Chương 5: Lựa chọn công nghệ và thiết kế mô
hình hệ thống tựđộng hoá
a) Yêu cầu lựa chọn công nghệ
Công nghệ hệ thống tựđộng hoá được lựa chọn
trên c
ơ sở sau:
. Hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực
t
ựđộng hóa đồng thời thiết bị, vật tư phải thông dụng trên thị trường Việt Nam
để th
uận tiện trong bảo hành, thay thế, sửa
ch
ữa khi có sự cố.
. Hệ thống phải dễ dàng mở rộng, hỗ trợ nối ghép với các hệ thống
khác thông qua các m
ạng công nghiệp thông dụng đã được chuẩn hóa theo các
chu
ẩn hóa quốc tế (nhưProfibus,
Industrial Ethernet, ) khi c
ần thiết sau này.
. Phần mềm điều hành hệ thống được xây dựng trên nền hệ SCADA
mở, hỗ trợ nhiều chuẩn thông dụng hiện nay trên thế giới.
. Đầu đo và các cơ cấu chấp hành cần được lựa chọn đảm bảo môi
trường, điều kiện làm việc đặc biệt trong xử lý nước thải. Cụ thể cần sử dụng các
lo
ại đầu đo chuyên dụng, thiết kếđúng
cho các ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải với các tiêu chuẩn bảo vệ cao (ít
nh
ất IP65, chủ yếu
IP67/IP68).
b) Các thành phần hệ thống tựđộng hoá và lựa chọn công nghệ

Hệ thống điều khiển tựđộng bao gồm các thành phần chính sau:
. Tủđiện cấp nguồn động lực và điều khiển.
. Trạm điều khiển tựđộng.
. Trạm máy tính.
. Bàn điều khiển bằng tay
. Khối các thiết bịđo, transmitter.
. Cơ cấu chấp hành (động cơ, van điện).
Tủđiện cấp nguồn động lực và điều khiển
Tủđiện cấp nguồn động lực và điều khiển gồm các thành phần chính sau:
. Các bộ cầu chì, cầu dao, aptomat, rơle nhiệt.
. Các thiết bịđo điện, đèn chỉ thị, đồng hồ von kế và ampe kế
. Các thiết bị chuyển dòng.
T
ất cả các thiết bị trong Tủđiện cấp nguồn có cùng dạng thiết kế, bền, làm từ
thép, cơ cấu chuyển mạch đáp ứng các tiêu chuẩn về cung cấp điện và có sơđồ, tài
li
ệu chi tiết kèm theo. Các thanh chuyển làm bằng đồng, có trang bị phần bao bọc
bên ngoài.
Các
cơ cấu chuyển mạch được gắn trong cửa, có nhãn nhận dạng. Các nhãn
mác phía
dưới của cửa tủđiện sẽ cung cấp các dữ liệu: mức điện áp, dòng điện,
tần số, dòng ngắn mạch, mức độ dòng của thanh chuyển mạch chính và phân loại
bảo vệ. Tủđiện được sơn tĩnh điện chống ăn mòn và trang bị quạt thông gió. Các
thi
ết bị, vật tư chủ yếu lựa chọn có xuất xứ từNhật hoặc G7. Tủ sẽ do Việt Nam
thiết kế chế tạo vỏ, đi dây và lắp đặt.
Trạm điều khiển tựđộng
Tr
ạm điều khiển tựđộng là đầu não của toàn bộ hệ thống. Tại đây toàn bộ các

thông tin
đo lường từ các thiết bịđo, cơ cấu chấp hành, trạng thái hệ thống được
ki
ểm soát chặt chẽ, xử lý, tính toán và ra các lệnh điều khiển kịp thời, trực tiếp tới
t
ừng đối tượng điều khiển.
Trạm điều khiển tựđộng được xây dựng trên cơ sở bộ khả trình SIMATIC PLC
S7-300 c
ủa hãng SIEMENS cho phép đáp ứng các yêu cầu lựa chọn công nghệđã
nêu trên
đồng thời giá thành phải chăng và có khả năng mở rộng, nâng cấp thành
h
ệđiều khiển dự phòng một cách dễ dàng. Ngoài ra, nhiều công trình tại Việt Nam
và trên th
ế giới sử dụng công nghệ tựđộng hoá SIMATIC đã chứng tỏđộổn định
và tin cậy cao và SIEMENS là một trong những hãng lớn trong lĩnh vực tựđộng
hoá đã có mặt tại Việt Nam từ lâu với đại diện và nhiều đại lý phân phối chính
th
ức, có hỗ trợ kỹ thuật tốt.
Trạm máy tính
Do yêu c
ầu làm việc liên tục 24/24 , 7/7 nên Trạm máy tính được xây dựng
trên
cơ sở các PC công nghiệp có độ bền, tin cậy cao. Trạm máy tính bao gồm 01
IPC SIMATIC WinCC Server, 01 máy IPC SIMATIC WinCC Client, Switch
Module, Router và SMS MODEM.
Bàn điều khiển bằng tay
Bàn
điều khiển giúp vận hành hệ thống trong chếđộ bằng tay. Bàn điều khiển
đượ

