Nghiên cứu sử dụng hệ thống điều khiển quá trình để điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí trong tòa nhà HVAC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐOÀN XUÂN THỰC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỂ ĐIỀU KH

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐOÀN XUÂN THỰC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, THÔNG GIÓ VÀ

ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRONG TÒA NHÀ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, 2015

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đoàn Xuân Thực

Học viên lớp cao học khóa K15 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa- Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Mỏ Hữu nghị - Vinacomin

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận khoa học của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Người thực hiện

Đoàn Xuân Thực

Trang 4

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Quân Nhu, Đại học Kỹ

thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế

Xin chân thành cảm ơn!

NGƯỜI THỰC HIỆN

Đoàn Xuân Thực

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

5 Nội dung thực hiện 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 4

1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình? 4

1.1.1 Quá trình và các biến quá trình 4

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 5

1.1.2 Phân loại quá trình 7

1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 8

1.2.1 Vận hành ổn định 8

1.2.2 Năng xuất và chất lượng sản phẩm 9

1.2.3 Vận hành an toàn 9

1.2.4 Bảo vệ môi trường 9

1.2.5 Hiệu quả kinh tế 10

1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình 10

1.3.1 Giao diện quá trình 10

1.3.2 Điều khiển cơ sở 10

1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát 11

1.3.4 Điều khiển cao cấp 11

1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống 11

1.4.1 Thiết bị đo 12

1.4.2 Thiết bị điều khiển 12

1.4.3 Thiết bị chấp hành 13

1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 13

1.5.1 Phân tích chức năng hệ thống 13

1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình 13

1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển 14

Trang 6

1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển 14

1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống 15

1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng 15

1.5.7 Chỉnh định và đưa vào vận hành 15

1.6 Mô tả chức năng hệ thống 15

1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa 16

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HVAC 17

2.1 Giới thiệu hệ thống HVAC 17

2.1.1: Hệ thống điều hòa không khí 17

2.1.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 22

2.2 Xây dựng mô hình toán hệ thống HVAC 26

2.2.1 Mô hình buồng không gian HVAC 28

Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC 30

2.2.2 Mô hình dàn lạnh 30

Hình 2.7 Cuộn làm mát 31

2.2.3 Mô hình dàn nóng 33

2.2.4 Mô hình làm ẩm 34

2.25 Mô hình hộp trộn 34

2.2.6 Mô hình ống dẫn 34

2.2.7 Mô hình quạt 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 36

3.1 Các phương pháp điều khiển cơ sở 36

3.1.1 Điều khiển phản hồi 36

3.1.2 Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward) 39

3.1.3 Điều khiển tỉ lệ 42

3.1.4 Điều khiển tầng (cascade control) 47

3.1.5 Điều khiển suy diễn 49

3.1.6 Điều khiển lựa chọn 49

3.2 Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống [8] 50

3.3 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và mô phỏng 51

3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống 51

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HVAC TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 57

Trang 7

4.1 Giới thiệu mô hình 57

4.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống thông gió, điều hòa không khí 61

4.3 Kết luận 63

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 5

Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 12

Hình 2.1: Cấu trúc đảm bảo cơ bản 17

Hình 2.2 Cấu tạo của cặp đo nhiệt 23

Hình 2.3 Cấu tạo thermistor 24

Hình 2.4 Cấu tạo bán dẫn 25

Hình 2.5: Cấu tạo hỏa kế 26

Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC 30

Hình 2.7 Cuộn làm mát 31

Hình 3.1 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi 36

Hình 3.2 Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng (một bậc tự do) 37

Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng 39

Hình 3.4 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 40

Hình 3.5 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ 44

Hình 3.6 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu 45

Hình 3.7 Hai cấu trúc điều khiển tầng 48

Hình 3.8: Mô hình buồng không gian HVAC 51

Hình 3.9: Mô hình cuộn nóng 52

Hình 3.10: Mô hình bộ tạo ẩm 52

Trang 9

Hình 3.11: Mô hình hộp trộn 53

Hình 3.12: Mô hình ống dẫn 53

Hình 3.13: Mô hình quạt 53

Hình 3.14: Mô hình toàn bộ hệ thống 54

Hình 3.15: Nhiệt độ đầu ra hệ thống HVAC 56

Hình 3.16: Độ ẩm tương đối hệ thống HVAC 56

Hình 4.1: Mô hình hệ thống 58

Hình 4.2: Bàn điều khiển của hệ thống 59

Hình 4.3: Hệ thống HVAC 60

Hình 4.4: Màn hình giám sát và điều khiển 61

Hình 4.5: Hiển thị thông số 62

Hình 4.6: Đặc tính của động cơ quạt trong mô hình HVAC 63

Trang 10

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ở các nước phát triển việc sử dụng hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) rất phổ biến, nhưng ở Việt Nam việc sử dụng hệ thống này còn rất hạn chế BMS là hệ thống tích hợp điều khiển và giám sát các

hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà nhằm phối hợp vận hành các hệ thống con một cách thống nhất và linh hoạt Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà một cách hiệu quả và kinh tế

Hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System)

HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) là một phần không thể thiếu được của BMS, đây là hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí,

có tác dụng điều chỉnh, cải thiện môi trường không khí, môi trường làm việc của con người trong tòa nhà Do nhu cầu nâng cao chất lượng môi trường nói chung, đặc biệt là môi trường sống và làm việc Vì vậy việc tìm hiểu và áp dụng dịch vụ HVAC và hệ thống BMS là rất cần thiêt

Trang 11

Hiện nay tại Trung tâm thí nghiệm -Trường ĐHKTCN được trang bị mô hình quá trình dịch vụ trong tòa nhà HVAC phục vụ cho công tác thí nghiệm và NCKH Để nâng cao hiểu biết, khả năng khai thác và vận dụng vào thực tế công tác, được sự giúp đỡ của Thày giáo hướng dẫn tôi quyết định chọn đề tài:

"Nghiên cứu sử dụng hệ thống điều khiển quá trình để điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí trong tòa nhà HVAC"

2 Mục đích nghiên cứu

* Mục tiêu chung:

Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật thông gió, điều khiển nhiệt độ, điều hòa không khí trong các tòa nhà và việc điều khiển các yếu tố này bằng hệ thống điều khiển quá trình

