Đồ án Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp

. i DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO ...................................................................... v DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO ........................................................................... viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO .................................................... ix LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... x NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................. xi LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................................... 1 1.1. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam .................................................... 1 1.2. Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam ................................................................. 2 1.2. Mục đích chọn đề tài ...................................................................................................... 5 1.3. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................................... 5 1.4. Giới hạn của đề tài .......................................................................................................... 6 1.5. Các ứng dụng của đề tài ................................................................................................. 6 1.6. Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................................... 6 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................ 8 2.1. Đề xuất sơ đồ nguyên lý ................................................................................................. 8 2.2. Đề xuất sơ đồ khối điều khiển ........................................................................................ 9 2.3. Phương án thiết kế ........................................................................................................ 10 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................................... 12 3.1. Bộ lọc đĩa ...................................................................................................................... 12 3.1.1. Cấu tạo bộ lọc đĩa ................................................................................................... 12 3.1.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 13 i 3.1.3. Thông số kỹ thuật ................................................................................................... 15 3.1.4. Ưu điểm .................................................................................................................. 15 3.2. Quá trình siêu lọc .......................................................................................................... 16 3.2.1. Cấu tạo màng siêu lọc ............................................................................................ 16 3.2.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 17 3.3.3. Các chế độ lọc ........................................................................................................ 19 3.2.4. Ưu điểm .................................................................................................................. 24 3.3. Quá trình lọc thẩm thấu ngược ..................................................................................... 26 3.3.1. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược ........................................................................ 26 3.3.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 27 3.3.3. Ưu điểm của lọc thẩm thấu ngược ......................................................................... 28 3.4. PLC Mitsubishi FX2N – 48MT .................................................................................... 29 3.4.1. Tổng quan về PLC ................................................................................................. 29 3.4.2. PLC FX2N-48MT của hãng mitsubishi ................................................................... 32 3.5. Mô đun FX2N – 4AD .................................................................................................... 36 3.5.1. Cấu tạo mô đun FX2N – 4AD ................................................................................. 36 3.5.2. Kết nối với PLC ..................................................................................................... 37 3.6. HMI INVT .................................................................................................................... 39 3.6.1. Tổng quan về HMI ................................................................................................. 39 3.6.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 40 3.7. Van điện từ ................................................................................................................... 41 3.7.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 41 3.7.2. Cấu tạo van điện từ ................................................................................................ 42 3.7.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 42 ii 3.8. Cảm biến áp suất .......................................................................................................... 43 3.8.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 43 3.8.2. Cấu tạo ................................................................................................................... 43 3.9. Động cơ bước ............................................................................................................... 45 3.9.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 45 3.9.2. Cấu tạo động cơ bước ............................................................................................ 46 3.10. Công tắc điện phao nước ............................................................................................ 46 3.10.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 46 3.10.2. Cấu tạo công tắc điện phao nước ......................................................................... 47 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ................................................................ 48 4.1. Thiết kế hệ thống lọc .................................................................................................... 48 4.1.1. Tính toán và thiết kế bộ lọc thẩm thấu ngược ........................................................ 48 4.1.2. Lựa chọn và thiết kế màng siêu lọc ........................................................................ 51 4.1.3. Kiểm nghiệm thiết kế hệ thống bằng phần mềm WAVE của hãng Dupont. ......... 53 4.1.4. Thiết kế mô hình 3D hệ thống xứ lý nước cấp ...................................................... 