-115, điện cực Orbipac CPF81D, RTD Pt100, Clorator K S10, cảm biến Clo 1610B).
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chi tiết cho từng cụm công nghệ và thiết lập các bước cấu hình phần cứng trạm PLC trong môi trường phần mềm SIMATIC Manager.

Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát cho hệ thống xử lý nước thải (Chương 4) và Kết luận (Chương 5)

  • Thiết kế giám sát WinCC: Thiết lập bảng tag biến truyền thông MD100--MD180, xây dựng giao diện điều khiển SCADA trực quan hiển thị trạng thái hoạt động của bơm, van, máy khuấy, hiển thị đồ thị thời gian thực các thông số quá trình ($T$, pH, DO, lưu lượng), tạo cửa sổ cảnh báo sự cố và thiết lập chức năng lưu trữ dữ liệu báo cáo thống kê.
  • Kết luận: Đánh giá mức độ hoàn thành mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển tự động và đưa ra các kiến nghị kỹ thuật mở rộng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

  1. Tính toán thủy lực và công nghệ hoàn chỉnh: Xác định lưu lượng trạm xử lý $Q_{\text{ng.đ}} = 133.291\text{ m}^3/\text{ng.đ}$, kiểm soát các thông số nước thải đầu ra hướng tới đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT Cột A:
Thông số ô nhiễm Nước thải đầu vào Giới hạn QCVN 14:2008/BTNMT (Cột A)
Độ pH 7,3 5 -- 9
$\text{BOD}_5$ $200\text{ mg/l}$ $30\text{ mg/l}$
$\text{COD}$ $246\text{ mg/l}$ $50\text{ mg/l}$
$\text{SS}$ $130\text{ mg/l}$ $50\text{ mg/l}$
Tổng Nitơ / Amoni $8\text{ mg/l}$ $5\text{ mg/l}$
Dầu mỡ thực vật $14\text{ mg/l}$ $10\text{ mg/l}$
  1. Thiết kế mạch động lực và gán I/O chuẩn xác: Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực và điều khiển cho 9 cụm động cơ chấp hành lớn, phân bổ tối ưu 23 ngõ vào số và 15 ngõ ra số trên 02 module EM 323.
  2. Thuật toán điều khiển linh hoạt và an toàn: Thiết kế hoàn chỉnh 2 chế độ Manual và Auto; tích hợp giải thuật PID mềm và điều khiển biến tần cho động cơ máy thổi khí và bơm cấp; xây dựng logic khóa liên động pH tự động ngắt bơm bảo vệ hệ sinh vật kỵ khí/hiếu khí.
  3. Mô phỏng giám sát SCADA đồng bộ: Khởi tạo cấu hình trạm phần cứng trên SIMATIC Manager, liên kết 21 biến quá trình (MD100--MD180) lên phần mềm WinCC để giám sát, cảnh báo và lưu trữ dữ liệu.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Tối ưu hóa thiết bị định lượng hóa chất: Thay vì lắp đặt 2 bơm định lượng riêng biệt cho axit và kiềm, tác giả đề xuất giải pháp chỉ sử dụng 01 bơm định lượng duy nhất kết hợp 2 van điện từ $V_1$ (HCl) và $V_2$ (NaOH) kèm thuật toán khóa liên động loại trừ lẫn nhau, giúp tiết giảm đáng kể chi phí đầu tư thiết bị.
  • Tiết kiệm năng lượng bằng biến tần: Đề xuất ứng dụng biến tần điều khiển động cơ máy thổi khí dựa trên phản hồi nồng độ DO từ cảm biến thay vì chạy hết công suất liên tục, giảm chi phí điện năng vận hành.
  • Bảo vệ sinh học đa cấp: Thiết kế cờ trạng thái sự cố SC duy trì trạng thái ngắt trạm bơm khi phát hiện nguồn nước có độ pH vượt ngưỡng cho phép, bắt buộc kỹ sư phải kiểm tra xử lý và giải trừ lỗi thủ công trước khi hệ thống được phép cấp nước trở lại vào các bể sinh học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Nghiên cứu dừng lại ở mức độ thiết kế sơ đồ nguyên lý, lập trình thuật toán và mô phỏng trên phần mềm (SIMATIC Manager, WinCC), chưa được triển khai lắp ráp và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình phần cứng vật lý thực tế.
    • Tính toán thiết kế tập trung vào nước thải sinh hoạt thông thường, chưa tích hợp module xử lý chuyên sâu cho các nguồn nước thải công nghiệp đặc thù có chứa kim loại nặng hoặc chất độc hại cao.
    • Một số khâu đo lường trong dây chuyền (như đo nhiệt độ nước tại bể cân bằng và bể hiếu khí) vẫn phụ thuộc vào phương thức đo thủ công theo ca vận hành của kỹ sư.

  • Hướng nghiên cứu mở rộng:

