Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC S71200 có giám sát bằng WinCC và Web server , Tại các khu công nghiệp hàng ngày nhu cầu sản xuất rất là lớn , một lượng lớn nước tẩy rửa sử dụng cho mục đích công nghiệp kéo theo đó là thải ra môi trường một lượng lớn chất thải. Nước thải công nghiệp ở các doanh nghiệp gồm nhiều chất độc hại rất nguy hiểm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Nước làm mát sử dụng trong quá trình công nghiệp như sản xuất thép và than cốc không chỉ tạo ra nước thải với nhiệt độ cao, có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh vật, mà còn gây ra ô nhiễm với một loạt các chất độc hại, bao gồm cyanua, ammoniac, benzene, phenol, PAH…Nước cũng được sử dụng như một chất bôi trơn máy móc công nghiệp và có thể trở nên ô nhiễm do các loại dầu thuỷ lực, thiếc, crom, sắt sunphat, các loại axit khác nhau. Như vậy ta cần phải có hồ chứa để xử lý nước thải.
4
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HIỆN NAY
1.1.1 Nước thải từ khu công nghiệp
Tại các khu công nghiệp, nhu cầu sản xuất cao dẫn đến việc sử dụng một lượng lớn nước tẩy rửa, kéo theo việc thải ra môi trường một khối lượng chất thải đáng kể Nước thải công nghiệp chứa nhiều chất độc hại, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Nước làm mát trong quá trình sản xuất thép và than cốc không chỉ tạo ra nước thải có nhiệt độ cao mà còn gây ô nhiễm với các chất độc hại như cyanua, ammoniac, benzene, phenol và PAH Ngoài ra, nước cũng được sử dụng làm chất bôi trơn cho máy móc công nghiệp, có thể bị ô nhiễm bởi dầu thủy lực, thiếc, crom, sắt sunphat và các loại axit khác Do đó, việc xây dựng hồ chứa để xử lý nước thải là cần thiết.
Hình 1.1 Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp được chia làm 2 loại:
Nước bẩn là loại nước thải phát sinh từ quá trình sản xuất, rửa máy móc thiết bị, hoặc từ hoạt động sinh hoạt của công nhân viên Loại nước thải này chứa nhiều tạp chất và chất độc hại, gây ô nhiễm môi trường.
Nước không bẩn là loại nước chủ yếu được tạo ra trong quá trình làm nguội thiết bị và giải nhiệt tại các trạm làm lạnh Nó cũng được sử dụng để ngưng tụ hơi nước và rửa một số vật liệu sản xuất sạch Nguồn gốc của loại nước này chủ yếu từ nước sạch, tuy nhiên, nó có thể chứa một lượng nhỏ bụi bẩn.
1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải công nghiệp
Cũng tương tự như nước thải sinh hoạt thì xử lý nước thải công nghiệp có những phương pháp sau:
- Phương pháp xử lý cơ học:
Những phương pháp loại các chất rắn có kích thước và tỷ trọng lớn trong nước thải được gọi chung là phương pháp cơ học
+ Để giữ các tạp chất không hoà tan lớn như rác: dùng song chắn rác hoặc lưới lọc
+ Để tách các chất lơ lửng trong nước thải dùng bể lắng:
Để tách các chất cặn nhẹ hơn nước như dầu và mỡ, cần sử dụng bể thu dầu và tách mỡ Để loại bỏ chất thải khỏi các chất huyền phù và phân tán nhỏ, có thể áp dụng lưới lọc, vải lọc hoặc lọc qua lớp vật liệu lọc.
- Phương pháp xử lý hóa lý:
Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý chủ yếu dựa vào các quy trình vật lý và hóa học để loại bỏ các chất ô nhiễm mà không thể tách ra bằng phương pháp lắng Một trong những công trình tiêu biểu của phương pháp này là bể keo tụ, tạo bông.
Quá trình keo tụ tạo bông được sử dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và hạt keo nhỏ (10 -7 - 10 -8 cm) trong nước thải, những chất này tồn tại ở dạng phân tán và không thể loại bỏ bằng quá trình lắng do tốn nhiều thời gian Để tăng hiệu quả lắng và giảm thời gian lắng, người ta thường thêm vào nước thải một số hóa chất như phèn nhôm, phèn sắt, và polymer Những hóa chất này giúp kết dính các chất khuếch tán trong dung dịch thành các hạt lớn hơn, có tỷ trọng cao hơn, từ đó lắng nhanh hơn.
Phương pháp keo tụ là một kỹ thuật hiệu quả để xử lý nước và khử màu nước thải Quá trình này tạo ra các bông cặn lớn, giúp lắng xuống và kéo theo các chất phân tán không tan, từ đó loại bỏ màu sắc trong nước.
Phương pháp xử lý hóa học là quá trình khử trùng nước thải bằng hóa chất như Clo hoặc Javen, hoặc trung hòa độ pH cho nước thải có độ kiềm hoặc axit cao.
-Phương pháp xử lý sinh học:
Sử dụng vi sinh vật để xử lý chất bẩn hữu cơ trong nước thải là một phương pháp hiệu quả Các vi sinh vật này có thể được tìm thấy tự nhiên trong nước thải hoặc được bổ sung thêm Chất hữu cơ ở dạng keo, huyền phù và dung dịch chính là nguồn thức ăn cho vi sinh vật, giúp chúng phân hủy và làm sạch nước thải.
Trong quá trình sống, vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa hoặc khử các hợp chất hữu cơ, giúp làm sạch nước thải khỏi các chất bẩn hữu cơ.
NƯỚC THẢI SINH HOẠT
1.2.1 Nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt
Hình 1.2 Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích như tắm rửa, giặt giũ và vệ sinh cá nhân Nguồn nước thải này thường phát sinh từ các hộ gia đình, cơ quan, trường học và bệnh viện, phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho khu dân cư được xác định bởi khả năng cung cấp nước của các nhà máy và trạm cấp nước hiện có Các trung tâm đô thị có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với vùng ngoại thành và nông thôn, dẫn đến sự khác biệt về lượng nước thải sinh hoạt tính trên mỗi đầu người Nước thải ở các khu vực đô thị thường được thoát qua hệ thống dẫn nước ra sông rạch, trong khi ở vùng ngoại thành và nông thôn, nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào ao hồ hoặc qua biện pháp tự thấm.
