Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công nghiệp

Học viên xin chân thành cám ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo đã hỗ trợ hoạt động nghiên cứu này trong đề tài ―Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống SCADA trong xử lý nướ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trong khóa luận là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Tác giả luận văn

Hoàng Văn Lập

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Nhờ sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của thầy em đã có được những kiến thức quý báu về cách thức nghiên cứu vấn đề cũng như nội dung của đề tài, từ đó em có thể hoàn thành tốt khoá luận tốt nghiệp của mình

Học viên xin chân thành cám ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo đã hỗ trợ hoạt động

nghiên cứu này trong đề tài ―Nghiên cứu về truyền thông không dây RF ứng dụng cho hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công nghiệp‖

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 10 năm 2015 Học viên thực hiện

Hoàng Văn Lập

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU………1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG HỆ SCADA XỬ LÝ NƯỚC THẢI……… 2

1.1 Khái quát chung………2

1.2 Các cấu trúc mạng ………3

1.3 Các công nghệ không dây ứng dụng trong xử lý nước thải ……….6

1.3.1 Wi-Fi……… 6

1.3.2 WiMax ……… 6

1.3.3 Radio công nghiệp ………7

1.3.4 Radio modems ……….7

1.4 Khái quát hệ SCADA xử lý nước thải ……… 8

1.4.1 Thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA ………8

1.4.2 Phân chia nhiệm vụ trên hệ thống SCADA ………9

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÁC KHU CÔNG NGHIỆP ……… 10

2.1 Các qui trình chung ………11

2.1.1 Hồ ổn định nước thải (WSP) ……… 11

2.1.2 Hệ thống lọc nhỏ giọt (TF) ……….12

2.1.3 Hệ thống bùn hoạt tính (AS) ……… 15

2.1.4 Hệ thống mương oxy hóa (OD) ……… 17

2.1.5 Hệ thống bể phản ứng theo mẻ kế tiếp (SBR) ………19

2.1.6 So sánh công nghệ ……… 22

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY RF CHO HỆ SCADA XỬ LÝ NƯỚC THẢI ……… 25

3.1 Mở đầu ……… 25

3.2 Thiết kế hệ thống ……… 26

3.3 Truyền thông không dây: ……… 28

3.3.1 Thiết kế phần cứng ……… 31

3.3.1.1 Truyền thông nối tiếp không đồng bộ ……… 34

3.3.1.2 Giới thiệu AVR Atmega16A: ……… 36

3.3.1.2.1 Mô tả UART trong vi điều khiển AVR Atmega16A ………36

3.3.1.3 Mô tả các chân LCD16x2……….41

3.3.1.4 Mô tả các chân PL2303 ………44

3.3.2 Thiết kế phần mềm ……… 46

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ………50

4.1 Phần cứng ……… 50

4.2 Phần mềm ………52

KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ……… 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………57

PHỤ LỤC 1 Chương trình phần mềm cho vi điều khiển ……….58

PHỤ LỤC 2 Một số thiết bị đo tiêu biểu trong hệ SCADA xử lý nước thải công nghiệp ……….104

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu

Bộ điều khiển lập trình được

Optic Fiber Cáp quang

Kênh thuê bao số

MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems

Vi hệ thống cơ điện tử

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử router Thiết bị định tuyến

WLAN Wireless Local Area Networks/Mạng cục bộ không dây

Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân LAN Local Area Network/ Mạng máy tính cục bộ

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Lin

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Ưu và nhược điểm của hệ thống lọc nhỏ giọt 14

Bảng 2.2 Ưu và nhược điểm của qui trình bùn hoạt tính 16

Bảng 2.3 Ưu và nhược điểm của công nghệ mương oxy hóa 18

Bảng 2.4 Ưu và nhược điểm của ý tưởng công nghệ CASS - SBR 21

Bảng 2.5 So sánh công nghệ 22

Bảng 3.1 Chức năng các chân bộ thu phát không dây 29

Bảng 3.2 Chọn kiểm tra parity 40

Bảng 3.3 Độ dài dữ liệu truyền 40

Bảng 3.4 Tính tốc độ baud 41

Bảng 3.5 Chức năng các chân của LCD 42

Bảng 3.6 Chức năng các chân của PL2303 45

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Truyền thông không dây M2M 2

Hình 1.2 Mô hình hệ SCADA dùng sóng Radio cấu trúc mạng sao 3

Hình 1.3 Cấu trúc mạng kiểu mắt lưới 5

Hình 1.4 Bộ thu phát không dây của Phonic 8

Hình 1.5 Cấu trúc của một hệ SCADA đơn giản 8

Hình 1.6 Sơ đồ thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA 9

Hình 1.7 Cấu trúc của một hệ SCADA hiện đại 10

Hình 2.1 Công nghệ WSP tại Buôn Mê Thuột 12

Hình 2.2 Sơ đồ qui trình lọc nhỏ giọt và bể lọc nhỏ giọt 13

Hình 2.3 Nhà máy xử lý theo công nghệ lọc nhỏ giọt tại thành phố Đà Lạt 14

Hình 2.4 Sơ đồ qui trình bùn hoạt tính 16

Hình 2.5 Bể sục khí (Aeroten) và bể lắng bậc hai trong qui trình bùn hoạt tính 16

Hình 2.6 Qui trình mương oxy hóa 18

Hình 2.7 Hình ảnh nhà máy xử lý mương oxy hóa 18

Hình 2.8 Qui trình CASS-SBR 20

Hình 2.9 Chu kỳ qui trình CASS-SBR 20

Hình 2.10 Hai bể phản ứng song song trong qui trình CASS-SBR 21

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ thu thập hiện trường 26

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ thu thập trung tâm 26

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ truyền thông không dây 28

Hình 3.4 Các chân bộ thu phát không dây nRF24L01 28

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý bộ thu phát nRF24L01 30

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập tín hiệu hiện trường có thu phát không dây 32

