ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG KHÔNG KHÍ TRONG PHÒNG SẠCH THÔNG QUA BIẾN TẦN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC-CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH ĐỒ ÁN NHIỆT LẠNH TÊN ĐỀ TÀI: “ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG KHƠNG KHÍ TRONG PHỊNG SẠCH THƠNG QUA BIẾN TẦN” Người thực : Nguyễn Đình Thăng Mã số sinh viên : 20120880 Lớp : Nhiệt lạnh 1-K57 Người hướng dẫn : Ths Cao Đại Thắng Hà nội - Năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung đồ án thực hướng dẫn thầy Cao Đại Thắng Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Đình Thăng Mục Lục Lời cam đoan Mục lục Lời mở đầu Chương : Tổng quan phòng điều hòa dùng phòng 1.1.Giới thiệu phòng 1.1.1.Áp suất phòng 1.1.2.Nhiễm chéo 1.1.3.Độ 1.2.Điều hòa dùng phòng 1.2.1.Khái niệm điều hịa khơng khí 1.2.2 Sơ đồ nguyên lí 1.3 Hệ thống thơng gió phòng 1.3.1 Hệ thống đường ống gió 1.3.2 Thiết bị tiêu âm 1.3.3 Các miệng cấp/ hồi khí – Bộ lọc HEPA 1.3.4 Vật liệu bảo ôn cách nhiệt 1.3.5 Hệ thống thải khí Chương : Hệ thống điều khiển lưu lượng khơng khí phịng 10 2.1 Khái qt hệ thống điều khiển 10 2.1.1 Thành phần cấu tạo chính… 10 2.1.2 Nhiệm vụ chức 10 2.1.3 Sơ đồ điều khiển 11 2.2 Các thiết bị đo điều khiển 12 2.2.1 Bộ điều khiển PID 12 2.2.2 Biến tần 16 2.2.3 Cảm biến lưu lượng 19 2.2.4 Thiết bị AHU Quạt 23 2.2.5 Sơ đồ kết nối điều khiển 24 Chương 3: Cơ sở lý thuyết 26 3.1 Nhận dạng đối tượng diều khiển 26 3.1.1 Đối tượng đầu 26 3.1.2 Đối tượng nhiều đầu 27 3.2 Mơ hình hóa đối tượng 30 3.2.1 Đặc tính mơ hình đối tượng công nghiệp 30 3.2.2 Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng 32 3.2.3 Phương pháp mơ hình hóa theo đặc tính độ 33 3.3 Phương pháp tổng hợp điều chỉnh 37 3.3.1 Đặt toán tổng hợp hệ thống điều khiển tối ưu 37 3.3.2 Xây dựng hệ thống bền vững chất lượng cao 37 3.4 Đánh giá chất lượng điều chỉnh 41 3.4.1 Khái niệm chất lượng trình điều khiển 41 3.4.2 Chất lượng chuyển trạng thái 42 3.4.3 Chỉ tiêu tích phân sai số điều chỉnh 45 Chương : Lấy số liệu tính toán cụ thể 47 4.1 Xác định mơ hình hóa đối tượng 47 4.2 Tổng hợp đáng giá điều khiển 51 Lời mở đầu Trong năm gần nhu cầu cho thiết kế phòng ngày tăng Do yêu cầu sản phẩm công nghệ cao sản xuất máy tính, sản xuất chíp, bo mạch, công nghệ chất bán dẫn; hay loại thuốc dược phẩm, thiết bị y tế, phòng mổ bệnh viện Tất phòng địi hỏi phải kiểm sốt nồng độ hạt bụi, loại chất nhiễm, trao đổi khơng khí mức cho phép để tạo môi trường lí tưởng Để tạo mơi trường đáp ứng yêu cầu phòng sach, người ta sử dụng điều hịa khơng khí cho phịng với đặc điểm, tính vợt trội so với điều hịa khơng khí thông thường Và nhiệm vụ đặt sau trì điều kiện cho phịng điều khiển lưu lượng khơng khí phịng để tiết kiệm lượng cách tốt Bằng cố gắng nổ lực thân đặc biệt giúp đỡ tận tình, chu đáo thầy Cao Đại Thắng, em hoàn thành đồ án thời hạn Do thời gian làm đồ án có hạn