57 4.1.5. Bản vẽ 2D hệ thống xử lý nước cấp ....................................................................... 59 4.2. Thiết kế hệ thống điện và lập trình ............................................................................... 60 4.2.1. Thiết kế hệ thống điện ............................................................................................ 60 4.2.2. Lập trình điều khiển hệ thống ................................................................................ 65 4.3. Thiết kế bộ van áp suất ................................................................................................. 68 4.4. Thực hiện mô hình, mô phỏng hệ thống ...................................................................... 69 4.5. Quy trình vận hành ....................................................................................................... 71 4.4.1. Điều khiển tự động ................................................................................................. 72 4.4.2. Điều khiển bằng tay ............................................................................................... 74 iii CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................................. 77 5.1. Kết quả đề tài ................................................................................................................ 77 5.2. Sản phẩm của đề tài ...................................................................................................... 77 5.3. Tính hiệu quả của đề tài................................................................................................ 78 5.4. Hướng phát triển đề tài ................................................................................................. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 79 1. Tài liệu truyền thống ....................................................................................................... 79 2. Tài liệu điện tử ................................................................................................................. 79 PHỤ LỤC 1. KẾT QUẢ XÉT NGHIỆM MẪU NƯỚC SINH HOẠT Ở BẾN TRE ............ 80 PHỤ LỤC 2. CHƯƠNG TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ................... 82 PHỤ LỤC 3. BẢN VẼ 2D BỐ TRÍ THIẾT BỊ ...................................................................... 87 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO Hình 1.1. Sơ ồđ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức ............................................ 4 Hình 2.1. Sơ ồđ nguyên lý hệ thống xử lý nước cấp ................................................................ 8 Hình 2.2. Sơ ồđ khối điều khiển hệ thống ................................................................................ 9 Hình 3.1. Bộ lọc đĩa ................................................................................................................ 12 Hình 3. 2. Hoạt động của bộ lọc đĩa ....................................................................................... 13 Hình 3. 3.Rửa ngược bộ lọc đĩa .............................................................................................. 14 Hình 3. 4. Quy trình xử lý nước qua bộ lọc đĩa ...................................................................... 14 Hình 3. 5. Kích thước bộ lọc đĩa ............................................................................................. 15 Hình 3. 6. Màng siêu lọc là tập hợp các ống PVDF ............................................................... 16 Hình 3. 7. Nguyên lý của màng siêu lọc ................................................................................. 17 Hình 3. 8. Sơ đồ các chế độ lọc .............................................................................................. 19 Hình 3. 9. Quá trình xử lý nước qua màng siêu lọc ............................................................... 19 Hình 3. 10. Quá trình rửa khí .................................................................................................. 20 Hình 3. 11. Quá trình xả áp suất sau khi rửa khí .................................................................... 21 Hình 3. 12.Quá trình rửa ngược phía trên ............................................................................... 21 Hình 3. 13.Quá trình rửa ngược phía dưới .............................................................................. 22 Hình 3. 14. Quá trình rửa xuôi ................................................................................................ 22 Hình 3. 15. Quá trình rửa CEB phía trên ................................................................................ 23 Hình 3. 16. Quá trình rửa CEB phía dưới ............................................................................... 23 Hình 3. 17. Chế độ rửa định kỳ tại chổ CIP ............................................................................ 24 Hình 3. 18. Sidney Loeb và mô hình màng áp suất thẩm thấu chậm ..................................... 26 Hình 3. 19. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược ..................................................................... 27 Hình 3. 20. Thẩm thấu và thấm rthấu ngược .......................................................................... 27 Hình 3. 21. Cấu trúc của PLC ................................................................................................. 31 Hình 3. 22. PLC Mitsubishi FX2N - 48MT - 001 .................................................................. 32 Hình 3. 23. Sơ đồ các chân của PLC FX2N – 48MT ............................................................. 33 Hình 3. 24. Sơ đồ nối source dây thiết bị ngoại vi và PLC .................................................... 36 Hình 3. 25. Mô đun FX2N – 4AD .......................................................................................... 36 v Hình 3. 26. Màn hình HMI VT-070 ........................................................................................ 39 Hình 3. 27. Van điện từ ........................................................................................................... 41 Hình 3. 28. Cấu tạo van điện từ .............................................................................................. 42 Hình 3. 29. Cảm biến áp suất .................................................................................................. 43 Hình 3. 30. Cảm biến áp suất dạng áp điện trở (dạng màng) ................................................. 44 Hình 3. 31. Cảm biến áp suất kiểu tụ ...................................................................................... 45 Hình 3. 32. Động cơ bước ....................................................................................................... 