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

101 trang thiennha21 14/04/2022 9272

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_thiet_ke_che_tao_he_thong_xu_ly_nuoc_cap.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế, chế tạo hệ thống xử lý nước cấp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT VÀ NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP Chuyên ngành: Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: ThS. Trần Thái Sơn Sinh viên thực hiện: Dương Chí Tuấn - 16032377 Trịnh Minh Hiếu - 16031416 Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 4 năm 2020
MỤC LỤC MỤC LỤC 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 nguồn nước này không được khuyến khích khai thác với trữ lượng lớn. Hiện này nguồn nước mặt là tài nguyên chính để khai thác phục vụ nước cấp sinh hoạt. Phần lớn các nguồn nước thiên nhiên đều không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng cho các đối tượng dùng nước. Chính vì vậy, trước khi đưa nước vào sử dụng cần phải tiến hành xử lý chúng. Nhìn chung, quá trình xử lý nước cấp chủ yếu sử dụng các biện pháp sau: - Biện pháp cơ học: gồm các công trình như hồ chứa và lắng sơ bộ, song chắn rác, lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc - Biện pháp hóa học: dùng phèn làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hóa nước, sử dụng chất oxy hóa mạnh, sử dụng clo để khử trùng - Biện pháp lý học: dùng các tia vật lý để khử trùng nước như tia tử ngoại, sóng siêu âm, điện phân nước biển để khử muối, khử khí CO2 hòa tan trong nước bằng phương pháp làm thoáng. Trong thực tế, để đạt được mục đích xử lý một nguồn nước nào đó một cách kinh tế và hiệu quả nhất phải thực hiện quá trình xử lý bằng sự kết hợp của nhiều phương pháp. Sự kết hợp các biện pháp xử lý với nhau phải theo một quy trình, một công nghệ thích hợp với các công đoạn xử lý. Mỗi công đoạn được thực hiện bằng các công trình đơn vị khác nhau với các chức năng và cấu tạo khác nhau. Phương pháp được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước cấp hiện nay là lọc lắng. Nước cấp được bơm tuần tự qua các bể lọc và lắng để xử lý các chất bặn bã trong nước. Lắng là quá trình làm sạch cơ bản trong công nghệ xử lý nước. Nước cần xử lý được đưa vào bể và giữ lại đó trong suốt quá trình làm việc. Nhờ diện tích tiết diện bể lớn, tốc độ dòng chảy nhỏ mà quá trình xảy ra trong bể gần như ở trạng thái tĩnh. Dưới tác dụng của lực trọng trường, các hạt cặn có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng của nước bao quanh nó sẽ tự lắng xuống. Quá trình lọc nước sau đó được sử dụng để tách các hạt lơ lửng nhỏ và các vi sinh vật không loại được trong quá trình lắng ra khỏi nước. Nước được cho đi qua 3
lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi sinh vật trong nước. Hình 1.1. Sơ đồ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức Phương pháp lọc lắng có một vài hạn chế như chưa phù hợp để xử lý nước bị nhiễm mặn và nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng như chì, thủy ngân, cadimi, crom, mangan Bên cạnh đó, để xây dựng một hệ thống xử lý nước như trên tốn rất nhiều chi phí, thời gian, diện tích trong quá trình xây dựng cũng như vận hành. Một phương pháp mới ngày càng được áp dụng rộng rãi chính là công nghệ lọc màng. Công nghệ màng là một thuật ngữ chung cho một số quy trình phân tách rất đặc trưng khác nhau. Bộ lọc màng hoạt động như một rào cản để tách các chất gây ô nhiễm khỏi nước hoặc chúng loại bỏ các hạt gây ô nhiễm nước. Thẩm thấu ngược, siêu lọc và lọc nano đều sử dụng màng trong các quá trình lọc khác nhau của chúng. Các quá trình này là cùng loại, bởi vì trong mỗi chúng, một màng được sử dụng. Màng được sử dụng ngày càng thường xuyên hơn để tạo ra nước xử lý từ nước ngầm, nước mặt hoặc nước thải. Lực lượng chính của công nghệ màng là thực tế là nó hoạt động mà không cần thêm hóa chất, với việc sử dụng năng lượng tương đối thấp và tiến hành quy trình dễ dàng và được sắp xếp tốt. 4
1.2. Mục đích chọn đề tài Hiện nay, mặc dù chương trình cung cấp nước sạch đã được thực hiện mạnh mẽ nhưng vẫn chưa đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch sinh hoạt của người dân, đặt biệt là ở khu vực nông thôn, vùng ven biển và hải đảo. Chúng tôi chọn đề tài với mong muốn đem nước sạch đến cho tất cả mọi người. Hệ thống được thiết kế sử dụng công nghệ màng siêu lọc và thẩm thấu ngược với nhiều ưu điểm như: - Lọc gần như hoàn toàn muối, các kim loại nặng trong nước. - Nước sau khi xử lý qua hệ thống đảm bảo QCVN 01:2009/BYT về nước uống. - Kích thuớc của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên không tốn mặt bằng lắp đặt. - Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công. - Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất và sử dụng phương pháp lọc cơ học nên không làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước. - Vật liệu của màng lọc không xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết trong suốt quy trình xử lý. - Có thể thay thế được nhiều quá trình hóa lý truyền thống: lọc, chưng cất, trao đổi ion trong quy trình xử lý nước Do công nghệ màng lọc mang lại nhiều hiệu quả nhưng vẫn còn khá mới mẻ và chủ yếu chỉ mới được áp dụng trong các máy lọc nước nhỏ gia đình ở Việt Nam, chưa ứng dụng nhiều cho các hệ thống lớn, đáp ứng nhu cầu nước sinh hoạt cho các khu dân cư. Với mong muốn ứng dụng những công nghệ tiến tiến trên thế giới vào đề tài này nên tôi chọn đề tài này: - Tìm hiểu và mô hình hóa hệ thống xử lý nước - Kết cấu cơ khí - Giải thuật điều khiển hệ thống. 1.3. Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu các hệ thống xử lý nước với công nghệ lọc màng để thiết kế mô hình 3D. - Sử dụng kiến thức về thiết kế hệ thống bằng phần mềm Inventor và AutoCad 5
- Tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức để dung phần mềm GX Designer để lập trình điều khiển hệ thống bằng PLC Mistubishi FX2N - Sử dụng phần mềm VT Designer để lập trình HMI. 1.4. Giới hạn của đề tài Do ý tưởng thiết kế và thực hiện đề tài còn khá mới mẻ và thời gian thực đề tài tương đối ngắn cùng với việc thi công thiết kế hệ thống xử lý nước cấp, cũng như trình độ chuyên môn của nhóm thực hiện đề tài còn nhiều hạn chế và nhiều yếu tố khác quan khác. Chúng tôi đã cố gắng hoàn thành bài thuyết minh cũng như mô hình này, nhưng chỉ giải quyết được một số vấn đề chính đặt ra. - Thiết kế kết cấu cơ khí. + Bản vẽ chi tiết 2D của hệ thống xử lý nước cấp. + Mô hình 3D của hệ thống xử lý nước cấp. - Thiết kế kết nối mạch điều khiển. + Sơ đồ mạch điện điều khiển, vận hành hệ thống. - Viết chương trình điều khiển hệ thống chạy với 2 chế độ: + Chế độ điều khiển bằng tay: Manual + Chế độ điều khiển tự động: Automatics 1.5. Các ứng dụng của đề tài - Ứng dụng xử lý nước cho các vùng bị nhiễm mặn. - Ứng dụng xử lý nước cho các vùng hải đảo. - Ứng dụng xử lý nước cho các vùng miền núi. 1.6. Ý nghĩa của đề tài Đề tài luận văn hệ thống xử lý nước cấp này có ý nghĩa rất to lớn như củng cố và vận dụng những lý thuyết đã được học trên giảng đường và trong giáo trình áp dụng vào nghiên cứu chế tạo và lập trình hệ thống công nghiệp công nghệ cao. Nâng cao kiến thức thiết kế và lập trình. Trực tiếp tham gia chế tạo và lập trình nâng cao hiểu biết tay nghề trong thiết kế, lắp ráp và lập trình cho thiết bị. Hiểu biết các phương pháp áp dụng khoa học - kỹ thuật vào trong từng lĩnh vực cụ thể. Khả năng tìm hiểu, nhìn 6
nhận và đúc rút kinh nghiệm từ các yêu cầu đề ra để có hướng phát mới nhằm nâng cao hiểu quả. Đồng thời chúng tối muốn học hỏi những khoa học tiên tiến nhất trên thế giới để có thể góp phần xây dựng cho đất nước ngày càng phát triển hơn, sự phát triển của đất nước không chỉ thể hiện trên con số thu nhập bình quân đầu người mà nó còn thể hiện trên các chỉ số chắm sóc sức khỏe, giáo dục, đường xá, Thời đại công nghệ 4.0 hiện nay vẫn chưa có nhiều tác động sâu sắc vào đời sống xã hội hiện nay, nên chúng tôi cũng muốn góp một phần vào việc ứng dụng những khoa học công nghệ đó vào đời sống con người, hỗ trợ con người, đặc biệt là đối với người già và trẻ nhỏ. Hơn thế nữa, việc chế tạo hệ thống xử lý nước cấp này mang lại một ý nghĩa nhân văn sâu sắc, một đề tài góp phần giúp đỡ, hỗ trợ cho người người dân ở những vùng nông thôn, hải đảo đang thiếu thốn nước sạch sinh hoạt, thể hiện tinh thần lá lành đùm lá rách bao đời nay của dân tộc. 7
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG Chương này, nhóm chúng tôi đề ra các đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế phù hợp với mục tiêu thiết kế đã đặt ra. Đề xuất gồm có: sơ đồ nguyên lý, cảm biến, cấu trúc điều khiển, giải thuật điều khiển. 2.1. Đề xuất sơ đồ nguyên lý Hệ thống xử lý nước cấp có hai chế độ hoạt động: điều khiển bằng tay và chạy tự động. Có khả năng đạt công suất đầu ra là 1000 l/h và có thể nâng cấp thêm công suất đầu ra theo nhu cầu sử dụng và điều kiện nước cấp đầu vào. Hệ thống áp dụng phương pháp hiện đại nhất hiện nay là công nghệ lọc màng. 1. Bơm cấp 7. Bể chứa nước lọc dùng sinh hoạt 2. Cột lọc đĩa, lọc thô 8. Van điện từ 3. Màng siêu lọc – Ultrafiltation 9. Bơm chính – bơm cao áp 4. Máy nén khí 10. Lọc thẩm thấu ngược – Reverse Osmosis 5. Van áp suất 11. Bể chứa nước lọc dùng ăn uống 6. Bồn chứa hóa chất rửa 12. Bể chứa nước thải sau quá trình lọc Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước cấp 8
Hệ thống xử lý nước cấp áp dụng công nghệ lọc màng với ba quá trình lọc: Quá trình lọc thô, nước cấp được bơm cho đi qua bộ lọc đĩa (Discfilter). Các hạt với kích thước lớn hơn 0,1 μm sẽ bị giữ lại. Vì vậy quá trình này giúp loại bỏ hầu hết các cặn bã, chất hữu cơ, chất rắn không hòa tan, Sau đó nước sẽ trải qua quá trình siêu lọc. Siêu lọc là một màng lọc trong đó các lực như độ chênh lệch áp suất hoặc nồng độ dẫn đến sự phân tách thông qua một màng bán định. Các chất rắn lơ lửng và các chất hòa tan có trọng lượng phân tử cao được giữ lại, trong khi nước và các chất tan có trọng lượng phân tử thấp đi qua màng. Siêu lọc không khác biệt cơ bản với vi lọc. Các hạt với kích thước 0,1 đến 0,001micron (µm) sẽ bị giữ lại khi nước chảy qua màng siêu lọc. Nước sau khi qua siêu lọc đã đáp ứng được yêu cầu sử dụng cho sinh hoạt theo QCVN 01-1:2018/BYT. Quá trình lọc thẩm thẩu ngược được dùng để xử lý đối với nguồn nước bị nhiễm mặn cao hoặc muốn sử dụng nước để ăn uống trực tiếp. Các hạt có kích thước lớn hơn 0,0001 micromet đều bị giữ lại và hầu như chỉ phân tử nước có thể đi qua được. Nên nước sau khi xử lý qua quá trình thẩm thấu ngược thì gần như là nước tinh khiết. 2.2. Đề xuất sơ đồ khối điều khiển Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống 9
