Giám sát và điều khiển tháp điều hòa nhiệt độ trong hệ thống xử lý nước thải

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Đất nước ta đang trải qua quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa nhanh chóng, dẫn đến sự gia tăng đô thị hóa và dân số Tuy nhiên, sự phát triển này đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến tài nguyên nước, khiến môi trường nước tại nhiều khu vực đô thị và công nghiệp bị ô nhiễm nặng nề Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp đóng góp đáng kể vào tình trạng này, bên cạnh ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt.

Chúng em đã chọn đề tài “Giám sát và điều khiển tháp điều hòa nhiệt độ trong hệ thống xử lý nước thải” nhằm ứng dụng thực tiễn Đối tượng nghiên cứu chính là tháp giải nhiệt, với mục tiêu điều khiển tốc độ quạt để điều chỉnh lưu lượng gió, từ đó ổn định nhiệt độ của môi trường nước thải sau khi đi qua tháp giải nhiệt.

Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa, đã dẫn đến việc ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp Do đó, việc sử dụng các bộ điều khiển chính xác và đáng tin cậy là rất cần thiết, trong đó PLC (Programmable Logic Controller) nổi bật như một trong những giải pháp tốt nhất cho các ứng dụng công nghiệp nhờ vào độ chính xác và độ tin cậy cao của nó.

MỤC TIÊU

Ổn định được nhiệt độ nước thải theo yêu cầu của hệ thống xử lý nước thải trong công nghiệp dựa trên mô hình thực tế.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: Thu thập số liệu của quy trình hệ thống xử lý nước thải trong công nghiệp

 NỘI DUNG 2: Các giải pháp phát triển tháp giải nhiệt trong hệ thống xử lý nước thải trong công nghiệp

 NỘI DUNG 3: Thi công tháp giải nhiệt

 NỘI DUNG 4: Điều khiển vận hành mô hình tháp giải nhiệt

 NỘI DUNG 5: Nhận xét, đánh giá kết quả thực hiền đề tài

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2

GIỚI HẠN

Chưa áp dụng được các giải thuật thông minh vào việc điều khiển tháp giải nhiệt.

BỐ CỤC

Chương này đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 của bài viết trình bày các lý thuyết liên quan đến những vấn đề mà đề tài sẽ áp dụng trong quá trình thiết kế và thi công.

 Chương 3: Thiết kế và thi công

Trong chương này chúng ta đặt ra yêu cầu cho hệ thống, lựa chọn phương án thiết kế và thi công hệ thống hoàn thiện

 Chương 4: Thi công và điều khiển hệ thống

Chương này trình bày quá trình thi công mô hình, phần cứng và chương trình xử lý tháp giải nhiệt

 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Kết quả nghiên cứu đề tài được trình bày trong phần này, bao gồm nhận xét và đánh giá về sản phẩm mô hình, xác định xem sản phẩm có đạt yêu cầu và có khả năng ứng dụng vào thực tế hay không.

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương này đánh giá xem sản phẩm mô hình đã đạt được các mục tiêu đã đề ra hay chưa, đồng thời đề xuất các giải pháp khắc phục và phương hướng phát triển cho đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG THÁP GIẢI NHIỆT

2.1.1 Các phương pháp giải nhiệt

- Phương pháp sục khí trực tiếp

- Phương pháp dùng tháp giải nhiệt

2.1.2 Nguyên lý làm việc của tháp giải nhiệt

Tháp giải nhiệt là thiết bị giúp giảm nhiệt độ nước thông qua quá trình tạo mưa và làm mát bằng gió Nguyên lý hoạt động của tháp này dựa trên việc tối ưu hóa sự trao đổi nhiệt giữa nước và không khí.

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của tháp giải nhiệt [5]

Tháp giải nhiệt hoạt động bằng cách đưa không khí từ bên ngoài vào theo hướng ngược với dòng chảy của nước Quá trình này bắt đầu khi không khí tiếp xúc với bề mặt màng, giúp tối ưu hóa hiệu quả làm mát.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bộ môn điện tử công nghiệp 4 sử dụng hệ thống giải nhiệt hiệu quả, trong đó luồng không khí được kéo lên theo phương thẳng đứng Nước được phun xuống nhờ áp suất không khí, trong khi lưu lượng nước rơi qua bề mặt tấm giải nhiệt, tạo ra lưu lượng gió theo hướng ngược lại.