46 Hình 4. 1. Quy trình xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt ........................................................ 48 Hình 4. 2. Phần mềm WAVE ................................................................................................. 54 Hình 4. 3. Cài đặt các thông số nguồn nước cấp .................................................................... 55 Hình 4. 4. Cài đặt các thông số màng UF ............................................................................... 55 Hình 4. 5. Cài đặt các thông số màng lọc RO ......................................................................... 56 Hình 4. 6. Kết quả thiết kế UF bằng phần mềm WAVE ........................................................ 56 Hình 4. 7. Kết quả thiết kế RO từ phần mềm WAVE ............................................................ 57 Hình 4. 8. Phần mềm INVENTOR thiết kế 3D ...................................................................... 58 Hình 4. 9. Mô hình 3D hệ thống nhìn từ phía trước ............................................................... 58 Hình 4. 10. Phần mềm vẽ 2D AutoCAD ................................................................................ 59 Hình 4. 11. Phần mềm thiết kế tủ điện EPLAN ...................................................................... 61 Hình 4. 12. Sơ đồ các khối của điều khiển và truyền động .................................................... 62 Hình 4. 13. Mạch truyền động ................................................................................................ 63 Hình 4. 14. Mạch điều khiển ................................................................................................... 64 Hình 4. 15. Phần mềm GX Developer .................................................................................... 65 Hình 4. 16. Lưu đồ chọn chế độ hoạt động ............................................................................. 65 Hình 4. 17. Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động ................................................................... 66 Hình 4. 18. Phần mềm VT Designer ....................................................................................... 67 Hình 4. 19. Thiết kế màn hình khởi động HMI ...................................................................... 67 Hình 4. 20. Sơ đồ truyền động van áp suất ............................................................................. 68 Hình 4. 21. Bộ van áp suất ...................................................................................................... 68 vi Hình 4. 22. Hàn khung mô hình .............................................................................................. 69 Hình 4. 23. Lập trình và nạp vào PLC .................................................................................... 69 Hình 4. 24. Lắp đặt tủ điện ..................................................................................................... 70 Hình 4. 25. Lập trình và nạp cho màn hình HMI.................................................................... 70 Hình 4. 26. Màn hình cài đặt hệ thống .................................................................................... 73 Hình 4. 27. Màn hình chế độ tự động - Automatic ................................................................. 73 Hình 4. 28. Màn hình chế độ điều khiển bàng tay – Manual .................................................. 74 Hình 4. 29. Kết nối thiết bị để rửa hóa chất định kỳ ............................................................... 76 Hình 5. 1. Mô hình thử nghiệm hệ thống ................................................................................ 77 vii DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO Bảng 1. 1. Tiêu chuẫn cấp nước theo đầu người theo TCXDVN 33:2006 ............................... 1 Bảng 1. 2. So sánh các nguồn nước và QCVN 02:2009/BYT .................................................. 2 Bảng 3. 1. Ưu điểm của lọc đĩa ............................................................................................... 15 Bảng 3. 2. Ưu điểm của PLC .................................................................................................. 30 Bảng 3. 3. Đặc tính kỹ thuật của PLC FX2N ......................................................................... 33 Bảng 4. 1. Các thiết bị sử dụng ............................................................................................... 60 Bảng 4. 2. Trạng thái của các thiết bị trong từng quy trình .................................................... 71 Bảng 4. 3. Thời gian hoạt động của các quá trình .................................................................. 72 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều UL UltraFiltation Siêu lọc RO Reverse Osmosis Thẩm thấu ngược TCXDVN Tiêu chuẫn xây dựng Việt Nam QCVN Quy chuẫn Việt Nam BYT Bộ Y Tế PLC Programmable Logical Controller Chương trình điều khiển tự động có lập trình HMI Human Machine Interface thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị 2D Two Dimension 2 chiều 3D Three Dimension 3 chiều LAD Ladder Ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa A/D Analog/Digital Chuyển đối tín hiệu tương tự/tín hiệu số CPU Central Processing Unit Đơn vị điều khiển trung tâm RAM Random Access Memory Bộ nhớ lưu trữ tạm thời ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc EPROM Erasable Programmable Read Bộ nhớ chỉ đọc chương trình Only Memory xóa được I/O Input/Output Ngõ vào/Ngõ ra TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hòa tan PVDF Poly Vinylidene Fluoride CEB Chemically Enhanced Backwash Rửa ngược bằng hóa chất CIP Clean in place Chế độ rửa định kỳ ix LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Công Nghệ Kỹ Thuật và Nông Nghiệp Công Nghệ Cao, những người đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích cho em trong 4 năm học vừa qua. Những kiến thức này là nền tảng cũng như những hành trang vô cùng quý báu để chúng em phát triển sau này. Sau quá trình học tập và rèn luyện nghiệm túc, cùng với sự hướng dẫn và đôn đốc tận tình của giảng viên Trần Thái Sơn, chúng em đã hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Đại học. Và em cũng xin chân thành cảm ơn Công ty TNHH Hiệp Lực Và Phát Triển Việt cũng như toàn thể nhân viên đã hỗ trợ, hướng dẫn nhiệt tình, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài tại công ty. Trong quá trình thiết kế, chế tạo, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo đề tài nghiên cứu do chưa có nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên bài báo cáo không thể tránh khỏi có nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp các thầy, để em học hỏi thêm được nhiều kinh nghiệm và sẽ hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp. ., ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực hiện Dương Chí Tuấn Trịnh Minh Hiếu x NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................... ., ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) xi LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, việc gia tăng dân số, công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng nên như cầu về nước ngọt và vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm và đảm bảo sức khỏe con người đã và đang trở thành vấn đề nóng bỏng và cấp thiết. Chính vì vậy, việc cung cấp nguồn nước cấp sạch đã trở thành nhu cầu cấp thiết của người dân trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như của các doanh nghiệp trong quá trình lao động sản xuất. An nình nguồn nước đang trở nên ngày càng cấp thiết với mọi quốc gia và vấn đề bảo vệ nguồn nước sạch hiện là thách thức của cả nhân loại Ở nước ta, đặc biệt là vùng đồng bằng Sông Cửu Long thì vấn đề cấp nước sinh hoạt cho người dân đang gặp nhiều khó do việc nguồn nước mặt hiện nay đang bị nhiễm mặn trầm trọng. Tuy sinh sống trong vùng đồng bằng ngập nước vào mùa lũ nhưng người dân lại bị thiếu nước vào mùa hạn do xâm nhập mặn, đặc biệt là do tác động của quá trình biến đổi khí hậu và tác động của con người như việc ngăn đập thủy điện, lưu giữ nước ở vùng thượng nguồn sông Mê Công. Tình trạng hạn mặn hằng năm luôn diễn ra ở miền Tây tuy nhiên năm nay nó lại đến sớm và diễn biến phức tạp hơn khiến người dân ở đây thiếu nước sinh hoạt trầm trọng. Với mong muốn hỗ trợ, đáp ứng một phần nhu cầu nước sinh hoạt cho người dân ở đây, chúng tôi đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l/h”. Với công nghê lọc màng sẽ giúp hệ thống nhỏ gọn, dễ dàng lắp và ít chiếm diện tích, đáp ứng nhu cầu cung cấp nguồn nước sạch một nhanh chóng, an toàn cho cho người dân. Một phần cũng là vì luân văn tốt nghiệp là một thứ rất có ý nghĩa đối với bất kỳ sinh viên nào. Nó là thành quả kết tinh từ tất cả những kiến thức mà sinh viên đã được học, được chau chuốt rèn luyện ở trường. Trong quá trình thực hiện đề tài nhóm chúng tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của thầy Trần Thái Sơn và thầy Nguyễn Văn Hòa. Thầy đã cho chúngtôi nhiều ý tưởng cũng như đóng góp nhiều ý kiến vô cùng quan trong để tháo gỡ những nút thắt mà chúng tôi gặp phải khi trong quá trình thực hiện đề tài này. xii Tôi rất mong muốn đề tài này được đón nhận một cách mạnh mẽ, cũng như đóng góp ý kiến để đề tài ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn. Và chúng tôi có một ước mơ không xa là có thể đem nước sạch đến mọi nơi trên đất nước Việt Nam. Nội dung báo cáo đồ án tốt nghiệp gồm 5 chương: Chương 1. Tổng quan Chương 2. Phương án thiết kế hệ thống Chương 3. Cơ sở lý thuyết Chương 4. Thiết kế, chế tạo hệ thống Chương 5. Kết quả và hướng phát triển của đề tài xiii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt ở Việt Nam Trước tình hình đô thị hóa ngày càng nhanh chóng ở Việt Nam vì việc đưa nước sạch đến từng hộ gia đình đang là vấn đề cấp thiết. Chương trình cung cấp nước sạch được đưa vào chương trình mục tiêu quốc gia của chính phủ [1], yêu cầu các địa phương phải có kế hoạch hành động cụ thể và thực thi nghiêm túc để đảm bảo cung cấp đủ nước sạch cho người dân. Tình hình cung cấp nước sạch cho cuộc sống sinh hoạt của người dân cũng như cho các hoạt động sản xuất kinh doanh tại Việt Nam trong những năm gần đây đã có những bước tiến triển mạnh mẽ, về cơ bản đã đáp ứng được nhu cầu của đại bộ phận xã hội. Tuy nhiên, để có thể đáp ứng được nhu cầu nước sạch cho toàn xã hội, đồng thời đảm bảo quá trình tái tạo nguồn nước ngày càng khan hiếm trong quá trình Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa hiện nay đòi hỏi sự chung tay vào cuộc của các cấp, các ngành có liên quan và của toàn thể xã hội. Theo TCXDVN 33:2006 của Bộ Xây Dựng thì tiêu chuẫn dùng nước theo đầu người đươc quy định như sau: Bảng 1. 1. Tiêu chuẫn cấp nước theo đầu người theo TCXDVN 33:2006 Tiêu chuẩn cấp nước tính theo đầu người Đối tượng dùng nước (ngày trung bình trong năm) 1/người.ngày Thành phố lớn, thành phố du lịch, 200-250 nghỉ mát, khu công nghiệp lớn. Thành phố, thị xã vừa và nhỏ, khu 150-200 công nghiệp nhỏ Thị trấn, trung tâm công - nông 80-120 nghiệp, công - ngư nghiệp. Nông thôn 25 - 50 1 Tuy nhiên việc đảm bảo nước sinh hoạt cho người dân, đặc biệt là khu vực đồng bằng Sông Cửu Long gặp nhiều khó khăn khi hằng năm đều bị hạn mặn dẫn đến thiếu nguồn nước sạch để cung cấp. Tình hình xâm nhập mặn ở các tỉnh ven biển miền Tây từ cuối năm 2019 đến nay diễn ra khốc liệt và sớm hơn so với những năm khác nên người dân đang bị thiếu nước sinh hoạt trầm trọng, phải đi mua nước từ xa rất khó khăn. Đó cũng chính là lý do chúng tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp công suất 1000 l/h”. 1.2. Tổng quan về ngành xử lý nước ở Việt Nam Nguồn nước trước xử lý để tạo ra nguồn nước sạch cấp cho sinh hoạt, sản xuất thường là nước mặt (ao, hồ, sông, suối...) và nước ngầm (nước dưới đất). Bảng thống kê dưới đây sẽ cho thấy các đặc điểm thường thấy của các thông số của nguồn nước ngầm, nước mặt trước xử lý: Bảng 1. 2. So sánh các nguồn nước và QCVN 02:2009/BYT Nước ngầm là nguồn nước có nhiều điểm thuận lợi cho việc cung cấp nước sinh hoạt khi có ộđ đục thấp, nhiệt độ và các thành phần hóa học ít thay đổi. Trong nước ngầm không chứa rong, tảo là các yếu tố dễ gây ô nhiễm nguồn nước nhưng chúng lại chứa các tạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, các quá trình phong hóa, sinh hóa. Nhưng 2 nhìn chung nước ngầm có các điều kiện thuận lợi cho vấn đề cấp nước nhưng đay lại là nguồn nước không thể tái tạo hoặc khả năng tái tạo hạn chế nên ngu...hực hiện về nồng độ của nước cam và nước ép cà chua. Ưu điểm của nó bao gồm chi phí vận hành thấp hơn và khả năng tránh các quá trình xử lý nhiệt, khiến nó phù hợp với các chất nhạy cảm với nhiệt như protein và enzyme có trong hầu hết các sản phẩm thực phẩm. 3.4. PLC Mitsubishi FX2N – 48MT 3.4.1. Tổng quan về PLC Sự xuất hiện máy tính vào những năm đầu thập niên 60, đã ỗh trợ con người làm việc tốt hơn trong nhiều lĩnh vực từ kinh tế, y tế, giáo dục, quốc phòng đến nhiều lĩnh vực khác như hàng không, vũ trụ. Với sự đòi hỏi của con người, những nhà nghiên cứu không dừng lại ở đó, nhiều thiết bị, phần mềm ra đời chuyên phục vụ cho ngành công nghiệp, tính năng ưu biệt luôn được nâng cao. Một trong những thiết bị phải kể đến đó là bộ PLC. PLC là từ viết tắt của Programmable Logical Controller (chương trình điều khiển tự động có lập trình), chương trình này được lưu trữ trong bộ nhớ ROM và được nạp vào thông qua máy vi tính. Trong PLC chức năng bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình, chương