Một hệ SCADA xử lý nước thải không giống hệ cấp nước ở chỗ nó vừa phải điều khiển quá trình sinh học trong các bể, vừa phải xuất số liệu quan trắc cho cơ quan quản lý. Bài viết nêu điểm đo theo từng bể, cách dựng trạm quan trắc tự động, thiết bị Advantech tương ứng và phần hệ chống ngập đi kèm trong nhiều dự án hạ tầng nước.
Ba khối công việc trong một trạm xử lý nước thải
Khối thứ nhất là điều khiển quá trình. Bơm, máy thổi khí, máy khuấy và bơm định lượng hóa chất phải chạy theo tải nước vào chứ không chạy cố định. Khối thứ hai là quan trắc. Số liệu chất lượng nước đầu ra phải đo liên tục, lưu lại và truyền về cơ quan quản lý theo chu kỳ quy định. Khối thứ ba là báo cáo nội bộ: điện năng tiêu thụ, lượng hóa chất dùng, số giờ chạy từng máy để tính chi phí trên mỗi mét khối nước xử lý.
Ba khối này thường bị gộp vào một tủ trong các dự án nhỏ, rồi phát sinh vấn đề khi đoàn kiểm tra yêu cầu xuất số liệu gốc. Cách làm gọn hơn là tách đường số liệu quan trắc ra một nhánh riêng ngay từ khâu thiết kế, phần điều khiển vận hành chỉ đọc mà không ghi đè lên nhánh đó.
Điểm đo và điểm điều khiển theo từng bể
| Cụm công trình | Đại lượng đo | Thiết bị chấp hành |
|---|---|---|
| Hố thu và song chắn rác | Mực nước hố thu, trạng thái máy cào rác | Bơm chìm luân phiên, máy cào rác theo chênh mực nước |
| Bể điều hòa | Mực nước, lưu lượng bơm sang cụm xử lý | Bơm nâng chạy theo biến tần, máy khuấy chống lắng |
| Bể thiếu khí | Thế oxy hóa khử, nhiệt độ nước | Máy khuấy chìm, bơm tuần hoàn nước từ bể hiếu khí |
| Bể hiếu khí | Nồng độ oxy hòa tan, dòng điện máy thổi khí | Máy thổi khí theo biến tần, van phân phối khí |
| Bể lắng và bể chứa bùn | Chiều dày lớp bùn, nồng độ bùn tuần hoàn | Bơm bùn tuần hoàn, bơm bùn dư sang máy ép |
| Khử trùng và đầu ra | Lưu lượng ra, pH, chất rắn lơ lửng, nhu cầu oxy hóa học | Bơm định lượng hóa chất khử trùng theo lưu lượng |
Hai dòng cuối bảng là phần giao với hồ sơ môi trường. Giá trị lưu lượng ra phải cùng một nguồn với giá trị dùng để tính phí xả thải, nếu không thì số trên báo cáo và số trên màn hình vận hành lệch nhau mà không giải thích được.
Trạm quan trắc nước thải tự động
Trạm quan trắc là một tủ riêng đặt tại điểm xả cuối. Bên trong có các đầu đo chất lượng nước, một bộ thu thập số liệu và một đường truyền về máy chủ của cơ quan quản lý. Ba điểm cần chốt khi thiết kế phần này.
- Chu kỳ ghi và chu kỳ gửi là hai con số khác nhau. Trạm thường ghi giá trị theo phút và gửi bản tin tổng hợp theo khoảng thời gian dài hơn. Bộ thu thập phải lưu được toàn bộ giá trị đã ghi kèm mốc thời gian, vì đoàn kiểm tra có thể yêu cầu số liệu gốc chứ không chỉ số liệu tổng hợp.
- Đầu đo cần lịch hiệu chuẩn và cần ghi lại lần hiệu chuẩn. Nên dành một kênh vào số để nhận tín hiệu chế độ bảo trì, khi kỹ thuật viên rút đầu đo ra hiệu chuẩn thì hệ thống đánh dấu khoảng thời gian đó thay vì ghi nhận một giá trị bất thường.
- Đường truyền phải có bộ nhớ đệm. Mất mạng vài giờ là chuyện thường ở khu công nghiệp. Thiết bị tại trạm giữ số liệu trong bộ nhớ trong rồi gửi bù, tránh khoảng trống trên báo cáo tháng.
