thiết kế và thi công hệ thống xử lý nước thải

Với đề tài “Mô hình hệ thống xử lý nước thải điều khiển bằng PLC Mitsubishi” em có thể làm quen với việc sử dụng PLC Mitsubishi điều khiển hệ thống, thiết kế vàthi công tủ điện điều khiể

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1.1 Mục đích luận văn:

Ngày nay trong các hệ thống tự động PLC là sự lựa chọn tối ưu nhất trong việc

điều khiển hệ thống Hơn nữa, các hệ thống tự động vẫn thường có chế độ Manual-điều

khiển bằng tay khi người điều khiển muốn trực tiếp điều khiển từng thiết bị trong hệthống Với đề tài “Mô hình hệ thống xử lý nước thải điều khiển bằng PLC Mitsubishi”

em có thể làm quen với việc sử dụng PLC Mitsubishi điều khiển hệ thống, thiết kế vàthi công tủ điện điều khiển (với hai chế độ Auto và Manual), đồng thời bước đầu tìmhiểu việc giao tiếp giữa PLC Mitsubishi và máy tính (nạp thông số điều khiển và giámsát trạng thái PLC từ máy tính) thông qua truyền thông nối tiếp sử dụng Visual Basic

Dựa trên hệ thống xử lý nước thải thực tế đang hoạt động tại nhà máy đường Trị

An, em đã xây dựng một mô hình gần giống với thực tế, thay thế các máy bơm, máythổi khí ba pha công suất lớn bằng các máy bơm, máy oxy sử dụng trong các hồ cácảnh, thay các contactor đóng ngắt công suất lớn bằng các relay, sử dụng một công tắcgiả lập cho các sensor cảm biến đo nồng độ pH của nước thải,… Mô hình có thể hoạtđộng ở hai chế độ tự động Auto và bằng tay Manual Ở chế độ bằng tay, người vậnhành có thể trực tiếp điều khiển hoạt động của hệ thống Ở chế độ Auto, hệ thống sẽ tựđộng chạy theo đúng quy trình công nghệ bằng sự điều khiển của PLC Mtisubishi,vớithông số thời gian hoạt động của các thiết bị được nạp xuống PLC từ máy tính, đồngthời máy tính cũng giám sát được trạng thái của các thiết bị (đang đóng hay mở)

1.2 Tổng quan về hệ thống xử lý nước thải:

1.2.1 Định nghĩa:

 Nước thải:

này có thể tồn tại ở các dạng khác nhau trong nước thải:chất hòa tan hay chất rắn lơlửng, có thể phân hủy được bằng phương pháp sinh học hay không thể phân hủy đượcbằng phương pháp sinh học…

Thành phần chất hữu cơ trong nước thải được thể hiện đặc trưng qua các đạilượng BOD, COD hay TOC.BOD (nhu cầu oxy sinh hóa) đặc trưng cho phần chất hữu

cơ có thể phân hủy sinh học.COD (nhu cầu oxy hóa học) và TOC (tổng chất hữu cơ)đặc trưng cho tổng các chất hữu cơ

được loại bỏ bằng phương pháp sinh học Những thành phần tan và không thể phânhủy sinh học sẽ còn ở lại nước thải sau xử lý.

Các thành phần vô cơ trong nước thải bao gồm : các nguyên tố đơn như làCanxi (Ca) , Cloride (Cl) , sắt (Fe) , crôm (Cr) , kẽm (Zn), và các hợp chất như: nitrát(NO4), sunphat (SO4) Các thành phần hòa chất vô cơ liên quan bao gồm: amonia tự do,nitơ hưu cơ, nitrit, nitrat, phospho hữu cơ và phospho vô cơ Trong đó Nitơ và Phospho

là 2 chất dinh dưỡng quan trọng rất phổ biến và lien quan đến sự phát triển các thủysinh vật không có lợi

 pH:

Giá trị pH của nước thải đặc trưng cho tính chất axit, bazơ hay trung tính của

nó Giá trị pH được đo bằng máy đo pH

 Chất rắn:

Nước thải chứa nhiều dạng chất rắn khác nhau có kích thước từ mảnh thô 2cm) đến kích thước keo (<1µm) Chất rắn được phân loại theo bảng sau:

mẩu nước thải được bay hơi vàlàm khô tại nhiệt độ 103-1050C

hơi (TVS)

Là phần chất rắn bay hơi và đốtcháy khi nung TS 500±500C

định

Là lượng chất rắn còn lại saukhi nung TS ở nhiệt độ

4 Tổng chất rắn lơ ửng Phấn chất rắn dược giữ lại trên

giấy lọc sợi thủy tinhWhatmanvới độ lổ hổng 1,58 µm,đượcxác định sau khi làm khộ mẩutại nhiệt độ 103-1050C

tan (TDS) (TS-TSS)

Là lượng chất rắn đi qua giấylọc và sau đó được làm bay hơinước và làm khô tại nhiệt độ103-1050C

hơi (VDS) VSS)

(TVS-Là chất rắn có thể bay hơi hayđốt cháy khi nung TDS tạinhiệt độ 500±500C

dưới đơn vị ml/lBảng 1.1 : phân loại chất rắn

Giá trị tổng chất rắn lơ lửng TSS thường được xác định để làm cơ sở cho việcđiều chỉnh quá trình xử lý Tuy nhiên cũng nên lưu ý rằng giá trị TSS xác định đượcthường khó chính xác và thiếu ý nghĩa cơ sở

 Độ đục:

Độ đục đo khả năng chiếu xuyên của ánh sang qua nước, là một thông số đểđịnh tính chất lượng của nước sau xử lý và nước thiên nhiên về các thành phần các chấtkeo và chất lơ lửng Việc đo độ đục dựa trên sự so sánh mật độ ánh sang xuyên quamẩu và ánh sang xuyên qua một dung dich chuẩn trong cùng một điều kiện Đơn vị đo

độ đục là NTU

 Độ màu:

Màu của nước được gây ra bởi các chất rắn lơ lửng, các chất keo và các hợpchất hòa tan Màu sinh ra bởi các chất lơ lủng được gọi là màu biểu kiến, trong khi màuđược sinh bởi các chất keo và các hợp chất hòa tan được gọi là màu thật Màu thật vẫnđược giữ nguyên khi lọc mẩu nước Màu của nước thải được xác định bằng cách sosánh với màu của dung dich chuẩn K2PtCl6 Một đơn vị màu tương ứng với màu đượctạo bởi 1mg/l Platin Nước thải nhà máy đường thường có độ màu cao

Màu của nước thải phản ánh điều kiện của nó Nếu nước thải có màu nâu nhạt,thường nước thải lưu chưa đến 6 giờ Nếu nước thải có màu xám nhạt đến trung bình,

nó có thể trải qua một số quá trình phân hủy chất hữu cơ hay được giữ lại trong mộtthời gian Nếu màu là xám đậm hay đen nước thải bị phân hủy yếm khí Màu đen của

phân hủy yếm khí.

 Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demands):

COD đặc trưng cho lượng chất hữu cơ và một phần chất hữu cơ có thể oxy hóahoàn toàn bằng chất oxy hóa mạnh như bichromate kali, permanganate kali…chúng taphân biệt:

BOD đặc trưng cho lượng chất hữu cơ có thể oxy hóa hoàn toàn bằng các visinh vật.

Tỉ số BOD/COD của nước thải cho chúng ta biết khả năng phân hủy sinh họccủa nước thải

BOD/COD > 0,5 : Nước thải dễ bị phân hủy sinh học

BOD/COD < 0,5 : Nước thải khó bị phân hủy sinh học

kỵ khí) hay bong cặn (bùn hiếu khí) Nồng độ của chúng liên quan tới khả năng và hiệuquả của quá trình.