1.2.2 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt
1.2.2.1 Thành phần nước thải sinh hoạt
Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt chủ yếu phụ thuộc vào nguồn gốc của nước thải Bên cạnh đó, lượng nước thải phát sinh cũng bị ảnh hưởng bởi thói quen sinh hoạt của người dân.
Thành phần nước thải sinh hoạt gồm 2 loại :
–Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết con người từ các phòng vệ sinh;
Nước thải ô nhiễm chủ yếu do các chất thải sinh hoạt như cặn bã và dầu mỡ từ bếp của nhà hàng và khách sạn, cùng với các chất tẩy rửa và chất hoạt động bề mặt từ phòng tắm, cũng như nước rửa vệ sinh sàn nhà.
1.2.2.2 Tính chất của nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, cùng với các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh nguy hiểm Các hợp chất hữu cơ trong nước thải bao gồm protein (40-50%) và hydrat cacbon (40-50%), với nồng độ chất hữu cơ dao động từ 150-450 mg/l theo trọng lượng khô Khoảng 20-40% chất hữu cơ khó phân hủy sinh học Ở những khu dân cư đông đúc và điều kiện vệ sinh kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
1.2.3 Các phương pháp xử lý nước thải và xử lý cặn
Xử lý cơ học là quá trình loại bỏ các tạp chất không hòa tan trong nước thải, được thực hiện tại các công trình xử lý như song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng và bể lọc Song chắn rác và lưới chắn rác có nhiệm vụ giữ lại các chất bẩn có kích thước lớn với nguồn gốc hữu cơ.
Bể lắng cát là một phần quan trọng trong công nghệ xử lý nước thải, giúp loại bỏ các tạp chất vô cơ, đặc biệt là cát Chức năng chính của bể lắng là giữ lại các tạp chất lắng và nổi trong nước thải Đối với các yêu cầu xử lý cao hơn, có thể sử dụng các thiết bị như bể lọc hoặc lọc cát Nguyên tắc cơ bản là xử lý cơ học diễn ra như một giai đoạn sơ bộ trước khi tiến hành các phương pháp xử lý tiếp theo.
Phương pháp xử lý sinh học nước thải dựa vào khả năng oxy hóa các liên kết hữu cơ hòa tan và không hòa tan của vi sinh vật, chúng sử dụng các liên kết này làm nguồn thức ăn.
Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên gồm có:
- Hệ thống xử lý bằng thực vật nước(lục bình, lau, sậy, rong- tảo, )
- Cánh đồng tưới
- Cánh đồng lọc
Các công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo gồm có:
- Bể lọc sinh học các loại
- Quá trình bùn hoạt tính
- Lọc sinh học tiếp xúc dạng trống quay(RBC)
- Hồ sinh học thổi khí
Khử trùng nước thải là giai đoạn cuối cùng trong quy trình xử lý nước thải, nhằm loại bỏ vi trùng và virus gây bệnh trước khi xả ra nguồn nước Các phương pháp khử trùng phổ biến bao gồm sử dụng clo và các hợp chất chứa clo, ozon, tia hồng ngoại, và ion bạc Tuy nhiên, cần cân nhắc kỹ lưỡng về mặt kinh tế khi lựa chọn phương pháp khử trùng phù hợp.
1.2.3.4 Xử lý cặn nước thải
Nhiệm vụ của xử lý cặn ( cặn được tạo nên trong quá trình xử lý nước thải) là:
- Làm giảm thể tích và độ ẩm của cặn
Khử trùng và sử dụng lại cặn cho các mục đích khác nhau là một quy trình quan trọng Cặn có thể được nghiền ra và dẫn đến bể metan để tiếp tục xử lý Cát từ các bể lắng được chuyển đến sân phơi cát để làm ráo nước, sau đó sẽ được vận chuyển và sử dụng cho các mục đích khác.
Cặn tươi từ bể lắng cát được dẫn đến bể metan để xử lý, trong khi một phần bùn hoạt tính từ bể lắng đợt 2 được quay lại aeroten để tiếp tục tham gia vào quá trình xử lý Phần bùn hoạt tính dư được dẫn đến bể nén bùn để giảm độ ẩm và thể tích, sau đó cũng được chuyển vào bể metan Tại các trạm xử lý nước thải sử dụng bể biophin với sinh vật dính bám, bùn lắng được gọi là màng vi sinh và được dẫn đến bể metan Cặn ra khỏi bể metan có độ ẩm 96-97%, và để giảm thể tích cặn, có thể ứng dụng các công trình xử lý tự nhiên như sân phơi bùn hoặc trong điều kiện nhân tạo như thiết bị lọc chân không Độ ẩm của cặn sau xử lý đạt 55-75% Để tiếp tục xử lý cặn, có thể thực hiện sấy bằng nhiệt với nhiều dạng thiết bị khác nhau, giúp cặn ở dạng hạt dễ dàng vận chuyển với độ ẩm còn 25-30% Đối với các trạm xử lý công suất nhỏ, việc xử lý cặn có thể đơn giản hơn bằng cách nén và làm ráo nước ở sân phơi cặn trên nền cát.
NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN
Hình 1.3 Hệ thống xử lý nước thải bệnh viện
Nước thải từ bệnh viện chủ yếu phát sinh từ nhà vệ sinh, khu vực rửa dụng cụ, nhà ăn, nhà bếp, cũng như từ các ca phẫu thuật, điều trị, khám chữa bệnh, xét nghiệm và hoạt động giặt giũ, vệ sinh của người bệnh Mặc dù chiếm một phần nhỏ, nước thải từ hoạt động in chụp X-quang, các chất phóng xạ lỏng và bệnh phẩm là những nguồn nước thải nguy hại, chứa nhiều chất độc hại với nồng độ kháng sinh và vi khuẩn gây bệnh cao.
