Cấu trúc và vai trò của một hệ thống tự động hóa

Hệ thống tự động hóa hay hệ thống điều khiển tự động là hệ thống sử dụng công nghệ để điều khiển các loại thiết bị, máy móc khác nhau mà không cần nhờ đến sự tác động trực tiếp của con người.

Thay vì sử dụng hệ thống xích – bánh răng như ngày trước, tự động hóa hiện nay đã được nâng cấp với các máy tính điều khiển, hệ thống truyền động bằng động cơ điện.

Cấu tạo của hệ thống tự động hóa được đánh giá là sự kết hợp hài hoà giữa các thiết bị cơ khí chất lượng cao cùng các thiết bị điện tự động hoá.

Một hệ thống tự động hóa công nghiệp thường sẽ phân theo cấu trúc:

Hệ thống tự động hóa có thể được gộp lại thành ba cấp chính:

1. Cấp trường:

   - Các cảm biến thu thập dữ liệu về môi trường và trạng thái của hệ thống.

   - Thiết bị thực thi nhận lệnh từ hệ thống điều khiển và thực hiện các hành động tương ứng, chẳng hạn như điều khiển động cơ, van, đèn, v.v.

2. Cấp điều khiển tự động:

   - Hệ thống điều khiển tự động sử dụng thông tin từ các cảm biến để đưa ra quyết định về cách điều khiển thiết bị thực thi.

   - Điều này bao gồm việc sử dụng logic điều khiển và thuật toán để duy trì hoặc điều chỉnh trạng thái của hệ thống.

3. Cấp giám sát và quản lí thông tin: 

   - Giao diện người dùng cho phép người sử dụng tương tác với hệ thống, theo dõi trạng thái và cấu hình các tham số.

   - Giám sát hoạt động của PLC và giúp cho con người trao đổi thông tin với PLC là hệ thống giám sát. Ở quy mô lớn, đó có thể là hệ thống SCADA hoặc DCS. Quy mô nhỏ hơn có thể đơn giản chỉ là các màn hình giao diện HMI.

Cấu trúc này giúp tổ chức và quản lý các thành phần của hệ thống tự động hóa một cách hiệu quả, từ việc thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị đến tương tác với người sử dụng và quản lý kết nối mạng.

Vai trò chi tiết từng thiết bị

Các thiết bị cấp trường :

Thiết bị cấp trường (field devices) là các loại thiết bị sử dụng trong hệ thống tự động hóa để thu thập thông tin từ môi trường hoặc thực hiện các nhiệm vụ trong quá trình sản xuất hoặc điều khiển. Dưới đây là một số loại thiết bị cấp trường phổ biến và chức năng của chúng:

Cảm biến (Sensors):

   - Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: Đo và ghi lại nhiệt độ, độ ẩm của môi trường hoặc thiết bị.

   - Cảm biến áp suất: Đo áp suất chất lỏng hoặc khí và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử.

   -Cảm biến đo lưu lượng: Đo lưu lượng chất lỏng hoặc khí trong đường ống hoặc hệ thống.

Bộ biến đổi (Transducers):

   - Bộ biến đổi nhiệt độ: Chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ thành tín hiệu analog hoặc kỹ thuật số để đo và điều khiển nhiệt độ.

   - Bộ biến đổi áp suất: Chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến áp suất thành tín hiệu analog hoặc kỹ thuật số để đo và điều khiển áp suất.

 Cơ cấu chấp hành(Actuator):

   - Động cơ điện: Thực hiện các nhiệm vụ cơ học, như xoay, di chuyển, hoặc nâng.

   - Van điều khiển: Điều khiển dòng chất lỏng hoặc khí bằng cách mở hoặc đóng van.

   - Bơm: Thực hiện việc cung cấp chất lỏng từ một vị trí đến vị trí khác.

Thiết bị đo (Meters):

   - Đồng hồ đo lưu lượng: Đo lưu lượng chất lỏng hoặc khí thông qua đường ống hoặc hệ thống.

   - Đồng hồ đo điện năng: Đo tiêu thụ điện năng của thiết bị hoặc hệ thống.