c thiết kế gồm các nút ấn, đèn hiệu và còi báo động. Các thiết bị, vật tư lựa
ch
ọn có xuất xứ từ Nhật hoặc G7. Bàn điều khiển sẽ do Việt Nam thiết kế chế tạo.
Khối các thiết bịđo, transmitter
Các
đầu đo là loại đặc chủng dùng trong xử lý nước thải với mức độ bảo vệ cao
(đa phần IP65, IP67 hoặc IP68), chủ yếu sử dụng của hãng Endress&Hauser
(E+H) [8]có hi
ển thị số tại chỗ. E+H
sản xuất các thiết bịđo chuyên dụng chất lượng cao cho xử lý nước thải. Hãng
có
đại diện và nhà phân phối chính thức tại Việt Nam.
Cơ cấu c
hấp hành
Các
động cơ, van điện từđã có sẵn trong hệ thống. Biến tần điều khiển động cơ
sử dụng của hãng
Control Techniques (Anh)[7]
c) Thiết kế mô hình hệ thống tựđộng hoá
Giải thích mô hình
Việc điều khiển xử lý nước thải được tập trung vào một Trung tâm điều khiển
(Hình 13), t
ừđây có thể theo dõi giám sát, điều khiển toàn bộ dây chuyền. Trung
tâm có th
ểđặt ngay bên cạnh công trình cần điều khiển hoặc ở vị trí cách xa công
trình. Ng
ười vận hành tại Trung tâm phải làm các nhiệm vụ sau:
.
Theo dõi, ki
ểm tra các thông

s
ố
v
ề
m
ặt c
h
ất
l
ư
ợng v
à
s
ố
lư
ợ
ng c
ủa
quá
trình công nghệ
. Theo dõi các tín hiệu về trạng thái, chếđộ làm việc của thiết bị, về cảnh
báo, báo
động
. Thông qua các chỉ số theo dõi để lựa chọn chếđộ làm việc tối ưu cho
dây chuy
ền công nghệ. Chếđộ làm việc tối ưu được hiểu là chếđộ mà trong đó chi
phí v
ề nguyên vật liệu và năng lượng trên một đơn vị sản phẩm là ít nhất.
Trung tâm điều khiển có 02 IPC (Industrial PC), trong đó có một máy chủ IPC
Server, m

ột máy khách IPC Client1 kết nối với nhau qua Switch, chuẩn truyền
thông là IE (Industrial Ethernet). Router cho phép hệ thống máy tính kết nối
v
ới IPC Client2 điều khiển từ xa thông qua mạng Internet. SMS MODEM cho
phép IPC Server trao
đổi thông tin với máy mobile phone của người có trách
nhi
ệm. IPC Server kết nối với Trạm điều khiển PLC qua mạng MPI nhờ trên IPC
Server có Card truy
ền thông công nghiệp SIMATIC CP 5613. Bàn điều khiển tay,
c
ơ cấu chấp hành và cảm biến kết nối với các module mở rộng của Trạm điều
khiển bằng cáp tín hiệu chuẩn.
Người vận hành điều khiển hệ thống thông qua IPC hoặc Bàn điều khiển.
Tủđiện cấp nguồn, Trạm điều khiển tựđộng PLC đặt trong phòng điều khiển cách
h
ệ thống máy tính và bàn điều khiển một khoảng cách ngắn (theo thiết kế tính
theo đường dây
dưới 50m) và không cần phải theo dõi thường xuyên trong quá
trình v
ận hành. Toàn bộ các số liệu quá trình và trạng thái hệ thống cũng như
các cảnh báo, báo động sẽđược thể hiện trên máy tính và các đèn báo, trên bàn
điều khiển.
Tín hiệu từ tất cả các nút điều khiển tay đều đi qua PLC, trừ nút dừng khẩn cấp
ESTOP. Trên bàn điều khiển có nút chuyển đổi giữa hai chếđộ: điều khiển tựđộng
(Auto) và
điều khiển tay (Manual) . Chếđộđiều khiển do người vận hành bằng tay
quy
ết định. Khi người vận hành chuyển khoá sang Manual thì PLC sẽ không thực
hi