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Việc phân loại S7 – 1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C

Thông thường S7 – 1200 được phân ra làm 2 loại chính:

- Ngõ vào: Kích hoạt lên mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC ÷ 30VDC)

Loại này có ưu điểm nổi bật là sử dụng ngõ ra Relay, cho phép linh hoạt trong việc sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau, bao gồm 0V, 24V và 220V.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng nhược điểm của thiết bị này là thời gian đáp ứng chậm do sử dụng ngõ ra Relay, điều này có thể ảnh hưởng đến ứng dụng yêu cầu thay đổi độ rộng xung hoặc tốc độ đầu ra cao.

 Loại cấp điện áp 24VDC:

- Ngõ vào: Kích hoạt lên mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC ÷ 30VDC)

- Ưu điểm: của loại này là dùng ngõ ra transistor Do đó có thể sử dụng ngõ ra này để thay đổi độ rộng xung, Output tốc độ cao

Mặc dù loại này có ưu điểm, nhưng nhược điểm lớn là ngõ ra transistor chỉ cho phép sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC Điều này gây rắc rối trong các ứng dụng yêu cầu cấp điện áp khác nhau, và trong trường hợp này, cần phải sử dụng một Relay 24VDC để điều chỉnh.

Bảng 2.1 Các đặc điểm cơ bản của S7 – 1200 [6] Đặc trưng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5

- 2 inputs Tốc độ xử lý ảnh 1024 bytes (inputs) and 1024 bytes (outputs)

Modul giao tiếp 3 (left – side expansion)

Bộ đếm tốc độ cao

Thẻ nhớ Thẻ nhớ Simatic (tùy chọn)

Thời gian lưu trữ khi mất điện

PROFINET 1 cổng giao tiếp Ethernet

Tốc độ thực thi phép toán số thực

18us Tốc độ thi hành 0,1us

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6

Hình 2.2: Cấu trúc bên trong

Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC S7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất / nhập

Bộ xử lý, hay còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là thành phần chính chứa bộ vi xử lý, có nhiệm vụ biên dịch các tín hiệu đầu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC Nó truyền đạt các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị đầu ra.

Bộ nguồn có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC 24V, cung cấp năng lượng cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các module giao tiếp nhập và xuất.

- Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự giám sát của bộ vi xử lý

Các thành phần nhập và xuất (input/output) đóng vai trò quan trọng trong việc nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền tải dữ liệu đến các thiết bị điều khiển Tín hiệu đầu vào có thể được thu thập từ các công tắc và bộ cảm biến, trong khi thiết bị đầu ra bao gồm các cuộn dây của bộ khởi động động cơ và các van solenoid.

- Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy tính

2.2.1.3 Sơ đồ đấu dây PLC

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7

Hình 2.3: Sơ đồ đấu dây S7 – 1200 [6]

Hình 2.4: CPU 1200 và module mở rộng [6]

Họ PLC S7-1200 cho phép lắp đặt tối đa 8 module tín hiệu đa dạng cùng với 1 mạch tín hiệu cho bộ xử lý, mang lại khả năng mở rộng linh hoạt Bên cạnh đó, hệ thống còn hỗ trợ cài đặt thêm 3 module giao tiếp thông qua các giao thức truyền thông.

Bảng 2.2: Thông số các module [6]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8

Module Ngõ vào Ngõ ra Ngõ vào/ra

Analog 4 X Analog 2 X Analog 4 X Analog/2 X Analog Board tín hiệu

Hình 2.5: Sơ đồ kết nối Module Analog SM 1234 [6]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9

Biến tần MM 440 là lựa chọn hoàn hảo để điều chỉnh tốc độ quạt, nhờ vào thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt Sản phẩm này sử dụng công nghệ điều khiển Vector vòng kín, giúp kiểm soát chính xác tốc độ và mô men xoắn.