trình này được nạp vào bộ nhớ PLC. Khi đó PLC sẽ thực hiệnquá trình điều khiển dựa vào chương trình đã được nạp sẵn. Cấu trúc và sơ đồ đấu dây của bộ điều khiển không phụ thuộc vào chức năng hay quá trình hoạt động. Tất cả các linh kiện cần thiết cho việc thiết kế mạch đều được lập trình sẵn trong bộ PLC như: cảm biến, công tắc, nút nhấn, tế bào quang điện, và các cơ cấu chấp hành như cuộn dây, đèn tín hiệu, bộ định thì, role trung gian, đều được nối vào PLC. Nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trình công nghệ ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ PLC. Điều này rất tiện ích 29 cho các kỹ sư thiết kế. Với khả năng ứng dụng và nhiều ưu điểm nổi bậc, PLC ngày càng thâm nhập sâu rộng trong nền sản xuất. Khái niệm bộ điều khiển lập trình PLC là ý tưởng của nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển như sau: - Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợp trong các nhà máy công nghiệp. - Cấu trúc dạng Module dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa. - Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất của các nhà máy công nghiệp. - Sử dụng các linh kiện bán dẫn nên phải có kích thước nhỏ gọn hơn mạch role mà chức năng vẫn tương đương. - Giá cả cạnh tranh. Bảng 3. 2. Ưu điểm của PLC Chỉ tiêu Role Mạch số Máy tính PLC so sánh Giá thành Khá thấp Thấp Cao Thấp Kích thước vật lý Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn Tốc độ điều khiển Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh Khả năng chống Rất tốt Tốt Khá tốt Tốt nhiễu Mất thời gian thiết Mất thời gian Lập trình phức tạp Lập trình và lắp Lắp đặt kế và lắp đặt. để thiết kế. và tốn thời gian. đặt đơn giản. Có thể điều khiển Không có Có Có Có các tác vụ phức tạp. Thay đổi, nâng cấp Rất khó Khó Khá đơn giản Rất đơn giản và điều khiển. Công tác bảo trì Kém Kém Kém Tốt Theo bảng so sánh ta nhận thấy được bộ điều khiển lập trình PLC với những ưu điểm về phần cứng và phần mềm có thể đáp ứng được hầu hết các yêu cầu chỉ tiêu. 30 Hình 3. 21. Cấu trúc của PLC Cấu trúc của PLC được phân thành các phần như sau: CPU, bộ nhớ và khối xuất/nhập. CPU (Central Processing Unit) hay đơn vị điều khiển trung tâm là bộ vi xử lý thực hiện các lệnh trong bộ nhớ chương trình. Nhập dữ liệu ở ngõ vào, xử lý chương trình, nhớ chương trình, xử lý các kết quả trung gian và các kết quả này được truyền trực tiếp đến cơ cấu chấp hành để thực hiện chương trình xuất dữliệu ra các ngõ ra. Bộ nhớ (Memory) của PLC dùng để chứa chương trình số liệu, đơn vị nhỏ nhất là bit. Bộ nhớ là vùng nắm giữ hệ điều hành và vùng nhớ của người sử dụng. Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau. Để PLC có thể hoạt động được, cần thiết phải có bộ nhớ để lưu trữ chương trình. Đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác như vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất - nhập được gọi là RAM xuất -nhập, lưu trữ tạm thời các trạng thái của các chức năng bên trong: các bộ định thì(Timer), các bộ đếm (Counter), các Rơle. Bộ nhớ gồm có các loại sau đây: - Bộ nhớ chỉ đọc (ROM: Read Only Memory) ROM không phải là bộ nhớ khả biến, nó có thể lập trình chỉ được một lần. Do đó nó không thích hợp cho việc điều khiển “mềm” của PLC, và nó ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác. - Bộ nhớ ghi đọc (RAM: Random Access Memory) Bộ nhớ của PLC là CMOSRAM, tiêu tốn năng lượng khá ít, và được cấp pin dự phòng khi mất nguồn. Nhờ đó ữd liệu sẽ không bị mất. 31 - Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được (EPROM: Erasable Programmable Read Only Memory) lưu trữ dữ liệu giống như ROM, tuy nhiên nội dung của có thể đượcxóa đi nếu bị ảnh hưởng của tia tử ngoại. Khi đó phải viết lại chương trình cho bộ nhớ. - Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được bằng điện (EEPROM: Electric Erasable Programmable Read Only Memory) Nội dung trên EEPROM có thể bị xóa và lập trình bằng điện, tuy nhiên chỉ giới hạn một số lần nhất định. Khối xuất – nhập đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa vi mạch điện tử bên trong PLC với mạch ngoài. Module nhập nhận tín hiệu từ cảm biến và đưa vào CPU, module xuất đưa tín hiệu điều khiển từ CPU ra cơ cấu chấp hành. Mọi hoạt động xử lý tín hiệu từ bên trong PLC có mức điện áp từ 5 ÷ 15 VDC, trong khi tín hiệu bên ngoài có thể lớn hơn nhiều. Ta có nhiều loại ngõ ra như: ngõ ra dùng role, ngõ ra dùng transistor, ngõ ra dùng triac. Ngoài ra còn có hệ thống tập hợp các dây dẫn kết nối các module trong PLC gọi là BUS, đây là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều tín hiệu song song. 3.4.2. PLC FX2N-48MT của hãng mitsubishi Hình 3. 22. PLC Mitsubishi FX2N - 48MT - 001 32 FX2N là một trong những dòng PLC có tính năng mạnh nhất trong dòng FX. Nó được trang bị tất cả các tính năng của dòng FX1N, nhưng tốc độ xử lý được tăng cường, thời gian thi hành các lệnh cơ bản giảm xuống cỡ 0.08us. FX2N thích hợp với các bài toán điều khiển với số lượng đầu vào ra trong khoảng 16 - 128 đầu vào ra, trong trường hợp cần thiết FX2N có thể mở rộng đến 256 đầu vào ra. Tuy nhiên, trong trường hợp mở rộng số lượng I/O lên 256, FX2N sẽ làm mất lợi thế về giá cả và không gian lắp đặt của FX2N. Bộ nhớ của FX2N là 8Kstep, bộ nhớ RAM có thể mở rộng đến 16Kstep cho phép thực hiện các bài toán điều khiển phức tạp. Ngoài ra, nó còn được trang bị các hàm xử lý PID với tính năng tự chỉnh, các hàm xử lý số thực cùng đồng hồ thời gian thực tích hợp sẵn bên trong. FX2N – 48MT Hình 3. 23. Sơ đồ các chân của PLC FX2N – 48MT Bảng 3. 3. Đặc tính kỹ thuật của PLC FX2N MỤC ĐẶC ĐIỂM GHI CHÚ Xử lý chương trình Thực hiện quét chương trình tuần hoàn Phương pháp xử lý Cập nhật ở đầu và cuối chu kì Có lệnh làm tươi ngõ ra vào/ra (I/O) quét (khi lệnh END thi hành) Đối với các lệnh cơ bản: 0,08µs Thời gian xử lý lệnh Đối với các lệnh ứng dụng: 1,52 ¸ khoảng 100 µs Có thể tạo chương trình Ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ Ladder và Instruction loại SFC bằng Stepladder Dung lượng chương 8000 bước RAM Có thể chọn bộ nhớ trình Tối đa 16000 bước RAM/EPROM/EEPROM Số lệnh cơ bản: 27 Có tối đa 298 lệnh ứng Số lệnh Số lệnh Ladder: 2 dụng được thi hành Số lệnh ứng dụng: 128 33 Cấu hình Vào/Ra (I/O) Phần cứng có tối đa 256 ngõ Vào/Ra, tùy thuộc vào người sử dụng Rơ le Thông thường Số lượng: 500 Từ M0 ¸ M499 phụ trợ Chốt Số lượng: 2572 Từ M500 ¸ M3071 (M) Đặc biệt Số lượng: 256 Từ M8000 ¸ M8255 Thông thường Số lượng: 490 Từ S10 ¸ S499 Rơ le Chốt Số lượng: 400 TS500 ¸ S899 trạng thái Khởi tạo Số lượng: 10 (tập con) Từ S0 ¸ S9 (S) Khai báo Số lượng: 100 Từ S900 ¸ S999 Khoảng định thì: 0 ÷ 3276,7 giây 100 mili giây Từ T0 ¸ T199 Số lượng: 200 Khoảng định thì: 0 ÷ 327,67 giây Bộ định 10 mili giây Từ T200 ¸ T245 Số lượng: 46 thì Timer 1 mili giây