ện các chức năng điều khiển tựđộng của các khâu sau: pH, DO, Flow và
người vận hành hoàn toàn chủđộng trong điều khiển tay. Cũng có thể thiết kế
chi tiết hơn nữa bằng cách thêm 03 khoá phụ cho ba khâu điều khiển pH, DO,
Flow, n
ếu đã chuyển sang Manual nhưng khoá phụ nào vẫn mở thì vẫn bị sựchi
ph
ối của điều khiển tựđộng (trong trường hợp này Manual chỉ là chếđộ bán
t
ựđộng). Khi chếđộđiều khiển là Manual tất cả các nút điều khiển ON/OFF trên
giao di
ện người máy (HMI) trên IPC đều bị vô hiệu hoá. Tuy nhiên PLC vẫn đưa
d
ữ liệu về IPC và thực hiện cảnh báo/báo động và cho phép đặt cấu hình. Khi vận
hành hệ thống trong chếđộ bằng tay có thểlựa chọn một số hoặc tất cả các công
đoạn trong hệ thống sẽđiều khiển bằng tay (thông qua bàn điều khiển bằng tay
hoặc kích hoạt chuột trên máy tính) trong khi các công đoạn còn lại vẫn chạy
trong chếđộ tựđộng. Đối với các công đoạn vận hành bằng tay, người vận hành
s
ẽtự quyết định việc điều khiển các thiết bị trong công đoạn đó trong khi PLC mặc
dù không tham gia trực tiếp vào quá trình điều khiển nhưng vẫn giám sát các hoạt
này và do vậy vẫn đảm bảo các chức năng hiển thị các giá trịđo, cảnh báo, báo
độ
ng sự cố cho người vận hành.
Trái l
ại, nếu người vận hành vặn khoá trên bàn điều khiển sang chếđộ Auto thì
các nút
điều khiển ON/OFF các động cơ, điều khiển lượng hoá chất, lưu lượng
n
ước trên bàn điều khiển tay đều bị vô hiệu hoá trừ nút ESTOP và nút giải trừ sự
cố. Khi chuyển chếđộ thì đèn trên bàn điều khiển và trên HMI đều đồng bộ thay

đổi theo. Khi vận hành trong chếđộ tựđộng, hệ thống sẽ tựđộng cập nhật số liệu từ
các đầu đo, nhận biết trạng thái làm việc của các thiết bị, máy móc trong hệ thống
và x
ử lý, tựđộng điều khiển các thiết bị theo chu trình công nghệđịnh trước. Chu
trình này có th
ể dễ dàng thay đổi các tham số làm việc, có thể can thiệp, chuyển
đổi sang chếđộ vận hành bằng tay dễ dàng cũng như sau đó có thểđưa trở lại về
chếđộ tựđộng để hệ thống tiếp tục điều khiển chu trình công nghệ. Việc điều khiển
các thiết bịcó thểđơn giản thông qua chuột máy tính.
Tín hi
ệu từ tất cả các sensor (đầu đo) và điều khiển cơ cấu chấp hành (bơm, van
điện, máy sục, )
đặt tại các khu vực trong dây chuyền được đưa tập trung về một trung tâm giám sát
và
điều hành. Tại
đây mọi diễn biến hoạt động của từng đối tượng được theo dõi
và ki
ểm soát chặt chẽ thông qua bàn
điều khiển và trợ giúp của máy tính.
Các thông s
ố về lưu lượng nước thải, khống chế mực nước
trong các b
ể, chất lượng nước thải như pH, nhiệt độ, ô xy hòa tan
(DO) và tình tr
ạng hoạt động của các thiết bịđược cập nhật về
phòng điều khiển trung tâm và hiển thị lên màn hình máy tính.
T
ừđây, người vận hành hệ thống có thể nhận biết một số thông
s
ố quan trọng về tính chất của nước thải trong từng hệ thống xử

lý, hoạt động của các thiết bị và có thểđiều khiển chúng theo
mong muốn.
Các thông s
ố hoạt động của hệ thống được ghi lưu lại trong
đĩa cứng. Báo cáo hàng ngày qua các bảng biểu được in ra máy
in g
ắn với máy tính nhờ một chức năng trong phần mềm
SCADA đã cài đặt.
Một số quá trình điều khiển tựđộng đặc biệt trong dây chuyền
công nghệ nhưđiều chỉnh pH, lưu lượng nước được thực hiện
thông qua các khối phần mềm chuyên dụng sử dụng các thuật
toán
điều khiển kinh điển (PI, PID) và có thể kết hợp với phương
pháp điều khiển hiện đại khác nhưđiều khiển mờ, mạng nơron,