trình độ cịn nhiều hạn chế nên khơng thể ttránh khỏi thiếu xót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy Cao Đại Thắng bạn sinh viên tạo điều kiện giúp đỡ em thời gian em làm đồ án Sinh Viên Nguyễn Đình Thăng Chương Tổng quan phòng điều hòa dùng phòng 1.1 Giới thiệu phòng Phòng phòng mà nồng độ hạt lơ lửng khơng khí bị khống chế xây dựng sử dụng kết cấu cho có mặt, sản sinh trì hạt phòng giảm đến tối thiểu yếu tố khác phịng khống chế điều khiển Như phòng thường giải năm vấn đề nhiệt độ, độ ẩm, áp suất phòng, độ vấn đề nhiễm chéo *)Những đặc điểm khác phịng ĐHKK thường : 1.1.1.Áp suất phòng Nhiệm vụ chủ yếu ngăn ngừa khơng cho khơng khí, hạt bụi, chất nhiễm trùng; từ phòng, khu vực dơ sang phòng, khu vực Nguyên tắc di chuyển khơng khí từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp Như vậy, phịng có cấp độ có áp cao ngược lại Để kiểm sốt áp suất phịng thường có đồng hồ đo áp suất, áp phịng vượt q tự động tràn ngồi thơng qua cửa gió xì Thường phịng có u cầu cao gắn miệng gió xì 1.1.2 Nhiễm chéo Để hiểu rõ nhiễm chéo ta định nghĩa tạp nhiễm Tạp nhiễm nhiễm (đưa vào) không mong muốn tạp chất có chất hóa học vi sinh vật, tiểu phân lạ vào lên nguyên liệu ban đầu thành phẩm trung gian q trình sản xuất, lấy mẫu, đóng gói, bảo quản vận chuyển Như nhiễm chéo việc tạp nhiễm nguyên liệu ban đầu , sản phẩm trung gian, thành phẩm với nguyên liệu ban đầu hay sản phẩm khác trình sản xuất Việc nhiễm chéo có ngun nhân bên bên Vấn đề nhiễm chéo phức tạp phòng nhà máy dược phòng mổ bệnh viện Các phòng cho cơng nghệ cao nhiều sản xuất loại sản phẩm khu lớn 1.1.3.Độ Độ phòng định hai yếu tố số lần trao đổi gió hay bội số tuần hồn (Air Changes per Hour) Phin lọc Thơng thường điều hịa khơng khí cho cao ốc văn phịng từ tới 10 lần Nhưng phịng số lần trao đổi gió lên tới 20 lần, đặc biệt phịng cho sản xuất chíp lên tới 100 lần Tăng số lần trao đổi gió để làm giảm nồng độ hạt bụi, chất nhiễm sinh phịng Do kết cấu phòng khác với cao ốc văn phịng Với phịng có u cầu cấp độ khác số lần trao đổi gió khác Ví dụ nhà máy sản xuất dược phẩm khu vực thay đồ có cấp độ E (cấp màu đen) có áp phịng +(15Pa), số lần trao đổi gió 10, phịng pha chế có cấp độ C có áp phịng +(30Pa), số lần trao đổi gió 20, phin lọc cấp H12 Phin lọc có nhiệm vụ lọc bỏ hạt bụi khơng khí trước vào phịng Tùy theo yêu cầu loại phòng mà sử dụng phin lọc cho phù hợp Thông thường với phịng nhà máy dược sử dụng loại lọc hiệu suất cao HEPA(High Efficiency Particle Air) Vị trí lọc gắn AHU phịng 1.2 Điều hòa dùng phòng 1.2.1.Khái niệm điều hịa khơng khí Điều hịa khơng khí ngành khoa học nghiên cứu phương pháp , công nghệ thiết bị nhằm tạo môi trường khơng khí phù hợp với cơng nghệ sản xuất, chế biến tiện nghi người Ngoài nhiệm vụ trì nhiệt độ phịng , hệ thống điều hịa khơng khí cịn phải giữ nhiệt độ khơng khí phịng ổn định mức độ ổn định Bên cạnh cần phải ý đến độ khơng khí, khống chế độ ồn tốc độ lưu thơng hợp lí dịng khơng khí Như vậy, hệ thống điều hịa nghĩa hệ thống trì trạng thái khơng khí khơng gian điều hịa vùng quy định đó, khơng bị ảnh hưởng thay đổi điều kiện khí hậu bên hay thay đổi phụ tải bên 1.2.2 Sơ đồ ngun lí điều hịa 1- Máy nén ; 2- Bình ngưng ; 3- Dàn lạnh ; 4- Bình tách lỏng ; - Tháp giải nhiệt ; – Bơm giải nhiệt ; 7- phòng 1.3 Hệ thống thơng gió 1.3.1 Hệ thống đường ống gió Để ln hồi khơng khí hệ thống ta sử dụng hệ thống ống gió làm tơn, có tính chất vật lí tốt bền, nhẹ khơng làm ảnh hưởng tới khơng khí cần ln hồi, tùy thuộc vào kích thước ống mà chọn độ dày khác 1.3.2 Thiết bị tiêu âm Khi hệ thống hoạt động tạo tiếng ồn, để tiếng ồn khơng bị di chuyển theo cấp vào phịng sản xuất ta phải sử dụng biện pháp làm tiêu âm dường dịng khí, sử dụng ống gió tiêu âm bề mặt xung quanh bên ống có cấu trúc lỗ làm cho tiếng ồn bị triệt tiêu 1.3.3 Các miệng cấp/ hồi khí – Bộ lọc HEPA - Miệng cấp khí HEPA : Trong hệ thống phịng có nhiều khu vực có cấp độ khác Bởi HEPA cho khu vực có filter lọc với cấp độ lọc, độ dày khác theo tiểu chuẩn GMP – WHO - Miệng hồi khí : Với cửa hút trần ta sử dụng cửa hút nan thẳng có màng lọc thơ cửa hút có vỏ bọc kim loại soi nhiều lỗ tròn Cửa hút chân tường dùng loại dạng lưới 1.3.4 Vật liệu bảo ôn cách nhiệt Hệ thống ống gió làm tơn nên q trình lắp đặt ta cần phải làm kín cách nhiệt Ta sử dụng bảo ơn PE dạng xốp có tráng bên lớp giấy bạc, bảo ơn cịn cách âm cho hệ thống 1.3.5 Hệ thống thải khí Đối với số cơng trình phịng có khu vực độc hại hóa chất gây hại cho người môi trường nên khơng thể để khơng khí ln hồi AHU Do ta cần lắp đặt hệ thống thải khí có virút hóa chất độ hại tách khỏi khơng khí trước cho mơi trường bên ngồi Giải pháp tốt cho vấn đề sử dụng lọc khí RPT hệ thống lọc khí BIBO Nếu tín hiệu đầu vào hàm thời gian xác định, chất lượng điều chỉnh xác định dựa theo đáp ứng hệ thống dạng xung điển xung bậc thang,xung đơn vị xung dao động hình sin Tín hiệu bậc thang dạng xung thường xuyên sảy trình hoạt động hệ thống diều khiển Sự đóng/ngắt thiết bị làm thay đổi nhanh đại lượng điều chỉnh liên quan, gây hàng loạt xung bậc thang tác động vào vịng điều chỉnh Ngồi ra, thay đổi khơng mong muốn tính chất vòng vật chất điều kiện xung quanh gây dạng nhiễu bậc thang tác động vào hệ thống Đối với hệ thống làm việc điều kiện có rung động thường tồn vơ số tín hiệu sóng hình sin tác động vào hệ thống Các đối tượng điều khiển nhiệt nối chung có qn tính lớn nên hệ thốn điều chỉnh thương có tinhd chất lọc tần số thấp, có khả triệt giảm rõ rệt loại nhiễu dao động tần số cao 3.4.2 Chất lượng chuyển trạng thái Trong số dạng tín hiệu, tác động vào hệ thống, xung bậc thang nguy hiểm nhất, tác động đột ngột trì ảnh hưởng lâu dài đến hệ thống Đáp ứng hệ thống tác động bậc thang, thường gội đặc tinh độ, đường cong biến thiên đại lượng đầu theo thời gian, kể từ thời điểm xuất xung cho thới vô