Về phần lớp phần mềm phía trên, cách phân biệt các thành phần của một hệ giám sát được mô tả ở bài phần mềm SCADA là gì, còn nhóm chỉ tiêu chất lượng nước có bài riêng là hệ thống giám sát chất lượng nước.
Thiết bị Advantech cho trạm xử lý nước thải
| Vai trò trong hệ | Model | Thông số theo tài liệu hãng | Lý do chọn |
|---|---|---|---|
| Đọc đầu đo chất lượng nước | ADAM-6017 | 8 kênh vào analog và 2 kênh ra số, nhận tín hiệu mV, V và mA, truyền Modbus TCP tốc độ 10/100 Mbps, có sẵn trang web cấu hình, tính được giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình ngay trên module | Phần lớn đầu đo pH, oxy hòa tan và độ đục xuất tín hiệu dòng 4 đến 20 mA |
| Đọc trạng thái và xuất lệnh chạy máy | ADAM-6060 | 6 kênh vào số và 6 kênh ra rơ le, đếm xung 32 bit tới 3 kHz, cách ly 2.000 VDC, nhiệt độ làm việc âm 40 đến 70 độ C, hỗ trợ Modbus TCP, TCP/IP, UDP và HTTP, có chức năng liên kết trực tiếp giữa hai module | Ra rơ le đấu thẳng vào mạch điều khiển bơm, không cần thêm khối trung gian |
| Bộ điều khiển cụm bể | APAX-5580 | Vi xử lý Intel Core i7, i3 hoặc Celeron thế hệ 4 tới 1,7 GHz với 4 GB hoặc 8 GB DDR3L, 2 cổng Gigabit, 4 cổng USB, 1 cổng RS-232/422/485, thân không quạt, hai đầu vào nguồn có hỗ trợ nguồn dự phòng, gộp cổng mạng dự phòng, pin đồng hồ thời gian thực tuổi thọ 10 năm | Chạy được vòng điều khiển liên tục cho máy thổi khí, hai đầu vào nguồn giữ hệ không dừng khi một nguồn hỏng |
| Đưa đồng hồ lưu lượng lên mạng | EKI-1221 | 2 cổng Ethernet 10/100 Mbps cho dự phòng mạng, ghép mạng Modbus TCP với Modbus RTU và ASCII, tốc độ tới 921,6 kbps, nhận 16 kết nối và 32 yêu cầu cùng lúc, 31 thiết bị tớ mỗi cổng nối tiếp, bảo vệ tĩnh điện 15 kV trên mọi tín hiệu nối tiếp | Đồng hồ lưu lượng và bộ phân tích chất lượng nước thường chỉ có cổng nối tiếp |
| Màn hình vận hành tại nhà điều hành | TPC-1551T | Màn hình 15 inch XGA, đèn nền tuổi thọ 50 nghìn giờ, vi xử lý Intel Atom E3827 1,75 GHz với 4 GB DDR3L, thân không quạt, dải nhiệt độ làm việc âm 20 đến 60 độ C, mặt trước đạt IP66 với bản phẳng và IP65 với bản không phẳng | Nhà điều hành trạm xử lý có hơi ẩm và hơi hóa chất, mặt trước kín nước là yêu cầu bắt buộc |
| Máy gom số liệu và chạy giám sát | UNO-2484G | Vi xử lý Intel Core i7, i5 hoặc i3 với 8 GB DDR4, 4 cổng Gigabit, 4 cổng USB 3.0, HDMI, DisplayPort 4K và 4 cổng RS-232/422/485, thân không quạt, tầng thứ hai gá thêm tới 4 mô-đun iDoor, có chip bảo mật TPM 2.0 | Bốn cổng mạng tách được mạng điều khiển, mạng quan trắc và mạng văn phòng |
| Hạ tầng mạng trong nhà máy | EKI-7710G-2C | 8 cổng Gigabit cộng 2 cổng combo đồng hoặc quang, vòng dự phòng phục hồi dưới 20 ms, hỗ trợ RSTP và STP, xác thực 802.1x với RADIUS, quản lý bằng SNMP v1/v2c/v3, hai đầu vào nguồn 12 đến 48 VDC và một ngõ ra rơ le báo lỗi | Ngõ ra rơ le báo lỗi đưa được sự cố mạng vào cùng hệ cảnh báo với sự cố công nghệ |
Hệ chống ngập và trạm bơm tiêu thoát nước
Nhiều dự án hạ tầng nước gộp luôn phần chống ngập vào cùng một trung tâm điều hành. Bài toán này khác trạm xử lý ở nhịp độ: số liệu mưa và mực nước kênh phải về nhanh, còn phần điều khiển chỉ có vài lệnh đóng mở cửa xả và chạy bơm tiêu.
