Ứng dụng SCADA trong sản xuất và cung cấp nước sạch

Hệ thống có cấu trúc tập trung
Mọi thông tin được tập trung về máy tính chủ thông qua các PLC
Việc truyền thông tin được thực hiện dưới dạng số thông qua Profibus
Việc truy cập trao đổi thông tin được thực hiện theo các chuẩn quốc tế RS232, RS485 và các giao thức công nghiệp (protocol)
Những chức năng chính của hệ thống:
Điều khiển và giám sát trạng thái của tất cả các thiết bị, máy móc…tại hiện trường
Thu thập và lưu trữ các thông số của các thiết bị, máy móc, sản phẩm..
Phân tích đảm bảo chất lượng sản phẩm
Cảnh báo và báo lỗi xảy ra tại các thiết bị, máy móc…
Báo cáo, thống kê và in ấn
Tạo lập và thực thi hàm, công thức
Bảo mật và phân quyền sử dụng hệ thống
Chỉnh sửa online

Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống:
Từ hiện trường (nơi đặt các thiết bị, máy móc của dây chuyền sản xuất và hệ thống đường ống, trong tương lai là toàn bộ các địa chỉ và hộ tiêu dùng nước) các cảm biến(S) đưa tín hiệu đo: Đến modul vào/ra (I/O) và đến PLC. Thông tin tại PLC được xử lý sơ bộ và truyền lên máy tính chủ, người thao tác có thể tác động đến bất kỳ điểm nào trên hiện trường thông qua các cơ cấu chấp hành (A). Hoạt động của hệ Scada sẽ đảm bảo:
Điều khiển tự động các thiết bị, máy móc rời rạc và các thiết bị, máy móc quá trình liên tục
Giám sát tự dộng liên tục toàn bộ quy trình sản xuất (ở doanh nghiệp cấp nước là quá trình sản xuất của nhà máy và mạng đường ống cung cấp nước sạch)
Thông báo thông tin đầy đủ về lỗi và trạng thái làm việc của thiết bị, máy móc (ở doanh nghiệp cấp nước chủ yếu là các bơm, van, biến tần)
Thu thập và lưu trữ dữ liệu những thông tin phục vụ quản lý và điều hành (ở doanh nghiệp cấp nước là những thông tin chính, mức nước bể chứa, áp lực, lưu lượng, điện năng tiêu thụ, chất lượng nước
In ấn báo cáo kết quả các dữ liệu giám sát.
Như vậy, có thể dễ thấy rằng: để đảm bảo can thiệp (tức điều khiển) quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch thì các cơ cấu chấp hành (A) phải đảm bảo có tính năng nhận và chấp hành tín hiệu điều khiển. Ví dụ: các van trên đường ống phải là van điện, các động cơ điện phải có các khí cụ hoặc thiết bị cấp nguồn có khả năng nhận tín hiệu điều khiển để đóng, cắt nguồn hoặc thay đổi giá trị (có thể là tần số) nguồn cấp để đảm bảo khởi động- dừng hoặc thay đổi tốc độ. Một thực trạng ở đa phần các nhà máy sản xuất nước sạch và hệ thống đường ống là các van chủ yếu là van cơ, các động cơ điện chủ yếu được cấp điện từ khởi động từ. Chính vì vậy, để khai thác tính năng điều khiển của hệ Scada thì phải nâng cấp các thiết bị, máy móc tại hiện trường, nhưng điều này đòi hỏi nguồn vốn lớn. Đây thực sự là một vấn đề khó cho các doanh nghiệp. Nhưng không vì thế mà không ứng dụng công nghệ Scada, mà xét về nhiều mặt có thể khẳng định: nên ứng dụng công nghệ Scada vào quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch trước để nâng cao hiệu quả điều hành, quản lý và sau đó sẽ nâng cấp dần thiết bị- máy móc tại hiện trường. Và đây có thể coi (một cách thận trọng) là một phương pháp đi tắt đón đầu, có tác dụng thúc đẩy và thay đổi nhận thức của toàn thể cán bộ kỹ thuật, quản lý trong doanh nghiệp, đẩy nhanh công cuộc hiện đại hóa quá trình sản xuất.

Khái quát cơ bản tổ chức, quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch

Với một doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch cấp Công ty thì phổ biến có tổ chức gồm: vài xí nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch; trong mỗi xí nghiệp có một hoặc hai (thường là một) nhà máy sản xuất sản xuất nước sạch; hệ thống đường ống cấp nước thuộc xí nghiệp. Các công ty chuyên ngành nước thường có đặc điểm: các nhà máy sản xuất nước, các phòng chức năng của xí nghiệp và của công ty… cách xa nhau (có công ty khoảng cách xa nhất lên đến vài chục km), các hệ thống đường ống… thường trải trên một địa bàn rộng lớn. Và một điều hiển nhiên là theo một thể thống nhất thì các phòng chức năng tại cấp Công ty, tại xí nghiệp, tại nhà máy và các thiết bị, máy móc… tại hiện trường phải có sự “liên kết” với nhau để thực hiện việc tổ chức sản xuất và cung cấp nước sạch. Việc ứng dụng công nghệ Scada chính là hiện đại hóa sự liên kết này, “xóa nhòa” khoảng cách.
Quy trình cơ bản của việc sản xuất và cung cấp nước sạch cho một xí nghiệp thuộc công ty có thể hiểu một cách đơn giản như hình 2.


