Nghiên cứu thiết kế hệ thống es-wtpscada nhà máy nước cầu nguyệt

[thiquocvinh]

1. Mở đầu
Nhà máy nước Cầu Nguyệt (thuộc Công ty TNHH một thành viên Cấp nước Hải Phòng) được đầu tư cải tạo, xây dựng với số vốn đầu tư lên tới 14 triệu USD từ nguồn vốn ODA của Ngân hàng Thế giới. Dự án nhà máy nước Cầu Nguyệt gồm các hạng mục: cải tạo Nhà máy cấp nước công suất 40.000 m3/ngày, bể chứa, nhà hóa chất, trạm bơm nước rửa lọc, xây dựng 23,8 km ống dẫn chính, xây dựng hệ thống cấp nước tại 8 phường thuộc quận Kiến An, lắp đặt mới 32 nghìn đồng hồ nước...

Hình 1: Khu xử lý nước sạch nhà máy nước Cầu Nguyệt
Với dự án Nhà máy nước Cầu Nguyệt, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế và triển khai thành công hệ thống ES-WTPSCADA tại trung tâm điều hành cho phép thu thập số liệu, giám sát và điều khiển từ xa các thiết bị trong nhà máy nước và ngoài tuyến ống cấp nước sạch. Hệ thống ES-WTPSCADA góp phần nâng cao hiệu quả trong vận hành nhà máy sản xuất và hệ thống cung cấp nước sạch nhằm đáp ứng các mục tiêu: đảm bảo chất lượng nước, quản lý lượng nước khai thác và tiêu thụ, vận hành và quản lý máy móc thiết bị tối ưu, quản lý hệ thống tuyến ống cấp nước sạch đến người tiêu dùng.
2. Mô hình hệ thống nhà máy nước Cầu Nguyệt

Hình 2: Sơ đồ công nghệ sản xuất nước sạch

2.1. Quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch
Với quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch (xem hình 2), để nâng cao hiệu quả và đảm bảo chất lượng nước sạch, chúng ta cần phải giám sát liên tục các thông số kỹ thuật sau:
- Công trình thu nước thô: độ pH, độ đục, độ dẫn và lưu lượng nước thô.
- Bể trộn, bể phản ứng và bể lắng: mức nước bể lắng.
- Bơm cấp nước lọc: áp lực đường ống, độ pH, độ dẫn và mức nước.
- Bể lọc cát: mức nước bể lọc.
- Bể chứa nước sạch: mức nước.
- Bơm rửa lọc và quạt gió: áp lực và lưu lượng nước đường ống.
- Bơm tổng cấp nước sạch: áp lực, lưu lượng nước đường ống, độ pH, độ đục và độ dẫn.
- Bể chứa bùn: mức bùn
- Khu xử lý hóa chất: nồng độ Clo
- Các tuyến ống truyền dẫn Unit 1 – Unit 8: áp lực và lưu lượng nước tuyến ống.

Hình 3: Sơ đồ mặt bằng khu xử lý nước sạch

[thiquocvinh]

2.2. Khu xử lý nước sạch trong nhà máy
- Bể thu nước thô từ sông Đa Độ

- Bể trộn, phản ứng và bể lắng

- Bể chưa nước sạch

- Sân phơi bùn


- Nhà hóa chất

- Trạm bơm nước rửa lọc cát

- Trung tâm điều khiển

- Nhà điều hành
2.3. Mạng truyền dẫn tuyến ống cấp nước sạch
Unit 1 DN500

- Unit 2 DN300


- Unit 3 DN300

- Unit 4 DN400


- Unit 5 DN300

- Unit 6 DN250


- Unit 7 DN300

- Unit 8 DN300

3. Hệ thống giám sát và điều khiển ES-WTPSCADA
3.1.Mô hình hệ thống SCADA giám sát và điều khiển
Với yêu cầu thiết kế hệ thống tự động hóa đáp ứng quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch của nhà máy nước Cầu Nguyệt, chúng tôi đã nghiên cứu thiết kế và ứng dụng hệ thống SCADA giám sát và điều khiển trên nền tảng công nghệ PC, PLC của Siemens tích hợp với các biến tần, thiết bị đo thông minh chuyên biệt cho lĩnh vực nước sạch của ABB, các thiết bị hiển thị số liệu trên bàn điều khiển MIMIC của Redlion và Schneider.