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật biến tần MM 440 [6] Điện áp vào 200V~ 240V 1/3 AC

Tần số điện áp vào 47~ 63

Tần số điện áp ra 0 ~ 650Hz

Các ngõ vào số 6 ngõ vào số lập trình được

Các ngõ vào tương tự  0 – 10V, 0 – 20mA và -10 ~ +10

Các ngõ ra tương tự 2 ngõ ra 0 – 20mA

 Các thông số cài đặt cơ bản:

 0: Cài đặt mặc định Factory

 1: Ra lệnh làm việc trên ‘keypad’ (BOP/AOP)

 2: Ra lệnh làm việc trên ‘Terminal’

- P1000: Lựa chọn điểm đặt tần số

+ 0: Không có điểm đặt chính

+ 2: Làm việc theo điểm đặt Analog

+ 3: Làm việc theo tần số cố định

+ 4: Làm việc trên cổng USS trên BOP link

+ 5: Làm việc theo cổng USS trên COM link

+ 6: Làm việc theo CB trên COM link

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10

Hình 2.6: Sơ đồ kết nối biến tần MM 440 [6]

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11

Dùng để hiển thị, điều khiển và giám sát hệ thống

 Kiểu màu (TFT, 256 màu) hay kiểu đơn sắc (STN, dải màu xám)

 Màn hình 6 inch với 6 phím

Chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến PT100 sang tín hiệu analog 4 ÷ 20mA

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

GIỚI THIỆU

Yêu cầu đặt ra cho đề tài:

 Ổn định nhiệt độ nước thải theo yêu cầu

 Hệ thống dễ vận hành và quan sát.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

Khối PLC là bộ phận trung tâm quan trọng nhất trong hệ thống, có chức năng xử lý tín hiệu từ cảm biến để thực hiện các phép tính, hiển thị thông tin và điều khiển các thiết bị.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 13

Hình 3.2: Sơ đồ đấu dây S7 – 1200 [6]

 Khối nguồn: có chức năng cung cấp nguồn AC 220V và DC 24V cho các khối

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 14

 Khối PT100: có chức năng chuyển đổi nhiệt độ thành giá trị điện trở

Hình 3.4: Sơ đồ kết nối Pt100

 Khối màn hình HMI: có chức năng hiển thị và điều khiển hệ thống

 Khối INVERTER: nhận tín hiệu từ PLC để điều khiển quạt

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 15

Hình 3.7: Nhiệm vụ các chân kết nối [6]

Hình 3.8: Hình ảnh thực tế

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 16

 Khối T120: Chuyển đổi tín hiệu PT100 sang tín hiệu analog 4 ÷ 20mA

Hình 3.9: Sơ đồ kết nối T120 3.2.2 Thiết kế hệ thống

Hình 3.10: Sơ đồ kết nối

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 17

3.2.2.2 Thi công tủ điều khiển

Hình 3.11: Hình ảnh kết nối thực tế

Hình 3.12: Hình ảnh lắp đặt bên trong tủ điều khiển

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 18

Hình 3.13: Mặt trước tủ điều khiển 3.2.2.3 Thi công mô hình

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 19

Hình 3.16: Tháp giải nhiệt hoàn chỉnh

LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

YÊU CẦU HỆ THỐNG

Yêu cầu đặt ra của hệ thống là người dùng có thể điều khiển và giám sát hệ thống:

 Điều khiển được hệ thống trên màn hình HMI và trên PC

 Giám sát được nhiệt độ và tần số.

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 21

Quạt hoạt động 40Hz Van 1 mở

Bơm chạy Timer 2 hoạt động Đọc nhiệt độ Quạt chạy theo nhiệt độ t1s t2`s

Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 22

Khi cấp nguồn cho hệ thống PLC, cần kiểm tra xem module analog có lỗi hay không và chuyển sang chế độ RUN Nếu module gặp lỗi hoặc không kết nối được với CPU, hệ thống sẽ báo lỗi Màn hình HMI sẽ khởi động và hiển thị giao diện chính Biến tần được cấp nguồn và chờ lệnh khởi động từ PLC Bộ chuyển đổi nhiệt độ, sau khi nhận tín hiệu từ cảm biến, sẽ gửi tín hiệu về module analog Module analog sẽ tiếp nhận tín hiệu và giao tiếp với CPU để xử lý và hiển thị nhiệt độ lên màn hình HMI.