Hình 2: Quy trình đơngiản của sản xuất và cung cấp nước sạch.

Trong đó, cần chú ý: 
Hệ thống đường ống là một mạng gồm nhiều đường ống có kích thước khác nahu và mạng này luôn phát triển cùng với mức phát triển các địa chỉ và hộ tiêu dùng nước sạch
Với quy trình sản xuất và cung cấp nước sạch một cách đơn giản này, cũng dễ nhận thấy ngay rằng: để nâng cao hiệu quả điều hành quá trình này, cần phải trực quan giám sát liên tục các thông số kỹ thuật sau:
Lượng nước thô khai thác: thông số này liên quan đến phí phải trả về khai thác tài nguyên và là một thông số liên quan đến đánh giá tổn thất nước
Các thông số đo lường cần giám sát/ lưu trữ của quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch, gồm: mức nước trong bể nước thô/ nước sạch/các bể thuộc các công đoạn của quá trình xử lý nước/hàm lượng clo dư/ các áp lực nước trên các đường ống( cả trong nhà máy và các điểm cần thiết trên mạng đường ống cung cấp nước sạch)/độ PH/độ đục/độ lắng cặn.
Lượng nước sạch cung cấp: tại đầu ra của nhà máy tổng lượng nước sạch tại các hố và địa chỉ tiêu dùng nước. Thông số này liên quan đến thu tiền nước và việc đánh giá tổn thất nước cũng như hiệu quả sản xuất kinh doanh.
Tình trạng kỹ thuật của các thiết bị, máy móc trong nhà máy, gồm: thông báo trạng thái tức thời chất lượng kỹ thuật, lượng điện năng tiêu thụ….
Như vậy, tất cả các thông tin trên cần phải được thể hiện trực quan sinh động trên các màn hình đặt tại các phòng chức năng liên quan đến điều khiển/ giám sát/ và thu thập dữ liệu. Điều này hoàn toàn được thỏa mãn bởi hệ Scada với phần mềm chuyên dụng cho ngành nước cũng những thiết bị phần cứng tương thích. 

Cấu hình cơ bản mạng Scada cho doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch

Cấu hình cơ bản mạng Scada cho một “nhánh” của doanh nghiệp (có những đặc điểm về tổ chức như đã nêu trên) sản xuất và cung cấp nước sạch, có dạng tổng thể như hình 3
Trong đó:
Trung tâm điều độ công ty (TTĐĐCTY) có chức năng giám sát, thu thập dữ liệu về quá trình sản xuất và cung cấp nước sạch của các xí nghiệp thành viên, giúp lãnh đạo công ty trong công tác quản lý sản xuất và kinh doanh, trung tâm này đặt ngay tại trụ sở công ty và trong nó có:
Máy tính để đảm bảo giám sát và thu thập dữ liệu với cấu hình tối thiểu: CPU là loại Pentium IV/3GHz; RAM 512MB; Monitor 17” LCD; Hard dish 80GB; FDD 3 ½”; CD-RW/DVD 52X; Network Card LAN, Ethernet 10/100Mbps; hệ điều hành Windows 2000 Pro/Win NT/Win XP và kèm theo đầy đủ phụ kiện như Mouse, keyboard,…;
Màn hình giám sát có đặc điểm: LCD, TV/Monitor; kết nối PC/RS232
Switch mạng truyền thông (LAN Switch) có cấu hình tối thiểu: 08 cổng giao tiếp RJ45, tốc độ truyền dữ liệu 10/100 Mbit/s, giao thức truyền thông và hoạt động TCP/IP, UTP, ISO;
Modem sử dụng công nghệ quay số thuê bao điện thọai có: tốc độ 56 Kbps, tính bảo mật cao, sử dụng các ứng dụng Internet
Phòng điều độ xí nghiệp (PDDDXN) có chức năng điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu quá trình sản xuất của nhà máy và cung cấp nước sạch của mạng đường ống do xí nghiệp phụ trách. PĐ ĐXN có thể đặt ngay trong nhà máy(khi này phòng điều độ nhà máy và PĐ ĐXN là một) hoặc đặt tại một nơi khác ( cách xa nhà máy và gần với một trạm van quan trọng nhất) tùy thuộc vào địa hình sở tại. Tại PĐ ĐXN bố trí máy tính chủ thực hiện mọi chức năng chính của hệ Scada. Máy tính đặt tại đây là máy tính chủ, thực hiện chức năng điều khiển(tức điều phối vận hành đồng thời là máy tính kỹ thuật), giám sát và thu thập dữ liệu. Máy tính chủ hoạt động liên tục 24/24h, có cấu hình tại TTĐ ĐCTY
Phòng điều độ nhà máy (PĐ ĐNM) có chức năng giám sát hiện trường và là nơi nhận mọi thông tin từ các cấp quản lý để thực hiện ngay tại nhà máy (trong trường hợp PĐ ĐNM và PĐ ĐXN là một thì nơi đây thực hiện chức năng như PĐ ĐXN) máy tính và các thiết bị khác có cấu hình tương tự như tại TTĐ ĐCTY
Trạm vận hành van có chức năng điều khiển van trên các đường ống (chủ yếu tại các ngã ba phân nhánh đường ống) để đảm bảo áp lực nước trên mạng đường ống khu vực và thu thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ tại khu vực đó). Trong trạm có PLC, màn hình tương tác Người- Máy (HMI) và kết nối với máy tính chủ
Thiết bị ghép nối (Modem) theo đường điện thoại có chức năng đảm bảo truyền thông giữa các máy tính. Đây là một biện pháp (một cách thận trọng) có thể nói là rất phù hợp về kinh tế- kỹ thuật cho doanh nghiệp. Để thực hiện doanh nghiệp cần thuê bao đường truyền riêng với Bưu điện sở tại
Thiết bị chuyển đổi truyền thông (ADP) có chức năng kết nối truyền thông giữa PLC và máy tính (PC)
Các tín hiệu đo lường cần thiết đưa về PLC gồm: áp lực nước (AP), hàm lượng clo dư (CLO), độ PH, độ đục (NTU), độ lắng cặn(TDS), lưu lượng nước (Flow), điện năng tiêu thụ của các trạm (KW TR) mức nước(Level), các tín hiệu thể hiện trạng thái của các cơ cấu chấp hành (bơm, động cơ điện, biến tần,…), các van

Từ hình trên và nguyên lý hoạt động của hệ thống Scada, không khó lắm để hiểu nguyên lý hoạt động một cách tổng quan mạng Scada cho một “nhánh” công ty cấp nước, cũng như mạng Scada cho toàn công ty có nhiều xí nghiệp và các hệ thống mạng đường ống cấp nước. Vì vậy, người viết bài thấy không nhất thiết phải mô tả kỹ nguyên lý trên hình 3. Khi thiết kế cụ thể, cần phải:
Lưu ý đến việc chống sét ở mạng đường điện thoại bằng cách lắp các thiết bị bảo vệ chống sét(FSP) trước mỗi Modem
Lưu ý đến việc cấp nguồn cho PLC. Nguồn điện cấp cho PLC phải được truyền qua biến áp cách ly (có quan hệ 1:1 giữa điện áp vào và điện áp ra) và qua ổn áp để đảm bảo tránh “sốc điện” và ổn định điện áp cấp cho PLC
Lưu ý đến việc chống sét cho máy tính và PLC ở mạng nguồn (thông thường là 220VAC) bằng cách lắp các thiết bị bảo vệ chống sét (FSP) trên đường nguồn trước khi cấp điện cho máy tính và PLC


Cấu hình cơ bản mạng SCADA biến tần cho trạm bơm.

Trong sản xuất và cung cấp nước sạch, việc tiêu thụ năng lượng điện là rất lớn (đặc biệt ở các trạm bơm nước thô và nước sạch). Vì vậy, việc sử dụng kỹ thuật biến tần trong các hệ truyền động điện của các trạm bơm là đòi hỏi cấp thiết nhằm tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ. Khi này sẽ tạo nên mạng Scada biến tần tại các trạm bơm, mạng này có cấu hình đơn giản như hình trên có tính thực tế và hiệu quả cao hơn.


Cấu hình cơ bản mạng Scada biến tần cho trạm bơm.

Hiện nay, các doanh nghiệp sản xuất và cung cấp nước sạch đang có nhu cầu thiết lập mạng Scada biến tần nhằm thỏa mãn nâng cao năng lực quản lý và tiết giảm năng lượng điện. Tuy nhiên, để thiết lập hoàn chỉnh và khai thác hết các tính năng (do phần mềm quy định) mạng này đòi hỏi nguồn vốn đầu tư để nâng cao thiết bị/máy móc tại hiện trường sao cho phù hợp với đòi hỏi của hệ Scada. Vì vậy, các doanh nghiệp cần phải cân nhắc từ thực tế thiết bị/ máy móc của mình và các nguồn vốn để hoạch định kế hoạch đầu tư nhằm thỏa mãn dần các tiêu chí trên