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý phần thu thập tại trung tâm có tích hợp truyền thông không dây 33

Hình 3.8 Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp 35

Hình 3.9 Sơ đồ chân của LCD 42

Hình 3.10 Ký hiệu các chân PL2303 45

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán lập trình bộ thu thập không dây hiện trường 48

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán lập trình bộ thu thập không dây trung tâm 49

Hình 4.1 Phần cứng mạch thu thập hiện trường không dây 50

Hình4.2 Phần cứng mạch thu thập trung tâm không dây 51

Hình 4.3 Phần cứng bộ thu phát truyền nhận thông số PH và COD 51

Hình 4.4 Phần cứng bộ thu phát truyền nhận thông số DO và nhiệt độ 52

Hình 4.5 Đồ thị nhiệt độ thông qua mạch thu phát không dây 54

Hình 4.6 Đồ thị PH thông qua mạch thu phát không dây 54

Hình 4.7 Đồ thị COD thông qua mạch thu phát không dây 55

Hình 4.8 Đồ thị DO thông qua mạch thu phát không dây 55

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nước thải công nghiệp đang là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môi trường sống đồng thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế mọi quốc gia trên thế giới

Có thể nói trình độ tự động hoá xử lý nước thải đã đạt mức cao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện được tại một trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công cụ đơn giản, dễ sử dụng như giao diện

đồ hoạ trên máy tính, điều khiển bằng kích chuột, góp phần nâng hiệu quả cho công việc quản lý điều hành dây chuyền công nghệ Ngoài ra cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và viễn thông, khoảng cách về không gian và thời gian đã được rút ngắn, cho phép người vận hành có thể điều khiển từ cách xa

Sau khi xử lý nước thải, việc đánh giá chất lượng nước thải đầu ra là một công đoạn vô cùng quan trọng đòi hỏi tính kiểm tra các thông số chất lượng đầu ra liên tục Do công nghệ tự động hóa phát triển ngày càng hiện đại, trên thị trường đã có máy quan trắc tự động, đánh giá chất lượng nước thải tự động, việc cập nhật dữ liệu

về trung tâm điều khiển để người vận hành thuận tiện cho việc giám sát, điều khiển

hệ thống xử lý nước thải nhà máy Các hệ thống SCADA trong xử lý nước thải công nghiệp hiện nay đang dùng truyền thông hữu tuyến Môi trường truyền dẫn truyền thống này có nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại không ít các nhược điểm như: Tốn nhiều chi phí về dây dẫn, nhân công lắp đặt, nhân công bảo dưỡng đặc biệt khi thay đổi vị trí của thiết bị, …Truyền thông không dây có thể khắc phục được các nhược điểm nêu trên, do đó học viên đã chọn đề tài nghiên cứu này cho luận văn cao học của mình

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm một hệ thu thập số liệu có tích hợp truyền thông không dây RF Một bộ thu thập hiện trường và

bộ thu thập trung tâm được thực hiện dựa trên Vi điều khiển cho phép dễ dàng thay đổi các thuật toán theo yêu cầu công nghệ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ỨNG

DỤNG TRONG HỆ SCADA XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1 Khái quát chung

Mục đích của chương này là giới thiệu một số công nghệ không dây hiện có trên thị trường và thảo luận về tính khả dụng của chúng trong việc điều khiển và giám sát các cơ sở và tài sản ở xa, các ứng dụng thu thập dữ liệu và máy-tới-máy

(M2M)

Hình 1.1 Truyền thông không dây M2M

Mạng không dây đang hiện diện ở mọi nơi Nó động chạm tới mọi mặt của cuộc sống, từ điện thoại, mạng không dây tại nhà và doanh nghiệp tới mạng Internet tốc độ cao Người sử dụng nhanh chóng thích nghi với công nghệ không dây vì sự tiện lợi, đơn giản, hiệu quả và linh động

Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, người sử dụng cũng nhận ra được lợi ích của mạng không dây vì nó loại bỏ việc đi dây trong tại những nhà máy có nhiều điểm khó đi tới, chất lượng và mức độ sẵn sàng của dữ liệu được nâng cao

1.2 Các cấu trúc mạng

Cấu trúc mạng không dây quyết định khả năng logic của mạng và cách nó được sử dụng trong ứng dụng Người sử dụng phải quyết định được cấu trúc mạng

và thiết kế mạng trước khi chọn sản phẩm cần thiết để xây dựng mạng đó

+ Cấu trúc mạng điểm-đa điểm

Còn được gọi là cấu trục mạng ―Sao‖, đây là kiểu mạng thông dụng nhất được

sử dụng trong các hệ SCADA, các ứng dụng từ xa và tự động hóa công nghiệp Kiểu mạng gồm một điểm truy cập trung tâm (hay còn gọi là trạm Master) và các thiết bị không dây từ xa (Slave) kết nối tới các nguồn dữ liệu như PLC, cảm biến,

PC Mỗi thiết bị không dây từ xa liên lạc với điểm truy cập trung tâm (Master) Thường thì Master được kết nối với server xử lý dữ liệu chính bằng mạng nối dây Master điều khiển tín hiệu truyền của các thiết bị không dây từ xa

Hình 1.2 Mô hình hệ SCADA dùng sóng Radio cấu trúc mạng sao

Kiểu cấu trúc mạng này phù hợp cho việc giám sát những khu vực cố định, và

di động trong một khu vực định sẵn

Lợi ích của cấu trúc mạng ―Sao‖:

- Cấu hình và triển khai đơn giản

- Dễ mở rộng

- Thông dụng với nhiều người

- Phù hợp cho kiến trúc điều khiển & lệnh

- Nhiều nhà cung cấp hỗ trợ tín hiệu radio

Bất lợi:

- Dựa trên một điểm mạng (điểm truy cập trung tâm — Master)

- Cần khả năng truyền đủ mạnh để bao phủ toàn bộ các điểm trong mạng

+ Cấu trúc mạng hình cây

Kiểu mạng này gồm đa điểm truy cập liên lạc với thiết bị từ xa và báo cáo về Master Cấu trúc mạng hình cây phù hợp trong các ứng dụng trong đó thiết bị từ xa

và Master không kết nối trực tiếp với nhau mà phải thông qua thiết bị khác được gọi

là bộ lặp Cấu trúc mạng này cho phép người sử dụng triển khai mạng trên vùng địa

lý rộng hơn Điểm truy cập cấp 2 của mạng cũng có thể kết nối tới Master bằng các mạng không dây hoặc nối dây băng thông rộng như Optic Fiber, DSL

Lợi thế:

Cung cấp khả năng triển khai mạng trên vùng địa lý rộng hơn

Có thể tách mạng theo vùng để truy cập tốt hơn

Tiêu hao ít năng lượng để truyền dữ liệu, đặc biệt nếu lớp điểm truy cập 2 được triển khai gần với khu vực ứng dụng xa

Kiểu mạng này mang rất khỏe nhờ kiến trúc phi tập trung

và nhận thông điệp, và còn đóng vai trò như một router gửi thông tin cho các nút xung quanh Liên lạc dữ liệu giữa các nút và Master được thực hiện theo phương thức nhảy cóc Do vậy, cấu trúc mạng này rất khỏe và có mức độ chống lỗi cao Internet cũng là một kiểu mạng mắt lưới nhưng sử dụng dây dẫn với các lớp router phức tạo đảm nhiệm lưu thông tín hiệu của hàng triệu người sử dụng và hàng tỷ trang web Thông điệp tín hiệu nhảy cóc giữa các router cho đến khi đến điểm cuối cùng thì dừng lại

Hình 1.3 Cấu trúc mạng kiểu mắt lưới

Lợi ích:

Mỗi nút mạng có thể liên lạc trực tiếp với các nút khác, do vậy nền tảng điều khiển mạng được rút gọn

Tiêu thụ điện năng thấp

Không cần nhiều thời gian cấu hình để các nút mạng liên lạc được với nhau Bất lợi:

Không phù hợp với nhiều ứng dụng trong công nghiệp

Khá mới mẻ và chưa được sự chấp nhận rộng rãi trong công nghiệp

1.3 Các công nghệ không dây ứng dụng trong xử lý nước thải

Không dây là thế giới cho cả công nghệ chuẩn và công nghệ độc quyền Mỗi công nghệ được thiết kế ra nhằm đáp ứng những ứng dụng đặc biệt và lợi ích riêng

1.3.1 Wi-Fi

Chuẩn IEEE 802.11 đặc tả cho mạng nối tiếng WLAN, hay còn được biết đến với cái tên Wi-Fi Chuẩn có dải tần 2,4GHz Đây là dải tần phổ biến ở mọi quốc gia trên thế giới Tốc độ truyền dữ liệu của nó từ 1 Mbit/sec lên đến 100 Mbit/sec Tốc

độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc vào độ nhiễu của môi trường ứng dụng và khoảng cách giữa điểm nhận và điểm gửi Wi-Fi được thiết kế sử dụng cho môi trường trong nhà và ngoài trời ở khoảng cách gần Nó cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu

và kết nối internet tới các thiết bị như PDA, PC, bộ điều khiển Trong mạng Wi-Fi, thiết bị có thể liên lạc đa hướng

Mặc dù rất thông dụng trong các ứng dụng thương mại như mạng LAN không dây gia đình, doanh nghiệp, nhà kho, nhưng Wi-Fi không được ưu ái nhiều trong ứng dụng điều khiển và giám sát từ xa do khả năng truyền tín hiệu và an ninh hạn chế Tuy nhiên, nó đã được ứng dụng trong môi trường công nghiệp với vai trò làm dải tần xương sống kết nối các mạng phân tán nhỏ hơn ở khoảng cách hẹp

1.3.2 WiMax

WiMax ra đời là sự thay thế không dây cho cấu trúc mạng nối dây dải tần rộng như DSL/ADSL, cáp quang Nó được đặc tả bởi chuẩn IEEE 802.16, và có tốc độ truyền dữ liệu lên đến 100 Mbits/sec Khác biệt với Wi-Fi (thiết bị có nhiệm vụ giám sát giao thông mạng và ngưng truyền tín hiệu nếu mạng bận), WiMax điều khiển giao thức ra lệnh cho thiết bị chỉ truyền tín hiệu khi có yêu cầu từ điểm truy cập

Công nghệ này hỗ trợ đường truyền ở khoảng cách lên đến 50 km Sự khác biệt này làm cho WiMax trở thành giải pháp lý tưởng cho mạng kiểu điểm-đa điểm cho phép hàng trăm, thậm chí hàng nghìn thiết bị kết nối với mạng dữ liệu doanh nghiệp hoặc Internet từ một điểm truy cập trung tâm

1.3.3 Radio công nghiệp

Công nghệ tín hiệu radio không dây đã có cách đây từ nhiều thập kỷ Nhiều công ty cung cấp dịch vụ radio công nghiệp 900 MHz và 2,4 GHz Nó cung cấp tốc

độ đường truyền thấp, ở giữa khoảng 9,600 bits/sec và 1,5Mbits/sec sử dụng kỹ thuật truyền radio FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) FHSS cho phép nhiều mạng cùng tồn tại trên cùng khu vực bằng cách tách biệt các mạng sử dụng tần khác nhau