Nồng độ bùn (g/l)

 Các thông của quá trình:

• Tải trọng theo thể tích V:

VCOD(kg/m3.ngđ) =

Thể tích bể phản ứng (m3)BODXL(kg/m3)×Lưu lượng (m3/ngày đêm)

VBOD(kg/m3.ngđ) =

Thể tích bể phản ứng (m3)CODXL , BODXL : lượng COD , BOD được xử lý

• Tải lượng bùn (F/M):

Tải lượng bùn là lượng COD, BOD, N, P được xử lý bằng 1kg bùn trong bểphản ứng trong một ngày đêm

VCOD (kg/m3.ngđ)F/MCOD (kg/kg.ngđ) =

Nồng độ bùn (kg/m3) × Lưu lượng (m3/ngđ)

VBOD (kg/m3.ngđ)F/MBOD (kg/kg.ngđ) =

Nồng độ bùn (kg/m3) × Lưu lượng (m3/ngđ)

• Tải trọng bề mặt (m 3 /m 2 h) Vs:

Lượng bùn lấy ra hằng ngàyLượng bùn lấy ra hằng ngày là : lượng bùn dư, lượng chất rắn lơ lửng chảy theodòng nước ra ngoài.

Sơ đồ công nghệ tổng quát hệ thống xử lý nước thải

 Xử lý cơ học:

Các quá trình xử lý cơ học nhằm gạn lọc, lắng để loại bỏ khỏi nước thải các hợpchất không tan vô cơ nhu đất, cát cũng như các tạp chất hữu cơ có kích thước lớn ởdạng tấm, dạng sợi… cũng như điều hòa nước thải về mặt lưu lượng, thành phần cácchất hữu cơ, hóa học…Các công trình xử lý cơ học tiêu biểu:

 Xử lý hóa lý:

lửng các chất ở dạng keo, dạng nhũ tương cao, cũng như các chất vô cơ ở dạng hòa tantrong nước, phương pháp xử lý này bao gồm các phương pháp sau: keo tụ, tuyến nổi,hấp phụ…

keo tụ và các chất trợ keo tụ có khả năng hấp phụ và tập trung các chất lơ lửng,tạo thành những bông cặn có kích thước lớn hơn, do đó lắng nhanh hơn Côngtrình tiêu biểu là bể keo tụ, bể tạo bông cặn, bể lắng

• Tuyến nổi: là tách các chất lơ lửng ra khỏi nước thải bằng cáchlàm cho chúng nổi lên trên mặt nước và tách chúng ra ngoài Một số chất keo tụ,trợ keo tụ được đưa vào nước thải nhằm thu hút các chất bẩn Các bọt khí tạo rabằng các cơ chế khác nhau (như áp lực, cơ khí) bám và các chất lơ lửng và kéochúng nổi lên mặt nước,sau đó hỗn hợp được loại ra ngoài Công trình tiêu biểutrong phương pháp này là bể tuyến nổi

• Hấp phụ, hấp thụ: tách một số các chất hữu cơ, vô cơ, khí ở dạnghòa tan trong nước thải công nghiệp bằng cách tập trung các chất đó lên trên bềmặt chất rắn (hấp thụ), hoặc bằng cách thu hút các chất bẩn hoặc hỗn hợp khíbằng các chất rắn hoặc lỏng (chất hấp thụ) Công trình tiêu biểu trong phương

• Quá trình phân hủy kỵ khí: là quá trình phân hủy các chất bẩn hữu

cơ dưới tác dụng của các vi sinh vật kỵ khí trong trong điều kiện không có oxy.Phương trình cơ bản của quá trình phân hủy kỵ khí là:

tiếp xúc sinh học động…phổ biến nhất là quá trình bùn hoạt tính với các kiểucải tiến của nó.