3 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng cấu trúc, thuật toán điều khiển trong điều khiển quá trình

- Nghiên cứu bộ điều khiển phản hồi cho hai bài toán gia nhiệt và thông gió, điều hòa không khí

- Thực hiện mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

Trang 12

- Thực nghiệm trên mô hình HVAC tại Phòng 509 - Trung tâm thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Trong nhiều năm qua nền kinh tế nước ta từng bước phát triển và đạt được nhiều thành tựu to lớn Kinh tế phát triển nên mức sống tăng lên và các công trình xây dựng như nhà cửa, khách sạn, văn phòng … mọc lên nhanh chóng Khi mức sống tăng lên thì con người sẽ nghĩ đến việc chăm sóc sức khỏe Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới sức khỏe là môi trường không khí xung quanh Môi trường không khí xung quanh hầu như không đáp ứng được các điều kiện Chính từ mục tiêu đảm bảo sức khỏe này mà chúng ta cần xậy dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí

Tuy nhiên đo chưa hoàn thiện về mặt kỹ thuật nên hệ thống này cần được nghiên cứu kỹ và tìm kiếm các bộ điều khiển khác nhau để tìm ra phương án kỹ thuật tối ưu nhất Ý nghĩa khoa học ở trọng luận vân này là góp phần hoàn thiện thêm về chất lượng cho hệ thống HVAC

5 Nội dung thực hiện

Chương 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển quá trình

Chương 2: Giới thiệu và xây dựng mô hình toán học hệ thống HVAC

Chương 3: Thiết kế cấu trúc, thuật toán điều khiển và mô phỏng

Chương 4: Thực nghiệm trên mô hình HVAC tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Trang 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại Từ những năm đầu của nửa đầu thế kỷ trước cho tới nay, điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong công nghiệp khai thác, chế biến và năng lượng (gọi chung là công nghiệp chế biến) như công nghiệp dầu khí, lọc dầu, hóa dầu, hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, nhà máy điện Các hệ thống điều khiển và giám sát được sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung, được xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình (process control system) Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lường, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ như chất lượng sản phẩm, sản lượng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con người, máy móc và môi trường

1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình?

Khái niệm điều khiển quá trình được hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

1.1.1 Quá trình và các biến quá trình

Quá trình được định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thong tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản như quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp cũng có thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng – tháp chưng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi, tua bin Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc/và được can thiệp Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành

Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình được minh họa như hình sau:

Trang 14

Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình

Một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơ le… Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lưu lượng sản phẩm ra, nồng

độ khí thải ở mức bình thường hay quá cao… Nhìn từ quan điểm lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả (quan hệ nhân – quả) Bên cạnh các biến vào, ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng khác, ví dụ như tốc độ biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức Trong nhiều trường hợp, một biến trạng thái cũng có thể coi là một biến ra Ví dụ, mức nước của một bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra

Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng xấu của quá trình kỹ thuật với con người và

Trang 15

môi trường xung quanh Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng như các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần được theo dõi và giám sát chặt chẽ Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến nào cũng có thể can thiệp được và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển

Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc biến trạng thái của một quá trình được

điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm Nhiệt độ, mức, lưu lượng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể được đo, ghi chép hoặc hiển thị

Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên

ngoài qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn Trong điều khiển quá trình thì điều khiển lưu lượng là tiêu biểu nhất

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm được gọi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là làm giảm thiểu ảnh hưởng của nó Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trưng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình và nhiễu đo Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhưng không can thiệp được, ví dụ trọng lượng hàng cần nâng, lưu lượng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo được

Các biến quá trình có thể đo được hoặc không đo được Trong đa số các trường hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lượng đo được Tuy nhiên nếu phép đo một đai lượng quá chậm, quá thiếu chính xác hoặc quá tốn kém, nó có thể quan sát được, tính toán hoặc điều khiển gián tiếp thông qua một đại lượng khác thay vì đo hoặc điều khiển trực tiếp Vì thế một biến cần điều khiển trong nhiều trường hợp chưa chắc đã là một biến được điều khiển

Trang 16

Trong nhiều bài toán, việc nhận biết quá trình cũng như lựa chọn các biến được điều khiển và các biến điều khiển không phải bao giờ cũng dễ dàng Đây là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển

1.1.2 Phân loại quá trình

Các quá trình công nghệ có thể được phân loại theo nhiều quan điểm khác nhau Các phân biệt thứ nhất là dựa trên số lượng biến vào và biến ra Một quá trình chỉ có một biến

ra được gọi là quá trình đơn biến, còn nếu có nhiều biến ra thì được gọi là quá trình đa biến Một quá trình một vào – một ra được gọi tắt là SISO, quá trình nhiều vào – nhiều ra được gọi tắt là MIMO Có thể nói hầu hết quá trình công nghệ đều là đa biến

Dựa trên đặc tính của những đại lượng đặc trưng (biến đầu ra hoặc biến trạng thái tiêu biểu) ta cũng có thể phân loại các quá trình thành quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ Trong một quá trình liên tục, các nguyên liệu hoặc năng lượng đầu vào được vận chuyển hoặc biến đổi một cách liên tục (hoặc gần như liên tục) Một khi đã đạt được trạng thái xác lập, bản chất của quá trình không phụ thuộc vào thời gian vận hành Các đại lượng đặc trưng của quá trình liên tục là các biến tương tự, tức chúng có thể lấy một giá trị bất kỳ trong phạm vi giới hạn Quá trình trao đổi nhiệt, quá trình bay hơi, quá trình vận chuyển chất lỏng và chất khí là các ví

dụ quá trình liên tục tiêu biểu Một quá trình gián đoạn (hay còn gọi là quá trình không liên tục) có bản chất giống như quá trình liên tục, tuy nhiên các biến vào ra chỉ được quan sát tại những thời điểm gián đoạn nhất định