duy Khoảng định thì: 0 ÷ 32,767 giây (T) T246 ¸ T249 trì Số lượng: 4 100 mili giây Khoảng định thì: 0 ÷ 3276,7 giây T250 ¸ T255 duy trì Số lượng: 6 Thông thường Khoảng đếm: 1 đến 32767 Từ C0 ¸ C99 16 bit Số lượng: 100 Loại: bộ đếm lên 16 bit Khoảng đếm: 1 đến 32767 Từ C100 ¸ C199 Chốt 16 bit Số lượng: 100 Loại: bộ đếm lên 16 bit Bộ đếm Khoảng đếm: -2.147.483.648 đến Từ C200 ¸ C219 Thông thường (C) 2.147.483.647 Loại: bộ đếm lên/xuống 32 bit Số lượng: 35 32 bit Khoảng đếm: -2.147.483.648 đến Từ C220 ¸ C234 Chốt 32 bit 2.147.483.647 Loại: bộ đếm lên/xuống Số lượng: 15 32 bit 1 pha Khoảng đếm: -2.147.483.648 đến Từ C235 ¸ C240 2.147.483.647 Bộ 1 pha hoạt 1 pha: - Tối đa 60kHz cho phần đếm tốc động bằng ngõ Từ C241 ¸ C245 cứng của HSC (C235, C236, C246) độ cao vào - Tối đa 10kHz cho phần (HSC) Pha A/B mềm của HSC (C237 ¸ C245, Từ C251 ¸ C255 C247 ¸ C250) 34 2 pha: - Tối đa 30kHz cho phần cứng của HSC (C251) - Tối đa 5kHz cho phần mềm của HSC (C252 ¸ C255) Từ D0 ¸ D199 Loại: cặp thanh ghi lưu trữ Thông thường Số lượng: 200 dữ liệu 16 bit dùng cho thiết bị 32 bit Từ D200 ¸ D7999 Loại: cặp thanh ghi lưu trữ Chốt Số lượng: 7800 dữ liệu 16 bit dùng cho thiết Thanh bị 32 bit ghi dữ Từ D1000 ¸ D7999 liệu (D) Tập tin Số lượng: 7000 Loại: thanh ghi lưu trữ dữ liệu 16 bit Từ D8000 ¸ D8255 Số lượng: 256 (kể cả D8030, Đặc biệt Loại: thanh ghi lưu trữ dữ D8031) liệu 16 bit Từ V0 ¸ V7 và Z0 ¸ Z7 Chỉ mục Số lượng: 16 Loại: thanh ghi dữ liệu 16 bit Dùng với lệnh Số lượng: 128 Từ P0 ¸ P127 Con trỏ CALL (P) Dùng với các Có 6 ngõ vào, 3 bộ định thì, 6 bộ ngắt đếm Số Dùng với lệnh mức lồng Số lượng: 8 Từ N0 ¸ N7 MC/MCR nhau (N) Thập phân 16 bit: -32768 đến 32767 (K) 32 bit: -2.147.483.648 đến 2.147.483.647 Thập lục phân 16 bit: 0000 đến FFFF Hằng số (H) 32 bit: 00000000 đến FFFFFFFF 32 bit: 0. ±1,175 × 1038, ±3,403 × 1038 Điểm nổi (dữ liệu không thể nhập vào trực tiếp) 35 Hình 3. 24. Sơ đồ nối source dây thiết bị ngoại vi và PLC 3.5. Mô đun FX2N – 4AD 3.5.1. Cấu tạo mô đun FX2N – 4AD Hình 3. 25. Mô đun FX2N – 4AD 36 Khối chức năng đặc biệt tín hiệu tương tự FX2N - 4AD có bốn kênh đầu vào và các kênh đầu vào này chỉ nhận tín hiệu tương tự sau đó chuyển đổi chúng thành một giá trị tín hiệu kỹ thuật số. Quá trình chuyển đối tín hiệu này được gọi là chuyển đổi A/D. FX2N- 4AD có độ phân giải tối đa 12 bit. Ngõ vào của mô đun có thể nhận tín hiệu dòng 4 đến 20mA (độ phân giải: 20 휇A) hoặc tín hiệu áp -10 đến 10V DC (độ phân giải: 5mV). FX2N-4AD có thể được kết nối với Bộ điều khiển lập trình PLC để truyển dữ liệu từ cảm biến về PLC để xử lý. FX2N-4AD truyền dữ liệu về PLC bằng cách trao đổi bộ nhớ đệm. Mô đun FX2N – 4AD có 32 bộ nhớ đệm (mỗi 16 bit) và nó chiếm 8 điểm I / O trên bus mở rộng FX2N có thể được phân bổ từ một trong hai đầu vào hoặc đầu ra. Tín hiệu tương tự được nhận thông qua một dây cáp được bảo vệ bởi cặp xoắn. Cáp này được nối riêng với đường dây điện hoặc bất kỳ đường dây nào khác để tránh việc bị nhiễu điện từ những đường dây khác. Để sử dụng đo đầu vào hiện tại, phải kết nối các đầu nối V + và I + với nhau. 3.5.2. Kết nối với PLC Mô đun chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số có thể tự động kết nối với PLC và tự động nhận địa chỉ theo vị trí mô đun so với PLC. Đô đun FX2N-4AD gần PLC nhất sẽ được ghi nhận là K0, các mô đun tiếp theo sẽ lấy lần lượt là 1,2,3,4,5,6, Để lựa chọn kênh của môn đun ta thao tác qua các thanh ghi. Quá trình được thực hiện bởiviệc thiết lập 4 ký tự theo giá trị hexa HOOOO trong bộ nhớ đệm BFM # 0. Các ký tự có thể được cài đặt theo mẫu sau: - O = 0: preset range (-10 V tới 10V) - O = 1: preset range (4mA tới 20mA) - O = 2: preset range (-20mA tới 20mA) - O = 3: tắt kênh Ví dụ: H3310 CH1: Phạm vi đặt trước (-10V đến + 10V) CH2: Phạm vi đặt trước (+ 4mA đến + 20mA) CH3, CH4: TẮT kênh 37 Các lệnh làm việc với mô đun FX2N-4AD: Lệnh viết dữ liệu TO: | TO | m1 | m2 | n Gõ trực tiếp câu lệnh theo cấu trúc trên, trong đó: + TO là tên lệnh + m1 là địa chỉ của Module theo thứ tự như mục số 5 đã nêu trên. + m2 là địa chỉ của thanh ghi cần kết nối tới, là các thanh ghi ở mục 4 đã nêu trên. + S là dữ liệu để viết vào thanh ghi. S có thể là hằng số hoặc dữ liệu dạng thanh ghi data trong PLC. + n là số thanh ghi được viết trong lệnh, tính từ địa chỉ m2. Lệnh đọc dữ liệu FROM: FROM | m1 | m2 | D | n | Trong đó: + FROM là tên lệnh + m1 là địa chỉ của Module theo thứ tự như mục số 5 đã nêu trên. + m2 là địa chỉ của thanh ghi cần kết nối tới, hay chính là chỉ số thanh ghi ở mục 4 đã nêu trên. + D là dữ liệu lưu kết quả giá trị sau khi đọc từ Module lên. D là các dạng dữ liệu kiểu thanh ghi trong PLC. + n là số thanh ghi sẽ đọc lên trong lệnh, tính từ địa chỉ m2. 38 3.6. HMI INVT 3.6.1. Tổng quan về HMI Hình 3. 26. Màn hình HMI VT-070 HMI là từ viết tắt của Human Machine Interface, nghĩa là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị. Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người “giao tiếp” với một máy móc qua 1 màn hình giao diện đều được gọi là HMI. Màn hình HMI hiện nay đã quá quen thuộc với con người. Đặc biệt trong ngành công nghiệp. Nó đóng vai trò vô cùng quan trọng trong phần giao tiếp giữa người và máy. Phần cứng HMI bao gồm thân vỏ, khung, các thiết bị vi mạch điện tử Những chi tiết phần cứng cụ thể và chức năng của chúng bao gồm: - Màn hình: Có chức năng cảm ứng để người vận hành có thể chạm tay vào để điều khiển các thao tác trên đó như 1 điện thoại Smartphone hiện đại mà chúng ta hay dùng hàng ngày. Ngoài ra màn hình còn dùng để hiển thị các trạng thái cũng như các tín hiệu hoạt động của máy và thiết bị tùy thuộc vào nhu cầu người dung và do người lập trình Code lên. - Các phím bấm - Chip: chính là CPU của màn hình - Bộ nhớ chương trình: ROM, RAM, EPROM/Flash 39 3.6.2. Nguyên lý hoạt động Việc nắm được nguyên lý hoạt động của HMI rất có ý nghĩa đối với lập trình và ứng dụng nó trong quá trình tự động hóa. HMI là giao diện là giao diện vận hành của máy và người thông qua PLC (Programmable Logic Controller). Các thiết bị này được kết nối với nhau bằng các cáp tín hiệu. Người dùng sẽ thao tác nhấn nút trên màn hình hoặc thực hiện việc cài đặt thông số thì các tín hiệu sẽ được gửi về PLC. Lúc này PLC sẽ điều khiển dây chuyền, máy móc hoạt động. Và quá trình ngược lại nghĩa là các máy móc, dây chuyền sẽ gửi tín hiệu phản hồi, trạng thái hoạt động hoặc những thông số có liên quan sẽ hiển thị lên màn hình HMI.Thông qua các PLC. Lúc này, người dùng có thể điều khiển và giám sát toàn bộ quá trình. Nếu sai sót hoặc sự cố xảy ra, người ta có thể kịp thời điều chỉnh để tránh tổn thất. Truyền thông sẽ bao gồm cả 2 phần đó là các cổng truyền thông, giao thức truyền thông: - Giao thức truyền thông phổ biến gồm: CANbus, MPI, PPI, PROFIBUS, Modbus - Cổng truyền thông gồm: USB, RS232, Ethernet, RS485. Tùy thuộc vào model cũng như thiết kế của từng hãng sản xuất mà HMI sẽ có những đặc điểm riêng. 