Điểm khó nằm ở chỗ các trạm đo mưa và đo mực nước nằm rải rác, không có người trực, nhiều trạm dùng nguồn ắc quy kèm tấm pin. Với các trạm này, cấu hình gọn là một module vào ra đọc tại chỗ cộng một đường truyền không dây, không đặt máy tính tại trạm. Trung tâm mới là nơi chạy phần dự báo và ra quyết định vận hành. Cách bố trí tương tự cho mạng lưới cấp nước được trình bày trong bài giải pháp cho nhà máy cấp nước và trạm bơm xa.
Chọn thiết bị cho trạm xử lý nước thải
Bốn thông tin cần chuẩn bị trước khi lên danh mục vật tư: công suất trạm và số cụm bể cần điều khiển, danh mục chỉ tiêu quan trắc theo giấy phép môi trường, giao thức của các đầu đo và đồng hồ lưu lượng đã có, và yêu cầu về đường truyền số liệu tới cơ quan quản lý.
Module vào ra và bộ điều khiển nằm trong danh mục Embedded IoT Solutions, máy gom số liệu chọn trong nhóm máy tính không quạt. Trang sản phẩm của hai mã dùng nhiều nhất trong tủ quan trắc là ADAM-6017 và APAX-5580.
Phần kiến thức nền về cách phân loại máy theo môi trường lắp đặt nằm ở danh mục máy tính công nghiệp Advantech trên IPC247. Khi cần lọc model theo số cổng nối tiếp và điều kiện độ ẩm, dùng công cụ chọn máy theo yêu cầu lắp đặt rồi gửi kết quả kèm đề nghị báo giá.
Câu hỏi thường gặp về SCADA xử lý nước thải
Trạm quan trắc nước thải tự động cần đo những chỉ tiêu nào?
Nhóm chỉ tiêu bắt buộc thường gồm lưu lượng, pH, nhiệt độ, độ màu, chất rắn lơ lửng và nhu cầu oxy hóa học. Tùy ngành sản xuất mà cơ quan quản lý yêu cầu thêm chỉ tiêu đặc thù, ví dụ amoni với ngành thực phẩm hay kim loại nặng với ngành xi mạ. Danh mục chỉ tiêu quyết định số kênh analog cần chuẩn bị trong tủ.
Vì sao nên tách phần điều khiển bể và phần quan trắc thành hai tủ?
Hai phần có mục đích khác nhau. Tủ điều khiển bể phục vụ vận hành, được sửa chương trình khi đổi công nghệ xử lý. Tủ quan trắc phục vụ báo cáo, số liệu phải giữ nguyên trạng và có nhật ký truy cập. Tách hai tủ giúp việc sửa chương trình vận hành không đụng tới đường số liệu báo cáo.
Máy thổi khí và bơm bùn nên điều khiển theo tín hiệu gì?
Máy thổi khí điều khiển theo nồng độ oxy hòa tan trong bể hiếu khí, đặt dải giá trị thay vì một điểm để biến tần không dao động liên tục. Bơm bùn tuần hoàn chạy theo lưu lượng nước vào và theo nồng độ bùn trong bể lắng. Cả hai nên có chế độ chạy tay tại tủ để vận hành khi phần điều khiển tự động bị dừng.
Số liệu quan trắc bị gián đoạn khi mất mạng thì xử lý thế nào?
Bộ thu thập tại trạm phải ghi số liệu vào bộ nhớ trong kèm mốc thời gian và gửi bù khi đường truyền phục hồi. Khi chọn thiết bị nên xem thời gian lưu tối đa theo chu kỳ ghi thực tế của trạm. Ngoài ra cần đặt cảnh báo khi mất kết nối để bộ phận vận hành biết ngay chứ không phát hiện lúc làm báo cáo tháng.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