Bộ chuyển đổi (Converters):

   - Bộ chuyển đổi tín hiệu: Chuyển đổi giữa các tín hiệu điện tử analog và kỹ thuật số.

   - Bộ chuyển đổi giao diện: Chuyển đổi giữa các giao diện truyền thông, chẳng hạn như RS-232, RS-485, Ethernet.

Các thiết bị khác:

   - Bộ lọc (Filter): Loại bỏ các tạp chất hoặc nhiễu khỏi tín hiệu.

   - Thiết bị cảnh báo (Alarm Device): Thông báo khi có sự cố hoặc trạng thái quá mức 

      cảnh báo.

   - Bộ ghi dữ liệu (Data Logger): Ghi lại dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị khác để phân  

      tích và báo cáo sau này.

Mỗi loại thiết bị cấp trường đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập thông tin và thực hiện các tác vụ điều khiển trong hệ thống tự động hóa. Chúng làm cho hệ thống có khả năng giám sát và điều khiển hiệu quả hơn, từ quá trình sản xuất công nghiệp đến các ứng dụng trong nhà thông minh và tự động hóa trong cuộc sống hàng ngày.

Giải pháp đã triển khai của MKC: Quá trình xử lý cấp nước sạch

Sử dụng nước sinh hoạt bị ô nhiễm nặng không chỉ làm giảm tuổi thọ của các thiết bị sinh hoạt trong gia đình mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người sử dụng. Để đạt hiệu quả lọc sạch, đòi hỏi quy trình xử lý nước sinh hoạt cần thực hiện chuẩn chỉnh, qua nhiều công đoạn phức tạp.

Quá trình xử lý cấp nước sạch bao gồm các công đoạn sau: 

• Water Intake: Trạm bơm nước thô
• PreChlorination: Tiền Clo hóa
• Coagulation + Flocculation: Đông tụ và ngưng tụ
• Sedimentation: Lắng đọng
• Filtration: Lọc
• Chlorination: Clo hóa 
• Distribution: Phân phối nước

Water Intake

Quá trình này diễn ra ở trạm bơm nước thô.

Nước có thể được lấy từ sông, suối. Chất lượng nước đầu vào được đo độ pH, độ đục và độ dẫn điện. Tại trạm nước thô, người ta thực hiện quá trình tiền clo hóa. Clo hóa sơ bộ là quá trình cho clo vào nước trước bể lắng và bể lọc, mục đích của clo hóa sơ bộ là:

• Kéo dài thời gian tiếp xúc để tiệt trùng khi nguồn nước bị nhiễm bẩn nặng.
• Oxy hóa sắt hòa tan ở dạng hợp chất hữu cơ, oxy hóa mangan hòa tan để tạo thành các kết tủa tương ứng.
• Oxy hóa các chất hữu cơ để khử màu.
• Trung hòa amoniac thành cloramin có tính chất tiệt trùng kéo dài.

Clo hóa sơ bộ còn có tác dụng ngăn chặn sự phát triển của rong, rêu trong bể phản ứng tạo bông cặn và bể lắng, phá hủy tế bào của các vi sinh sản ra chất nhầy nhớt trên mặt bể lọc, làm tăng thời gian của chu kỳ lọc. Tuy vậy clo hóa sơ bộ có các nhược điểm sau:

• Tiêu tốn lượng clo thường gấp 3 đến 5 lần lượng clo dùng để khử trùng nước sau bể lọc, làm tăng giá thành nước xử lý
• Phản  ứng của clo với các chất hữu cơ hoà tan trong nước tạo ra hợp chất trihalomothene là chất gây ra bệnh ung thư cho người sử dụng nước, vì vậy không nên áp dụng quy trình clo hoá sơ bộ cho các nguồn nước mặt chứa nhiều chất hữu cơ.

Trạm bơm nước thô như trong hình sử dụng 2 máy bơm chìm và 1 máy ly tâm. Máy bơm chìm hoạt động khi mực nước cao hơn vị trí đặt bơm. Để theo dõi mực nước tại trạm bơm nước thô, cần sử dụng thiết bị đo mức (Probe LU240). Lưu lượng nước qua mỗi bơm đều được theo dõi bởi đồng hồ đo lưu lượng. Thiết bị đo lưu lượng được sử dụng là MAG5100W.