Có 2 cụm xử lý trong hệ thống xử lý này để xử lý 2 loại nước thải:

+ Cụm xử lý hóa lý:

Xử lý nước thải từ quá trình khử bụi, rửa rãnh tro trongống khói, sau đây được gọi là nước thải ống khói Nước thảinày bị bẩn vô cơ với hàm lượng chất thải rắn lơ lửng lên đến2000mg/l và đã được xử lý sơ bộ, giảm một phần cặn trongmột hệ thống xử lý do Trung Quốc thiết kế và xây dựng Quátrình xử lý tiếp theo tại hệ thống xử lý mới này nhằm tăngcường quá trình giữ cặn trong nước thải, giảm độ màu Quátrình xử lý được thực hiện trong bể lọc liên tục

+ Cụm xử lý sinh học:

Xử lý nước thải tứ quá trình công nghệ bao gồm nướcthải từ quá trình làm lạnh bơm, rửa vải lọc, nước dung chophòng thí nghiệm, nước làm lạnh trục gián ép, nước thải sinh

 Giới thiệu:

Việc đánh giá hoạt động của các hệ thống xử lý sinh học được thực hiện mộtcách thường xuyên để hệ thống đạt được trạng thái ổn định và tối ưu

Việc đánh giá chính xác chỉ có thể đạt được trên cơ sở:

• Hiểu biết về các thiết bị kỹ thuật

• Hiểu biết về quá trình xử lý sinh học

• Theo dõi và phân tích thường xuyên các đặc tính của nước thải, nước đã

xử lý và các thông số quá trình

• Ghi chép các thông tin để rút ra những kinh nghiệm

 Kiểm tra chất lượng nước thải:

Tính chất nước thải quyết định quá trình xử lý

Ý nghĩa các thông số trong quá trình xử lý nước thải:

 pH:

Quá trình xử lý sinh học chỉ hoạt động tốt ở pH 6.5-8.5 Trong quá trình xử lýsinh hóa pH của nước thải có thể thay đổi trong bể làm thoáng do một số nguyên nhânchủ yếu sau:

- nitro hóa

Tỉ số BOD/COD cho ta biết khả năng xử lý sinh học của nước thải: BOD/COD

>0.5 có thể xử lý tốt, BOD/COD <0.5 có phần chất hữu cơ không thể xử lý sinh học

Sự khác nhau của COD tổng và COD của mẩu lọc cho biết về lượng chất rắn lơ lửngtrong nước thải

Việc tăng lượng chất rắn lơ lửng vô cơ không thể phân hủy sinh học làm giảm

Nitơ và phosphor là các thành phần quan trọng nhất cho sự phát triển của bùnhoạt tính Nitơ và phosphor cần có với số lượng đủ để phát triển một hệ bùn hoạt tính

ổn định

 Phosphor:

Tỉ lệ BOD/P khoảng 100/1 đủ cho nhu cầu của vi sinh Có thể phân biệtphosphor tổng cộng và phosphor – PO43- Các vi sinh vật dễ hấp thụ PO43- hơn.Phosphor hữu cơ có thể chuyển hóa thành PO43- Một vài loại phosphor khôngphân hủy sinh học và không hấp thụ được

Tình trạng thiếu dinh dưỡng làm giảm hoạt tính của hệ thống xử lý sinhhọc Ảnh hưởng của tình trạng thiếu dinh dưỡng đôi khi chỉ được phát hiện sauvài tuần

 Nitơ:

Tỉ số BOD/N khoảng 100/5 là tương đối đủ cho nhu cầu của vi sinh vật

Ở phần trên chúng ta đã phân biệt các dạng nitơ sau:

- Nitơ Kjeldahl (NH4 và nitơ hữu cơ)

có NO3 và NO2

Đôi khi lượng nitơ trong nước thải không đủ cho sự phát triển của vi sinhvật Trong trường hợp đó cần cho thêm một lượng nitơ Việc tính toán lượngnitơ cho thêm vào cần dựa trên lượng nitơ có thể sử dụng chứ không phải lượngnitơ tổng cộng

NH+ không độc và không ức chế các phản ứng sinh học Tuy nhiên, NH3

sinh ra trong môi trường kiềm thậm chí ở nồng độ thấp khá độc Do đó nếunồng độ NH3 trong nước thải cao cần giữ cho pH < 7

Một hệ thống xử lý sinh học được thiết kế xử lý một lượng BOD, COD.Tải trọng hữu cơ được xác định qua lưu lượng và nồng độ BOD, COD trongnước thải Việc kiểm tra các chỉ tiêu này rất quan trọng để đạt được quá trình ổnđịnh và chất luộng cao nước sau xử lý.