Khối điều khiển hệ thống sử dụng PLC Mitsubishi FX2N, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình LAD. Khối nguồn sử dụng nguồn điện 24 VDC để làm nguồn nuôi của PLC, khối chuyển đổi A/D và khối hiển thị và nhập. Để cấp nguồn cho các bơm và cảm biến hoạt động thì hệ thống sử dụng nguồn 220 VAC. Khối cảm biến sử dụng các cảm biến gồm: - Cảm biến áp suất - Cảm biến lưu lượng - Cảm biến đo tổng chất rắn hóa tan TDS Khối chuyển đổi A/D sử dụng Modul FX2N-4AD với chức năng chuyển tín hiệu tương tự (analog) nhận từ cảm biến sang tín hiệu số (digital). Khối hiển thị và nhập sử dụng màn hình HMI. HMI là giao diện vận hành giữa người và máy thông qua PLC, chúng được kết nối với nhau bằng cáp tín hiệu. Khi người vận hành tác động nhấn nút trên màn hình hoặc cài đặt thông số, yêu cầu sẽ được gửi đến PLC, PLC điều khiển máy móc dây chuyền hoạt động. Ngược lại, hệ thống máy móc dây chuyền có thể gửi trạng thái hoạt động hoặc thông số hiện tại lên màn hình HMI thông qua PLC giúp ta thực hiện quá trình giám sát và điều khiển. Khối động lực bao gồm các bơm tạo áp suất cho quá trình lọc của các màng trong hệ thống. Bơm cấp sử dụng động cơ điện một chiều 220V, công suất 1 HP. Bơm rửa cho màng siêu lọc dùng động cơ điện một chiều 220V, công suất 1.5 HP. Bơm chính tạo áp cho màng lọc thẩm thấu ngược sử dụng bơm cao áp 3 HP. 2.3. Phương án thiết kế Với yêu cầu thiết kế hệ thống với công suất nước đầu ra cuối cùng là 1000 l/h, ta tiến hành lựa chọn phương án thiết kế phù hợp: - Quá trình lọc thô sử dụng 2 bộ lọc đĩa loại Discfilter 3” của hãng DUOLING. - Quá trình lọc màng sử dụng 2 màng siêu lọc SFD-2660 của hãng Filmtec 10
- Quá trình lọc thẩm thấu ngược sử dụng 4 màng DOW RO BW30-4040 - Bơm cấp dùng bơm điện một chiều 220V, công suất 1 HP - Bơm rửa ngược cho màng siêu lọc dùng bơm điện một chiều 220V, công suất 1.5 HP - Bơm cao áp cấp nước cho màng lọc thẩm thấu ngược dùng bơm điện một chiều 220V, công suất 3 HP. - Cảm biến gồm: cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng. - Điều khiển: dùng PLC Mitsubishi FX2N - Giao tiếp người dùng: sử dụng HMI INVT 11
CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1. Bộ lọc đĩa Bộ lọc đĩa ban đầu được phát triển vào năm 1936 để lọc chất lỏng thủy lực trong máy bay ném bom B-17 . Trong các bộ lọc này, các đĩa được làm bằng thép không gỉ và đồng thau. Loại bộ lọc này bắt đầu được sử dụng ở Israel để lọc nước tưới vào những năm 1960. 3.1.1. Cấu tạo bộ lọc đĩa Vỏ Lõi trung tâm Bu lông chốt lõi lọc Vòng xoắn Các đĩa lọc Cố định đĩa lọc Hình 3.1. Bộ lọc đĩa Một bộ lọc đĩa là một loại máy lọc nước sử dụng chủ yếu trong thủy lợi, tương tự như một bộ lọc màn hình. Tuy nhiên bên trong là các nhiều tấm vật liệu hay gọi là đĩa nhẵn có rãnh được xếp chồng lên nhau vừa khít. Các đĩa đều có một lỗ ở giữa, tạo thành một hình trụ rỗng ở giữa ngăn xếp được giữ trên lõi trung tâm. Các rãnh trên đĩa tạo ra một không gian chảy giữa mỗi cặp đĩa. Số lượng và kích thước của các đường rãnh xác định mức độ lọc. Tổ hợp đĩa hoàn chỉnh được kẹp lại với nhau bên trong tạo thành một màn hình căng hình trụ bên ngoài. 12
3.1.2. Nguyên lý hoạt động 3.1.2.1. Quá trình lọc Hình 3. 2. Hoạt động của bộ lọc đĩa Nước cấp được đưa đến đầu vào và tiếp xúc với bề mặt ngoài của cột đĩa. Dòng nước chảy vào bộ lọc sẽ phải chảy qua các đĩa lọc và bắt buộc phải chảy qua các rãnh theo chiều từ ngoài lõi lọc vào trong. Vì vậy các hạt cặn hay chất bẩn, chất rắn sẽ bị giữ lại ở các rãnh, chỉ có nước và các chất hòa tan qua các đĩa lọc và vào ống bên trong. Sau đó, nước sạch chảy ra từ bên trong bộ lọc đến đầu ra. Chất lượng lọc dựa trên số lượng và kích thước của các hạt mà phần tử lọc có thể giữ lại. Lọc chất lượng cao hơn đơn giản có nghĩa là nước sạch hơn. Điều này phụ thuộc vào hình dạng của các đĩa, bao gồm kích thước, chiều dài, góc và số lượng điểm giao nhau được tạo. Chất lượng lọc thường được đo bằng micron, dựa trên hạt kích thước nhỏ nhất được lọc. Bộ lọc đĩa thích hợp với các nguồn nước có chất cặn lơ lửng ít, loại nguồn nước có sự giảm áp ít cùng lượng nước thải xúc ngược nhỏ, ngăn chặn cát và các chất bẩn dạng thô. 3.1.2.2. Quá trình rửa ngược Bằng cách thực hiện đảo ngược dòng chảy từ trong lõi lọc hướng ra ngoài thì hệ thống sẽ được làm sạch. Khi đảo ngược, dòng nước chảy ngược từ trong ra ngoài sẽ nới lỏng các đĩa lọc và với áp suất cao sẽ đẩy các rác, chất cặn đang mắc kẹt trong các rãnh ra ngoài theo dòng nước. 13
Hình 3. 3.Rửa ngược bộ lọc đĩa Hình 3. 4. Quy trình xử lý nước qua bộ lọc đĩa Với việc sử dụng 2 bộ lọc đĩa sẽ giúp cho hệ thống chạy liên tục mà không cần dừng lại để tiến hành rửa ngược. Khi đóng đầu vào của bộ lọc đĩa 1 và mở van thải thì nước đã lọc từ bộ lọc đĩa 2 sẽ chảy một phần vào lõi bộ lộc đĩa 1 và đẩy các chất cặn bã chảy ra ngoài bằng đường thải. Quá trình rửa ngược của bộ lọc đĩa 2 cũng xảy ra tương tự. 14
3.1.3. Thông số kỹ thuật Hình 3. 5. Kích thước bộ lọc đĩa - Tốc độ dòng lớn nhất: 30 m3/h trên một bộ lọc - Áp suất làm việc: 0,3-1 Mpa (4,35psi-15psi) - Áp suất rửa ngược (bar): ≧ 2.8bar (75psi) - Nhiệt độ làm việc tối đa (℃): 70 ℃ - Độ chính xác (um): 20um, 55um, 70um, 100um, 130um, 200um, 400um - Chất liệu: nylon gia cố, PP - Thời gian rửa ngược: 10 - 20 giây 3.1.4. Ưu điểm Bảng 3. 1. Ưu điểm của lọc đĩa Ưu điểm Đặc trưng Hiệu quả lọc ổn định Là thành phần cốt lõi của bộ lọc, độ đồng đều của đĩa đạt tiêu chuẩn lớp từ. Bộ lọc có hiệu lực đối với tất cả các loại tạp chất lơ lửng bao gồm tạp chất hữu cơ và tạp chất vô cơ. 15
Thiết kế mô-đun, tiết Vì các thành phần của bộ lọc có thể thay đổi, khách hàng có kiệm không gian thể chọn phù hợp với nhu cầu thực tế. Hệ thống nhỏ gọn và tiết kiệm không gian. Rửa ngược hiệu quả Chỉ mất 7 đến 20 giây để hoàn thành rửa ngược cho một đơn vị cao, tiết kiệm năng bộ lọc. Nói chung, tiêu thụ nước rửa ngược ít hơn 0,5% nước lượng và nước lọc. Nó cũng hiệu quả để lọc tạp chất dính. Điều khiển tự động, Lọc và rửa ngược có thể được thực hiện đồng thời. Các bộ lọc lưu lượng liên tục thực hiện rửa ngược từng cái một trong khi các bộ lọc khác đang lọc. Hệ thống này có ưu điểm là áp suất thấp, mất dòng chảy nhỏ và tuổi thọ cao. 3.2. Quá trình siêu lọc 3.2.1. Cấu tạo màng siêu lọc Hình 3. 6. Màng siêu lọc là tập hợp các ống PVDF Siêu lọc (Ultrafiltration - UF) là loại màng lọc trong đó các lực như độ lệch áp suất hoặc nồng độ dẫn đến sự phân tách thông qua một màng bán định. Mỗi sợi màng có dạng hình ống, màu trắng, khi lọc cho phép nước đi từ ngoài vào trong lòng ống nhờ áp lực dòng chảy của nước. Các màng siêu lọc có cấu trúc mềm không đối xứng, kích thước lỗ rỗng từ 0,03 – 0,1 μm, hoạt động dưới áp suất thông thường từ 70 - 200 psi. Chúng tôi sử dụng các màng siêu lọc DOW được làm từ các màng sợi rỗng, cường độ cao mang lại những điều sau đây đặc trưng: 16
- Loại Màng : Dạng sợi rỗng - Kích thước lỗ rỗng : 0,03 µm - Vật liệu màng : PVDF - Kích thước màng : D x H = 4 x 40 inch - Lưu lượng trung bình xử lý nước thải : 2-6 m3/giờ (phụ thuộc độ đục của nước đầu vào) - Độ bền màng : 2 - 5 năm - Nhiệt độ lọc: 0 – 35oC 3.2.2. Nguyên lý hoạt động Hình 3. 7. Nguyên lý của màng siêu lọc Siêu lọc (UF) liên quan đến việc tách vật liệu theo áp lực từ nước cấp. Công nghệ này được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm hạt rắn, lơ lửng, các chất hòa tan có trọng lượng phân tử cao và các phần tử như vi khuẩn, vi rút, proteins có khối lượng mol nhỏ, carbohydrates, enzymes , nhưng nó không loại bỏ các ion và các phân tử nhỏ. Áp lực thúc đẩy quá trình, thường hoạt động với áp suất nạp từ 4 đến 100 psi. Các nhà máy UF được tự động hóa và có yêu cầu lao động hoạt động thấp. Những hệ thống này, tuy nhiên, có thể yêu cầu làm sạch thường xuyên. Màng UF có tuổi thọ từ ba đến năm năm hoặc lâu hơn, tương đương với màng thẩm thấu ngược. Đây quá trình tách được sử dụng trong ngành công nghiệp và nghiên cứu để làm sạch và tập trung phân tử các giải pháp, đặc biệt giải pháp protein. 17
Lưu lượng trong quá trình lọc diễn ra ở màng UF phụ thuộc nhiều vào hàm lượng chất keo bởi sự phân cực và sự bịt kín lỗ rỗng, các chất keo là nguyên nhân chính làm giảm lưu lượng và tạo lên áp lực truyền qua màng tăng cao. Quá trình lọc diễn ra ở nhiệt độ bình thường và áp suất thấp nên tiêu thụ ít điện năng. Kích thuớc của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên không tốn mặt bằng lắp đặt. Về cơ bản màng siêu lọc không cho hiệu quả cao như màng Nano nhưng lại không đòi hỏi nhiều năng lượng như màng Nano. 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: 푃 퐽 = 휇푅푡 Trong đó: - J là lưu lượng (tốc độ dòng trên diện tích màng), - TMP là áp suất màng (chênh lệch áp suất giữa dòng cấp và dòng thấm), - μ là độ nhớt dung môi, - 푅푡 là tổng điện trở (tổng của màng và điện trở chống bẩn). Nước qua màng theo nguyên lý phân cực tập trung, khi quá trình lọc xảy ra, nồng độ cục bộ của vật liệu bị loại bỏ ở bề mặt màng tăng lên và có thể trở nên bão hòa. Trong UF, nồng độ ion tăng có thể tạo ra áp suất thẩm thấuvề phía thức ăn của màng. Điều này làm giảm áp suất hiệu quả của hệ thống, do đó làm giảm tốc độ thẩm thấu. Sự gia tăng của lớp cô đặc tại thành màng làm giảm thông lượng thẩm thấu, do tăng sức cản làm giảm lực truyền động cho dung môi vận chuyển qua bề mặt màng. Các chất hòa tan được giữ lại ở lớp màng dẫn đến áp suất thẩm thấu cao hơn so với nồng độ dòng lớn. Vì vậy, cần áp lực cao hơn để vượt qua áp suất thẩm thấu này. Phân cực tập trung đóng vai trò chủ đạo trong siêu lọc vì màng kích thước lỗ nhỏ. Phân cực tập trung khác với sự tắc nghẽn vì nó không có tác dụng lâu dài đối với bản thân màng và có thể được đảo ngược bằng cách làm giảm áp suất màng. 18
3.3.3. Các chế độ lọc • Tạo ra dòng nước sạch sau quá trình lọc: 20 - Chế độ lọc 60 phút • Rửa bằng khí: 20- 40s Chế độ rửa thường • Rửa ngược: 40 - 60s • Rửa xuôi: 30 - 60s • Rửa ngược bằng hóa chất (CEB): hằng ngày Chế độ rửa hóa chất • CIP: từ 1 - 3 tháng Hình 3. 8. Sơ đồ các chế độ lọc 3.3.3.1. Chế độ lọc Hình 3. 9. Quá trình xử lý nước qua màng siêu lọc Nước cấp cho hệ thống siêu lọc đã qua quá trình lọc thô sẽ được chuyển hoàn toàn thành nước sạch mà không có nước thải ra ngoài vì hiệu suất của màng siêu lọc là 100% vì 19