Bể trộn

Bể trộn là nơi tiếp nhận nước thô từ trạm bơm và đồng thời là nơi PAC, vôi và than được thêm vào. Mục đích cơ bản của quá trình khuấy trộn hoá chất ở bể tiếp nhận là tạo ra điều kiện phân tán nhanh và đều hoá chất vào toàn bộ khối lượng nước cần xử lý. Quá trình trộn phèn đòi hỏi phải trộn nhanh và đều phèn vào nước xử lý vì phản ứng thuỷ phân tạo nhân keo tụ diễn ra rất nhanh thường nhỏ hơn một phần mười giây, nếu không trộn đều và trộn kéo dài sẽ không tạo ra được các nhân keo tụ đủ, chắc và đều trong thể tích nước, hiệu quả lắng sẽ kém và tốn phèn, các loại hoá chất khác đòi hỏi trộn đều còn thời gian trộn đòi hỏi ít nghiêm ngặt hơn trộn phèn. Việc lựa chọn điểm cho hoá chất vào để trộn đều với nước xử lý căn cứ vào tính chất và phản ứng hoá học tương hỗ giữa các hoá chất với nhau, giữa hoá chất với các chất có trong nước xử lý theo quy trình công nghệ được chọn để quyết định.

Bể phản ứng

Bể phản ứng là nơi thực hiện quá trình đông tụ và keo tụ tạo bông cặn.

Mục đích của quá trình là tạo ra tác nhân có khả năng dính kết các chất làm bẩn nước ở dạng hoà tan lơ lửng thành các bông cặn có khả năng lắng trong các bể lắng và dính kết trên bề mặt hạt của lớp vật liệu lọc với tốc độ nhanh và kinh tế nhất.

Khi trộn đều phèn với nước xử lý lập tức xảy ra các phản ứng hoá học và lý hoá tạo thành hệ keo dương phân tán đều trong nước, khi được trung hoà, hệ keo dương này là các hạt nhân có khả năng dính kết với các keo âm phân tán trong nước và dính kết với nhau để tạo thành các bông cặn, do đó quá trình tạo nhân dính kết gọi là quá trình keo tụ, quá trình dính kết cặn bẩn và nhân keo tụ gọi là quá trình phản ứng tạo bông cặn.

Hiệu quả của quá trình tạo bông cặn phụ thuộc vào: cường độ và thời gian khuấy trộn để các nhân keo tụ và cặn bẩn va chạm và dính kết vào nhau nếu là keo tụ trong môi.

Bể lắng

Quá trình lắng loại trừ ra khỏi nước các hạt cặn và bông cặn có khả năng làng với tốc độ kinh tế cho phép, làm giảm lượng vi trùng và vi khuẩn.

Có ba loại cặn cơ bản thường gắn liền với quá trình lắng trong xử lý nước như sau:

• Lắng các hạt cặn phân tán riêng rẽ, trong quy trình lắng hạt cặn không thay đổi hình dáng, độ lớn, tỷ trọng, trong xử lý nước thiên nhiên thường là cặn không pha phèn và công trình lắng thường gọi là lắng sơ bộ để giảm độ đục của nước nguồn.
• Lắng các hạt cặn dạng keo phân tán, trong xử lý nước thiên nhiên gọi là lắng cặn đã được pha phèn. Trong quá trình lắng các hạt cặn có khả năng dính kết với nhau thành các bông cặn lớn, và ngược lại các bông cặn lớn có thể bị vỡ ra thành các mảnh nhỏ hơn nên trong khi lắng các bông cặn thường bị thay đổi kích thước, hình dạng và tỷ trọng.
• Lắng các hạt cặn đã đánh phèn có khả năng dính kết với nhau như loại cặn nêu trong điểm 2 nhưng với nồng độ lớn, thường lớn hơn 1000 mg/l, với nồng độ cặn lớn do tuần hoàn lại cặn, do tạo ra lớp cặn lơ lửng trong bể lắng, các bông cặn này tạo thành đám mây cận liên kết với nhau và dính kết để giữ lại các hạt cặn bé phân tán trong nước.