Radio công nghiệp cung cấp nền tảng công nghệ mạnh mẽ và có mức độ an toàn cao trong quá trình truyền dữ liệu Mặc dù có hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu, song do đặc tính của những ứng dụng điều khiển và giám sát từ xa trong công nghiệp nên làm cho công nghệ này trở thành giải pháp lý tưởng

• Radio modems có các chuẩn giao tiếp chuẩn RS-232, RS-422 và RS-485

• Tín hiệu số đưa vào modem, được điều chế thành sóng vô tuyến và phát đi trong không gian

Ví dụ radio modems có trên thị trường:

- Bộ thu phát không dây của Phonic: Hai chiều, hệ thống truyền 2,4GHz, bao gồm 2 bộ thu phát và hai ăng-ten với cáp kết nối

Hình 1.4 Bộ thu phát không dây của Phonic

1.4 Khái quát hệ SCADA xử lý nước thải

- SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): quá trình thu thập dữ liệu thời gian thực từ các đối tượng để xử lý, biểu diển, lưu trữ, phân tích và có khả năng điều khiển những đối tượng này

1.4.1 Thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA

Hình 1.5 Cấu trúc của một hệ SCADA đơn giản

Hình 1.6 Sơ đồ thành phần cấu trúc cơ bản của hệ thống SCADA

Trong đó:

+ MTU (Master Terminal Unit):Trung tâm điều phối

+ CS (Communication System): Hệ thống truyền thông

+ RTU (Remote Terminal Unit): Thiết bị đầu cuối từ xa

- Remote Terminal Unit (RTU):

Thực hiện các công việc xử lý và điều khiển ở chế độ thời gian thực RTU rất

đa dạng – từ những cảm biến nguyên thủy thực hiện thu thập thông tin từ đối tượng cho đến những bộ phận máy móc đa xử lý thực hiện xử lý thông tin và điều khiển trong chế độ thời gian thực Việc sử dụng RTU có bộ xử lý cho phép làm giảm được yêu cầu đối với tốc độ của kênh truyền kết nối với trung tâm điều khiển

- Master Terminal Unit (MTU):

Thực hiện công việc xử lý dữ liệu và điều khiển ở mức cao ở chế độ thời gian thực mềm Một trong những chức năng cơ bản của MTU là cung cấp giao diện giữa con người với hệ thống MTU có thể bằng những dạng khác nhau

RTU CS

MTU Giám sát

viên

- Máy tính tương tác với con người

- Máy tính tương tác với đối tượng điều khiển

- Đối tượng điều khiển

+ Cấu trúc của hệ thống điều khiển hiện đại:

Hình 1.7 Cấu trúc của một hệ SCADA hiện đại

Qua nghiên cứu trên học viên thấy các hệ thống SCADA trong xử lý nước thải

công nghiệp hiện nay đang dùng truyền thông hữu tuyến Môi trường truyền dẫn

truyền thống này có nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại không ít các nhược điểm

như: Tốn nhiều chi phí về dây dẫn, nhân công lắp đặt, nhân công bảo dưỡng đặc

biệt khi thay đổi vị trí của thiết bị, khả năng mở rộng tham số …Truyền thông

không dây có thể khắc phục được các nhược điểm nêu trên, do đó học viên đã chọn

truyền thông không dây RF ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

Supervision

Automatic Control

Field Management

Business Management

Configuration and maintenance

Analog I/O, Discrete I/O

Flow

measur.

T Temp measur.

P Pressure measur.

Actuator

Control objects

Realtime DB

SCADA Station

SCADA Station

VB, C++

Applications

Web Server

Modules of factory

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CÁC KHU CÔNG

NGHIỆP 2.1 Các qui trình chung

Ngoài các công nghệ qui trình sinh học, về cơ bản các quy trình thông dụng hiện nay bao gồm các thành phần sau:

- Trạm bơm nước thải đầu vào

- Công trình thu (lưới lọc, hố lắng cát có sục khí, thiết bị tháo nước cho lưới lọc và hố gạn sạn)

hồ kỵ khí (sâu 5 – 6m), các hồ sinh học (sâu 1.5 - 2m) và các hồ làm thoáng (sâu khoảng 1m)

Nhược điểm chính của qui trình WSP là rất tốn diện tích đất

Hình 2.1 Công nghệ WSP tại Buôn Mê Thuột

2.1.2 Hệ thống lọc nhỏ giọt (TF)

Các hệ thống lọc nhỏ giọt truyền thống đã được sử dung rộng rãi để xử lý nước thải gần thế kỷ qua Lọc nhỏ giọt là những qui trình xử lý sinh học qua các màn phim cố định mà tại đó nước thải đầu vào đã qua xử lý bậc một sẽ tự chảy xuống đáy của một khối lọc xốp theo dòng chảy chậm xuyên qua bề mặt và thấm vào khối lọc trước khi xuống đáy khối lọc Khi nước thải chảy qua bề mặt khối lọc

sẽ hình thành một lớp ―nhầy‖ vi khuẩn hiếu khí dày 1 – 2mm, lớp nhầy này sẽ tiêu hủy hàm lượng BOD hữu cơ có trong nước thải đầu vào khi nước thải ―nhỏ giọt‖ qua khắp các bề mặt của khối lọc Đến một lúc nào đó lớp ―nhầy‖ vi khuẩn bám vào khối lọc này đã trở nên quá nặng, tạo thành các khối có sự phát triển của tế bào Theo định kỳ các khối có chứa vi khuẩn sinh trưởng này sẽ bị nước thải đầu vào cuốn chảy đến bể lắng bậc hai, tại đây các khối này kết lại thành bùn ở đáy bể Lớp