các chất gây bẩn bị loại giữ lại tại phía ngoài của màng lọc. Một chu kỳ lọc sẽ hoạt động từ 20 đến 60 phút. 3.3.3.2. Chế độ rửa thông thường a. Chế độ rửa khí Đây là quá trình chuẫn bị cho việc rửa ngược. Sau khi dừng chế độ lọc, các van bị đóng lại trừ van cấp khí vào màng lọc. Không khí được bơm vào để nới lỏng các hạt lắng đọng ở bên ngoài bề mặt màng lọc. Khí được xả từ phía dưới lên phía trên của màng lọc trong 20 – 40s. Hình 3. 10. Quá trình rửa khí 20
Hình 3. 11. Quá trình xả áp suất sau khi rửa khí b. Chế độ rửa ngược Sau khi thoát hết nước, quá trình rửa ngược được thực hiện. Dòng nước được đảo ngược từ bên trong lõi lọc chảy ra bên ngoài. Rửa ngược loại bỏ hầu hết các chất bám dính phía ngoài của màng. Nước thải được xả ra ở phái đỉnh màng. Hình 3. 12.Quá trình rửa ngược phía trên 21
Bước rửa ngược thử hai được tiến hành để loại bỏ hoàn toàn các chất gây ô nhiễm thông qua phần dưới của vỏ màng. Nước thải được xả ra ngoài ở cổng ra phía dưới. Hình 3. 13.Quá trình rửa ngược phía dưới c. Rửa xuôi Để đảm bảo đã làm sạch hoàn toàn màng siêu lọc, cần tiến hành rửa xuôi lại cho màng. Nước cấp được đưa vào đầu vào và cho ra ở đầu thải phía trên. Hình 3. 14. Quá trình rửa xuôi 22
3.3.3.3. Quá trình rửa hóa chất a. Chế độ rửa ngược bằng hóa chất (Chemically Enhanced Backwash – CEB) Hình 3. 15. Quá trình rửa CEB phía trên Quá trình rửa hóa chất có hướng đi của nước tương tự như quá trình rửa ngược, tuy nhiên có sự tham gia của hóa chất trong quá trình rửa này để đảm bảo rửa sạch hoàn toàn màng siêu lọc. Hóa chất sử dụng trong quá trình này là HCl 0,1%. Hình 3. 16. Quá trình rửa CEB phía dưới 23
b. Chế độ rửa định kỳ (Clean in place – CIP) Hình 3. 17. Chế độ rửa định kỳ tại chổ CIP Quá trình này chỉ thực hiện từ 1 - 3 tháng/ lần nên có thể thao tác bằng tay với quá trình riêng biệt. Sử dụng axit HCl 0,2% để bơm vào màng từ đầu thải dưới và cho đi lên phía trên, thoát ra ngoài từ cổng nước sạch và cổng thải trên. 3.2.4. Ưu điểm Siêu lọc có thể được sử dụng để loại bỏ các hạt và đại phân tử từ nước thô để tạo ra nước uống. Nó đã được sử dụng để thay thế các hệ thống thứ cấp (đông tụ, keo tụ, lắng đọng) và hệ thống lọc cấp ba (lọc cát và clo hóa) được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước hoặc làm hệ thống độc lập ở các khu vực biệt lập với dân số đang phát triển. Khi xử lý nước có chất rắn lơ lửng cao, UF thường được tích hợp vào quy trình, sử dụng sơ cấp (sàng lọc, tuyển nổi, lọc) và một số phương pháp xử lý thứ cấp làm giai đoạn tiền xử lý. Dòng chảy cuối cung cấp khả năng phục hồi và tiết kiệm năng lượng cao hơn. Thiết kế vỏ và ống thẳng đứng được điều áp giúp loại bỏ sự cần thiết của các bình áp lực riêng biệt và cho phép dễ dàng loại bỏ không khí khỏi các bước kiểm tra toàn vẹn và kiểm tra tính toàn vẹn. 24
Các quy trình UF hiện đang được ưa thích hơn các phương pháp lọc truyền thống vì những lý do sau: - Không có hóa chất cần thiết (ngoài việc làm sạch). - Chất lượng sản phẩm không đổi bất kể chất lượng thức ăn. - Kích thước hệ thống nhỏ gọn, cấu trúc đơn giản nên không tốn mặt bằng lắp đặt. - Có khả năng vượt quá tiêu chuẩn quy định về chất lượng nước. - Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công . - Trong nhiều trường hợp, UF được sử dụng để lọc trước trong các nhà máy thẩm thấu ngược (RO) để bảo vệ màng RO. - Không có nước thải lãng phí như RO tiếp kiệm lớn cho người sử dụng. - Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất sử dụng phương pháp lọc cơ học nên không làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước. - Vật liệu của màng lọc không xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết trong suốt quy trình xử lý. 25
3.3. Quá trình lọc thẩm thấu ngược Một quá trình thẩm thấu qua màng bán dẫn được quan sát lần đầu tiên vào năm 1748 bởi Jean-Antoine Nollet. Trong 200 năm sau đó, thẩm thấu chỉ là một hiện tượng quan sát được trong phòng thí nghiệm. Năm 1950, lần đầu tiên việc thí nghiệm khử mặn nước biển bằng cách sử dụng màng bán dẫn đã thành công tại Đại học California, Los Angeles. Các nhà nghiên cứu đã sản xuất thành công nước ngọt từ nước biển vào giữa những năm 1950, nhưng lưu lượng quá thấp để có thể thương mại hóa. Hình 3. 18. Sidney Loeb và mô hình màng áp suất thẩm thấu chậm Sidney Loeb và đồng sự đãnghiên cứu ra kỹ thuật tạo màng không đối xứng được đặc trưng bởi lớp ngoài mỏng hiệu quả được hỗ trợ trên một lớp nền dày và các màng trở nên dày hơn. Ông còn đề xuất quy trình Áp suất thẩm thấu chậm (Presure-retarded Osmosis) để đưa nước qua màng nhiều hơn và ít muối qua được hơn. Sau đó John Cadotte, thuộc FilmTec Corporation, đã phát minh ra các màng có lưu lượng cao hơn và lượng muối thấp bằng cách trùng hợp interacial của m -phenylene diamine và trimesoyl clorua. Hầu như tất cả các màng thẩm thấu ngược thương mại hiện được thực hiện bằng phương pháp này. 3.3.1. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược Màng RO được cấu tạo từ nhiều tấm lọc RO được cuộn tròn xung quanh ống lọc lại trung tâm. Tấm lọc RO được cấu tạo từ 1 tấm màng phẳng bao gồm 3 lớp: lớp vải polyester, xốp polysulfone và lớp lọc polyamide dày chỉ 0,2 micromet. Lớp xốp polysulfone có chức 26