Trong một quá trình rời rạc, các đại lượng đặc trưng chỉ thay đổi giá trị tại một số thời điểm nhất định và chỉ có thể lấy giá trị rời rạc trong một tập hữu hạn cho trước, tạo nên giá trị rời rạc của quá trình Cũng vì vậy các đại lượng đặc trưng của một quá trình rời rạc thường được biểu diễn bằng các biến số nguyên, trong trường hợp đặc biệt

là các ký tự (cho các sự kiện) hoặc biến logic (cho các trạng thái logic) Quá trình đóng bao, đóng chai, quá trình phục vụ, quá trình phục vụ, quá trình chế tạo, quá trình chế tạo, quá trình lắp ráp là các ví dụ quá trình rời rạc tiêu biểu

Một quá trình mẻ là một quá trình hỗn hợp, có đặc trưng của cả quá trình liên tục

và quá trình rời rạc Quá trình mẻ hoạt động theo một quy trình thao tác cho trước và tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hữu hạn tương ứng với một mẻ Các đại lượng

Trang 17

đặc trưng của một quá trình mẻ bao gồm các biến tương tự và biến rời rạc Đặc biệt yếu tố thời gian và yếu tố sự kiện đóng một vai trò quan trọng trong một quá trình mẻ Các quá trình phản ứng hóa học, quá trình pha chế, quá trình lên men là những ví dụ tiêu biểu cho quá trình mẻ

Quá trình liên tục và quá trình mẻ là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế biến, trong quá trình rời rạc là đặc trưng của các ngành công nghiệp chế tạo và lắp ráp

Do vậy trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trước hết tới quá trình liên tục

và quá trình mẻ Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/dừng thiết bị…

1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiệu quả và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điều khiển quá trình, người kỹ sư cần làm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thống cần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng một giải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thể hóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển

là cơ sở quan trọng cho việc đặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắp xếp nhằm phục vụ các mục đích cơ bản sau đây:

1.2.1 Vận hành ổn định

Để đảm bảo một nhà máy vận hành ổn định và trơn tru, yêu cầu trước tiên là từng

tổ hợp công nghệ và từng quá trình phải vận hành ổn định cũng như sự phối hợp giữa chúng phải nhịp nhàng, trơn tru Trong lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta đã có những định nghĩa chặt chẽ tính ổn định của hệ thống và cách xác định tính ổn định bằng các công cụ toán học và đồ hoạ Ở đây tính ổn định sẽ được diễn giải một cách thực tế, theo yêu cầu vận hành của quy trình công nghệ

Trang 18

1.2.2 Năng xuất và chất lượng sản phẩm

Trong lĩnh vực công nghệ hoá học và thực phẩm, chất lượng sản phẩm hầu hết được thể hiện trực tiếp qua thành phần hoá học, nồng độ, mật độ và một số tính chất hoá học hoặc vật lý khác Trong khi đó, năng xuất thường được thể hiện qua lưu lượng sản phẩm Nhiệm vụ đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng xuất cũng thuộc về chức năng điều chỉnh

Tính ổn định liên quan nhiều nhưng chưa quyết định tới chất lượng sản phẩm Yêu cầu đặt ra cho bài toán điều chỉnh ở đây cao h ơn Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, không phải là duy trì các biến quá trình liên quan ổn định tại một giá trị bất kỳ, mà phải điều chỉnh sao cho chúng nhanh chóng tiến tới và nằm trong phạm vi cho trước Trong

ví dụ thiết bị khuấy trộn, chất lượng sản phẩm đòi hỏi thành phần ra không những ổn định mà còn phải đảm bảo đúng theo một giá trị đặt trước, hoặc ít ra là với một sai lệch nằm trong một phạm vi cho phép Như vậy sai lệch điều khiển hay nói đúng hơn diễn biến của sai lệch điều khiển theo thời gian là một trong những chỉ tiêu đánh giá chất lượng quan trọng

1.2.3 Vận hành an toàn

Bất cứ một giải pháp điều khiển quá trình công nghiệp nào cũng phải đảm bảo vận hành một hệ thống một cách an toàn và để bảo vệ mọi người, các thiết bị máy móc va môi trường xung quanh trong các trường hợp xảy ra sự cố Chính vì tầm quan trọng của vấn đề

an toàn cho máy móc, con người và môi trường xung quanh chi phí cho đảm bảo chức năng này đối với một hệ thống có thể vượt xa chi phí cho thực hiện các chức năng điều khiển thuần tuý

1.2.4 Bảo vệ môi trường

Một hệ thống vận hành an toàn không thể xảy ra sự cố cũng đã góp phần bảo vệ môi trường Tuy nhiên vấn đề bảo vệ môi trường cần được chú trọng hơn thông qua giảm nồng độ khí thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước tải, hạn chế lượng bụi và khói Dễ thấy mức độ ô nhiễm môi trường của một nhà máy một phần liên quan tới các thiết bị quá trình và công nghệ áp dụng, như một phần không nhỏ thuộc trách nhiệm của

hệ thống điều khi ển Việc giảm thiểu hoặc ít nhất là duy trì các đại lượng liên quan tới ô nhiễm môi trường ở mức cho phép phụ thuộc vào chức năng điều chỉnh đặt ra duy trì tỷ

Trang 19

lệ giữa lượng nhiên liệu (bột than) và không khí ở một giá trị thích hợp tuỳ theo nồng độ ôxy trong không khí và chất lượng than

Việc giảm tiêu thụ nguyên liệu và nhiên liệu sử dụng một mặt nâng cao chất lượng

và nâng cao hiệu quả kinh tế, mặt khác góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và môi trường Đây cũng là vấn đề thuộc trách nhiệm chung của nh ững nhà thiết kế công nghệ cùng những người thiết kế sách lược và thuật toán điều khiển Cần lưu ý rằng những dây chuyền công nghệ mới cho phép vận hành với hiệu quả cao, tiêu ít nhiên nguyên vật liệu thông qua chu trình kết hợp , chu trình khép kín và tái sử dụng năng lượng, nhưng lại là những quá trình rất khó điều khiển, điều kiện vận hành bị ràng buộc, đặt ra yêu cầu ngày càng cao hơn cho các chức năng điều khiển quá trình

1.2.5 Hiệu quả kinh tế

Để đạt được hiệu quả kinh tế, hệ thống điều khiển quá trình không những phải đảm bảo chất lượng theo yêu cầu, mà năng xuất phải thích ứng được với yêu cầu thị trường (trong hầu hết các trường hợp liên quan tới lưu lượng sản phẩm ra) cũng như tiêu hao ít nguyên nhiên liệu Rõ ràng bài toánđặt ra là ta phải cân nhắc giữa chi phí cho tác động điều khiển (năng lượng, độ hao mòn thiết bị) với chất lượng sản phẩm