―nhầy‖ vi khuẩn mới lại tiếp tục mọc lại tại vị trí của ―lớp nhầy‖ cũ và qui trình cứ thế lặp lại Nước thải đầu vào được phân tán qua bề mặt bể lọc nhỏ giọt nhờ thiết bị phân tán có trục xoay tròn chạy bằng phản lực thủy lực, thiết bị này xoay tròn quanh một tiếp điểm trung tâm, phân tán đều nước thải đầu vào qua các khe tròn rỗng dẫn

ra đến bề mặt khối lọc

Các bể lọc nhỏ giọt trước đây được thiết kế với khối lọc có nền đá rất nặng nên nhược điểm của nó là làm phát sinh mùi hôi và dễ bị nghẽn vì các khe hở nhỏ tại mặt nền đá Tuy nhiên, trong 30 năm qua công nghệ này đã được cải tiến nhiều, khối đá lọc đã được thay bằng khối lọc nhựa PVC và Polyme có trọng lượng nhẹ, được sản xuất và cung cấp thành khối, mỗi khối có kích thước khoảng 1m3 – làm tăng đáng kể diện tích bề mặt của khối lọc so với các khối lọc nền đá trước đây, nhờ vậy có thể thi công các khối lọc nhỏ giọt với kích thước thu gọn nhưng sâu hơn, 97% các khoảng rỗng tạo ra từ khối lọc nhựa cho phép dòng chảy nước thải chảy xuyên qua đã loại bỏ được các khiếm khuyết của khối lọc đá trước đây Để đạt hiệu quả hơn, quy trình lọc nhỏ giọt chủ yếu bao gồm bước tuần hoàn nước thải và thông gió cưỡng bức Nước thải tuần hoàn hoặc đi vào bể lắng hoặc là nước đầu ra của bể lắng Ngoài ra, quy trình lọc nhỏ giọt thường bao gồm bể lắng bậc 1 và các công trình ổn định bùn (hiếu khí hoặc kỵ khí)

Ví dụ về công nghệ lọc nhỏ giọt sử dụng khối lọc nhựa PVC có thể thấy tại nhà máy xử lý nước thải thành phố Đà Lạt Hình 2-2 miêu tả sơ đồ qui trình lọc nhỏ giọt và bể lọc nhỏ giọt, Hình 2-3 là hình ảnh công trình nhà máy xử lý nước thải Đà Lạt

Hình 2.2 Sơ đồ qui trình lọc nhỏ giọt và bể lọc nhỏ giọt

Hình 2.3 Một số nét đặc trưng của nhà máy xử lý nước thải công nghệ lọc nhỏ giọt:

• Bên kia hình là hai bể lắng bậc một, còn được sử dụng để làm ổn định bùn sản sinh trong qui trình xử lý

• Phía gần suối là hai bể lọc nhỏ giọt và hai bể lắng bậc hai,

• Cận hình là hai sân phơi bùn có mái che

• Phía bên phải là các hồ làm thoáng cho mục đích khử trùng

Hình 2.3 Nhà máy xử lý theo công nghệ lọc nhỏ giọt tại thành phố Đà Lạt Bảng 2.1 Ưu và nhược điểm của hệ thống lọc nhỏ giọt

1 Công nghệ tin cậy, đã được

chứng minh (khối lọc nhựa đã được

sử dụng trên 40 năm)

1 Cần có bể lắng bậc hai, và thường thì cũng cần có:

 Các bể lắng bậc 1

 Trạm bơm tuần hoàn nước thải

 Thông gió cưỡng bức

 Các công trình ổn định bùn

2 Ít tốn điện nhất 2 Yêu cầu về diện tích đất hơi lớn hơn so

với các nhà máy xử lý nước thải có công nghệ bùn họat tính

―chất lỏng hỗn hợp‖ được chuyển tới bể lắng bậc hai để thực hiện qui trình tách phần nước đã được xử lý khỏi phần bùn thải lắng kết Một phần bùn thải này được tái tuần hoàn về điểm tiếp nhận nước thải đầu vào của bể bùn hoạt tính, tại đây bùn này lại bổ sung thêm chất cho qui trình bùn hoạt tính, lại phá hủy thêm tải lượng BOD hữu cơ có trong nước thải đầu vào Phần còn lại của bùn lắng này được thải ra đến qui trình làm sánh và tháo nước bùn, sau đó được đưa đi khỏi công trường

Hình 2-4 thể hiện sơ đồ qui trình bùn hoạt tính Hình 2-5 là hình ảnh một phần của

qui trình này

Hình 2.4 Sơ đồ qui trình bùn hoạt tính

Hình 2.5 Bể sục khí (Aeroten) và bể lắng bậc hai trong qui trình bùn hoạt tính

Bảng 2.2 Ƣu và nhƣợc điểm của qui trình bùn hoạt tính:

1 Công nghệ tin cậy, đã đƣợc chứng

minh (đã đƣợc sử dụng > 100 năm)

1 Cần có bể lắng bậc một và bể lắng bậc hai

2 Không là công nghệ độc quyền 2 Điện tiêu thụ cao hơn

3 Tại Việt Nam đã có mặt các nhà 3 Công nghệ CAS dễ gây sốc tải

cung cấp có tiếng về công nghệ này lượng và kết bùn

4 Công nghệ này đã được sử dụng tại

các nhà máy xử lý nước thải lớn tại Hà

Nội và Hồ Chí Minh

4 Qui trình phức tạp, khó kiểm soát

5 Tại Việt Nam đã có những nhà cung

cấp phụ kiện, thiết bị có tiếng về công

nghệ này

5 Cần đào tạo kỹ cho nhân viên vận hành bảo dưỡng

2.1.4 Hệ thống mương oxy hóa (OD)

Qui trình mương oxy hóa – một dạng khác của bùn hoạt tính, đã được sử dụng

để xử lý nước thải hơn năm mươi năm qua Công nghệ qui trình này dựa trên sự phát triển sinh học dạng ―lơ lửng‖ gọi là ―bùn hoạt tính‖ duy trì trong môi trường giàu oxy, sự phát triển sinh học này rất nhanh và phá hủy chất hữu cơ có trong nước thải đầu vào Sự phá hủy này gây ra khối lượng tế bào chết lớn, làm tăng khối lượng chất rắn bùn họat tính Sau khi lưu tại bể mương oxy hóa khoảng 24 giờ, bùn hoạt tính và nước thải kết hợp – thường được gọi là ―chất lỏng hỗn hợp‖ được chuyển tới

