Một hệ thống giám sát chất lượng nước chỉ có giá trị khi nó rút ngắn được khoảng thời gian từ lúc nước thay đổi tới lúc người vận hành biết. Cách làm cũ là lấy mẫu định kỳ rồi chờ kết quả phòng thí nghiệm, khoảng trống giữa hai lần lấy mẫu có thể kéo dài nhiều ngày. Bài viết đi vào phần kỹ thuật của một trạm đo liên tục: chọn chỉ tiêu, đọc tín hiệu cảm biến, cấp nguồn cho trạm ngoài trời và xử lý hiện tượng trôi.
Chỉ tiêu nào đo liên tục được, chỉ tiêu nào phải lấy mẫu
Không phải chỉ tiêu nào cũng có đầu đo chạy liên tục ngoài hiện trường. Phân nhóm dưới đây quyết định quy mô và giá của cả hệ.
| Nhóm | Chỉ tiêu | Cách lấy số liệu | Điều cần lưu ý |
|---|---|---|---|
| Đo liên tục, đầu đo phổ biến | Nhiệt độ, pH, độ dẫn điện, độ đục, ôxy hoà tan, mực nước | Đầu đo nhúng có bộ chuyển đổi, cho tín hiệu dòng hoặc Modbus | Cần lịch vệ sinh đầu đo, nhất là với độ đục và ôxy hoà tan |
| Đo liên tục, thiết bị chuyên dụng | Amoni, nitrat, clo dư, tổng chất rắn hoà tan | Thiết bị phân tích trực tuyến đặt trong tủ có bơm mẫu | Có phần tiêu hao hoá chất, phải tính chi phí vận hành theo năm |
| Chỉ số suy ra | Xu hướng thay đổi, cảnh báo lệch ngưỡng, tốc độ biến thiên | Tính từ chuỗi số liệu đã thu, không cần thêm đầu đo | Cần mốc thời gian chính xác, sai lệch đồng hồ làm sai kết quả |
| Chỉ lấy mẫu | Vi sinh, kim loại nặng, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật | Lấy mẫu và gửi phòng thí nghiệm | Dùng số liệu đo liên tục để chọn thời điểm lấy mẫu |
Cách phối hợp hợp lý là để trạm đo liên tục làm nhiệm vụ phát hiện bất thường, còn phòng thí nghiệm làm nhiệm vụ xác định. Một trạm bốn chỉ tiêu chạy đều đặn có ích hơn một trạm mười chỉ tiêu nhưng hỏng ba tháng một lần.
Một trạm đo tự động gồm bốn khối
- Khối lấy mẫu. Đầu đo nhúng trực tiếp trong dòng chảy, hoặc bơm mẫu về một buồng đo đặt trong tủ. Cách thứ hai dễ vệ sinh hơn nhưng thêm bơm và thêm điểm hỏng.
- Khối chuyển đổi tín hiệu. Mô-đun thu thập biến tín hiệu đầu đo thành số liệu số, đặt ngay trong tủ cạnh điểm đo.
- Khối xử lý và lưu. Máy tính không quạt gom số liệu các mô-đun, tính giá trị trung bình theo chu kỳ, kiểm ngưỡng và giữ lại số liệu khi mất liên lạc.
- Khối truyền và hiển thị. Đưa số liệu về phòng điều hành hoặc về cơ quan quản lý, kèm giao diện xem theo thời gian.
Trạm nhỏ có thể gộp khối ba và khối bốn vào cùng một máy. Trạm nhiều điểm đo nên tách, để việc thêm điểm đo không phải động vào phần đã chạy ổn định.
Đưa tín hiệu cảm biến về máy tính
| Tình huống tại điểm đo | Thiết bị | Đặc điểm theo tài liệu hãng |
|---|---|---|
| Nhiều đầu đo cho dòng 4~20 mA, tủ đặt ngoài trời, nhiệt độ cao | ADAM-4117 | 8 kênh vi sai cấu hình độc lập; nhận 0~150 mV tới ±15 V và 0~20 mA, 4~20 mA; phát hiện đứt mạch dải 4~20 mA; 16 bit; dải nhiệt -40 đến 85 độ C; nguồn 10~48 VDC; cách ly 3.000 VDC; chống xung 1 kV trên đầu vào nguồn |
| Điểm đo đã có mạng, muốn bỏ bước chuyển đổi nối tiếp | ADAM-6017 | 8 ngõ vào tương tự và 2 ngõ ra số trên nền Ethernet 10/100; nhận mV, V và mA; có sẵn trang web cấu hình; tính sẵn giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình |
| Bus RS-485 chạy dọc nhiều điểm đo trong khuôn viên | Mô-đun ADAM-4000 | Giao thức Modbus RTU và lệnh ASCII, tốc độ 1.200 tới 115,2 kbps, khoảng cách tuyến tới 1,2 km trên một bus |
| Máy gom số liệu đặt trong tủ trạm | UNO-2372G | Nền Intel Atom E3845 hoặc Celeron J1900 bốn nhân, không quạt, không dây nối bên trong; 2 cổng Gigabit, 4 cổng RS-232/422/485; gắn thanh ray hoặc gắn tường; tuỳ chọn mô-đun truyền thông di động |
Nguyên tắc chọn rất gọn: đếm số kênh tương tự cần đọc, cộng dự phòng hai kênh, rồi xem tủ đã có mạng chưa. Có mạng thì đi mô-đun Ethernet, chưa có thì đi bus RS-485.
Trạm đặt ngoài trời: nguồn nuôi và vỏ tủ
- Tính nguồn theo tháng ít nắng nhất. Trạm dùng tấm quang điện phải chịu được chuỗi ngày mưa liên tiếp, nên dung lượng ắc quy tính theo số ngày dự trữ chứ không theo mức tiêu thụ trung bình.