năng gia cố cho lớp lọc mỏng, chính lớp lọc này sẽ thực hiện chức năng chính loại bỏ các tạp chất: hóa chất, vi khuẩn và vi rút ra khỏi nước. Giữa các tấm lọc đều có tấm đệm tạo khoảng trống cho nước chảy qua. Hình 3. 19. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược 3.3.2. Nguyên lý hoạt động Hình 3. 20. Thẩm thấu và thấm rthấu ngược Thẩm thấu là cơ chế vật lý rất phổ biến trong tự nhiên. Đó là quá trình dịch chuyển một chiều của nồng độ chất tan thấp, sang dung dịch nồng độ cao hơn thông qua một màng thẩm thấu (loại màng bán thấm, chỉ cho dung môi đi qua, không cho chất hòa tan đi qua) 27
cho đến khi nồng độ từ hai nới này cân bằng. Động lực cho sự chuyển động của dung môi là sự giảm năng lượng tự do của hệ thống khi sự chênh lệch nồng độ dung môi ở hai bên của màng bị giảm, tạo ra áp suất thẩm thấu do dung môi di chuyển vào dung dịch đậm đặc hơn. Trong cơ thể sống, hiện tượng thẩm thấu giúp tế bào trao đổi chất, màng thẩm thấu chính là màng tế bào. Với cơ thể thực vật, hiện tượng thẩm thấu cho phép vận chuyển nước từ rễ lên thân cây. Theo một cơ chế ngược lại với các cơ chế lọc thẩm thấu thông thường, tạo ra sự thẩm thấu của các phân tử nước qua các mao mạch của lõi lọc, thẩm thấu ngược là một quá trình lọc nước sử dụng màng thấm một phần để loại bỏ các ion, các phân tử không mong muốn và các hạt lớn hơn khỏi nước uống. Trong thẩm thấu ngược, một áp suất được sử dụng để vượt qua áp suất thẩm thấu, một tính chất chung được điều khiển bởi sự khác biệt tiềm năng hóa học của dung môi, một thông số nhiệt động. Thẩm thấu ngược có thể loại bỏ nhiều loại hóa chất hòa tan và lơ lửng cũng như các loại sinh học (chủ yếu là vi khuẩn) khỏi nước. Kết quả là chất tan được giữ lại ở phía áp suất của màng và nước tinh khiết được phép truyền sang phía bên kia. Cơ chế loại bỏ chất thải trong quá trình xửa lý nước chủ yếu là từ sự khác biệt về độ hòa tan hoặc độ khuếch tán, và quá trình này phụ thuộc vào áp suất, nồng độ chất tan và các điều kiện khác. Thẩm thấu ngược được biết đến nhiều nhất vì được sử dụng trong lọc nước uống từ nước biển, loại bỏ muối và các vật liệu thải khác từ các phân tử nước. Nước cấp sau khi quá trình lọc thẩm thấu ngược thì sẽ thu được một nửa là nước sạch, nữa còn lại sẽ đẩy các chất cặn bã ra ngoài theo đường thải. Do vậy nên quá trình lọc thẩm thấu ngược không yêu cầu các quá trình rửa tương tự như siêu lọc. 3.3.3. Ưu điểm của lọc thẩm thấu ngược Với khả năng lọc gần như tinh khiết, lọc thẩm thấu ngược ngày nay được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như lọc nước uống, làm sạch nước sử dụng trong các ngành công nghiệp đặc thù, ứng dụng trong công nghiêp thực phẩm, các hệ thống lọc nước uống hộ gia đình, bao gồm cả bước thẩm thấu ngược, thường được sử dụng để cải thiện nước để uống và nấu ăn. Bộ xử lý nước thẩm thấu ngược di động 28
có thể được sử dụng cho người dân sống ở khu vực nông thôn, vùng ven biển và hải đảo không có nước sạch, cách xa đường ống nước của thành phố. Người dân nông thôn tự lọc nước sông hoặc đại dương, vì thiết bị rất dễ sử dụng (nước mặn có thể cần màng đặc biệt). Trong sản xuất nước khoáng đóng chai, nước đi qua bộ xử lý nước thẩm thấu ngược để loại bỏ các chất ô nhiễm và vi sinh vật. Tuy nhiên, các hệ thống thẩm thấu ngược cần bao gồm các giai đoạn xử lý nước bổ sung sử dụng ánh sáng cực tím hoặc ozone để ngăn ngừa ô nhiễm vi sinh. Thẩm thấu ngược là quy trình có thể áp dụng để cô đặc chất lỏng thực phẩm (như nước ép trái cây) so với các quy trình xử lý nhiệt thông thường. Các nghiên cứu đã được thực 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 của dung dịch có thể được xác định bằng thực nghiệm bằng cách đo nồng độ muối hòa tan trong dung dịch: = 푅 푛 = 0,082 × 298 × 0,17 × 2 = 7,8 ( ) Trong đó: − 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: ∆푃 푄 = × 푆 × (푃 − − 푃 − ) 2 푃 Trong đó: − Q: Lưu lượng dòng thẩm thấu (m3/h) − A: hệ số thẩm thấu của màng − S: diện tích màng (m2) − 푃 : áp suất hoạt động của hệ thống (bar) − ∆푃 : độ sụt áp qua màng (bar) − 푃푃: áp suất dòng thẩm thấu (bar) − : áp suất thẩm thấu (bar) Từ đó suy ra ta có công thức tính chọn áp suất hoạt động của hệ thống: 푄 ∆푃 1 1 푃 = + + 푃 + = + + 0 + 7,8 = 9,27 ( ) × 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 = = = 3,7 ( ̀푛 ) 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 푄 = × 푄 + 푄 = 4 × 0.91 + 1 = 4,64 (m /h) Trong đó: 3 − 푄 : Lưu lượng cấp (m /h) − N: số màng sử dụng − Q: Lưu lượng dòng thẩm thấu (m3/h) 3 − 푄 : 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: 푃 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 + 푃 = − 2 Trong đó − : áp suất tiền lọc − : áp suất trở lại − : 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 lượng nước ra: 1 m3/h − Số màng UF: 1 − Lưu lượng cấp cho UF: 2,1 m3/h 4.1.4. Thiết kế mô hình 3D hệ thống xứ lý nước cấp Autodesk Inventor được phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk _USA, là phần mềm thiết kế 3D cơ khí dạng mô hình khối rắn, phần mềm này dùng để tạo ra nguyên mẫu kỹ thuật số 3D giúp hình dung, thiết kế và mô phỏng các sản phẩm trên môi trường 3D. Phần mềm INVENTOR giúp người dùng thiết kế trực tiếp trong môi trường 3D, xuất ra bản vẽ 2D, 3D tự động. Phần mềm còn hỗ trợ tạo chuyển động, trình diễn tháo lắp các cơ cấu, cụm máy 57