Hình 4: Sơ đồ kết nối hệ thống SCADA

Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển gồm trạm điều khiển bơm tích hợp thiết bị điều khiển khả trình PLC và trạm giám sát mạng truyền dẫn tuyến ông từ xa ở nhà điều hành được kết nối với nhau qua cáp quang theo chuẩn Ethernet. Trong đó,
- Các thiết bị đo thông số chất lượng nước như độ pH, độ đục, độ dẫn và đo lưu lượng, áp lực đường ống trong nhà máy kết nối với PLC S7300 của trạm điều khiển bơm chính qua tín hiệu dòng 4-20mA.
- Các thiết bị hiển thị số liệu tại bàn điều khiển MIMIC kết nối với PLC S7300 của trạm điều khiển bơm qua mạng truyền thông RS485.
- Thiết bị điều khiển PLC S7300 kết nối với biến tần qua mạng Profibus DP có khả năng điều khiển các máy bơm chính trong nhà máy theo áp lực đường ống bằng luật điều khiển PID.
- Hệ thống đo xa trên cơ sở PLC S7200, giám sát 03 thiết bị đo áp lực tại các đường ống cung cấp nước sạch và 08 thiết bị đo lưu lượng để giám sát mạng phân phối nước. Hệ thống này truyền dữ liệu với trạm giám sát ở nhà điều hành qua các modem và đường dây điện thoại cố định.
- Máy tính chủ tại trạm bơm giám sát và điều khiển hệ thống sản xuất nước sạch, kết nối với thiết bị điều khiển khả trình PLC S7300 qua mạng MPI.
- Máy tính chủ tại nhà điều hành giám sát mạng phân phối nước sạch, kết nối với thiết bị điều khiển khả trình PLC S7200 qua cáp PC/PPI.

Hình 5: Trung tâm SCADA giám sát và điều khiển trạm bơm chính


Hình 6: Sơ đồ điều khiển PI&D bể lọc cát

[thiquocvinh]

3.2. Mô hình điều khiển bể lọc
Hệ thống lọc cát gồm 10 bể lọc có thể hoạt động độc lập với 10 bàn điều khiển các van tuyến tính có góc mở 0-90o. Bộ trễ thời gian Timer được tích hợp với từng bàn điều khiển để xác định thời gian còn lại của chu kỳ rửa lọc. Bàn điều khiển cho phép điều khiển các van liên động với quá trình hoạt động của máy bơm rửa lọc và quạt gió.
Mức nước của bể lọc đo bằng cảm biến mức siêu âm được duy trì bằng bộ điều khiển thông minh, cho phép điều chỉnh mực nước theo giá trị đặt trước bằng cách điều khiển vị trí góc mở van xả nước xử lý theo thuật toán PID.
3.3. Mô hình điều khiển bơm bằng biến tần theo thuật toán PID
Thiết bị điều khiển khả trình PLC S7300 của Siemens sẽ điều khiển biến tần ABB qua mạng Profibus DP tự động điều chỉnh tốc độ bơm theo thuật toán PID để áp lực nước thực tế đo từ cảm biến áp lực tuyến ống theo áp lực nước đặt trước.

Hình 7: Mô hình điều khiển bơm nước sạch theo áp lực tuyến ống

4. Hệ phần mềm giám sát và điều khiển ES-WTPSCADA
Hệ phần mềm giám sát và điều khiển ES-WTPSCADA bao gồm:
- Phần mềm nhúng đo và điều khiển chạy trên PLC S7300 được phát triển bằng phần mềm lập trình Simatic Step7, có những chức năng chính: đo các thông số chất lượng nước thô, nước sạch và điều khiển các máy bơm chính, giám sát trạng thái máy bơm và lượng điện tiêu thụ, hiển thị số liệu trên các đồng hồ số của bàn điều khiển MIMIC.
- Phần mềm giám sát và điều khiển trên máy tính chủ tại trạm bơm chính được phát triển trên nền tảng hệ phần mềm SCADA WINCC.
- Phần mềm nhúng chạy trên PLC S7200 được phát triển bằng phần mềm lập trình MicroWin, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu áp lực và lưu lượng nước trên các tuyến ống cung cấp nước sạch.
- Phần mềm giám sát trên máy tính chủ tại nhà điều hành được phát triển trên nền tảng hệ phần mềm SCADA WINCC tích hợp với trình điều khiển PC Access đảm bảo kết nối truyền thông PLC S7200 và máy tính chủ.