Nước thải bệnh viện chứa nồng độ ô nhiễm cao, đặc biệt là amoni, vượt tiêu chuẩn xả thải gấp 8 lần Amoni trong nước thải có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, nếu được thải ra ngoài sẽ dẫn đến ô nhiễm nguồn nước, gây mùi hôi thối, kênh đen và phú dưỡng hóa Do đó, việc xây dựng hệ thống xử lý nước thải cho bệnh viện và trạm xá là điều cực kỳ cần thiết để bảo vệ môi trường hiện nay.
* Phương pháp xử lý nước thải bệnh viện
Người ta thường xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học nhằm mục đích:
Tách các chất không hòa tan và vật chất lơ lửng có kích thước lớn như rác, nhựa, dầu mỡ, cặn lơ lửng và các tạp chất nổi ra khỏi nước thải là một bước quan trọng trong quá trình xử lý nước thải.
- Loại bỏ cặn nặng như sỏi,cát,mảnh kim loại,thủy tinh…
- Điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải
Xử lý cơ học là giai đoạn chuẩn bị và tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình xử lý hóa lý và sinh học
11
SENSOR ĐO COD
Hình 2.1 Sensor đo COD
Một số hợp chất hữu cơ thường gặp trong nước thải như lignin, tannin, các chất humic và nhiều hợp chất thơm khác, có khả năng hấp thụ mạnh bức xạ tia cực tím (UV) Theo tiêu chuẩn Đức DIN 38404 C3, hệ số hấp thụ quang tại bước sóng 254nm (SAC254) được sử dụng để đo lường chất hữu cơ hòa tan trong mẫu nước Độ hấp thu này được biểu thị bằng đơn vị đo SAC (Spectro Absorption).
Hệ số (Đơn vị: 1/m hay m-1) của đầu đo chất hữu cơ Model UVSAC của Hach sử dụng nguyên lý đo độ hấp thu bằng tia tử ngoại ở bước sóng 254 theo tiêu chuẩn DIN38404 C3 Độ hấp thụ này (SAC) có mối quan hệ tỷ lệ với COD và BOD Sau khi người sử dụng thiết lập tỷ lệ này và đối chiếu với giá trị đo trong phòng thí nghiệm, màn hình sẽ hiển thị các đơn vị đo như mg/l hoặc ppm.
- Ưu điểm của phương pháp:
+ Xác định một cách trực tiếp trong dòng mẫu mà không tiến hành quá trình xử lý mẫu
+ Không dùng hóa chất: tiết kiệm chi phí, không thải chất độc hại ra môi trường
+ Nhanh, quan trắc liên tục sự thay đổi của chất hữu cơ
+ Bù trừ sai số do độ đục của nước gây ra
+ Sensor cảm biến có cần gạt tự làm sạch: chi phí bảo trì thấp nhất
+ Không yêu cầu điều kiện của mẫu (nhiệt độ, áp suất, )
+ Lắp đặt dễ dàng: chỉ cần cắm sensor vào SC1000 là tự động chạy
SENSOR ĐO TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS)
Hình 2.1 Sensor đo tổng rắn lơ lửng
Cảm biến sử dụng công nghệ quang học để phân tích tự động các hạt SS Nguồn sáng LED phát ra bước sóng hồng ngoại 860nm, và tia sáng này bị phản xạ bởi các hạt trong nước, sau đó các tia phản xạ được cảm biến qua đầu dò quang học.
Cảm biến đo độ đục của nước sử dụng đầu dò nhận ánh sáng tán xạ ở góc 90 độ so với tia tới Để đo nồng độ chất rắn lơ lửng (SS) trong nước, đầu dò (Backscatter detector) được đặt ở góc 140 độ so với tia sáng tới.
- Ưu điểm phương pháp đo:
+ Bù trừ độ màu của hạt và kích thước hình dạng của hạt
+ Tự làm sạch, giảm tối thiểu chi phí bảo trì
+ Thân sensor làm bằng thép không gỉ, đảm bảo độ bền cao
+ Đáp ứng tiêu chuẩn đo theo ISO7027
+ Lắp đặt không cần điều kiện mẫu
SENSOR ĐO PH
Cảm biến đo pH hoạt động dựa trên sự di chuyển của ion H+ vào trong dung dịch, tạo ra sự cân bằng giữa bên trong và bên ngoài Sự di chuyển này dẫn đến thay đổi điện thế, mà thiết bị sẽ đọc để chuyển đổi thành giá trị pH Theo phương trình Nernst, nhiệt độ ảnh hưởng đến giá trị pH, vì vậy cảm biến đi kèm với một sensor nhiệt độ để bù trừ sai số Sau một thời gian sử dụng, ion đi vào bên trong cảm biến làm thay đổi điện thế chuẩn E0, do đó cần phải hiệu chuẩn lại bằng dung dịch chuẩn Khi bảo trì, chỉ cần rửa sạch bầu thủy tinh bằng nước sạch và hiệu chuẩn lại với các dung dịch đệm pH 4, pH 7 (hoặc pH 10) Các cảm biến pH yêu cầu dòng chảy không vượt quá 2m/s để đảm bảo kết quả đọc ổn định.
• Ưu điểm của sensor hach:
+ Sensor gồm điện cực đo, điện cực tham chiếu và thêm điện cực nối đất thay vì chỉ hai hiện cực như các sensor pH thông thường
+ Trở kháng của điện cực so sánh cao giúp giảm ảnh hưởng đóng bám chất bẩn, duy trì độ chính xác lâu dài
Việc thay cầu muối trở nên dễ dàng khi đầu nối không bị tắc nghẽn, đồng thời đầu điện cực được niêm kín để tránh nhiễm bẩn Dung dịch đệm có thể được thay mới để kéo dài tuổi thọ của điện cực, với thể tích lớn nhằm ngăn chặn hao hụt nhanh chóng Hơn nữa, điện thế đi qua điện cực E3 thay vì E2 giúp ngăn ngừa sai số do vòng điện lặp gây ra.