Khi nhấn phím START trên màn hình HMI, van 1 mở và động cơ quạt hoạt động với tần số 40Hz, đồng thời timer 1 bắt đầu đếm Sau 10 giây, động cơ bơm và timer 2 hoạt động Khi timer 2 đếm đến 60 giây, PLC điều khiển biến tần dựa trên tín hiệu cảm biến nhiệt độ Nếu nhiệt độ dưới 30°C, biến tần sẽ tắt; trong khoảng 30°C đến 32°C, biến tần chạy ở tần số 20Hz; từ 32°C đến 35°C, tần số biến tần điều chỉnh từ 30 đến 45Hz Khi nhiệt độ vượt quá 35°C, timer 3 bắt đầu đếm, và sau 10 giây, van 1 sẽ đóng và van 2 mở.

Khi nhấn STOP hệ thống ngừng hoạt động.

PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO PLC VÀ HMI

4.3.1 Giới thiệu phần mềm lập trình Để lập trình cho PLC S7 – 1200 ở đây chọn phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP SP1 Phần mềm SIMATIC TIA Portal STEP SP1 cung cấp môi trường thân thiện với người dùng, tự hiệu chỉnh, thư viện và bộ điều chỉnh logic cần thiết đến ứng dụng điều khiển

SIMATIC TIA Portal STEP SP1 là một công cụ mạnh mẽ cho việc quản lý và cấu hình tất cả các thiết bị trong dự án, bao gồm PLC và thiết bị HMI Phần mềm này hỗ trợ hai ngôn ngữ lập trình là LAD và FBD, giúp tối ưu hóa quy trình lập trình điều khiển trong các ứng dụng Bên cạnh đó, SIMATIC TIA Portal STEP SP1 còn cung cấp bộ công cụ để tạo và cấu hình thiết bị HMI một cách hiệu quả.

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN VẬN HÀNH HỆ THỐNG

Các bước thực hiên khi vận hành hệ thống:

Bước 1: Cấp nguồn 220VAC cho hệ thống

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 23

Bước 2: Kiểm tra xem các thiết bị đã có nguồn chưa, PLC có báo lỗi không và màn hình có hiển thị nhiệt độ chưa

Bước 3: Nhấn phím START trên màn hình HMI và theo dõi các thiết bị trên màn hình

Bước 4: Nhấn phím START trên màn hình HMI để dừng hệ thống

Bước 5: Tắt nguồn 220VAC cho hệ thống kết thúc quá trình vận hành hệ thống.

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ

Hình 5.1: HMI hiển thị nhiệt độ và tần số

Hình 5.2: Nhiệt độ nước đầu vào

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 25

Hình 5.3: Nhiệt độ nước sau khi xử lý

Hình 5.4: Tháp giải nhiệt đang hoạt động

 Thi công được mô hình có thể sử dụng vào thực tế

 Hệ thống đáp ứng được mục tiêu đề ra

 Hệ thống chạy thực nghiệm với công suất bơm 2 m 3 /h giảm được nhiệt độ nước từ 60 o C xuống 32 ~ 35 o C thì motor quạt chạy với tần số 15 ~ 20 Hz ở nhiệt độ môi trường là 31 o C

 Điều khiển và giám sát trên HMI và PC

 Tiết kiệm năng lượng so với tháp giải nhiệt thông thường

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 26

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

 Phát triển hệ thống thành hệ thống giải nhiệt khép kín cho các thiết bị cần giải nhiệt bằng nước trong công nghiệp

 Sử dụng giải thuật PID hoặc các giải thuật thông minh như nơ-ron nhân tạo, điều khiển mờ để tăng độ chính xác cho hệ thống.