hạn, với điều kiện đầu không Chất lượng chuyển trạng thái thể rõ rệt đáp ứng độ hệ thống Thường số chất lượng xác định dựa theo đáp ứng quy chuẩn, tức theo đáp ứng xung bậc thang đơn vị 42 Đặc tính độ theo đầu Đặc tính độ theo nhiễu a) Thời gian điều chỉnh Thời gian điều chỉnh cho phép đánh giá độ tác động nhanh hệ thống Giá trị lý thuyết thời gian điều chỉnh luôn vô điều khơng liên quan đến tốc độ phản ứng hệ thống thực tế người 43 ta quan tâm đến giá trị thời gian điều chỉnh thực: Tq, khoảng thời gian tính từ xuất xung đầu vào thời điểm mà kể từ đáp ứng sai lệch khơng ±∆ so với giá trị xác lập | h(t) – h(∞) | ≤ ∆ với t ≥ Tq Độ sai lệch thường chọn khoảng: ∆ = (3÷10%) Với tiêu chất lượng khác nhau, hệ thống có thời gian điều chỉnh nhỏ,thì tác động nhanh chất lượng điều chỉnh cao b) Sai lệch động cực đại độ điều chỉnh Sai lệch động cực đại chủ tiêu phản ánh mức độ ảnh hưởng tác động đầu vào định, làm trệch quỹ đạo đầu hệ thống Đối với đầu vào điều khiển, khái niệm có ý nghĩa để xác định tốc độ thay đổi cho phép tối đa giá trị đặt trình điều khiển thiết bị cơng nghệ hmax  max | h(t ) | t Đối với đầu vào tác động nhiễu, độ sai lệch động cực đại đáp ứng đầu cho phép đánh giá khả kháng nhiễu hệ thống Giá trị sai lệch động cực đại nhỏ hệ thống có khả kháng nhiễu cao Mức độ điều chỉnh đánh giá số gọi độ điều chỉnh:  hmax  h() h( ) , đó, hmax – giá trị lớn đáp ứng độ Trong thực tế, tùy theo đặc điểm q trình cơng nghệ cần điều khiển người ta áp đặt yêu cầu khác độ điều chỉnh, phổ biến nằm khoảng: δ =10 -50% c) Độ tắt dần dao động trình độ 44 Để đánh giá tính chất giao động hệ thống người ta dùng khái niệm hệ số tắt dần q trình q độ xác định từ đặc tính q độ, theo công thức:  A A A1  A2   1 A1 A1 A1 Từ hệ số tắt dần tính số giao động trình độ : m ln(1  ) 2 Quá độ tắt dần nhanh ψ lớn 3.4.3 Chỉ tiêu tích phân sai số điều chỉnh Để đánh giá cách tổng hợp chất lượng điều chỉnh hệ thống theo giá trị tích phân sai số điều chỉnh Chỉ tiêu tích phân sai số động học tích phân xác định theo thời gian hàm sai lệch đáp ứng giá trị xác lập Tồn dạng tiêu tích phân thường gặp:  J1    (t )dt 45  J1a   |  (t ) | dt  J    (t )dt  J a    (t )   ( ' (t ))2 dt Trong đó, ε(t) =h(∞) – h(t) sai số động học; γ – hệ số đối trọng Các tiêu tích phân số chất lượng gián tiếp, phản ánh tương đối tổng hợp độ tác dộng nhanh độ điều chỉnh hệ thống Tuy nhiên số trường hợp tiêu tích phân có ý nghĩa vật lý trực tiếp 46 Chương Lấy số liệu tính tốn cụ thể 4.1 Xác định mơ hình đối tượng 4.1.1 Xác định phương pháp mơ hình hóa đối tượng Ta nhận thấy đường đặc tính q độ đối tượng có dạng qn tính bậc hai có trễ: 282 7,69 3,1 Do mơ hình đối tượng có dạng: K e s O( s )  (1  T1s)(1  T2 s) Từ đồ thị đặc tính O ta xác định giá trị:  Giá trị xác lập: h(∞) =1000(m3/h)  Hằng số quán tính biểu trưng: Ta = 3,1(s)  Toạ độ điểm uốn: U(7,69;282) Tung độ tương đối điểm uốn: g hu 282   0, 282  g max  0, 