bể lắng bậc hai để phân tách khỏi nước thải đầu ra đã qua xử lý và bùn kết Một phần bùn thải này được tài tuần hoàn đến đầu dẫn nước thải vào bể mương oxy hóa

và trở lại thành bùn họat tính, phá hủy thêm tải lượng BOD5 hữu cơ Phần còn lại của bùn lắng này được thải ra một qui trình làm sánh rồi đến công đọan tháo nước trong quá trình đưa bùn thải còn lại ra khỏi công trường nhà máy Không giống như qui trình bùn hoạt tính truyền thống, không có yêu cầu cụ thể về các bể lắng bậc một như là qui trình xử lý giai đọan đầu tiên, vì nước thải thô đầu vào có thể được dẫn thẳng đến các bể mương oxy hóa để xử lý

Hình 2.6 Qui trình mương oxy hóa

Hình 2.7 Hình ảnh nhà máy xử lý mương oxy hóa

Bảng 2.3 Ưu và nhược điểm của công nghệ mương oxy hóa

1 Công nghệ tin cậy, đã được chứng

minh (sử dụng > 40 năm)

1 Tốn điện sử dụng hơn

2 Không là công nghệ độc quyền Có

nhiều đơn vị cung cấp, tính cạnh tranh

cao

2 Khả năng xử lý Phốtpho sinh học hạn chế

3 Khả năng xử lý Nitơ tốt 3.Tốn diện tích đất nhất

4 Kháng được sốc tải lượng 4.Cần thường xuyên quan tâm đến

thiết bị đo đạc để kiểm tra việc chia độ

Bồi đầy → Phản ứng → Lắng →Gạn →Nghỉ

Có nhiều kiểu hệ thống SBR theo thiết kế của từng nhà sản xuất Năm 1978 đánh dấu bước vượt trội của công nghệ này khi đưa vào vùng tiền phản ứng trong qui trình SBR để kiểm sóat tình trạng kết bùn Ý tưởng SBR cải tiến này được xem như hệ thống bùn hoạt tính tuần hoàn CASS - SBR kết hợp Các hệ thống SBR trước đây thường được áp dụng trong ngành công nghiệp nước cho các ứng dụng có qui mô vừa và nhỏ, còn hệ thống kết hợp CASS – SBR thì được ứng dụng trong các công trình lớn hơn CASS – SBR là một qui trình xử lý dưỡng chất sinh học, được thiết kế với khả năng kiểm soát việc kết bùn khối Qui trình này gồm một trình tự lập đi lập lại về sục khí và tiêu khí để tạo các điều kiện qui trình hiếu khí, thiếu khí

và kỵ khí Vì sục khi theo cường độ lớn nên có khả năng tạo nitrat hóa, de-nitrat hóa

và xử lý được phốt pho sinh học Hình 2-8, Hình 2-9 và Hình 2-10 là các sơ đồ của

hệ thống CASS – SBR

Hình 2.8 Qui trình CASS-SBR

Hình 2.9 Chu kỳ qui trình CASS-SBR

Thiết bị gạn Không khí

Ra

Hố gạn

Bùn thừa Bùn tuần hoàn lại

Bể phản ứng CASS_SBR

Vào

Hình 2.10 Hai bể phản ứng song song trong qui trình CASS-SBR

Bảng 2.4 Ưu và nhược điểm của ý tưởng công nghệ CASS - SBR

1 Không cần bể lắng bậc một 1 Là Công nghệ độc quyền (một nhà sản

xuất) (Earth Tech, Long Beach, California, USA)

2 Không cần bể lắng bậc hai 2 Chi phí đầu tư có khả năng cao hơn vì

không là công nghệ không cạnh tranh Chi phí vận hành có khả năng cao hơn do vận hành theo các chu trình

3 Không cần xử lý tăng cường hóa

4 Cần thường xuyên quan tâm đến thiết bị

đo kiểm để kiểm tra chi tiết kỹ thuật và sửa chữa khi cần

5 Giảm được diện tích đất (10%)

so với công nghệ CAS

5 Bậc gạn là một ―điểm nối yếu‖ Nếu một bậc gạn (thường một bậc cho mỗi bể) hỏng thì xem như bể CASS đó không hoạt động cho tói khi được sửa chữa

6 Khả năng lắng bùn tốt (theo nhà

sản xuất)

6 Nếu bùn không lắng đúng qui cách trong

bể CASS thì dễ dẫn đến khả năng không đạt chuẩn xử lý theo qui định TCVN

5945:2005

7 Không mùi" (theo nhà sản xuất) 7 Phức tạp trong kiểm soát qui trình Cần

có nhân viên vận hành được đào tạo kỹ lưỡng về công nghệ này

(TF)

Bùn hoạt tính truyền thống (CAS)

Mương oxy hóa

Bể phản ứng theo

mẻ (SBR)

Chi phí đầu tư Thấp nhất Trung bình Trung bình Lớn nhất Linh hoạt khi có

yêu cầu ngặt nghèo

hơn về tiêu chuẩn

môi trường về sau

(tức khả năng nâng

cấp mở rộng)