+ Khoảng cách tối đa đến controller có thể lên đến 1000m nhờ có bộ khuếch đại tín hiệu bên trong.
SENSOR ĐO OXY HÒA TAN
Hình 2.4 Sensor đo oxy hòa tan
- Ưu điểm của phương pháp đo
+ Do nguyên lý đo trên nên so với các phương pháp khác có những ưu điểm sau:
+ Không cần dung dịch thay thế, giảm chi phí bảo trì thay thế màng, dung dịch điện phân
+ Thời gian đo nhanh khoảng 30s (nếu so với phương pháp truyền thống phải chờ ít nhất 90s cho đọc ổn định)
+ Không cần hiệu chuẩn thường xuyên, chỉ cần 1 hoặc 2 lần trong năm, so với phương pháp khác là hàng tháng
+ Không bị nhiễu do các ion như ion kim loại nặng hoặc sulfide…
15
GIỚI THIỆU VỀ PLC S7-1200
S7-1200 là một bộ điều khiển PLC cỡ nhỏ, là sản phẩm của tập đoàn Siemens ra mắt vào năm 2009 tiếp nối phát triển của dòng PLC S7-200 trước đó
PLC S7-1200 là một thiết bị điều khiển lập trình được thiết kế theo dạng module, lý tưởng cho các dự án từ cấp độ nhỏ đến trung bình Thiết bị này tích hợp cổng truyền thông Ethernet và hỗ trợ nhiều module mở rộng như module truyền thông Profibus, 3G, cũng như các module I/O Digital và Analog.
PLC S7-1200 được lập trình bằng phần mềm Step 7 và được tích hợp trong TIA Portal của Siemens
Dòng S7-1200 bao gồm các loại CPU như 1211c, 1212c, 1214c, 1215c và 1217c, mỗi loại có đặc điểm riêng phù hợp với kích thước và nhu cầu dự án khác nhau Trong dự án này, chúng tôi sử dụng PLC S7-1200 với CPU 1214c AC/DC/relay, có các thông số chính đáp ứng yêu cầu của hệ thống.
- Mã sản phẩm: 6ES7214-1BG40-0XB0
- Điện áp cung cấp CPU hoạt động :
+ 120VAC, giới hạn thấp 85VAC
+ 230VAC, giới hạn cao 264VAC
+ Tần số hoạt động 47-63 Hz
- Số lượng khối (block): Bao gồm các khối DB, FC, FB, Counter, Timer Số lượng địa chỉ tối đa nằm trong khoảng từ 1 đến 65535
- Đồng hồ thời gian thực tích hợp trên phần cứng: Có
- Số lượng ngõ vào số (digital): 14
+ Trong đó có 6 cổng Đếm xung tốc độ cao HSC với tốc độ cao nhất 100 kHz
+ Điện áp tín hiệu ngõ vào (input voltage): 24 VDC
• Tác động mức logic “0”: 5 VDC tại 1mA
• Tác động mức logic “1”: 15 VDC tại 2.5mA
- Số lượng ngõ ra số (digital): 10
+ Ngõ ra đóng mở bằng relay
- Số lượng ngõ vào analog: 2
- Chuẩn kết nối tích hợp: PROFINET
+ Website người dùng tạo : Có
+ Đặt mật khẩu cho CPU
+ Đặt mật khẩu cho chương trình, khối dữ liệu cụ thể
+ Ứng dụng điều khiển động cơ servo và động cơ bước
+ Hỗ trợ sao lưu (backup) dữ liệu
- Hỗ trợ 1 khe cắm thẻ nhớ (Memory Card Siemens).
GIỚI THIỆU VỀ TIA PORTAL
TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) is Siemens' integrated automation software that enables programming for various PLC models, including S7-1200, S7-1500, S7-300, and S7-400 Additionally, it facilitates the design of HMI screens and supports WinCC Runtime for enhanced user interaction.
TIA Portal tích hợp các công cụ mô phỏng như S7-PLCSIM và S7-PLCSIM Advanced, cho phép lập trình viên thử nghiệm chương trình và chẩn đoán lỗi mà không cần thiết bị thực tế.
TIA Portal là nền tảng tích hợp tất cả các thành phần quan trọng trong dự án tự động hóa Phiên bản mới nhất, TIA Portal V15, được giới thiệu vào cuối năm 2017, mang đến nhiều công cụ nổi bật như Multiuser Engineering, Teamcenter Gateway và Cloud Connector.
3.2.1 Lập trình trên TIA Portal
Sau khi khởi động phần mềm TIA Portal và tạo dự án, bạn cần thêm PLC mới với mã và thông số phù hợp với thiết bị thực tế Đừng quên đặt địa chỉ IP cho thiết bị PLC để đảm bảo kết nối chính xác.
TIA Portal hỗ trợ lập trình bằng 3 ngôn ngữ: LAD, SCL, FBD
Các khối chương trình để lập trình bao gồm Khối tổ chức (OB), khối hàm (FB), hàm (FC), khối dữ liệu (DB)
3.2.2 Lập trình hướng đối tượng (Object-oriented programing)
Ngôn ngữ lập trình này giải quyết các bài toán từ nhỏ đến lớn thông qua việc quan sát và tưởng tượng các hành động, đặc điểm của thực thể thật, từ đó chuyển hóa thành các đối tượng ảo Các khái niệm này được thể hiện qua các lớp (class), đối tượng (object), trong đó hành động được biểu diễn bằng các hàm (function) và đặc điểm được mô tả bằng các biến (variable).