40 3.7. Van điện từ 3.7.1. Giới thiệu Hình 3. 27. Van điện từ Van điện từ còn được gọi với cái tên solenoid valve. Đây là một thiết bị cơ điện, dùng để kiểm soát dòng chảy chất khí hoặc lỏng dựa vào nguyên lí chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ. Thiết kế van điện từ khí nén có cơ chế đóng mở nhanh, độ bền cao, hoạt động ổn định, tốn ít năng lượng, thiết kế nhỏ gọn, cấu tạo lại vô cùng đơn giản. Nhiệm vụ hết sức quan trọng và cần thiết của chúng là mở, đóng, trộn, phân chia dầu thủy lực từ bơm thủy lực | hoặc khí nén của máy nén khí. Chính vì vậy, đây là thiết bị thiết bị thừa hành được ứng dụng rất nhiều trong các thiết kế liên quan đến những hệ thống khí nén, gas lạnh, đặc biệt ứng dụng nhiều nhất trong các hệ thống nước. Dựa vào cấu tạo và hệ thống mà nó áp dụng người ta sẽ đặt những tên phù hợp như: van điện từ hệ thống khí nén, van điện từ khí nén, van điện từ nước, van điện từ hệ thống điều hòa, v...còn nếu trường hợp van có thể tự động đóng ởm , sẽ được gọi là van điện từ tự động. 41 3.7.2. Cấu tạo van điện từ 1. Thân van: Làm bằng đồng hoặc inox, 6. Dây điện được nỗi kết với nguồn nhựa... điện bên ngoài 2. Môi chất: khí (khí nén, gas,) hay chất 7. Trục van làm kín bình thường lò xo lỏng (nước, dầu) ở số 8 sẽ tác động ép kín, làm cho van 3. Ông rỗng (lưu chất chưa qua) ở trạng thái đóng) 4. Vỏ ngoài cuộn hít (để bảo vệ cuộn điện) 8. Lò xo 5. Cuộn từ (Cuộn dây từ) 9. Khe hở để lưu chất đi qua Hình 3. 28. Cấu tạo van điện từ 3.7.3. Nguyên lý hoạt động Về cơ bản thì nguyên lý hoạt động của van điện từ hoạt động theo 1 nguyên lý chung. Có 1 cuộn điện, trong đó có 1 lõi sắt và 1 lò xo nén vào lõi sắt, trong khi đó, lõi sắt lại tỷ lên đầu 1 giăng bằng cao su. Bình thường nếu không có điện thì lò so ép vào lõi sắt, van sẽ ở trạng thái đóng. Nếu chúng ta tiếp điện, tức là cho dòng điện chạy qua, cuộn dây sinh từ trường sẽ tác động làm hút lõi sắt ra, từ trường này có lực đủ mạnh để thắng được lò so, lúc này vẫn mở ra. Hầu hết các loại van điện từ thường đóng van điện từ phổ biến nhất được hoạt động dựa vào nguyên lí này. Nguyên lý hoạt động của các van điện từ thường mở cũng hoạt động trên nguyên lí tương tự như thế. 42 3.8. Cảm biến áp suất 3.8.1. Giới thiệu chung Hình 3. 29. Cảm biến áp suất Cảm biến áp suất hiện nay đang được sử dụng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như lò hơi, thủy lực, nước uống đóng chai, các loại máy hút chân không...với các thang đo thường dùng như 2,5bar, 4bar, 6bar, 10bar, 16bar, 25bar, 40bar, 250bar, 400bar mã hàng loại thường là PA-21%, loại màng là PR-25Y, loại đo mức nước là PR26Y... Cảm biến áp suất là một thiết bị dùng để đo áp lực trong đường ống, bồn...từ đó người ta lấy tín hiệu để điều khiển các thiết bị khác. Cấu tạo cảm biến bao gồm một màng bằng inox, ceramic...tùy thuộc vào từng hãng và một board mạch để chuyển đổi áp suất sang tín hiệu điện. Một khái niệm khác nữa đó là thiết bị đo kiểm tra áp suất cho không gian lắp đặt nó với độ nhạy cao bởi nó không sử dụng nguyên lý hoạt động Cơ mà theo cơ chế tín hiệu điện. 3.8.2. Cấu tạo Một cảm biến áp suất thường có hai phần chính cảm biến và khối xử lý. Cảm biến là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện về khối xử lý. Khối xử lý có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm 43 biến thực hiện các xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20 mA (tín hiệu thường được sử dụng nhất) , 0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC, 1 ~ 5 VDC. Tùy vào từng loại cảm biến là cách thức hoạt động cũng khác nhau, có loại hoạt động dựa trên sự biến dạng vật liệu để làm sự thay đổi điện trở, loại thì thay đổi điện dung, loại thì sử dụng vật liệu áp điện, trong đó dạng áp điện trở và kiểu điện dung là được sử dụng nhiều nhất. Có hai kiểu cảm biến hiện được sử dụng là cảm biến áp suất dạng áp điện trở và Cảm biến áp suất kiểu tụ. Hình 3. 30. Cảm biến áp suất dạng áp điện trở (dạng màng) Cảm biến áp suất dạng áp điện trở có cấu tạo gồm 1 lớp màn rất nhạy với áp suất, dc cấy trên các phần tử áp điện trở. Hoạt động với nguyên tắc khi có tác động của lực áp suất lên màn, màn sẽ bị biến dạng, các áp điện trở cũng sẽ thay đổi tùy theo sự biến cong của màn. cụ thể giá trị các áp điện trở song song với cạnh màng giảm thì giá trị các áp điện trở vuông góc với cạnh màng tăng và ngược lại khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra khác 0. Sự thay đổi áp điện trở đó chuyển tín hiệu đến bộ sử lý và ra được tín hiệu cần đo. Cảm biến áp suất liểu tụ có nguyên lý hoạt động đơn giản hơn dựa vào giá trị của điện dung để xác định áp suất. Điện dung của tụ được thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách 44 của cực tụ. Nguyên lý áp kế điện dung được áp dụng, khi có áp suất tác động vào lớp màng làm lớp màng bị biến dạng đẩy bản cực lại gần với nhau hoặc kéo bản cực ra xa làm giá trị của tụ thay đổi, dựa vào sự thay đổi điện dung này qua hệ thống xử lý người ta có thể xác định được áp suất cần đo. Hình 3. 31. Cảm biến áp suất kiểu tụ 3.9. Động cơ bước 3.9.1. Giới thiệu chung Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rô to có khả năng cố định rô to vào các vị trí cần thiết. Động cơ bước là một loại động cơ mà chúng có thể quy định được góc quay của nó. Ví dụ một động cơ bước 1,8 độ/bước quay hết 1 vòng 360 độ thì mất 200 bước (gọi là FULL STEP). Các chế độ quay nhiều xung thì động cơ quay sẽ êm hơn. 45 3.9.2. Cấu tạo động cơ bước Hình 3. 32. Động cơ bước Tương tự các loại động cơ điện khác, động cơ bước có cấu tạo 2 phần gồn Rotor và Stator. Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cữu được xếp chồng lên nhau một cách cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại chia thành các cặp cực xếp đối xứng nhau. Stato được tạo bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây. 3.10. Công tắc điện phao nước 3.10.1. Giới thiệu chung Phao điện hay còn gọi với nhiều tên khác là van phao điện, phao bồn nước, phao điện máy bơm, phao bơm nước tự động, phao điện chống tràn, phao điện chống cạn, phao bể nước, công tắc điện phao nước, công tắc mực nước, phao chống cạn..., là một thiết bị sử dụng phổ biến để thực hiện việc điều khiển máy bơm nước tự động theo nhu cầu của người sử dụng. 46 Hình 3. 33. Công tắc điện phao nước 3.10.2. Cấu tạo công tắc điện phao nước Hình 3. 34. Cấu tạo công tắc điện phao nước 47 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG 4.1. Thiết kế hệ thống lọc Các thông số thiết kế hệ thống: 3 − Lưu lượng nước đầu ra: Qp= 1 m /h − Loại nước cấp: sử dụng nước mặt (nước lợ) có hàm lượng muối từ 1 đến 10000 ppm. − Nhiệt độ: 25oC = 298oF Hình 4. 