1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình

Các chức năng điều khiển quá trình có thể được phân cấp theo nhiều cách khác nhau, ví dụ theo thiết bị thực hiện, theo mức độ tự động hóa hoặc theo tính chất nhiệm

vụ Trong thực tế, các chức năng cũng có thể được xếp vào một trong 4 nhóm chính dựa theo tính chất nhiệm là: Giao diện quá trính, điều khiển cơ sở, điều khiển cao cấp

và vận hanh – giám sát

1.3.1 Giao diện quá trình

Cấp giao diện quá trình bao gốm các chức năng đo lường, chuyển đổi/ truyền tín hiệu cấp trường, hiển thị, ghi chép giá trị tại chỗ, đóng/cắt, truyền động và bảo vệ Nếu

so sánh với mô hình phân cấp tự động hóa thì giao diện quá trình tương ứng với cấp cảm biến – chấp hành hoặc một phần của cấp trường

1.3.2 Điều khiển cơ sở

Theo tiêu chuẩn ANSI/ISA 88.01-1995, điều khiển cơ sở được định nghĩa là

“điều khiển chuyên dụng cho thiết lập và duy trì một trạng thái cụ thể của thiết bị hoặc

Trang 20

quá trình” Chức năng điều khiển cơ sở có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách

tự động hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự

1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát

Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức điều khiển tự động,

mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát Ví dụ, người vận hành cần phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quan sát các đại lượng quá trình cần điều khiển và thay đổi giá trị đặt cho chúng, thay đổi chế độ vận hành, chỉnh định lại tham số cho các bộ điều khiển…

1.3.4 Điều khiển cao cấp

Chức năng điều khiển cao cấp được hiểu là một chức năng điều khiển tự động nhưng nằm phía trên điều khiển cơ sở, không làm việc trực tiếp với các tín hiệu vào/ra quá trình Chức năng điều khiển cao cấp có thể tự động tạo giá trị đặt hoặc can thiệp vào các thông số điều khiển cơ sở Thông thường chức năng điều khiển cao cấp được đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát Một hệ thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp như điều khiển công thức và quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lượng và tối ưu hóa thời gian thực

1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống

Tùy theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hóa, các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản đến phức tạp nhưng chúng đều dựa trên 3 thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện bằng sơ đồ sau:

Trang 21

Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình

1.4.2 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp

Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển/sách lược điều khiển được lựa chọn, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Tùy theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc thiết bị điều khiển số

Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều là các hệ điều khiển số Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển

Trang 22

1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống

Việc xây dựng một hệ thống điều khiển bao gồm nhiều bước như phân tích, thiết

kế, lập trình, chỉnh định và đưa vào vận hành, ta gọi chung là các nhiệm vụ phát triển

hệ thống

1.5.1 Phân tích chức năng hệ thống

Quá trình thiết kế một hệ thống điều khiển bao giờ cũng bắt đầu với bước tìm hiểu các yêu cầu công nghệ để đưa ra đặc tả các chức năng cụ thể của hệ thống dựa trên cơ sở phân tích các mục đích điều khiển cơ bản Đây là nhiệm vụ hết sức quan trọng, cần có sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa những người làm điều khiển với các nhà công nghệ Người kỹ sư thiết kế điều khiển được cung cấp các bản vẽ và tài liệu liên quan mô tả quy trình công nghệ, trong đó bản vẽ lưu đồ công nghệ là quan trong nhất Công việc của người kỹ sư thiết kế điều khiển trước hết là nghiên cứu các bài toán điều khiển, bổ sung các chức năng điều khiển quá trình cụ thể và thể hiện chúng trên các lưu đồ chức năng hay lưu đồ P&ID sơ lược Tiếp theo, các yêu cầu về mặt công nghệ cho mỗi bài toán điều khiển cần được cụ thể hóa thông qua các chỉ tiêu chất lượng, ví dụ sai số điều khiển cho phép, thời gian quá độ, mức độ dao động…

1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình

Thiết kế hệ thống trên cơ sở mô hình quá trình là phương pháp không thể thiếu của người kỹ sư Mô hình giúp ta hiểu rõ hơn về quá trình công nghệ, giúp ta trừu tượng hóa vấn đề và vì thế đơn giản hóa cách giải quyết Hơn nưa, mô hình quá trình không chỉ quan trọng đối với công việc thiết kế mà còn phục vụ việc mô phỏng và đào

Trang 23

tạo vận hành Việc xây dựng mô hình được gọi là mô hình hóa Mô hình hóa có thể tiến hành ở nhiều mức và nhiều phương pháp khác nhau

Dựa trên các định luật vật lý và hóa học cơ bản hoặc dựa trên các số liệu vận hành thực nghiệm, ta tiến hành xây dựng mô hình quá trình để có được phương trình toán học mô tả đặc tính động và tĩnh của quá trình Với mô hình toán học nhận được,

ta cần sử dụng các công cụ phân tích và mô phỏng để tìm ra các tính chất quan trọng của quá trình như mức độ tương tác nội, tính ổn định và tính điều khiển được

1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển

Sau khi đã làm rõ các chức năng điều khiển và hiểu rõ mô hình toán học của quá trình, bước tiếp theo là xác dịnh cấu trúc điều khiển (hay sách lược điều khiển) Thiết

kế cấu trúc điều khiển chưa đi cụ thể và thuật toán điều khiển mà nhằm làm rõ về mặt cấu trúc liên kết giữa các phần tử trong hệ thống

Về mặt cấu trúc điều khiển, cần cân nhắc lựa chọn giữa cấu trúc tập trung, cấu trúc phi tập trung hoặc cấu trúc hỗn hợp (phân tán, phân cấp) Tiếp theo ta cần lựa chọn các biến được điều khiển, các biến điều khiển tương ứng và các biến nhiễu và các liên kết chúng với nhau dựa trên các phần tử cấu hình để xây dựng các sách lược điều khiển cụ thể