Trong thực tế xử lý nước thường phải lắng cặn loại 2 và loại 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình lắng cặn keo tụ là:

• Kích thước, hình dáng và tỷ trọng của bông cặn.
• Độ nhớt và nhiệt độ của nước.
• Thời gian lưu nước trong bể lắng.
• Chiều cao lắng cặn (chiều cao lớp nước trong bể lắng)
• Diện tích bề mặt của bể lắng.
• Tải trọng bề mặt của bể lắng hay tốc độ rơi của hạt cặn.
• Vận tốc dòng nước chảy trong bể lắng.
• Hệ thống phân phối nước vào bể và hệ máng thu đều nước ra khỏi bể lắng.

Hiệu quả lắng phụ thuộc rất nhiều vào kết quả làm việc của bể tạo bông cặn, bể bông cặn tạo ra các hạt cặn to, bền, chắc và càng nặng thì hiệu quả lắng càng cao. tạo

Nhiệt độ nước càng cao, độ nhớt càng nhỏ, sức cản của nước đối với hạt cặn càng giảm làm tăng hiệu quả quá trình lắng.

Sau khi cặn lắng sẽ được máy cào bùn tiến hành thu đến các rãnh và từ đó chuyển đến sân phơi bùn.

Bể lọc

Lọc là quá trình không chỉ giữ lại các hạt cặn lơ lửng trong nước có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ rỗng tạo ra giữa các hạt lọc mà còn giữ lại các hạt keo sắt, keo hữu cơ gây ra độ đục và độ màu, có kích thước bé hơn nhiều lần kích thước các lỗ rỗng nhưng có khả năng dính kết và hấp thụ lên bề mặt hạt lớp vật liệu lọc. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc nước qua bể lọc hạt là:

• Kích thước hạt lọc và sự phân bố các cỡ hạt trong lớp vật liệu lọc.
• Kích thước, hình dạng, trọng lượng riêng, nồng độ và khả năng dính kết của cặn bẩn lơ lửng trong nước xử lý.
• Tốc độ lọc, chiều cao lớp lọc, thành phần của lớp vật liệu lọc và độ chênh áp lực dành cho tổn thất của một chu kỳ lọc.
• Nhiệt độ và độ nhớt của nước

Về cơ bản có thể phân bể lọc làm ba loại chính: lọc chậm, lọc nhanh trọng lực gồm bể lọc hở và bể lọc áp lực, hai loại bể lọc này có chiều dùng nước đi từ trên xuống dưới. loại thứ 3 là lọc ngược hay lọc tiếp xúc có chiều dòng nước đi từ dưới lên trên.

Bể chứa nước sạch

Nước sau khi qua bể lọc sẽ được thu về bể chứa nước sạch. Một phần nước sạch được bơm trở lại bể lọc để tiến hành sục chống tắc nghẽn lớp lọc. Nước ở bể chứa nước sạch được khử trùng lần cuối bằng clo để đảm bảo an toàn về mặt vi trùng học. Thời gian tiếp xúc của clo với nước phải đảm bảo trên 30 phút và sau 30 phút lượng clo tự do còn lại trong nước phải là 0.3mg/l

Nước sạch sau đó thông qua các bơm để đưa tới các khu vực sử dụng. Để đảm bảo lưu lượng nước ở các hộ dân luôn ổn định thì cần đảm bảo áp suất ở phía sau đầu ra bơm. Cần sử dụng biến tần để điều khiển các bơm cấp này.

Nước được đo nồng độ Clo dư, độ pH, độ đục trước khi phân phối đến các nơi sử dụng.

Nhà hóa chất

Các thành phần như vôi , PAC, than, clo cần sử dụng với liều lượng khác nhau. Sau khi qua giai đoạn trộn, cần sử dụng bơm định lượng để tạo tỉ lệ thích hợp

Đối với nhà clo, cần có thiết bị cảnh báo rò rỉ để đảm bảo an toàn cần thiết