Việc vượt quá các giá trị thiết kế có thể dẫn đến:

- Sinh ra tảo

 Oxy hòa tan:

Chức năng của hệ thống làm thoáng là cung cấp oxy cho quá trình sinhhọc Nồng độ oxy hòa tan tối ưu trong bể làm thoáng là 1 – 2 mgO2/l Nhu cầuoxy tùy thuộc vào tải trọng hữu cơ và nồng độ bùn trong bể phản ứng Nồng độoxy được đo một cách thường xuyên ở các vị trí khác nhau của thiết bị làmthoáng

Sự thiếu oxy dẫn đến:

- Giảm hiệu suất xử lý và giảm chất lượng nước thải sau xửlý

- Giảm khả năng lắng, tăng số lượng vi khuẩn dạng sợi

- Phá tan cấu trúc dạng bông

 Nhiệt độ:

Trong khoảng 5 – 30oC những dây phản ứng của quá trình sinh học baogồm sự trao đổi chất, sự tăng trưởng tế bào, quá trình nitro hóa và sự tăngtrưởng tiêu thụ oxy tính theo phương trình Arrhenius

Ở nhiệt độ cao, sự cung cấp oxy trở nên yếu tố quyết định cho hiệu suấtcủa quá trình

Độ hòa tan của oxy trong nước giảm, trong khi nhu cầu oxy tăng

Ở nhiệt độ thấp hơn hoặc bằng 10oC, hoạt tính của bùn giảm và đặc biệtkhả năng nitro hóa hoàn toàn chấm dứt

 Kiểm tra nước sau xử lý:

Việc đạt tiêu chuẩn của nước thải sau xử lý là mục đích chính của quá trình xử

BOD của nước thải sau xử lý sinh học phải rất thấp và là đại lượng đặctrưng cho hiệu suất xử lý của quá trình.

Sự tăng BOD của nước sau xử lý có thể do những nguyên nhân sau:

COD đặc trưng cho lượng hữu cơ còn lại trong nước sau xử lý COD baogồm cả thành phần có thể phân huỷ sinh học và không thể phân hủy sinh học

Cách phân tích COD đơn giản, nhanh và chính xác

Đối với nước thải có COD và BOD cố định, COD nước sau xử lý cũngliên quan với BOD còn lại COD nước sau xử lý tăng thì BOD nước sau xử lýcũng tăng Việc phân tích COD có thể được sử dụng cho việc kiểm soát quá

Sự tăng COD nước sau xử lý có thể do những nguyên nhân tương tự đốivới sự tăng BOD.Tuy vậy COD cũng có thể thay đổi nếu tính chất nước thảikhông ổn định (có chứa nhiều chất không phân hủy sinh học).Trong trường hợp

đó BOD tương ứng không thay đổi

phần hữu cơ không thể phân hủy sinh học của nước thải đầu vào Lượng nitơnày vi sinh vật không sử dụng được.

Những loại nước thải chứa một lượng lớn nitơ phải được xử lý bằng quátrình sinh học loại bỏ nitơ Đó là quá trình denitro hóa

Bước đầu tiên của việc loại trừ Nitơ-Kjeldahl là quá trình chuyển hóanitơ hữu cơ thành N-NH4 (quá trình ammonia hóa) Phần nitơ hữu cơ liên kếtlớn hơn 10mg/l có thể những nguyên nhân sau:

động)

sinh học

(bùn cũng chứa nitơ hữu cơ)

Trong quá trình nitro hóa, ammonia bị oxy hóa thành nitrate và nitrite.Quá trình chỉ diễn ra trong điều kiện thích hợp (pH, nhiệt độ, tuổi bùn, oxy, …)

Nồng độ ammonia cao cho thấy:

(khởi động)

Nồng độ nitrite,nitrate cao cho biết:

động)

- Sự ức chế của vi khuẩn tạo nitrate

Phosphor là chất cơ bản cho sự phát triển của bùn hoạt tính.Thành phầnphosphor sau xử lý cho ta thông tin về lượng phosphor trong nước thải đầu vào(nhu cầu, liều lượng, dư thừa, …)

Nồng độ của orthorphosphate trong nước sau xử lý phải vào khoảng 1 -2mg/l, nồng độ này nói lên rằng lượng phosphor của nước thải đầu vào đảm bảocho sự phát triển của bùn hoạt tính Nếu ít hơn, lượng phosphor phải bổ sungthêm

Sự khác nhau giữa phosphor tổng và orthorphosphate là phosphor hữu cơliên kết, phosphor hữu cơ đó là:

- Thành phần tế bào vi sinh vật từ bùn trôi theo nướcthải sau xử lý

học trong nước thải đầu vào

1.2.4 Quy trình công nghệ xử lý:

 Nước thải ống khói:

Nước thải ống khói, sau khi được xử lý sơ bộ(qua hệ thống bể gạn tro, bể lắngống để loại bỏ 1 phần cặn), được dẫn về bể chứa nước thải tro Từ đây chúng được 1bơm, bơm liên tục vào bồn lọc liên tục.

Nước thô được đưa vào bồn lọc thông qua ống dẫn nước vào ở trung tâm bồnlọc Qua hệ thống phân phối nước hình rẻ quạt bố trí ở đáy bồn, nước được phân phốiđều trên toàn bộ diện tích bề mặt lớp lọc Trên đường đi từ dưới lên qua lớp vật liệulọc, các hạt cặn lơ lửng trong nước được giữ lại ở trong lớp vật liệu lọc Nước sau lọc

Bể lọc cặn là bể lọc chậm có vật liệu lọc là cát, sỏi có kích thước chọn lọc, nướcchứa bùn đi theo trọng lực từ trên xuống dướiqua lớp vật liệu lọc Cặn bùn sẽ được giữlại ở phía trên lọc, nước sau lọc, thoát ra ở đáy bồn, sẽ được dẫn về bể bơm Từ đóchúng sẽ được xử lý cùng với nước thải công nghệ.

Bùn cặn giữ lại trên bề mặt bể lọc sẽ được lấy đi định kỳ để bón cây

 Nước thải công nghệ:

thu gom Sau đó nước thải được bơm sang bể điều hòa, một lượng khí sẽ cung cấp cho

bể điều hòa với tác dụng điều hòa cả lưu lượng và nồng độ, trộn đều nước thải và tránhhiện tượng lên men yếm khí xảy ra tại đây Kiềm cũng được thêm vào bể với tác dụngnâng pH của nước thải lên giá trị 6.5 – 7.0, là giá trị thích hợp cho quá trình xử lý sinhhọc tiếp theo Sau đó nước thải được bơm sang bể sinh học hiếu khí Aerotank, tại đâynước thải được hòa trộn với bùn hoạt tính được bơm tuần hoàn từ bể lắng, vi sinh vậttrong bùn hoạt tính lơ lửng được cung cấp không khí chứa oxy sẽ phân hủy các chấthữu cơ ô nhiễm có trong nước thải

Nước trên bề mặt bể sinh học Aerotank tự chảy tràn qua bể lắng Tại bể lắng,hỗn hợp bùn hoạt tính/nước thải được phân làm riêng trong nước, bùn sẽ lắng xuốngđáy bể