1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển

Thiết kế thuật toán điều khiển hay thiết kế bộ điều khiển là việc xác định rõ ràng các bước tính toán và các công thức tính toán cụ thể để có thể cài đặt trên máy tính điều khiển Công việc thiết kế bộ điều khiển gồm 2 bước: Lựa chọn bộ điều khiển hay cấu trúc bộ điều khiển thích hợp và xác định các tham số của bộ điều khiển Công việc thiết kế bộ điều khiển bao giờ cũng không tách rời bài toán phân tích hệ thống Đặc biệt ở đây, các phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động cùng các công

cụ máy tính có vai trò hết sức quan trọng Song, để có thể đưa mỗi bài toán thiết kế cụ thể về dạng chuẩn quen thuộc, người kỹ sư hiểu rõ mối quan hệ giữa bộ điều khiển với các thiết bị đo, thiết bị chấp hành cũng như đặt tính cơ bản của chúng

Bên cạnh thuật toán điều khiển cho chức năng điều chỉnh, ta cũng phải đặc biệt quan tâm tới các thuật toán logic cho điều khiển liên động và điều khiển trình tự Kết quả của thiết kế thuật toán điều khiển liên động là các biểu đồ chức năng logic hoặc

Trang 24

phương trình logic, trong khi kết quả của thiết kế điều khiển trình tự là các bản vẽ biểu

đồ chức năng trình tự chi tiết

1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống

Lựa chọn giải pháp hệ thống bao gồm lựa chọn kiến trúc giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, lựa chọn thiết bị đo và thiết bị chấp hành sao cho phù hợp với các yêu cầu của quá trình công nghệ Công việc này đòi hỏi người kỹ sư có một cái nhìn tổng quan về công nghệ hệ thống điều khiển và cũng như nắm được các vấn đề cơ bản trong phương pháp đánh giá tính năng của các giải pháp khác nhau

1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng

Trong hệ thống điều khiển quá trình hiện đại thì phần mềm chính là chất xám, là phần hồn của hệ thống Trên cơ sở thiết kế điều khiển chi tiết, các chuyên viên phần mềm có thể bắt đầu với thiết kế các chương trình điều khiển, thiết kế hệ thống cơ sở

dữ liệu và thiết kế giao diện người – máy Sau khi lựa chọn giải pháp hệ thống điều khiển và giám sát, công việc lập trình điều khiển thời gian thực và soạn thảo các màn hình vận hành – giám sát mưới được tiến hành Các chương trình ứng dụng được thử nghiệm từng phần trên cấu hình phần cứng thực với các đối tượng mô phỏng và sau đó được thử nghiệm ghép nối

1.5.7 Chỉnh định và đưa vào vận hành

Bước cuối cùng trong công việc phát triển hệ thống được thực hiện tại hiện trường, bao gồm hiệu chuẩn các thiết bị đo, chỉnh định lại tham số của các bộ điều khiển, thử nghiệm từng vòng điều khiển, thử nghiệm từng tổ hợp công nghệ, chạy thử từng phân đoạn và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy Đây cũng là nhiệm vụ hết sức phức tạp, đòi hỏi kiến thức tương đối toàn diện, kinh nghiệm dự án và sự hợp tác hết sức chặt chẽ giữa các kỹ sư công nghệ, kỹ sư đo lường, kỹ sư điều khiển và tự động hóa tỏng nhóm chuyên gia hiện trường

1.6 Mô tả chức năng hệ thống

Mô tả chức năng hệ thống là công việc không thể thiếu trong thiết kế, xây dựng

và phát triển một hệ thống điều khiển quá trình Qua các tài liệu mô tả chắc năng hệ thống, các kỹ sư điều khiển và các nhà công nghệ có một ngôn ngữ chung để bàn bạc trước khi tiến hành triển khai một dự án Cũng qua việc mô tả hệ thống, bản thân các

Trang 25

kỹ sư điều khiển cũng đã xây dựng được các tài liệu chi tiết cho việc thiết kế cấu hình phần cứng, phát triển ứng dụng điều khiển và giao diện người – máy

1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa

Các tài liệu mô tả đồ họa sau đây được xem như quan trọng nhất trong mỗi tập thiết kế hệ thống điều khiển quá trình:

- Lưu đồ công nghệ miêu tả quá trình công nghệ, không chứa thông tin chi tiết về các thiết bị đo lường và điều khiển Thông thường, lưu đồ công nghệ do các nhà công nghệ xây dựng

- Lưu đồ ống dẫn và thiết bị (P & ID) miêu tả chi tiết quá trình công nghệ kèm theo các chức năng tiêu biểu của một hệ thống điều khiển các quá trình cùng các đường liên hệ giữa các thành phần Đây là tài liệu quan trọng nhất đối với việc thiết kế toàn bộ hệ thống điều khiển Một số chuẩn quan trọng liên quan tới các biểu tượng lưu

đồ P&ID là ANSI/ISA S5.1 và ANSI/ISA S5.3 cũng như DIN 19227-3

- Sơ đồ khóa liên động, ví dụ sử dụng biểu đồ logic để miêu tả các thuật toán điều khiển logic phục vụ điều khiền khóa liên động

- Biểu đồ trình tự biểu diễn các bước thực hiện chức năng của quy trình công nghệ Tài liệu hình thành phục vụ bài toán điều khiển trình tự cũng như hướng dẫn quy trình vận hành

Trang 26

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HVAC

2.1 Giới thiệu hệ thống HVAC

Hệ thống HVAC

Hệ thống HVAC (Heating, Ventilation and Air-conditioning) là hệ thống tạo nên các cấp độ sạch khác nhau dựa theo tiểu chuẩn về cấp độ phòng sạch của GMP (Good manufacturing practice – thực hành sản xuất tốt), GLP (Good labratory practice – thành hành tốt phòng thí nghiệm) và GSP (Good storage practice – thực hành tốt bảo quản) – WHO (tổ chức y tế thế giới) Hệ thống HVAC kiểm soát và khống chế được nồng độ hạt bụi trong phòng, tạo ra sự chênh lệch về áp suất giữa phòng sạch so với môi trường bên ngoài, điều chỉnh nhiệt độ - độ ẩm luôn ổn định trong dải cho phép Khi thiết kế và lắp đặt hệ thống HVAC phải đảm bảo được các điều kiện cơ bản cho toàn bộ công trình phòng sạch như ở dưới đây:

Hình 2.1: Cấu trúc đảm bảo cơ bản

2.1.1: Hệ thống điều hòa không khí

Hiện nay các hệ thống điều hòa không khí (ĐHKK rất đa dạng, tuỳ vào các yêu cầu cụ thể mà nhà thiết kế có thể lựa chọn hệ thống ĐHKK để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và đảm bảo tính kinh tế về vốn đầu tư và các chi phí vận hành

Dưới đây chúng ta xem xét các hệ thống điều hoà không khí cơ bản :

- Hệ thống điều hoà không khí cục bộ (Split air conditionner)

- Hệ thống điều hoà không khí trung tâm làm lạnh nước (hệ Water cooled water chiller)

Trang 27

- Hệ thống điều hoà không khí trung tâm kiểu VRV sử dụng biến tần (Variable Refrigeration Volume)

2.1.1.1 Hệ thống ĐHKK cục bộ:

Hệ thống này gồm các máy cục bộ đơn chiếc được lắp đặt cho các khu vực điều hoà đơn lẻ Máy cục bộ gồm 2 khối là :

a/ Khối nóng (OUTDOOR) đặt ngoài khu vực điều hoà

b/ Khối lạnh (INDOOR) là phần phát lạnh được đặt trong khu vực điều hoà Đặc điểm của hệ thống này :

- Là loại máy nhỏ (máy dân dụng) công suất thường từ 9.000… 96.000Btu/h

- Lắp đặt nhanh, dễ dàng và không đòi hỏi kỹ thuật cao

- Sử dụng đơn giản, không bị ảnh hưởng của các máy khác trong hệ thống

- Bảo dưỡng, sửa chữa đơn giản và độc lập từng máy

- Việc lắp đặt rời rạc các OUTDOOR ở trên tường ngoài nhà sẽ làm ảnh hưởng đến kết cấu kiến trúc của toàn bộ toà nhà (Việc treo các OUTDOOR thông thường phải treo phía tường ngoài nhà để đảm bảo độ khảng cách nối INDOOR với OUTDOOR trong giới hạn tiêu chuẩn)

- Do INDOOR và OUTDOOR nối với nhau bằng ống GAS trong trường hợp máy bị dò GAS gây ảnh hưởng tới sức khoẻ của con người và ảnh hưởng đến môi trường (làm phá hủy tầng Ozone)

- Đối với hệ thống máy cục bộ việc cung cấp khí tươi cho phòng thường là cấp trực tiếp bằng quạt gió, do vậy không khí không được sử lý bụi, ẩm và thường tạo lên

sự chênh lệch nhiệt độ cao giữa luồng khí cấp bổ xung và luồng khí cấp lạnh của INDOOR, gây cảm giác khó chịu cho con người trong phòng điều hòa

- Khả năng bố trí các INDOOR trong phòng để đảm bảo độ khuyếch tán đồng đều bị hạn chế

- Hiệu suất hoạt động của máy ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ bên ngoài đặc biệt khi nhiệt độ không khí bên ngoài cao thì hiệu suất làm việc của máy giảm đáng kể nhiệt độ ngoài trời cao khả năng trao đổi nhiệt của dàn nóng thấp, INDOOR phát ra công suất lạnh thấp, máy ở tình trạng quá tải

- Hệ số tiêu thụ điện năng lớn, chi phí vận hành cao

Trang 28

- Độ bền và tuổi thọ sử dụng không cao (khoảng 5…6 năm)

- Thường áp dụng cho những công trình nhỏ, đơn giản không yêu cầu các thông

số môi trường đặc biệt

2.1.1.2 - Hệ thống ĐHKK trung tâm

Hệ thống này gồm một hay nhiều máy trung tâm phối hợp thành một hệ thống tổng thể phân phối lạnh cho toàn bộ các khu vực trong toà nhà Hệ thống điều hoà trung tâm sử dụng nước làm tác nhân lạnh thông qua hệ thống đường ống dẫn nước vào các dàn trao đổi nhiệt để làm lạnh không khí

Hệ thống máy lạnh trung tâm bao gồm các phần chính :

a/ Máy lạnh trung tâm (CHILLER): Là thiết bị sản xuất ra nước lạnh qua hệ thống đường ống dẫn cung cấp cho các dàn trao đổi nhiệt lắp đặt trong các không gian điều hoà để làm lạnh không khí

b/ Các dàn trao đổi nhiệt (FAN COIL UNITs - FCUs): Là các thiết bị đặt tại các khu vực cần điều hoà (công suất các dàn trao đổi nhiệt được chọn dựa vào công suất lạnh yêu cầu của phòng mà lắp các loại khác nhau), tại đây nước lạnh từ máy lạnh đi qua dàn lạnh để trao đổi nhiệt với không khí trong phòng và thực hiện chức năng làm lạnh

c/ Tháp giải nhiệt và bơm nước: thực hiện chức năng giải phóng năng lượng nhiệt của bình ngưng (máy lạnh) sau khi máy lạnh thực hiện công làm lạnh nước trong bình bay hơi

d/ Hệ thống đường ống và bơm nước cấp lạnh: Là hệ thống phân phối nước lạnh từ máy lạnh trung tâm đến các dàn trao đổi nhiệt FCU

e/ Hệ thống đường ống phân phối không khí lạnh: Là hệ thống phân phối không khí lạnh từ các FCU qua các miệng thổi tới các khu vực cần điều hoà

f/ Hệ thống điện điều khiển: Là hệ thống điều khiển khống chế liên động các thiết bị trong hệ thống (Máy lạnh, FCU, Bơm nước và tháp giải nhiệt)

Đặc điểm của hệ thống này:

- Máy lạnh trung tâm có thể đặt trên tầng mái hay trong phòng kỹ thuật tầng hầm, các dàn trao đổi nhiệt được đặt trong các phòng điều hoà (thông thường là các loại dàn đặt trong trần giả và được phân phối không khí lạnh thông qua đường ống gió

và các cửa thổi đặt trong trần), hệ thống đường ống nước lạnh phân phối cho các dàn