Phương pháp lập trình hướng đối tượng giảm thời gian lập trình và dễ dàng quản lí các biến dữ liệu
Ví dụ về “Bơm” đối tượng (object) có các đặc điểm như chế độ bằng tay/tự động, tắt/mở, và thời gian hoạt động, được gọi là các biến (variable) Thay vì khai báo từng biến cho từng động cơ, chúng ta có thể tạo một lớp (class) chứa các biến đặc điểm này và lập trình hoạt động thông qua các hàm (function) Lớp này sẽ được áp dụng chung cho tất cả các bơm có đặc điểm tương tự.
Với TIA Portal, có thể tạo một Class bằng một khối hàm (Function block):
Khai báo các biến (variable), với Offset là địa chi của các biến
Ví dụ Lập trình hoạt động bằng các hàm như chọn chế độ, tắt mở động cơ, đếm thời gian hoạt động,… với ngôn ngữ SCL
#Command := (#StartMan OR #Command) AND NOT #StopMan AND NOT
#IEC_Timer_0_Instance(IN := #Command,
#Runtime := #IEC_Timer_0_Instance.ET;
Sau khi tạo Class cho đối tượng "Bơm", chúng ta áp dụng Class này cho từng bơm bằng cách đưa chúng vào chương trình điều khiển Mỗi "Bơm" sẽ có khối dữ liệu và địa chỉ riêng biệt, nhưng các biến đặc điểm trong đó lại giống nhau.
Các khối dữ liệu của mỗi “Bơm” được xác định bằng địa chỉ của khối dữ liệu đó
Mỗi biến trong khối dữ liệu được xác định thông qua "địa chỉ datablock" cộng với "địa chỉ offset biến" Chẳng hạn, biến "RunCon" có offset là 0.3 và nằm trong khối dữ liệu PUMP1 [DB24], do đó địa chỉ truy xuất của nó sẽ là: %DB24.DBX0.3.
3.2.3 Lập trình Đếm xung tốc độ cao (High Speed Counter) để đo lưu lượng nước
PLC S7-1200 cung cấp các cổng đếm xung với tốc độ cao, cho phép tần số tối đa lên đến 100KHz Điều này rất hữu ích trong việc đo tốc độ của encoder và đo lưu lượng từ cảm biến lưu lượng.
CPU 1214C AC/DC/relay được trang bị 6 cổng vào đếm xung tốc độ cao (HSC), cho phép tần số đọc tối đa lên đến 100KHz tùy theo chế độ cài đặt.
Sau khi kích hoạt kênh HSC ta tiến hành thiết lập Đối với cảm biến lưu lượng
YF-S201 được sử dụng trong đồ án này, có một dây tín hiệu đưa xung ra
Thiết lập cho cổng phát xung: Loại “đếm” (Count) , chế độ 1 pha (Single phase), hướng đếm lên (Count up)
Công thức tính lưu lượng:
(*) thông số của cảm biến Áp dụng công thức vào lập trình, sử dụng ngôn ngữ LAD:
Timer tạo thời gian đếm xung trong 1 giây để tính lưu lượng trong 1 giây
Khối điều khiển đếm xung tốc độ cao (HSC) trong đó chú ý tới:
- HSC: Địa chỉ kênh đếm xung, ở đây là 257 (Local HSC 1)
- CV: Tín hiệu đặt lại bộ đếm
- NEW_CV: Giá trị sau khi đặt lại bộ đếm
Khối công thức 1.1 và 1.2 được sử dụng để tính toán lưu lượng nước theo đơn vị lít/giây và sau đó quy đổi sang lít/phút Giá trị lưu lượng đã tính toán sẽ được gán vào biến Lưu lượng của Bơm.
PLC S7-1200 tích hợp đồng hồ đếm thời gian trên phần cứng Tiến hành cài đặt giờ địa phương (múi giờ) trên TIA Portal
Khối dữ liệu RD_LOC_T (Read local time) dùng để đọc thời gian theo múi giờ đã được cài đặt trên CPU của PLC.
27
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI
4.1.1 Mô hình bể xử lý nước thải
Nước thải từ khu dân cư được bơm đến khu vực tiếp nhận, trải qua bộ phận lọc rác trước khi vào bể điều hòa để tập trung và ổn định lưu lượng cũng như nồng độ Tại đây, nước thải được bơm qua bể Anoxic bằng hai bơm chìm hoạt động luân phiên, mỗi bơm được trang bị cảm biến lưu lượng để kiểm soát dòng chảy.
Bể Anoxic (2) là một hệ thống xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học, sử dụng bơm sục khí để nâng cao hiệu quả hoạt động của vi sinh vật Nước thải từ bể Anoxic (2) sẽ tự chảy sang bể Aerobic (3) để tiếp tục quá trình xử lý.
Bể Aerobic (3) là hệ thống xử lý sinh học hiếu khí sử dụng bùn hoạt tính và vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ Hệ thống này bao gồm một bơm sục khí nhằm tăng cường hiệu quả xử lý của vi sinh vật Sau khi nước thải đi qua bể hiếu khí, nó sẽ chảy tràn vào bể Lắng Bùn (4) để tiếp tục quá trình xử lý.
Bùn sinh học lắng dưới đáy bể được bơm tuần hoàn về bể Anoxic để khử nitơ và một phần được thu gom về Bể chứa bùn Hai van đóng mở ống dẫn bùn đến hai bể này Nước thải sau khi tách bùn tại bể lắng bùn.
(4) được dẫn qua bể Khử trùng (5)
Bể Khử Trùng (5) sử dụng dung dịch Clo và Javel, được bơm từ hệ thống bơm hóa chất, nhằm tiêu diệt vi khuẩn và vi sinh vật có hại trước khi nước sạch được bơm ra môi trường.