Để đảm bảo nước thải sau xử lý sinh học không còn vi khuẩn gây bệnh thì bểkhử trùng là cần thiết.Tại đây nước thải được trộn chung với dung dịch clorine ngay tạiđầu vào, theo đó chảy theo dường zigzag (trong bể có nhiều vách ngăn) để tăng thờigian và khả năng tiếp xúc giữa nước với clorine Tiếp tục nước sau xử lý chảy ra hố ga

và từ đó tràn ra ngoài cống thoát

Bùn lắng tại bể lắng phần lớn được bơm tuần hoàn về bể sinh học, phần còn lại

2.1.1 PLC là gì ?:

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị có thể lập trình được, đượcthiết kế chuyên dụng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giảnđến phức tạp, tùy thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt cácchương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (haycòn gọi là ngỏ vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thì (Timer) hay các sự kiệnđược đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật ON, OFF hoặc phátmột chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngỏ ra của PLC Như vậy nếutắt hay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là có thể thực hiện các chức năngkhác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau Hiện nay PLC đã được nhiềuhãng khác nhau sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Alan Bradley, Hitachi,…Mặt khác ngoài PLC cũng đã bổ sung thêm các thiết bị mở rộng khác như: các cổng

mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết bị hiển thị, các bộ nhớ thêmvào…

So sánh đặc tính kỹ thuật giữa những hệ thống điều khiển:

chống nhiễu

thiết kế và lắpđặt

Mất thời gianthiết kế

Mất nhiềuthời gian lậptrình

Lập trình vàlắp đặt đơngiản

Kém-nếu ICđược hàn

Kém-có rấtnhiều mạch

chuyên dùng

Tốt-cácmodule đượctiêu chuẩn hóa

Bảng 2.1 : đặc tính kĩ thuật của những hệ thống điều khiển

2.1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển:

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm

1968 (Công ty General Moto – Mỹ) Tuy nhiên hệ thống này còn khá đơn giản và cồng

ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các

hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dâynối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế từngbước tạo ra một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: dạng lập trình dùnggiản đồ hình thang Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn cóthêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữliệu cập nhật ” (data manipulation) Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máytính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trìnhcho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đãlàm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thốngngỏ vào/ra có thể tăng đến 8000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lênhơn 128000 từ gợi nhớ (word of memory) Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuậtkết nối các hệ thống PLC riêng rẽ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng củatừng hệ thống riêng rẽ Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan)nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp, số lượngcổng váo/ra lớn

Những năm 1980 đã mang đến nhiều cải tiến công nghệ trong việc chế tạo PLC,các PLC ngày nay có khả năng như điều khiển PID, mờ,…ngày nay PLC phát triển rấtmạnh mẽ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thôngqua CIM (Computer Integrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot,Cad/Cam…ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chứcnăng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các siêu PLC (Super PLCS) chotương lai

 Cấu trúc:

Có nhiều loại PLC và có nhiều cấu trúc PLC khác nhau sau đây chúng ta xét cấutrúc PLC thông thường:

Là một bộ vi xử lý có nhiệm vụ diều hành và xử lý các hoạt động của PLC nóthi hành các chương trình và xử lý các tín hiệu vào ra và truyền thông với các thiết bịngoại vi Thường CPU chỉ có các thanh ghi nhưng có loại tích hợp bộ nhớ ROM nội vàRAM nội

• Input/output interface : giao tiếp vào/ra

Bộ phận này giúp PLC giao tiếp với các module khác bên ngoài theo các chuẩntruyền thông Nếu module đặt gắn liền với PLC trên một thanh ray (bus) thì dùng giaotiếp song song, nếu module đặt cách xa PLC thì dung giao tiếp nối tiếp theo tiêu chuẩnRS-232 hay RS-422 hay RS-485

Đây cũng là bộ phận quan trọng cho PLC, nếu thiết kế nguồn tốt thì PLC sẽhoạt động ổn định Trong bộ nguồn thiết kế phải có chế độ bảo vệ và chế độ test haymonitor nguồn cung cấp Nó cảnh báo cho CPU biết nếu tình trạng nguồn xấu xảy ra

Mặc dù không được xem là một phần của bộ điều khiển, thiết bị lập trình đượcđòi hỏi để lập trình và nạp chương trình vào bộ nhớ PLC Thiết bị lập trình thông dụngnhất là máy tính PC vì giao diện lập trình máy tính thân thiện và nhanh hơn ngoài rangười ta còn lập trình bằng hanheld nhỏ gọn