Tính đơn giản của

thiết kế

Thiết kế đơn giản

Thiết kế đơn giản

Thiết kế đơn giản

Thiết kế phức tạp Chi phí vận hành Thấp Trung bình Trung bình Cao

phải xem xét nhiều thông số Yêu cầu đội ngũ

Cần phải đào tạo kỹ cho nhân viên vận hành bảo dưỡng

Dễ dàng đào tạo nhân viên vận hành trong thời gian ngắn

Yêu cầu người vận hành phải học nhiều trong thời gian dài để hiểu hết các vần đề Đào tạo bảo dưỡng Cần kỹ năng

bảo dưỡng bình thường,

ít yêu cầu đào tạo chuyên ngành

Yêu cầu đào tạo chuyên ngành cao

Cần kỹ năng bảo dưỡng bình thường,

ít yêu cầu đào tạo chuyên ngành

Yêu cầu đào tạo chuyên ngành trên những thiết

bị đặc chủng Kiểm soát thủ công Dễ dàng kiểm

soát thủ công

Khó khăn khi kiểm soát thủ công

Dễ dàng kiểm soát thủ công

Không thể vận hành thủ công trừ khi người vận hành có kỹ năng cao, cấp chuyên

gia Khả năng sinh mùi Sinh nhiều

mùi hôi

Sinh mùi hôi Sinh mùi hôi Sinh mùi

hôi Yêu cầu về diện

Ít bị tổn hại Dễ bị tổn

hại

Bể lắng thứ cấp Yêu cầu Yêu cầu Yêu cầu Không yêu

cầu Kiểm soát SCADA Không cần hệ

thống SCADA

Vận hành hệ thống

SCADA đơn giản

Vận hành bình thường trên SCADA dưới dạng tự động hoàn toàn, ngoại trừ những biến động lớn

về nồng độ và lưu lượng, thường không yêu cầu người vận hành phải can thiếp

Phải vận hành trên

hệ thống SCADA được người vận hành

bổ sung đầu vào nhằm cho phép hệ thống điều chỉnh theo các điều kiện thay đổi

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY RF CHO HỆ

SCADA XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1 Mở đầu

Nội dung chính của luận văn này tập trung vào thiết kế và thử nghiệm phần truyền thông không dây RF để ứng dụng cho hệ SCADA trong xử lý nước thải Do truyền thông không dây thể hiện hàng loạt các ưu điểm vượt trội so với các truyền thông dùng dây dẫn (cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn,…) nên đã được học viên lựa chọn cho nghiên cứu của mình Bài toán thiết kế phần truyền thông không dây, thử nghiệm được đặt ra là:

 Thiết kế thử nghiệm một bộ thu thập các tín hiện tương tự và số để kết nối với cảm biến trong hệ SCADA xử lý nước thải:

o Bộ thu thập phải dùng vi điều khiển, cho phép lập trình thay đổi các tính toán dùng phần mềm

o Bộ thu thập có sẵn các giao diện chuẩn để kết nối với các tín hiệu tương tự từ cảm biến đo trong hệ SCADA

o Có khả năng giao tiếp với bộ thu thập ở xa thông qua truyền thông không dây Do phạm vi thử nghiệm ban đầu nên khoảng cách truyền cho phép đến 100m (có thể truyền xa hơn nếu xử dụng thêm bộ khuếch đại) Giao tiếp điểm-điểm (point to point)

 Thiết kế một bộ thu thập trung tâm:

o Có tích hợp truyền thông không dây RF

o Có dùng vi điều khiển

o Có các chuẩn giao tiếp để kết nối với máy tính giám sát

 Phần mềm thu thập hiển thị thông tin thu thập được trên máy tính Với yêu cầu như trên có thể thấy hệ SCADA trong thực tế có thể áp dụng một hoặc nhiều các bộ thu thập có tích hợp truyền thông không dây, hoặc sử dụng xen kẽ với truyền thông hữu tuyến nhằm đạt được sự linh hoạt trong ứng dụng thực tế

3.2 Thiết kế hệ thống

- Sơ đồ khối:

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ thu thập hiện trường

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ thu thập trung tâm

5 RF: Bộ thu phát không dây

6 PS1: Nguồn điện 1 chiều 5VDC cấp điện cho mạch điện

7 PS2: Nguồn điện 1 chiều 3,3VDC cấp điện cho bộ thu phát RF

8 PC: Máy tính

- Mô tả:

Trong phạm vi đề tài nghiên cứu chủ yếu là bộ thu thập tín hiệu ở xa và bộ xử thu thập trung tâm có tích hợp truyền thông không dây nên các tín hiệu đo lấy từ hiện trường được giả định thông qua việc thay đổi các thông số về điện (thay đổi biến trở để thay đổi tín hiệu điện đưa vào ADC) Tín hiệu các thông số chất lượng nước thải đưa vào bộ vi xử lý MPU, bộ MPU xử lý tín hiệu rồi truyền phát không dây qua bộ phát RF Tín hiệu tương tự cụ thể trong đề tài này là tín hiệu PH, COD,

DO lấy từ biến trở sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ bộ ADC tích hợp sẵn trong MPU Tín hiệu mỗi nơi được xem như một kênh và lần lượt được chuyển đổi ADC theo qui tắc hỏi tuần hoàn Sau khi chuyển đổi xong tín hiệu của dữ liệu lúc này là 8 bit MPU sẽ chia 8 bit thành 2 nữa 4 bit và gửi đến bộ mã hoá Bộ mã hoá mỗi lần thực hiện mã hoá 4 bit dữ liệu để xác định module thu nào được quyền nhận Tín hiệu ngõ ra bộ mã hoá lúc này là tín hiệu số dạng nối tiếp sẽ được đưa vào module phát Tại đây tín hiệu số được điều chế và được bức xạ ra anten phát đi Phần mạch thu tín hiệu được nhận từ mạch thu RF, truyền tới vi xử lý MPU rồi đưa

ra các đèn ở mạch thu và được truyền lên máy tính PC thông qua khối truyền thông PL2303 để giám sát các tham số chất lượng nước thải cũng như các trạng thái thiết

bị hiện trường như động cơ Trong mạch thu và mạch phát tín hiệu được hiển thị trên màn LCD để kiểm tra tính chính xác và ổn định của mạch thu phát không dây