    • Mở rộng tích hợp các thuật toán điều khiển hiện đại (điều khiển mờ - Fuzzy Logic, mạng nơ-ron, điều khiển dự báo MPC) nhằm nâng cao chất lượng điều chỉnh các thông số phi tuyến tính mạnh như pH và DO.
    • Kết nối hệ thống SCADA cục bộ với mạng truyền thông công nghiệp diện rộng (Industrial Ethernet, Profibus-DP, Modbus TCP) và tích hợp công nghệ IoT/SMS để giám sát, cảnh báo và điều khiển từ xa qua thiết bị di động.
    • Tích hợp hệ thống điều hành sản xuất cấp cao (MES/ERP) để quản lý chi phí năng lượng, hóa chất và lập kế hoạch bảo trì thiết bị tự động.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Điện: Tham khảo phương pháp xây dựng cấu hình phần cứng PLC Siemens S7-300, kỹ thuật lập trình SIMATIC Manager, cách phân bổ biến nhớ liên kết WinCC và thiết kế mạch động lực đóng cắt động cơ công nghiệp.
  • Sinh viên và kỹ sư ngành Kỹ thuật Môi trường: Nắm bắt quy trình công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt cơ bản, phương pháp tính toán thủy lực ($Q_{\text{ng.đ}}$, $Q_h$, hệ số điều hòa $K_0$) và cách thức kết hợp giữa công nghệ hóa lý - sinh học với các giải pháp điều khiển tự động hóa.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống SCADA/PLC: Tham khảo trực tiếp cấu trúc logic khóa liên động an toàn, các giải pháp tiết giảm thiết bị (bơm định lượng dùng chung) và mô hình cảnh báo sự cố 3 cấp độ (PP1, PP2, PP3) trong các nhà máy xử lý nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả đã giải quyết bài toán tối ưu chi phí thiết bị châm hóa chất tại bể trung hòa như thế nào?

Thay vì đầu tư hai máy bơm định lượng riêng biệt cho hai loại hóa chất NaOH và HCl, tác giả thiết kế hệ thống chỉ sử dụng 01 bơm định lượng duy nhất (DP) kết hợp với 2 van điện từ $V_1$ (đường ống HCl) và $V_2$ (đường ống NaOH). Trong chương trình PLC, tác giả cài đặt logic khóa liên động cấm chỉ: không bao giờ mở đồng thời cả hai van, van hóa chất tương ứng bắt buộc phải mở hoàn toàn trước khi bơm DP được phép kích hoạt.

2. Cấu hình phần cứng PLC và khối lượng tín hiệu vào/ra (I/O) được lựa chọn trong đồ án gồm những gì?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-300 (CPU 312 / CPU 321), cấp nguồn $24\text{VDC}$, kết hợp với 02 module mở rộng EM 323 ($16\text{ DI} / 16\text{ DO}$). Tổng số tín hiệu vào/ra được quản lý là 23 ngõ vào số (Digital Input) bao gồm các nút ấn chức năng, công tắc chế độ và cảm biến mức; cùng 15 ngõ ra số (Digital Output) điều khiển đèn báo và các khởi động từ/rơle trung gian cho 9 động cơ chấp hành chính.

3. Chiến lược điều khiển nồng độ oxy hòa tan (DO) trong bể hiếu khí được thiết kế ra sao để tiết kiệm năng lượng?

Thiết bị đo DO liên tục gửi tín hiệu phản hồi nồng độ oxy hòa tan về vòng điều khiển kín PID mềm trong PLC. PLC tính toán và xuất tín hiệu điều khiển tương tự ($4\text{--}20\text{ mA}$ hoặc áp) tới biến tần điều khiển động cơ máy thổi khí. Nhờ đó, tốc độ quay của máy thổi khí tự động thay đổi linh hoạt theo nhu cầu thực tế của vi sinh vật thay vì vận hành hết công suất liên tục, giúp duy trì nồng độ DO ổn định trong khoảng $8\text{--}10\text{ ppm}$ và giảm chi phí điện năng.

4. Cơ chế khóa liên động bảo vệ vi sinh vật khi độ pH vượt ngưỡng hoạt động như thế nào?

Đầu ra bể trung hòa được bố trí cảm biến đo $\text{pH}_2$. Nếu $\text{pH}_2$ vượt ra ngoài ngưỡng an toàn ($6\text{--}9$), cờ sự cố $\text{SC}$ trong PLC lập tức được gán bằng 1, kích hoạt đèn cảnh báo nhấp nháy trên bảng điều khiển, đồng thời PLC tự động ngắt các bơm cấp nước P1, P2, P3 để ngăn dòng nước không đạt chuẩn đi vào bể sinh học. Biến $\text{SC}$ được duy trì trạng thái 1 ngay cả khi pH sau đó đã bình thường trở lại, và hệ thống chỉ cho phép các bơm hoạt động tiếp khi kỹ sư đã kiểm tra xong và nhấn nút giải trừ lỗi (B_XAC_NHAN_LOI).

5. Những thông số công nghệ nào được tính toán làm cơ sở lựa chọn dây chuyền xử lý nước thải?

Tác giả tính toán trạm xử lý cho chu kỳ niên hạn 20 năm, tốc độ gia tăng dân số $r = 1{,}2%$, tiêu chuẩn cấp nước $q_{\text{tb}} = 350\text{ l/người.ngày}$, công suất tính toán đạt $Q_{\text{ng.đ}} = 133.291\text{ m}^3/\text{ng.đ}$. Tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD} = 0{,}813 > 0{,}5$ khẳng định tính khả thi của phương pháp xử lý sinh học hiếu khí; hàm lượng $\text{SS} = 130\text{ mg/l} < 150\text{ mg/l}$ không cần bể làm thoáng sơ bộ; hàm lượng dầu mỡ thực vật $14\text{ mg/l}$ là căn cứ lựa chọn bể lắng kết hợp tuyển nổi khí hòa tan DAF.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Vũ Văn Linh đã nghiên cứu và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều khiển tự động hóa quy trình xử lý nước thải sinh hoạt công suất $133.291\text{ m}^3/\text{ng.đ}$ dựa trên nền tảng PLC Siemens S7-300 và SCADA WinCC. Công trình đã chuẩn hóa toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch động lực, lập bảng phân bổ 38 tín hiệu I/O, xây dựng các thuật toán điều khiển vòng kín kết hợp khóa liên động bảo vệ thiết bị và hệ sinh vật. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo tốt cho việc thiết kế, lập trình và mô phỏng các hệ thống tự động hóa xử lý môi trường trong lĩnh vực cơ điện tử và điều khiển tự động.