- Chọn thiết bị dải nhiệt rộng. Tủ kim loại phơi nắng có thể nóng hơn không khí bên ngoài hàng chục độ; mô-đun làm việc tới 85 độ C tạo biên an toàn thật sự.
- Chống ngưng tụ hơi nước. Tủ kín bên bờ nước có chênh lệch nhiệt ngày đêm lớn, hơi nước đọng trên bo mạch gây lỗi chập chờn khó tìm. Dùng gói hút ẩm hoặc bộ sấy nhỏ trong tủ.
- Đặt đầu đo ở nơi nước thật sự chảy. Đầu đo đặt trong vùng nước tù cho số liệu đẹp mà vô nghĩa.
- Chừa chỗ thao tác vệ sinh. Đầu đo nào cũng phải rút ra lau định kỳ; giá đỡ khó tháo là lý do phổ biến khiến lịch bảo trì bị bỏ.
Trôi cảm biến và cách đọc số liệu cho đúng
Sau vài tuần, đầu đo độ đục và ôxy hoà tan bắt đầu lệch do bám cặn. Trạm không có quy trình xử lý việc này sẽ dần mất niềm tin của người vận hành, vì mỗi lần cảnh báo lại là báo giả.
Ba việc giữ cho số liệu còn dùng được. Thứ nhất, đặt lịch vệ sinh và hiệu chuẩn theo loại đầu đo, ghi mốc hiệu chuẩn vào cùng cơ sở dữ liệu với số liệu đo. Thứ hai, đặt ngưỡng cảnh báo theo tốc độ biến thiên chứ không chỉ theo giá trị tuyệt đối, vì trôi thường diễn ra chậm còn sự cố thật thì đến nhanh. Thứ ba, giữ một điểm đo tham chiếu được hiệu chuẩn thường xuyên hơn để làm mốc so sánh cho các điểm còn lại.
Chọn thiết bị cho hệ thống giám sát chất lượng nước
Bốn thông tin cần có trước khi lên danh sách vật tư: danh sách chỉ tiêu bắt buộc theo quy định áp dụng cho cơ sở, số điểm đo và khoảng cách giữa chúng, nguồn điện sẵn có tại từng điểm, và nơi số liệu phải gửi tới. Có bốn con số đó thì phần chọn mô-đun và máy gom chỉ còn là việc đếm kênh.
Phần hệ giám sát cho nhà máy nước sạch nằm trong bài SCADA nhà máy cấp nước, còn phần nước thải và trạm quan trắc đầu ra có trong bài SCADA xử lý nước thải. Kiến thức nền về máy tính công nghiệp dùng cho trạm đo có tại chuyên mục Advantech trên IPC247. Khi cần chọn máy gom số liệu đặt trong tủ, dùng công cụ chọn máy theo nhu cầu để lọc theo dải nhiệt, số cổng nối tiếp và kiểu gắn.
Câu hỏi thường gặp về hệ thống giám sát chất lượng nước
Đo liên tục có thay được việc lấy mẫu gửi phòng thí nghiệm không?
Không thay được, nhưng đổi được vai trò của việc lấy mẫu. Đo liên tục cho biết nước đang thay đổi vào lúc nào, còn phòng thí nghiệm cho biết nước chứa chất gì và ở nồng độ bao nhiêu. Trạm đo tự động thường được dùng để quyết định thời điểm lấy mẫu, nhờ đó số mẫu giảm mà vẫn bắt được sự kiện.
Cảm biến chất lượng nước cho ra tín hiệu kiểu gì?
Phần lớn đầu đo công nghiệp có bộ chuyển đổi kèm theo, cho ra dòng 4~20 mA hoặc số liệu Modbus RTU trên RS-485. Một số đầu đo điện cực cho ra điện áp mức milivôn và cần bộ khuếch đại riêng. Xác định đúng kiểu tín hiệu trước khi chọn mô-đun thu thập, vì mỗi kiểu cần một loại ngõ vào khác nhau.
Mô-đun nào đọc được nhiều loại tín hiệu tương tự nhất?
ADAM-4117 có tám kênh vi sai cấu hình độc lập, nhận dải điện áp từ 0~150 mV tới ±15 V và dòng 0~20 mA hoặc 4~20 mA, độ phân giải 16 bit, có phát hiện đứt mạch cho dải 4~20 mA và làm việc trong dải -40 đến 85 độ C. Cần đưa số liệu thẳng lên Ethernet thì dùng ADAM-6017 với tám ngõ vào tương tự và hai ngõ ra số.
Trạm đo đặt ngoài trời lấy điện ở đâu?
Ba cách theo thứ tự ưu tiên: kéo điện lưới nếu điểm đo nằm trong khuôn viên nhà máy, dùng tấm quang điện kèm ắc quy nếu điểm đo nằm trên kênh hoặc bờ sông, và dùng nguồn lưới có ắc quy dự phòng cho trạm phải chạy liên tục. Cách thứ hai phải tính công suất theo số giờ nắng thấp nhất trong năm chứ không theo trung bình.
Vì sao số liệu trôi dần sau vài tuần chạy?
Do màng và điện cực của đầu đo bị bám cặn hoặc bám sinh vật, và do bản thân điện cực lão hoá. Đây là hiện tượng bình thường, xử lý bằng lịch vệ sinh và hiệu chuẩn định kỳ. Phần mềm nên lưu lại mốc hiệu chuẩn để khi đọc lại số liệu cũ còn biết giá trị nào thuộc chu kỳ nào.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