26424 h 1000 δ = g – gmax =0,282 – 0,26424 = 0,01776 47 T1  T2    tu  Ta (1  0,8 ) 3,1(1  0,8.0,01776)   1,96 e e Ta (1  2,4 ) 3,1(1  2,4.0,01776)  3,1   2,211 e e Hệ số truyền: K 22  h 1000   200 x0 Vậy mơ hình đối tượng là: K e s 200.e2,211s O(s)   (1  T1s)2 (1  1,96s)2 4.1.2 Xác định phần mềm cascad Từ đường đặc tính đối tượng ta có bẳng số liệu: t(s) 10 12 14 16 18 20 h(m3/h) 20 62,5 175 312,5 475 575 700 787,5 825 875 925 975 987,5 997,5 1000 48 Nhập số liệu vào cascad: Mở CASCAD/DATA-PROCESS Sau mơ hình hóa đối tượng: M/2Lag+DT/Run_Optim 49 Ta đường đặc tính đối tượng sau mơ hình hóa: Mơ hình đối tượng có dạng: k e s O( s )  (1  T1s)(1  T2 s) Và xung bậc thang đầu vào x(t) = x0.1(t) = 5.1(t) Nên ta mơ hình đối tượng O(s): 997,937.e 2,519 s 199,587e2,529 s O( s)   (1  2,012 s) (1  2,012s) 50 4.2 Tổng hợp đánh giá điều khiển 4.2.1 Xác định điều chỉnh bền vững tối ưu nguyên Rz(s) a) Tính tốn thơng thường Bộ điều chỉnh bền vững tối ưu nguyên có dạng: Rz ( s )  1 O ( s)  s pt Trong đó, (1  1,96s) O ( s)  200 1 pt mc = 0,461 ⟶ θc =1,348 θ = θc.τ = 1,348.2,211 = 2,98 1 (1  1,96 s) 1, 68.10 3 (1  1,96 s)  Rz  s   O pt ( s )   s 2,98s 200 s b) Xác định phần mềm cascad Nhập khâu vào cấu trúc: Vì phần mềm mặc định xung đầu vào x0 =1 nên ta phải sửa lại giá trị K Chọn Pm/Function/Parameters/K=199.587, giá trị khác giữ nguyên Coppy Pm→O B Nhập z =1/s, v = 1/s Chọn ^C/Robust/Orginal Mơ hình Rz(s) có dạng: K (1  c1s )(1  c2 s )e  s Rz ( s )  s 51 Lấy số liệu từ cascad, ta được: Rz  s  0, 001 1  2, 012   s Và đặc tính mềm H(- mω +jω) hệ hở: Nhận thấy đặc tính mềm hệ hở qua điểm (-1; j0), theo tiêu chuẩn Nyquist ta có hệ kín đảm bảo dự trữ ổn định *) Đáp ứng độ yz(t) hệ kín theo kênh đặt: Trên đồ thị đáp ứng độ với tín hiệu xung bậc thang ta có chất lượng hệ thống đánh giá qua số:  Thời gian điều chỉnh: Tq = 16,456(s) ứng với ∆ = 5%  Độ điều chỉnh:  ymax  y 1, 245    24,5% y  Hệ số tắt dần: ψ= 0,945 52 *) Đáp ứng đầu theo kênh nhiễu: 53  Thời gian điều chỉnh: Tq =30(s)  Hệ số tắt dần: ψ = 0,967  ymax = 120,802 4.2.2 Xác định điều chỉnh bền vững có tăng cường kháng nhiễu a) Xác định phương pháp thơng thường Bộ điều chỉnh bền vững có tăng cường kháng nhiễu có dạng: R ( s )  Rz ( s )  A s 0, 001(1  1,96 s) 0, 001  0, 0039 s  0, 0038s Rz ( s )   s s C12 0,5 A C2   C1  0,5 / T ⟹ C1 = 0,0039; C2 =0,0038; T∑ =T1 +T2= 1,96 + 1,96 = 3,92 0, 0039 0,5  A  3, 6.10 4 0, 0038  2,98.0, 0039  0,5.2,519 / 3,92 0, 00136  0, 0039 s  0, 0038 s  R( s)  s b) Xác định cascad Chọn GRAPHING/Robust/I+Robust Ta điều khiển bền vững có tăng cường kháng nhiễu: 0, 002  0, 006 s  0, 006 s R( s)  s 54 Và đặc tính mềm H(-mω + jω) hệ hở: Đặc tính độ kháng nhiễu: 55 Tài liệu tham khảo Bài giảng “Lý thuyết điều chỉnh trình nhiệt” Thầy Đỗ Mạnh Hùng Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm CASCAD Tài liệu tham khảo sinh viên khóa trước Các tài liệu từ nguồn INTERNET 56