+ 1 cảm biến báo mức cao
+ 2 van đóng mở ống dẫn bùn
+ 1 cảm biến báo mức cao
Hình 4.1: Mô hình bể xử lý nước thải
4.1.2 Mô hình tủ điện điều khiển và giám sát hệ thống
− Bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C AC/DC/relay
− Các nút nhấn: Khởi động, dừng
− Công tắc điều khiển với 3 chế độ: Local, Off, Auto
− Đèn báo trạng thái nguồn, thiết bị
− Contactor đóng mở nguồn điện tổng
STT Địa chỉ Thiết bị STT Địa chỉ Thiết bị
1 I0.0 Cảm biến lưu lượng 1 1 Q0.0 Bơm 11 bể Điều Hòa
2 I0.1 Cảm biến lưu lượng 2 2 Q0.1 Bơm 12 bể Điều Hòa
3 I0.2 Nút nhấn Start 3 Q0.2 Bơm Hồi Bùn
4 I0.3 Nút nhấn Stop 4 Q0.3 Bơm Sục Khí
10 Q1.1 Đèn báo Stop b) Bảng 4.1 Bảng phân công đầu vào/ra
Hình 4.2 : Tủ điện điều khiển và giám sát hệ thống
Hệ thống điều khiển và giám sát sử dụng PLC và HMI của Siemens kết hợp với hệ thống SCADA, cho phép kết nối và giám sát các thiết bị thông qua chuẩn kết nối PROFINET.
Hình 4.3 Sơ đồ truyền thông và địa chỉ IP các thiết bị
4.2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Chương trình được phát triển trên phần mềm TIA Portal, sử dụng các khối chương trình OB, FC, FB và DB Các khối điều khiển này đóng vai trò quan trọng trong việc lập trình dự án hệ thống xử lý nước thải.
Khối hàm tắt mở hệ thống “SBA”:
Dựa trên các thiết bị đã được trình bày trong bảng phân công I/O, chúng ta sẽ tạo ra các khối Function (FC) để chứa các chương trình điều khiển cho từng bể Các khối FC này sẽ được tích hợp vào khối tổ chức OB “Main” để thực hiện hoạt động điều khiển.
Chương trình điều khiển Bể điều hòa nằm trong khối FC “#1BEDIEUHOA” Các bơm sục khí trong bể Lắng bùn “#2SUCKHI” Bể lắng bùn trong FC
“#3BELANGBUN” Bể khử trùng trong FC “#4BEKHUTRUNG”
Các hàm điều khiển Bơm, Van trong OB “PUMPS” và FB “PUMP”
Chương trình điều khiển trong khối FB “PUMP” bằng ngôn ngữ
SCL: Bao gồm chế độ Manual, Chế độ Auto, Timer đếm thời gian thiết bị chạy, Trạng thái relay nhiệt bảo vệ
Chương trình nhập thời gian cho các thiết bị chạy luân phiên, thời gian van xả hóa chất,…
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC
THẢI BẰNG WIN CC VÀ WEB SERVER
Trong thực tế, tại các trạm xử lý nước thải có hệ thống điều khiển và giám sát bởi người vận hành
Tại các tủ điện, người vận hành có thể điều khiển thiết bị bằng tay hoặc tự động thông qua PLC, đồng thời giám sát hệ thống qua màn hình HMI.
Tại phòng giám sát và vận hành từ xa, hệ thống máy tính chạy WinCC cho phép người giám sát theo dõi và điều khiển hệ thống thông qua màn hình máy tính.
WinCC không chỉ giám sát và vận hành nhà máy và trạm xử lý nước thải thông qua HMI, mà còn truyền tải dữ liệu về các trung tâm, ban ngành cấp thành phố để theo dõi và đánh giá hoạt động Do đó, việc giám sát qua Webserver là cần thiết, cho phép đưa ra quyết định từ bất kỳ đâu có kết nối Internet.
5.1 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VỚI WINCC - TIA PORTAL
WinCC (Window Control Center) là công cụ thiết kế giao diện điều khiển của Siemens, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống SCADA Với chức năng thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xuất, WinCC giúp tối ưu hóa hiệu suất và quản lý quy trình sản xuất hiệu quả.
TIA Portal tích hợp 2 phần mềm WinCC tùy chọn là WinCC Advanced và WinCC Professional.
37
WEB SERVER
Như đã đề cập, việcWeb server là một tính năng được tích hợp trong PLC S7-
Web server gồm thành phần chính là HTML, AWP và các thành phần khác như CSS, AJAX, Javascript
HTML (HyperText Markup Language) là ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản dùng để tạo ra các trang web Nó định dạng bố cục và các thuộc tính hiển thị của đoạn văn bản, được trình bày trên trình duyệt web Các trình duyệt web có khả năng biên dịch mã HTML, hiển thị nội dung và hỗ trợ người dùng tương tác với website.
Cấu trúc của HTML dạng thẻ Một số thẻ cơ bản ví dụ như sau:
Đồ Án Tốt Nghiệp
Đại học Đông Á
Đồ án tốt nghiệp Đại học khóa 14
Thẻ … được sử dụng để xác nhận tài liệu dạng HTML, trong khi trình duyệt coi các tài liệu nằm ngoài thẻ này là tài liệu thông thường.
- Thẻ … dùng để xác định phần mở đầu Trong thẻ head cũng chứa các phần khai báo thông tin web
Thẻ được sử dụng để tự động làm mới trang web sau khoảng thời gian đã định Chức năng này giúp cập nhật dữ liệu được gửi từ PLC một cách hiệu quả.
- Thẻ … Khai báo đường dẫn tài liệu javascript
- Thẻ … dùng để xác định phần thân, là nội dung chính của trang web
- Thẻ …: dùng để hiển thị đường dẫn, có thể là địa chỉ website hoặc địa chỉ tài liệu trên máy tính
- Thẻ … và
…
Định dạnh kích thước chữThiết kế giao diện trang web cơ bản hiển thị các thông số từ PLC
5.2.2 Tìm hiểu về AWP Để đọc, ghi dữ liệu từ trang web xuống PLC, chúng ta cần thêm AWP vào HTML AWP bao gồm Đọc (READ), Ghi (WRITE), Gán giữ liệu (ENUM)
Các kiểu đọc dữ liệu:
- Đọc dữ liệu từ vùng nhớ M:
- Đọc dữ liệu từ Tags thuộc khối dữ liệu (datablock):
- Đọc dữ liệu từ Tags:
- Đọc dữ liệu từ địa chỉ:
Cấu trúc: Khai báo biến giá trị trên PLC cần ghi xuống từ Web server Khai báo giống như khai báo ghi chú
Để gửi dữ liệu từ Web server đến PLC, chúng ta sử dụng một hàm chứa các lệnh gửi giá trị Khi xảy ra một sự kiện như nhấn nút, hàm này sẽ được kích hoạt.