Hình 4. 8. Phần mềm INVENTOR thiết kế 3D Hình 4. 9. Mô hình 3D hệ thống nhìn từ phía trước 58
4.1.5. Bản vẽ 2D hệ thống xử lý nước cấp AutoCAD là phần mềm ứng dụng CAD để vẽ bản vẽ kỹ thuật bằng vectơ 2D hay bề mặt 3D, được phát triển bởi tập đoàn Autodesk. Với phiên bản đầu tiên được phát hành vào cuối năm 1982, AutoCAD là một trong những chương trình vẽ kĩ thuật đầu tiên chạy được trên máy tính cá nhân, nhất là máy tính IBM. Những phiên bản trước của AutoCAD sử dụng các đường thẳng, đường polyline, đường tròn, đường cong và văn bản – làm nền cho những vật thể phức tạp hơn. Tuy nhiên, những phiên bản AutoCAD gần đây bao gồm những công cụ cơ bản về hình khối 3D, nhưng nó thiếu một số tính năng cao cấp thường có trong những chương trình chuyên về lập mô hình khối. Hình 4. 10. Phần mềm vẽ 2D AutoCAD 59
4.2. Thiết kế hệ thống điện và lập trình 4.2.1. Thiết kế hệ thống điện 4.2.1.1. Các thiết bị điện sử dụng trong hệ thống Hệ thống sử dụng các thiết bị truyền động và thiết bị điều khiển sau: Bảng 4. 1. Các thiết bị sử dụng Thiết bị Số lượng Chức năng Bơm JEXM100 1 Bơm cấp cho UF Thiết bị Bơm JEXM150 1 Bơm rửa cho UF truyền Bơm trục đứng BL2-18 1 Bơm cấp cho RO động Điều chỉnh van áp suất RO tự Động cơ bước 5V 1.2A 1 động PLC FX2N-48MT-001 1 Bộ xử lý trung tâm HMI VT070-NOCX-N 1 Giao tiếp người dùng Modul analog AX2N-4AD 1 Đọc tín hiểu cảm biến Contactor 24V, 9A 2 Điều khiển bơm cấp và rửa UF Contactor 220V, 18A 1 Điều khiển bơm cấp RO Thiết bị Van điện từ thường đóng Đóng mở các đường ống theo điều 9 220V quy trình lọc khiển Driver TB6560 1 Điều khiển động cơ bước CB 1 Đóng, ngắt nguồn hê thống Nút khẩn cấp 1 Ngắt nguồn khẩn cấp Nhận tín hiệu điều khiển và Relay 24V 9 đóng ngắt các van điện từ Thiết bị Cảm biến áp suất 1 Đọc áp suất lọc RO cảm biến 60
4.2.1.2. Thiết kế sơ đồ điện EPLAN Electric P8 là một phần mềm mạnh mẽ, toàn diện trong việc thiết kế Điện. Là một công cụ rất quan trọng đối với các kỹ sư cũng như các công ty chuyên về thiết kế, thi công tủ Điện. Phần mềm giúp tăng tối đa hiệu quả thiết kế, kiểm soát tài liệu và lưu trữ dự án. EPLAN Electric P8 là một phần mềm CAE (Computer-Aid Engineering) giúp giải quyết các vấn đề thiết kế tủ bảng điện, tủ PLC, tủ động lực. Được trang bị các tính năng thông minh như tạo Macros tự động, Cross-Reference (liên kết chéo), tự động đánh số , phần mềm giúp tăng tốc độ thiết kế. Hình 4. 11. Phần mềm thiết kế tủ điện EPLAN 61
Hình 4. 12. Sơ đồ các khối của điều khiển và truyền động Tủ điện điều khiển hệ thống được thiết kế với hai khối chức năng là khối điều khiển và hkôi truyền động. Hệ thống được điều khiển bởi PLC FX2N – 48MT – 001, thông qua các các ngõ ra của PLC sẽ đóng ngắt các cuộn dây của rờ le và khởi động từ. Từ đó điều khiển các bơm và các van điện từ theo từng chế độ thích hợp. 62
Hình 4. 13. Mạch truyền động 63
Hình 4. 14. Mạch điều khiển 64
4.2.2. Lập trình điều khiển hệ thống 4.2.2.1. Lập trình PLC FX2N-48MT Hình 4. 15. Phần mềm GX Developer Hình 4. 16. Lưu đồ chọn chế độ hoạt động 65
Hình 4. 17. Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động 66
4.2.2.2. Lập trình HMI VT070 Hình 4. 18. Phần mềm VT Designer Hình 4. 19. Thiết kế màn hình khởi động HMI 67
4.3. Thiết kế bộ van áp suất Hình 4. 20. Sơ đồ truyền động van áp suất Hệ thống lọc RO yêu cầu áp suất hoạt động 10 bar và bơm không thể tạo ra đủ áp suất để nước có thể thấm thấu ngược qua màng nên cần sử dụng van để tăng áp suất của hệ thống. Van áp suất được thiết kế hoạt động với hai chế độ tự động và bằng tay (dùng để hiệu chỉnh). Van điều khiển tự động được truyền động bằng động cơ bước thông qua bộ truyền đai thang có tỷ số truyền là 3.75. Tín hiệu điều khiển được lấy từ PLC cấp xung và cấp lệnh chiều quay cho động cơ bước thông qua Drivẻ điều khiển TB6560. Hình 4. 21. Bộ van áp suất 68
4.4. Thực hiện mô hình, mô phỏng hệ thống Hình 4. 22. Hàn khung mô hình Hình 4. 23. Lập trình và nạp vào PLC 69
Hình 4. 25. Lập trình và nạp cho màn hình HMI Hình 4. 24. Lắp đặt tủ điện 70
4.5. Quy trình vận hành Hệ thống xử lý nước cấp được thiết kế điều khiển với hai chế độ: điều khiển tự động và điều khiển bằng tay. Bảng 4. 2. Trạng thái của các thiết bị trong từng quy trình Rửa Rửa Rửa Rửa Rửa Xả Rửa Lọc ngược ngược Lọc ngược ngược Lọc khí áp xuôi đĩa* lọc lọc UF trên dưới RO UF UF UF đĩa 1* đĩa 2* UF UF Bơm x x x x x cấp Bơm x x rửa Bơm x chính Van 1 x x x x Van 2 x x x x Van 3 x Van 4 x Van 5 x x x x Van 6 x x Van 7 x Van 8 x x x x Van 9 x x x Van 10 x x Van 11 x (* quá trình lọc đĩa, rửa ngược lọc đĩa phải chạy đồng thời cùng quá trình lọc UF) 71
4.4.1. Điều khiển tự động Để điều khiển tự động hệ thống, người dùng cần cài đặt các thông số của hệ thống theo tính toán và khuyên dùng của nhà sản xuất như sau: Bảng 4. 3. Thời gian hoạt động của các quá trình Quy trình Thời gian Chu trình lọc UF Tối đa 60 phút Rửa khí UF 10 – 40 s Xả áp 10 – 40 s Rửa ngược trên 20 – 60 s Rửa ngược dưới 20 – 60 s Rửa xuôi 30 – 60 s Sau khi cài đặt xong các thông số của hệ thống, trở lại màn hình chính và nhấn nút “Automatic”. Bấm “Start” để cho hệ thống bắt đầu chu trình xử lý nước cấp, bấm “Stop” để dừng hệ thống. Trên màn hình sẽ có sẵn các đèn báo trạng thái để người dùng có thể theo dõi các trạng thái hiện tại của hệ thống. Cần lưu ý áp suất hoạt động của quá triình lọc RO tối đa là 15 Bar, vì vậy nếu thấy áp suất đạt mức này cần dừng hệ thống để kiểm tra, tránh gây hư hỏng màng lọc RO. 72