Trang 29

trao đổi nhiệt được đi trong hộp kỹ thuật và trên trần giả vì vậy việc lắp đặt hệ thống không làm ảnh hưởng đến kết cấu kiến trúc của công trình

- Việc cấp lạnh được thống qua hệ thống ống gió và các miệng thổi từ trên trần xuống các khu vực của phòng điều hoà do đó việc bố trí các miệng thổi để đảm bảo khả năng khuyếch tán đều không khí lạnh trong phòng là hoàn toàn có thể thực hiện được

- Đối với hệ thống trung tâm việc cấp bổ xung khí tươi rất đơn giản bằng cách thông qua hệ thống ống gió lắp các thiết bị hoà trộn không khí AHU cấp không khí tươi vào và hoà trộn với không khí hồi về của mỗi FCU, AHU (điều này đối với các máy cục bộ khó có thể thực hiện được)

- Do hệ thống giải nhiệt bằng nước nên trong quá trình hoạt động máy lạnh chạy ổn định, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ bên ngoài

- Hệ số tiêu thụ điện năng thấp hơn nữa khả năng điều chỉnh công suất của hệ thống tốt do đó trong quá trình vận hành máy lạnh sẽ tự động điều chỉnh công suất máy nén để đảm bảo giảm tối thiểu chi phí điện năng trong quá trình vận hành hệ thống Điều này giảm đáng kể chi phí vận hành cho toàn bộ hệ thống

- Độ bền và tuổi thọ cao ( trên 15 năm )

- Có dải công suất để lựa chọn rộng, có thể chọn loại máy với công suất phù hợp với các loại công trình thiết kế và đầu tư mở rộng hệ thống dễ dàng

Hiện nay, trong lĩnh vực điều hoà không khí có khá nhiều hệ thống được sử dụng cho các công trình có mục đích sử dụng khác nhau và đặc điểm kiến trúc khác nhau Có thể phân biệt các hệ thống này thông qua một số đặc điểm Tuy nhiên có thể khái quát thành một số hệ thống cơ bản:

* Hệ thống làm lạnh bằng nước:

Bao gồm:

- Hệ thống làm lạnh bằng nước, giải nhiệt dàn ngưng bằng nước

- Hệ thống làm lạnh bằng nước, giải nhiệt dàn ngưng bằng gió

Trong hệ thống này bao gồm các thiết bị chính như: máy lạnh trung tâm, các dàn trao đổi nhiệt, thiết bị giải nhiệt dàn ngưng, các bơm nước, ……

Nước lạnh sản xuất ra tại các máy lạnh trung tâm được cấp tới các dàn trao đổi nhiệt đặt tại các không gian điều hoà Tại đây, nước đóng vai trò là tác nhân trao đổi

Trang 30

nhiệt, thực hiện quá trình nhận nhiệt từ môi trường trong phòng, làm giảm (tăng) nhiệt

độ, độ ẩm trong phòng Sau khi thực hiện xong quá trình này, nước lại tuần hoàn về máy lạnh trung tâm và tiếp tục một chu trình mới

Hệ thống này phù hợp với những yêu cầu điều hoà cho các không gian khác nhau có chế độ nhiệt độ - độ ẩm khác nhau (ở mỗi không gian riêng biệt ta có thể lựa chọn một nhiệt độ - độ ẩm tuỳ thích, tuỳ thuộc vào cách khống chế tại không gian đó)

Yêu cầu về không gian lắp đặt cho hệ thống này không cao lắm Khoảng cách giữa trần giả và đáy dầm khoảng từ 100 - 200 mm là có thể thực hiện được

* Hệ thống làm lạnh bằng gió:

Bao gồm :

- Hệ thống làm lạnh bằng gió, giải nhiệt dàn ngưng bằng nước

- Hệ thống làm lạnh bằng gió, giải nhiệt dàn ngưng bằng gió

Trong hệ thống này bao gồm các thiết bị chính như : máy lạnh trung tâm, các kênh dẫn gió và phân phối gió lạnh, thiết bị giải nhiệt dàn ngưng ……

Khác với hệ thứ nhất, ở hệ này, máy lạnh trung tâm sản xuất ra gió lạnh và cấp tới các không gian điều hoà qua các kênh dẫn gió Tại đây, gió lạnh đóng vai trò là tác nhân trao đổi nhiệt, thực hiện quá trình nhận nhiệt từ môi trường trong phòng, làm giảm (tăng) nhiệt độ, độ ẩm trong phòng Sau khi thực hiện xong quá trình này, gió lạnh lại tuần hoàn về máy lạnh trung tâm qua một kênh dẫn gió khác (hoặc hồi trực tiếp về buồng máy) và tiếp tục một chu trình mới

2.1.1.3 - Hệ thống điều hoà không khí biến tần (VRV)

Hệ thống điều hoà không khí biến tần được cấu thành bởi một hoặc nhiều hệ thống nhỏ hơn, mỗi hệ thống nhỏ đó bao gồm 1 outdoor unit nối với nhiều indoor unit thông qua một tuyến đường ống gas và hệ thống điều khiển Hệ thống điều hoà biến tần khác với hệ thống điều hoà một mẹ nhiều con ở chỗ: ở máy điều hoà một mẹ nhiều con, mỗi indoor unit nối với outdoor unit bằng một tuyến ống gas riêng biệt; ở máy điều hoà biến tần, các indoor unit nối với outdoor unit bằng một tuyến đường ống gas chung

Trang 31

Sử dụng hệ thống điều hoà biến tần khi công trình có hệ số sử dụng không đồng thời lớn, hệ thống điều hoà biến tần sẽ tiết kiệm được điện năng tiêu thụ do có khả năng điều chỉnh dải công suất lớn (10% - 100%)

Mức độ hiện đại hoá, tiện nghi, tính linh động cao Có thể vừa điều khiển cục

bộ tạo từng phòng vừa điều khiển trung tâm Hệ thống có thể kết nối vào hệ thống điều khiển chung của toà nhà thông qua máy tính

Thiết bị gọn nhẹ, chi phí vận hành không lớn

Lắp đặt đơn giản, ít làm ảnh hưởng đến các hệ thống thiết bị khác và ít ảnh hưởng đến tiến độ thi công công trình