Chức năng của cú pháp ENUM dùng để gán giá trị đọc được thành một giá trị khác để hiển thị
+ Khai báo Enum và các tên thay thế:
' Values=' :" < Tên thay thế 1> ", :" "' >
+ Gán biến vào nhóm Enum:
Khi động cơ hoạt động, biến giá trị sẽ gửi “1” lên Web server Chúng ta sử dụng ENUM để chuyển đổi giá trị hiển thị, với “1” tương ứng với “Chạy” và “0” với “Dừng”.
+ Khai báo nhóm Enum “Trạng_Thái” :
+ Gán biến “Bơm 11” vào nhóm Enum “Trạng_Thái”:
Trạng thái Bơm sẽ được hiển thị lên trang web như bên dưới:
5.2.3 Tìm hiểu về kỹ thuật AJAX:
Để cập nhật dữ liệu hiển thị mới từ PLC, chúng ta sử dụng thẻ lệnh như đã đề cập trong phần giới thiệu các thẻ trong ví dụ HTML.
Phương pháp tự động làm mới toàn bộ mã HTML có thể gây mất thời gian và làm chậm trang web Thay vào đó, việc áp dụng kỹ thuật AJAX cho phép làm mới các biến giá trị một cách liên tục mà không cần làm mới toàn bộ trang, giúp cải thiện hiệu suất và tốc độ tải trang.
AJAX (Asynchronous JavaScript and XML) là một kỹ thuật hiện đại giúp phát triển các ứng dụng web tương tác, nhanh chóng và mượt mà hơn Kỹ thuật này kết hợp sử dụng XML, HTML, CSS và JavaScript để cải thiện trải nghiệm người dùng.
AJAX cho phép các trang web cập nhật một cách không đồng bộ bằng cách trao đổi dữ liệu nhỏ với máy chủ, giúp cập nhật các phần nhỏ trong trang mà không cần tải lại toàn bộ trang.
Chìa khóa của kỹ thuật AJAX là đối tượng XMLHttpRequest, được hỗ trợ bởi tất cả các trình duyệt web hiện đại Đối tượng này cho phép trao đổi dữ liệu với máy chủ ở chế độ nền, giúp cập nhật các phần nhỏ của trang mà không cần tải lại toàn bộ trang.
Cú pháp để tạo đối tượng XMLHttpRequest trong AJAX:
Với các phiên bản IE cũ hơn (chẳng hạn như IE5 và IE6) sử dụng đối tượng ActiveXObject:
Tên_biến = new ActiveXObject("Microsoft.XMLHTTP");
Khi phát triển ứng dụng Web, việc kiểm tra sự hỗ trợ của trình duyệt đối với đối tượng XMLHttpRequest là rất quan trọng, đặc biệt là đối với các trình duyệt cũ như IE5 và IE6 Nếu trình duyệt hỗ trợ, ta sẽ tạo một đối tượng XMLHttpRequest; nếu không, ta cần tạo một đối tượng khác để đảm bảo ứng dụng hoạt động mượt mà trên tất cả các nền tảng.
ActiveXObject: var http_request; if (window.XMLHttpRequest){ http_request = new XMLHttpRequest();
} else { http_request = new ActiveXObject("Microsoft.XMLHTTP");
5.2.3.3 Các phương thức của đối tượng XMLHttpRequest trong AJAX
Trả về HTTP Header dưới dạng một chuỗi
- Phương thức getResponseHeader( ten_truong_header )
Trả về giá trị của một trường HTTP Header cụ thể
- Phương thức open( method, URL )
- open( phuong_thuc, URL, async )
- open( phuong_thuc, URL, async, ten_nguoi_dung )
- open( phuong_thuc, URL, async, ten_nguoi_dung, mat_khau )
+ Tham số phuong_thuc: Giá trị GET, POST, HEAD
+ Tham số URL: Đường dẫn
+ Tham số async: Cách xử lý Request, true là không đồng bộ, false là đồng bộ
5.2.3.4 Các thuộc tính của đối tượng XMLHttpRequest trong AJAX onreadystatechange: Một Event Handler lắng nghe và xử lý một sự kiện khi có thay đổi về trạng thái nào diễn ra
Trạng thái Miêu tả
0 Request chưa được khởi tạo
1 Request đã được thiết lập
3 Request đang được xử lý
5.2.3.5 Gửi Request tới Server trong AJAX Để gửi một Request tới một Server, chúng ta sử dụng các phương thức open() và send() của phương thức XMLHttpRequest
Ví dụ: http_request.open("GET", data_file.xml, true); http_request.send();
Phương thức Tham số open(phuong_thuc, url, async)
Xác định kiểu Request Trong đó:
Tham số phuong_thuc xác định kiểu Request (chẳng hạn GET, POST)
Tham số URL xác định vị trí file trên Server
Tham số async xác định cách xử lý Request: true cho không đồng bộ và false cho đồng bộ Phương thức send() được sử dụng để gửi Request tới Server với phương thức GET, trong khi send(string) được sử dụng để gửi Request tới Server với phương thức POST.
Giao diện giám sát Web server trên máy tính sau khi đã hoàn thành:
Giao diện giám sát Web server trên máy tính
5.2.4 Lập trình truy cập Web server trên TIA Portal Để kích hoạt Web server, vào “Properties” của PLC, chọn thẻ “Genenal”, chọn mục “Web server” Tại “General”, tích chọn “Activate Web server on all modules of this device
Nếu tùy chọn Trình duyệt bảo mật HTTPS, tích chọn “Permit access only with
Tại mục “Automatic update”, nếu sử dụng AJAX thì bỏ tùy chọn “Enable automatic update”
HMI
HMI, viết tắt của Human Machine Interface, là thiết bị giúp con người giao tiếp với máy móc Nó cho phép người dùng tương tác với các thiết bị thông qua màn hình, tạo ra một cầu nối hiệu quả giữa con người và công nghệ.