3.3 Truyền thông không dây:

- Sơ đồ khối:

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ truyền thông không dây

Hình 3.4 Các chân bộ thu phát không dây nRF24L01

Bảng 3.1 Chức năng các chân bộ thu phát không dây

11 VDD_PA Nguồn ra Đầu ra nguồn 1,8V cho mạch khuyếch

đại bên trong

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý bộ thu phát nRF24L01

- Mô tả:

Các nRF24L01 là một con chip thu phát 2,4GHz duy nhất với một công cụ giao thức băng tần nhúng Enhanced ShockBurst được thiết kế cho các ứng dụng điện năng cực thấp không dây Một MCU (vi điều khiển) và rất ít thành phần thụ động bên ngoài là cần thiết để thiết kế một hệ thống vô tuyến điện với các nRF24L01 Các nRF24L01 được cấu hình và vận hành thông qua một giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) Thông qua giao diện này phải đối mặt với sơ đồ thanh ghi

có sẵn Các sơ đồ thanh ghi có chứa tất cả các thanh ghi cấu hình trong nRF24L01 và có thể truy cập trong tất cả các chế độ hoạt động của chip Các công cụ giao thức băng tần nhúng (Enhanced ShockBurst) được dựa trên gói truyền thông và hỗ trợ các chế độ khác nhau từ hoạt động hướng dẫn cho hoạt động giao thức tự trị tiên tiến FIFOs nội đảm bảo một luồng dữ liệu thông suốt giữa các kết thúc trước bộ phát và MCU của hệ thống Enhanced Shock-Burst làm giảm chi phí hệ thống bằng cách xử lý tất cả các hoạt động lớp liên kết tốc độ cao Mặt trước cuối vô tuyến sử dụng điều chế GFSK Nó có sử dụng tham số

cấu hình như kênh tần số, sản lượng điện năng và tốc độ dữ liệu không khí Tốc

độ dữ liệu không được hỗ trợ bởi các nRF24L01 được cấu hình để 2Mbps Tốc độ

dữ liệu không khí cao kết hợp với hai chế độ tiết kiệm năng lượng làm cho các nRF24L01 rất thích hợp cho các thiết kế điện cực thấp Điều chỉnh điện áp nội đảm bảo mức độ lựa chọn nguồn điện cao (PSRR) và mở rộng phạm vi nguồn cung cấp

- Proteus có thể mô phỏng công cụ phát và thu tín hiệu từ các mạch giao tiếp với máy tính qua công cụ RS232 Trong đó người sử dung có thể điều khiển được quá trình truyền phát, tốc độ Baud, giúp cho người lập trình có thể mô phỏng các mặt truyền phát tín hiệu

- Đối với các mạch vi xử lý Proteus không những cung cấp hình ảnh thực tế của các linh kiện xuất mà còn cung cấp cho người lập trình rất nhiều các cửa sổ thông báo các nội dung của bộ nhớ, con trỏ, thanh ghi

Sơ đồ nguyên lý phần mạch thu thập tín hiệu từ hiện trường để truyền không dây

về trung tâm thể hiện trên hình sau:

V3_3 GND

IN 3 OUT 2GND

U1

C3

100nF 0805

C4

1000uF 16/25V

RESET 4 XTAL2

7 XTAL18

PD0/RXD 9PD1/TXD 10PD2/INT0 11PD3/INT1 12PD4/OC1B 13PD5/OC1A 14PD6/ICP1 15PD7/OC2 16

PC0/SCL 19PC1/SDA 20PC2/TCK 21PC3/TMS 22PC4/TDO 23PC5/TDI 24PC6/TOSC1 25PC7/TOSC2 26

AREF 29AVCC 27

GND VEE

U3

DS18B20 DQ

R3

4.7k

DQ

DTR_N 2 RTS_N 3 VDD_232 4 RXD 5 RI_N 6 GND 7

TXD 1

DSR_N 9 DCD_N 10 CTS_N 11 SHTD_N 12 EE_CLK 13 EE_DATA 14

VDD 8

OSC1 27PLL_TEST 26GND_PLL 25VDD_PLL 24LD_MD/SHTD 23TRI_STAGE 22OSC2 28

VCC 20RESET 19GND_3V3 18VDD_3V3 17

DM 16

DP 15VSS 21

U4

PL2303 PACKAGE=SSOP28

D1_Run D1_Error D2_Run D2_Error 1

3 8 6

3 ID 4 GND 5/GND

VDD_3V3 DP DM

GND

C12

0.1uF VDD_3V3 MPU_TX

MPU_RX MPU_RX

HỌ VÀ TÊ N

HOÀ NG VĂ N LẬ P TS.BÙ I ĐĂ NG THẢ NH

NGHIÊ N CỨ U VỀ TRUYỀ N THÔ NG KHÔ NG DÂ Y RF Ứ NG DỤNG CHO HỆ THỐ NG SCADA TRONG XỬ LÝ NƯỚ C THẢ I CÔ NG NGHIỆ P

5 6

RF PHAT

CONN-DIL10

IRQ MOSI CSN

MISO SCK CE VCC V3_3

RS RW EN

D4 D6

LED7 LED5

LED4 LED2

CSN CE MOSI SCK

MISO IRQ

3 5

J2

CONN-SIL6

RESET VCC LED5 PB7 LED6 PB7

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập tín hiệu hiện trường cĩ thu phát khơng dây