Tuy nhiên, hệ thống cũng có nhược điểm là chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với các hệ thống khác nhưng độ tin cậy, hiệu quả và tính tiện dụng lại tăng lên rất nhiều

Máy điều hoà hệ VRV có 3 kiểu giàn nóng: loại 1 chiều, loại 2 chiều bơm nhiệt

và loại 2 thu hồi nhiệt Các giàn lạnh gồm có 9 loại với năng suất lạnh khác nhau:

- Loại âm trần dàn lạnh 4 hướng thổi

- Loại âm trần nối ống gió áp suất tĩnh

- Loại âm trần nối ống gió áp suất cao

- Loại âm trần nối ống gió dạng mỏng

- Loại áp trần

- Loại đặt sàn

- Loại treo tường

2.1.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý hiện diện khắp mọi nơi và trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp vì mỗi sản phẩm, thiết bị hay điều kiện làm việc cần những nhiệt độ khác nhau Muốn có được nhiệt độ phù hợp cần phải có hệ thống điều khiển Tùy theo tính chất, yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phương pháp điều khiển thích hợp

Trang 32

Để thực hiện việc tự động hệ thống điều khiển nhiệt độ ta cần có các thiết bị đo nhiệt để gửi lại đầu vào, so sánh với tín hiệu đặt và đưa ra lệnh điều khiển Sau đây tác giả sẽ giới thiệu các cảm biến nhiệt độ dùng cho hệ thống này

2.1.2.1 Cảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến” Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến đều bao gồm vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (một trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt ) Nguyên tắc đặt ra là tăng cường trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường cần đo

Phân loại cảm biến nhiệt

a Cặp nhiệt điện ( Thermocouples )

- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

Trang 33

đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp

- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển )

c Thermistor

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

- Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

- Tầm đo: 50 150 D.C

Hình 2.3 Cấu tạo thermistor

Cấu tạo Thermistor

- Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ;

Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC

Trang 34

- Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo

vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ

d Bán dẫn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

- Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

- Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương

tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch

Trang 35

e Nhiệt kế bức xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer )

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

- Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung

- Tầm đo: -54 1000 D.F

Hình 2.5: Cấu tạo hỏa kế

Cấu tạo hỏa kế

- Nhiệt kế bức xạ ( hỏa kế ) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)

- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo

2.2 Xây dựng mô hình toán hệ thống HVAC

Trong những năm gần đây, một số mô hình mô phỏng số cho thấy việc cải thiện hiệu suất hệ thống HVAC Do tính phức tạp của hệ thống này nên một cách tiếp cận lý thuyết hoàn chỉnh xây dựng các mô hình là quá khó khăn Để đạt được đầy đủ mô hình động của hệ thống HVAC chúng ta phải đạt được tất cả các mô hình của các thành phần quan trọng Các thành phần chính được xem xét trong mô hình hệ thống có thể

Trang 36

được chia thành hai nhóm, trong đó có các mô hình không gian và các thành phần của

hệ thống HVAC Đầu tiên chúng tôi đề xuất một mô hình cho không gian và sau đó cho tất cả các thành phần có trong HVAC

Kí hiệu:

Tz – nhiệt độ buồng không gian (°C)

Tws – nhiệt độ tường phía nam (°C)

Twn – nhiệt độ tường phía bắc (°C)

Twe – nhiệt độ tường phía tây (°C)

Tww – nhiệt độ tường phía đông (°C)

Cpa – nhiệt dung riêng của không khí (kJ/ kg°C)

Hws – enthalpy của tường phía nam (kJ/kg)

Hwn – enthalpy của tường phía bắc (kJ/kg)

Hww – enthalpy của tường phía tây (kJ/kg)

Hwe – enthalpy của tường phía đông (kJ/kg)

Hr – enthalpy của mái (kJ/kg)

Hf - enthalpy của sàn (kJ/kg)

Aws – diện tích tường phía nam (m²)

Awn – diện tích tường phía bắc (m²)

Awe – diện tích tường phía đông (m²)

Aww – diện tích tường phía tây (m²)

Af – diện tích sàn (m²)

Ar – diện tích mái (m²)

Qz – tải nhiệt (kJ/s)

Trang 37

Cz – nhiệt dung của buồng không gian (kJ/°C)

Cws – nhiệt dung của tường phía nam (kJ/°C)

Cwn – nhiệt dung của tường phía bắc (kJ/°C)

Cwe – nhiệt dung của tường phía đông (kJ/°C)

Cww – nhiệt dung của tường phía tây (kJ/°C)

Cr – nhiệt dung của tường phía mái (kJ/°C)

Cf – nhiệt dung của tường phía sàn (kJ/°C)

Vz – thể tích của buồng không gian (m³)

Wz – tỉ lệ độ ẩm của vùng nhiệt (kg/kg)

Ws – tỉ lệ độ ẩm của khí cấp (kg/kg)

Ta,out – nhiệt độ không khí đầu ra (°C)

Ta,in – nhiệt độ không khí vào (°C)

Tt – nhiệt độ ống (°C)

Ma – lưu lượng của khí (kg/s)

Mw – lưu lượng của nước (kg/s)

Cp,a – nhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg°C)

Cw – nhiệt dung riêng của nước (kJ/kg°C)

2.2.1 Mô hình buồng không gian HVAC

Một trong những phần quan trọng nhất của mô hình hệ thống HVAC là mô hình buồng không gian Tất cả các thành phần trong hệ thống HVAC làm việc trong không gian này có thể đạt được các điều kiện tối ưu Trong nhiều các công trình khác trước luận văn này, vì đơn giản và xấp xỉ hóa, đã làm cho hiệu quả xa so với hiệu suất thực của chúng

Trong mô hình đề xuất, chúng tôi đã xem xét ảnh hưởng của đầu vào không điều khiển như con người, ánh sáng …, và tác động của bức tường phía bắc, bức tường phía nam, bức tường phía đông, bức tường phía tây, sàn và mái bên trong không gian HVAC Trong mô hình này, chúng tôi xem xét tám biến trạng thái: nhiệt độ không gian (Tz), nhiệt độ bức tường bên trong (Tws, Twn, Twe, Tww, Tf, Tr), và tỷ lệ độ ẩm

Định dạng
Số trang	74
Dung lượng	1,83 MB