Hình 8: Mô hình kết nối truyền thông các thiết bị điều khiển và máy tính chủ

4.1. Phần mềm giám sát và điều khiển trên máy tính chủ tại trạm bơm chính
Phần mềm giám sát và điều khiển trên máy tính chủ tại trạm bơm chính bao gồm các module chức năng sau:
- Màn hình điều khiển trạm bơm hiển thị sơ đồ công nghệ sản xuất nước sạch. Trong đó, các khu vực đo hiển thị các thông số cụ thể như: độ pH, độ đục, độ dẫn, lưu lượng nước đường ống.
- Màn hình biểu đồ thời gian thực hiển thị các giá trị đo.
- Màn hình biểu đồ dữ liệu lịch sử hiển thị số liệu đo từ cơ sở dữ liệu.
- Màn hình báo động thể hiện trạng thái báo động thời gian thực của các số liệu đo.
- Màn hình báo cáo số liệu lịch sử hiển thị bảng dữ liệu số liệu đo từ cơ sở dữ liệu.
- Màn hình báo cáo thống kê hiển thị thống kê dữ liệu của các số liệu đo đạc từ cơ sở dữ liệu.
- Màn hình máy bơm chính hiển thị quá trình điều khiển máy bơm cung cấp nước sạch cho mạng phân phối.
4.2. Phần mềm giám sát và điều khiển trên máy tính chủ tại nhà điều hành
Màn hình chính thể hiện sơ đồ mạng truyền dẫn tuyến ống cung cấp nước sạch gồm 08 điểm cần giám sát thông số áp lực và lưu lượng nước tuyến ống. Trong đó, có thể chọn bất kỳ điểm đo nào (Unit 1 – Unit 8), sẽ xuất hiện màn hình chi tiết của điểm đo đó.

Hình 9 : Màn hình giám sát và điều khiển trạm bơm chính


Hình 10: Màn hình giám sát mạng truyền dẫn tuyến ống cung cấp nước sạch

5. Kết luận
Hệ thống giám sát và điều khiển ES-WTPSCADA(tham khảo thông tin của sản phẩm tại http://www.embedded.com.vn/) góp phần nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành và đảm bảo chất lượng nước sạch cho nhà máy nước Cầu Nguyệt, đồng thời mang lại lợi ích to lớn cho cộng đồng dân cư sinh sống tại địa bàn quận Kiến An nói riêng và thành phố Hải Phòng nói chung. Đảm bảo nguồn nước sạch phục vụ sinh hoạt và sản xuất trên địa bàn góp phần tạo đà cho sự phát triển về kinh tế xã hội, nâng cao đời sống cho cư dân nơi đây góp phần đưa quận Kiến An trở thành đơn vị tiên phong, đi đầu trong mọi lĩnh vực của thành phố Hải Phòng.
Hệ thống ES-WTPSCADA là một trong những dự án do người Việt nghiên cứu thiết kế và triển khai thành công trên nền tảng công nghệ tiếp thu từ những hãng công nghệ hàng đầu trên thế giới như Siemens, ABB. Điều đó khẳng định giá trị chất xám của người Việt trong việc ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, an sinh xã hội và an ninh quốc phòng.

Phạm Ngọc Minh (Viện Công nghệ Thông tin, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội)
Email: [email protected]
Trần Vĩnh Phú, Trần Hậu Toàn (Công ty Ứng dụng Giải pháp công nghệ ASTEC)

Theo: Số 127 (6/2011)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay
http://automation.net.vn/Cong-nghe-U...AU-NGUYET.html