 Hoạt động của một PLC:

Về cơ bản hoạt động của PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên hệ thống các cổngvào/ra đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tínhiệu từ động cơ,…) Sau khi nhận được tín hiệu ngỏ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa cáctín hiệu điều khiển xuất ra các thiết bị được điều khiển

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét dữ liệu hoặc trạng thái củacác thiết bị ngoại vi thông qua ngỏ vào, sau đó thực hiện chương trình trong bộ nhớnhư sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhận lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanhghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng STL (StatementList – dạng lệnh liệt kê) hayLadder (dạng hình thang) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình

gởi hoặc cập nhật tín hiệu tới các thiết bị, được điều khiển thông qua module xuất Mộtchu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngỏ vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểmtra lỗi và gởi cập nhật tín hiệu ở ngỏ ra được gọi là một chu kỳ quét.

Như vậy tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra thì lệnh không xử lý trực tiếp vờicổng vào/ra mà sẽ xử lý thông qua bộ nhớ đệm Nếu có sử dụng ngắt thì chương trìnhcon tương ứng với từng tín hiệu ngắt sẽ được soạn thảo và cài đặt như một bộ phậnchương trình Chương trình ngắt chỉ thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệungắt và có thể xảy bất kỳ thời điểm nào trong vòng quét

Trên đây chỉ lả mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động này sẽgiúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC Nhằm cụ thể hóa hoạtđộng của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng quét như sau:

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program Execution), PLC khi cập nhậttín hiệu ngỏ vào (ON/OFF), các tín hiệu này không được truy xuất tức thời để đưa ra(Update) ở ngỏ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ngỏ ra (ON/OFF) phải theo hai bước:khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các mức logic tương ứng ởngỏ ra trong chương trình nội (đã được lập trình), các mức logic này sẽ chuyển đổi(ON/OFF) Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ngỏ ra “thật” (tức tín hiệu được đưa ra

cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại Vi xử lý chỉ đọc được tín hiệu ởngỏ vào khi tín hiệu này tác động với thời gian lớn hơn một chu kỳ quét Tuy nhiêntrong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành là các hệ thống cơ khí nên tốc

độ quét như trên là có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất Đểkhắc phục khoảng thời gian quét dài, ảnh hưởng đến chu kỳ sản xuất, các nhà thiết kếcòn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, dung bộ đếm tốc độ cao (High SpeedCounter) các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/Onhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

2.1.4 Lợi ích của việc sử dụng PLC:

Cùng với sự phát triển của phần cứng và phần mềm, PLC ngày nay càng tăngđược các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp Kích thướccủa PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứngdụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phứctạp trong điều khiển hệ thống

Ưu điểm đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đốivới sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngỏ vào/ra,…), mà không phảithay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặtkhi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển relay), khả năng chuyển đổi hệđiều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau),

hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn

PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp MộtPLC có thể được lắp đặt ở những nơi có độ nhiễu cao (Electrical Noise) vùng có từtrường mạnh, có chấn động cơ khí, nhiệt độ và độ ẩm môi trường cao…

không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều này tỏ

ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp và quá trình lắp đặt PLC

ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác

Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờgiao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết cáchỏng hóc của hệ thống và báo cho người sử dụng, điều này làm cho việc sửa chữathuận tiện hơn

2.1.5 Một vài lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC:

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cảcông nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ

có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vựcphức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong các quá trình sảnxuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:

- Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ốngdẫn, cân đong trong ngành hóa…

- Chế tạo máy và sản xuất: tự dộng hóa trong chế tạo máy, cân đong , quá

- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soátquá trình sản xuất, bơm (bia,nước trái cây,…), cân đong, đóng gói, hòa trộn,

1) Năm sản xuất2) Tháng sản xuất3) Số serial sản xuất

 Sơ đồ cấu hình hệ thống:

B) Module hiển thị hoặc thẻ nhớ FX1N