SIMATIC HMI KTP 400 là màn hình HMI của hãng Siemens với các thông số như sau:
- Loại màn hình: TFT, có màu
- Kích thước 4.3 inch Độ phân giải: 480 x 272 pixel
- Nguồn điện cung cấp: 24VDC
- Có đồng hồ thời gian thực tích hợp lên phần cứng
- Hỗ trợ giao thức tuyền thông PROFINET
- Có thể kết nối với các dòng PLC S7-1200, S7-1500, S7-200, S7-
5.3.2 HMI KTP400 trên TIA Portal
Sao khi mở phần mềm TIA Portal và tạo Project, tiến hành thêm thiết bị HMI đúng với mã của thiết bị
Cấu hình nhanh HMI với Bảng “HMI Device Wizard”:
- Select PLC: Chọn PLC muốn kết nối tới
- Interface: Chuẩn truyền thông là PROFINET
- Background color: Màu nền màn hình hiển thị HMI
- Header: Với các tùy chọn có sẵn: Hiển thị Date/Time, chèn Logo!
Alarm: Tùy chọn hiển thị các cảnh báo có sẵn
Screens: Tùy chọn chỉnh thêm/bớt nhanh các màn hình
System screens: Thêm/bớt các màn hình hệ thống tích hợp chức năng có sẵn
Buttons: Thêm bớt các nút nhấn được tích hợp chức năng sẵn
Các thành phần trong của HMI cũng tương tự WinCC (PC-System)
- Device configuration: Cấu hình thiết bị
- Online & diagnostics: Công cụ chẩn đoán
- Screens: Tạo và thiết kế các trang giao diện
- Screen management: Tạo và chỉnh sửa các trang Template, Global screen
- HMI tags: Gồm Tags nội bộ và các Tags liên kết với PLC
- Connections: Thiết lập kết nối từ WinCC tới các thiết bị khác
- HMI alarms: Giao diện cảnh báo
- User administration: Thiết lập người dùng
5.3.3 Thiết kế giao diện giám sát
5.3.3.1 Các trang giao diện chính
Để bắt đầu, cần thiết lập một mẫu (template) chung cho tất cả các màn hình, bao gồm các nút chức năng như: nút điều hướng đến các bể xử lý, nút dừng khẩn cấp, nút khởi động, nút trở về trang chủ, nút cài đặt thời gian, và nút giám sát lưu lượng.
Tạo các màn hình screen tượng trưng cho các bể xử lý nước thải
Thiết kế giao diện bể Điều hòa, gồm: Các bơm điều hòa, cảm biến lưu lượng, bơm sục khí
Thiết kế giao diện bể Anoxic, gồm bơm sục khí:
Thiết kế giao diện bể Aerobic, gồm bơm sục khí:
Thiết kế giao diện bể Lắng bùn, gồm bơm hồi bùn, hai van khóa ống hồi bùn:
Thiết kế giao diện bể Khử trùng, gồm bơm nước sạch, van hóa chất:
5.3.3.2 Màn hình cài đặt thời gian
Màn hình cài đặt thời gian cho phép người dùng thiết lập các thông số quan trọng như thời gian đổi cụm bơm theo thời gian thực, thời gian luân phiên giữa các bơm bể điều hòa, thời gian bơm nước sạch hoạt động, và thời gian mở van.
Để thiết lập quyền quản trị cho các truy cập người dùng của HMI, bạn cần đăng nhập với quyền quản trị trước Sử dụng chức năng "User administration" của HMI để thực hiện cài đặt thông số quan trọng này.
Tạo các nhóm người dùng, bao gồm tên nhóm và các hoạt động ủy quyền của nhóm người dùng tương ứng
Sau khi tạo các nhóm người dùng, bạn cần tiến hành tạo tài khoản người dùng và gán tài khoản đó vào nhóm có hoạt động ủy quyền tương ứng Để cài đặt mật khẩu khi nhấn vào nút chuyển trang, hãy vào “Properties” của nút nhấn, chọn mục “Security” và tại phần “Runtime security” để thiết lập thời gian.
“Authorization”, chọn hoạt động ủy quyền là “admin” (đã tạo trước đó)
Sau khi khởi động hệ thống, người dùng cần đăng nhập bằng tài khoản và mật khẩu đã tạo trước để cài đặt thời gian.
5.3.3.3 Tạo biểu đồ lưu lượng theo thời gian
Biểu đồ lưu lượng theo thời gian cho thấy lưu lượng hiện tại trong đường ống của bể điều hòa Để tạo biểu đồ này, bạn chỉ cần nhấn vào biểu tượng “Trend view” trên thanh công cụ Control.
Việc thiết kế f(t) trend view trên WinCC bao gồm cài đặt các biến lưu lượng cần hiển thị Qua đó, quá trình thiết kế và lập trình hệ thống giám sát, điều khiển hệ thống xử lý nước thải đã hoàn tất.
Hướng phát triển đề tài
Từ dự án "Lập trình điều khiển mô hình xử lý nước thải bằng PLC S7-1200 có giám sát bằng WinCC và WebServer", tôi đã xác định được một số hướng phát triển cho dự án như tối ưu hóa quy trình xử lý, cải thiện giao diện người dùng trên WebServer, và áp dụng công nghệ IoT để giám sát từ xa.
- Thiết kế hệ thống sử dụng nhiều PLC truyền thông với nhau trong các hệ thống, trạm xử lý nước thải quy mô lớn
- Giám sát hệ thống và có thể điều khiển được qua Internet
- Áp dụng PID và biến tần điều khiển động cơ.