Hình 4. 26. Màn hình cài đặt hệ thống Hình 4. 27. Màn hình chế độ tự động - Automatic 73
4.4.2. Điều khiển bằng tay Việc điều khiển bằng tay yêu cầu người sử dụng phải có đầy đủ hiểu biết về hệ thống và điều khiển theo đúng quy trình nếu không sẽ gây hỏng hệ thống. Hình 4. 28. Màn hình chế độ điều khiển bàng tay – Manual Một chu trình lọc UF phải đảm bảo theo đúng thứ tự Lọc UF ➔ Rửa khí ➔ Rửa ngược ➔ Rửa xuôi để màng hoạt động với công sức và độ bền tốt nhất. 4.4.2.1. Lọc UF Tắt tất cả các thiết bị trong hệ thống, sau đó bật các thiết bị theo đúng thứ tự sau: Van 1 ➔ Van 2 ➔ Van 5 ➔ Van 9 ➔ Bơm cấp 4.4.2.2. Rửa khí UF Tắt tất cả các thiết bị trong hệ thống, sau đó bật các thiết bị theo đúng thứ tự sau: − Bật van 8 ➔ Bật van 7 − Sau 10 – 40 s tắt van 7 ➔ Bật van 6 74
4.4.2.3. Rửa ngược UF Tắt tất cả các thiết bị trong hệ thống, sau đó bật các thiết bị theo đúng thứ tự sau: − Bật van 8 ➔ Bật van 10 ➔ Bật bơm rửa − Sau 20 – 60 s tắt van 8 ➔ Bật van 6 4.4.2.4. Rửa xuôi UF Tắt tất cả các thiết bị trong hệ thống, sau đó bật các thiết bị theo đúng thứ tự sau: Van 1 ➔ Van 2 ➔ Van 5 ➔ Van 8 ➔ Bơm cấp 4.4.2.5. Rửa ngược bộ lọc đĩa Hoạt động này chỉ thực hiện được khi hệ thống đang tiến hành bước lọc UF. Để rửa ngược bộ đĩa lọc 1 ta mở Van 3 sau đó tắt Van 1. Tương tự, để rửa ngược bộ đĩa lọc 2 ta mở Van 4 sau đó tắt Van 2. 4.4.2.6. Lọc RO Quá trình lọc RO được sử dụng để lọc ra nước uống được theo Quy chuẫn 01 của Bộ Y tế. Để tiến hành lọc RO, cần mở hết cỡ van áp suất để xả bỏ hết áp lực trong đường ống. Sau đó bấm bật bơm chính. Hệ thống sẽ tự động điều chỉnh van áp suất đạt đúng yêu cầu của màng lọc RO. Quá trình lọc RO yêu cầu rất nghiêm ngặt về áp suất. Nếu áp cao hơn giới hạn chịu đựng của màng lọc sẽ gây biến dạng, hư hại màng lọc RO. Vậy nên cần theo dõi áp suất và có thể điều chỉnh bằng tay nếu thấy áp suất vượt quá cao. 4.2.2.7. Rửa hóa chất định kỳ CIP Vì quá trình lọc bằng màng UF thời gian dài sẽ dễ bị các chất bẩn, vi sinh bám vào màng gây tắt nghẽn màng nên cần vệ sinh màng định kỳ 3 – 6 tháng/lần bằng hóa chất. Sử dụng một bồn riêng để pha hóa chất vệ sinh và kết nối vào đầu thải dưới của màng lọc UF bằng một bơm riêng. Hóa chất có thể tuần hoàn lại vào bồn để tiết kiệm hóa chất vệ sinh màng. 75
Hóa chất vệ sinh màng là Dung dịch HCl 0,02% Hình 4. 29. Kết nối thiết bị để rửa hóa chất định kỳ 76
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1. Kết quả đề tài Hình 5. 1. Mô hình thử nghiệm hệ thống Sau thời gian thực hiện đề tài, nhóm chúng tôi đã thu được những kết quả sau: − Thực hiện được mô hình để chạy thử nghiệm hệ thống xử lý nước với hai chế độ điều khiển là điều khiển tự động và điều khiển bằng tay. − Chế tạo bộ van áp suất hoạt động được với hai chế độ tự động và bằng tay. 5.2. Sản phẩm của đề tài − 01 bộ bản vẽ thiết kế mô hình hệ thống xử lý nước cấp − 01 bộ bản vẽ thiết kế hệ thống điện − 01 mô hình thử nghiệm hệ thống xử lý nước cấp − 01 báo cáo tổng kết đề tài − 01 chương trình điều khiển hệ thống hoạt động tự động 77
5.3. Tính hiệu quả của đề tài − Hệ thống đạt được các yêu cầu đề ra − Hệ thống xử lý nước cấp có thể áp dụng rộng rãi cho người dân ở các vùng sâu, vùng xa đang thiếu nước sạch sinh hoạt, đặc biệt là khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long đang gặp khó khăn do tình hình xâm nhập mặn. 5.4. Hướng phát triển đề tài Hệ thống xử lý nước cấp sử dụng công nghệ lọc màng có thể dể dàng tăng công suất hoạt động khi tăng thêm các mô đun màng lọc cho hệ thống. Hệ thống có thể phát triển để xử lý cung cấp nước cho các vùng biển đảo bằng cách thay đổi màng lọc RO nước lợ bằng màng lọc RO dùng cho nước mặn. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tài liệu truyền thống 1.1. Lê Hoàng Vinh, Đào Duy Khương, Võ Thị Ánh Tuyết, Trần Thi Thu Thủy, Giáo trình môn học PLC Mitsubishi, NXB Trường địa học Công Nghiệp Tp HCM, 2006 1.2. Dow Ultrafiltation Product Manual, Lenntech, tháng 4 2011 1.3. FX beginer’s Manual, Mitsubishi Electric, tháng 7 2009 1.4. Clever, M.; Jordt, F.; Knauf, R.; Räbiger, N.; Rüdebusch, M.; Hilker-Scheibel, R., Process water production from river water by ultrafiltration and reverse osmosis, Desalination, 131 (1–3): 325–336, 1 December 2000 1.5. Crittenden, John; Trussell, Rhodes; Hand, David; Howe, Kerry and Tchobanoglous, George, Water Treatment Principles and Design, New Jersey, 2005 1.6. Weintraub; Bob, Sidney Loeb, Co-Inventor of Practical Reverse Osmosis, Bulletin of the Israel Chemical Society (8): 8–9, December 2001. 1.7. Glater, The early history of reverse osmosis membrane development, Desalination. 117 (1–3): 297–309, 1998 2. Tài liệu điện tử 2.1. Cổng thông tin chính phủ: ?_piref135_18249_135_18248_18248.strutsAction=ViewDetailAction.do&_piref135_18 249_135_18248_18248.docid=345&_piref135_18249_135_18248_18248.substract= 2.2. Cổng thông tin điện tử công ty Dupont: 2.3. Từ điển bách khóa 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