1. Quy trình xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt 4.1.1. Tính toán và thiết kế bộ lọc thẩm thấu ngược Quá trình lọc màng thẩm thấu ngược có thể tách 1 dòng thành 2 dòng riêng biệt: dòng thấm và dòng đậm đặc. Dòng thấm là phần chất lỏng đi qua màng chỉ chứa nước sạch tinh khiết, trong khi dòng đậm đặc là dòng chứa những phân tử bị giữ lại ở màng. Hệ thống được thiết kế xử lý cấp từ nguồn sông hồ, đặc biệt là đáp ứng nhu cấp nước cho người dân vùng Đồng bằng Sông Cửu Long nên chọn lựa màn lọc RO dùng cho xử lý nước lợ có mã DOW BW30LE-4040 có thông số kỹ thuật sau: − Loại màng: Màng lọc vật liệu tổng hợp polyamide − Nhiệt độ hoạt động tối đa: 113oF (45oC) − Áp suất hoạt động tối đa: 600 psi (41 bar) − Lưu lượng đầu vào tối đa: 16gpm (3,6 m3/h) 48 − Giảm áp suất tối đa: 15 psig (1 bar) − Phạm vi pH hoạt động liên tục: 2 – 11 − Phạm vi pH làm sạch ngắn hạn: 1 – 12 − Chỉ số mật độ phù sa đầu vào tối đa: SDI 5 − Chỉ số gốc muối Clorua tự do: <0,1 ppm − Hệ số thẩm thấu của màng: 0,135 − Lưu lượng dòng thẩm thấu tối đa: 0,3625 m3/h − Diện tích màng: 7,6 m2 − Tỷ lệ thu hồi: 15% − Độ sụt áp qua màng*: 1 bar − Lưu lượng dòng đậm đặc tối thiểu*: 4 gpm (0,91 m3/h) (* tham số đối chiếu thực nghiệm từ màng CSM RE4040 – BLN) 4.1.1.1. Tính áp suất thẩm thấu của màng Áp suất thẩm thấu 휋 của dung dịch có thể được xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo nồng độ muối hòa tan trong dung dịch: 휋 = 푅푇퐶푛 = 0,082 × 298 × 0,17 × 2 = 7,8 (푏푎푟) Trong đó: − 휋 là áp suất thẩm thấu (bar) − R = 0,082 bar/mol.oK là hằng số khí lý tưởng − T là nhiệt độ tuyệt đối (K) − 푛 là số ion chất tan trong dung dịch − C là nồng độ mol của chất tan (mol/l) 49 4.1.1.2. Áp suất cấp cho hệ thống hoạt động Ta có lưu lượng dòng thẩm thấu thu được theo công thức: ∆푃푓푐 푄 = 퐴 × 푆 × (푃 − − 푃 − 휋) 푓 2 푃 Trong đó: − Q: Lưu lượng dòng thẩm thấu (m3/h) − A: hệ số thẩm thấu của màng − S: diện tích màng (m2) − 푃푓: áp suất hoạt động của hệ thống (bar) − ∆푃푓푐: độ sụt áp qua màng (bar) − 푃푃: áp suất dòng thẩm thấu (bar) − 휋: áp suất thẩm thấu (bar) Từ đó suy ra ta có công thức tính chọn áp suất hoạt động của hệ thống: 푄 ∆푃푓푐 1 1 푃 = + + 푃 + 휋 = + + 0 + 7,8 = 9,27 (푏푎푟) 푓 퐴 × 푆 2 푃 0,135 × 7,6 2 4.1.1.3. Tính toán số màng cần sử dụng Ta có công thức tính số màng sử dụng khi kết nối các màng song song: 푄 1 푁 = = = 3,7 (푚푎̀푛푔) 0,75 × 푄푒 0,75 × 0,3625 Chọn số màng là số nguyên ➔ N = 4 màng Trong đó: − N: số màng sử dụng − Q: Lưu lượng dòng thẩm thấu (m3/h) 3 − 푄푒: Lưu lượng dòng thấm tối đa của từng màng (m /h) 50 4.1.1.4. Lưu lượng cấp cho hệ thống Lưu lượng cấp cần thiết cho hệ thống: 3 푄푓 = 푁 × 푄푐 + 푄 = 4 × 0.91 + 1 = 4,64 (m /h) Trong đó: 3 − 푄푓: Lưu lượng cấp (m /h) − N: số màng sử dụng − Q: Lưu lượng dòng thẩm thấu (m3/h) 3 − 푄푐: Lưu lượng dòng đậm đặc tối đa của từng màng (m /h) 3 Với lưu lượng cần thiết là Qf = 4,64 m /h thì ta chọn loại bơm trục đứng BL4-12S có thông số kỹ thuật như sau: − Công suất: 2,2 kW − Điện áp: 220V − Lưu lượng: 1,5 – 6 m3/h − Cột áp: 75 – 11 m − Áp lực hoạt động tối đa: 30 bar − Nhiệt độ tối đa: 70oC 4.1.2. Lựa chọn và thiết kế màng siêu lọc Bộ màng siêu lọc được thiết kế để xử lý cho ra nước đạt tiêu chuẫn về nước sinh hoạt theo Bộ y tế. Lựa chọn màng lọc UF có mã SFD-2660 có các thông số kỹ thuật sau: − Loại màng: vật liệu tổng hợp PVDF − Thông lượng: 40 – 120 l/m2/h − Lưu lượng: 1,3 – 4 m3/h − Nhiệt độ hoạt động 1 – 40 oC − Áp suất tối đa trong mô đun: 6,25 bar − Áp suất khí tối đa: 12 nm3/h − Độ pH hoạt động: 2 – 11 − Diện tích màng: 33 m2 51 Nguyên lý hoạt động cơ bản của siêu lọc sử dụng sự phân tách do áp suất của các chất hòa tan từ dung môi thông qua màng bán thấm. Mối quan hệ giữa áp suất tác dụng lên dung dịch cần tách và lưu lượng qua màng được mô tả phổ biến nhất theo phương trình Darcy: 푇푀푃 푄푈퐹 = 휇푅푡 Trong đó: − 푄푈퐹 là lưu lượng dòng chảy qua màng − TMP là áp suất xuyên màng (chênh lệch áp suất giữa dòng cấp và dòng thấm) − μ là độ nhớt dung môi − Rt là tổng trở của màng và chất bẩn. Phương trình tính TMP là 푝푓 + 푝푟 푇푀푃 = − 푝 2 푝 Trong đó − 푝푓: áp suất tiền lọc − 푝푟: áp suất trở lại − 푝푝: áp lực nước thải − TMP thường khoảng 100-150 mmHg. Tuy nhiên, màng lọc UF của hãng DOW được thiết kế với lưu lượng được bảo toàn 100% qua màng và được làm sạch bởi các quy trình rửa màng theo khuyến cáo của nhà sản xuất DOW. Vì vạy theo thông số kỹ thuật mạng ta lựa chọn bơm như sau: Chọn bơm cấp UF là bơm JEXM 100 có thông số kỹ thuật: − Nhiệt độ hoạt động tối đa: 75oC − Công suất: 750W-220V/1P/50Hz − Tốc độ: 2900 vòng/phút − Lưu lượng: Max. 4.2 m3/h Min 2.4 m3/h − Tổng cột áp: Max. 43 mH2O Min. 25 mH2O 52 Chọn bơm rửa ngược cho UF là bơm JEXM 150 có thông số kỹ thuật: − Nhiệt độ hoạt động tối đa: 75oC − Công suất: 1100W-220V/1P/50Hz − Tốc độ: 2900 vòng/phút − Lưu lượng: Max. 4.8 m3/h Min 2.4 m3/h − Tổng cột áp: Max. 51 mH2O Min. 29,5 mH2O 4.1.3. Kiểm nghiệm thiết kế hệ thống bằng phần mềm WAVE của hãng Dupont. 4.1.3.1. Giới thiệu phần mềm WAVE Thiết kế quá trình xử lý nước thường đòi hỏi sử dụng nhiều hơn một công nghệ để đạt được chất lượng mong muốn. Hầu hết các phần mềm cho thiết kế nhà máy xử lý nước không cho phép chúng ta tối ưu hóa các hệ thống đa công nghệ mà đòi hỏi các phần mềm riêng biệt và nhiều thời gian hơn để thiết lập và quản lý. Water Application Value Engine (WAVE) là chương trình phần mềm mô hình hóa tích hợp đầy đủ đầu tiên của ngành để tích hợp ba công nghệ hàng đầu - siêu lọc (UF), thẩm thấu ngược (RO) và trao đổi ion (IX) - thành một công cụ toàn diện. Sử dụng một giao diện chung, nó đơn giản hóa quy trình thiết kế và cuối cùng giúp giảm thời gian cần thiết để quản lý hệ thống xử lý nước. Phần mềm WAVE là một công cụ tính toán mạnh mẽ với các thiết kế từ đơn giản đến phức tạp với độ chính xác cao. Chỉ cần nhập giá trị đầu vào cho hầu hết các tham số và phần mềm sẽ tự động tính toán, tạo ra một bản thiết kế tối ưu nhất cho hệ thống. 53 4.1.3.2. Kiểm nghiệm thiết kế hệ thống bằng phần mềm WAVE Hình 4. 2. Phần mềm WAVE Bước 1: Nhập thông số nguồn nước cấp vào “Water Type” Bước 2: Chọn các công nghệ lọc sử dụng ở bảng “Technologies” và kéo ra giữa màn hình Bước 3: Nhập lưu lượng nước thu được vào ô “Product Water” Bước 4: Cài đặt các thông số nguồn nước cấp trong mục “Water Sub-type” trong tab “Feed Water” Bước 5: Cài đặt các thông số màng lọc UF Bước 6: Cài đặt các thông số màng lọc RO Bước 7: Chọn tab “Summary Report” để nhận kết quả tính toán 54 Hình 4. 3. Cài đặt các thông số nguồn nước cấp Hình 4. 4. Cài đặt các thông số màng UF 55 Hình 4. 5. Cài đặt các thông số màng lọc RO Hình 4. 6. Kết quả thiết kế UF bằng phần mềm WAVE 56 Hình 4. 7. Kết quả thiết kế RO từ phần mềm WAVE Một số kết quả đề xuất thiết kế từ phần mềm: − Lưu lượng cấp: 4 m3/h − Áp suất hệ thống RO: 11 bar − Số lượng màng RO: 4 − Lưu