Xây dựng hệ thống điều khiển mới dựa trên nền mô hình của hệ thống điều khiển cưa hệ thống điều khiển điều hoà không khí công suất lớn làm lạnh kiểu water chiller tại viện vệ sinh dịch tễ trung ương

Các đác điểm của hê thống điều hoà không khí lớn dùng máV lanh Water Chiller tai Viên Vê sinh Dich tễ Trung ưong Để đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra ở trên, một hệ thống điều hoà không khí

như trong sản xuất Đặc biệt khi nước ta đã trở thành một thành viên của WTO Việc cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân là một yêu cầu gần như bắt buộc của các doanh nghiệp khi muốn xuất khẩu sản phẩm, thêm vào đó là các điều kiện nghiêm ngặt cần phải tuân thủ khi sản xuất, bảo quản hàng hoá xuất khẩu nên điều hoà không khí trong công nghiệp ngày càng có vai trò quan trọng.

Một phần của hệ thống điều hoà là hệ thống điều khiển của nó Điều khiển hệ thống điều hoà không khí không phái là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí rất quan trọng trong quá trình thiết kế một hệ thống điều hoà Dù hệ thống điều hoà là lớn hay nhỏ thì hệ thống điều khiển của nó đều đóng vai trò quyết định đến chất lượng làm việc của hệ thống Hiện nay, với sự tiến bộ

về công nghệ và thiết bị điều khiển ( ví dụ công nghệ SCADA, DCS, PLC/ HMI, bus trường ) ngày càng tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển nói chung và hệ thống điều khiển hệ thống điều hoà không khí nói riêng.

Trong dồ án này, tôi xin đưa ra một thiết kế mới dựa trên nền mô hình của hệ thống diều khiển của hệ thống điều khiển điều hoà không khí công suất lớn làm lạnh kiểu Water Chiller tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Thiết kế mới này dựa trên cơ sở điều khiển quá trình và các bộ điều khiển khả lập trình PLC của Siemens.

Đồ án bao gồm 5 chương:

Chương ỉ: Giới thiệu về hệ thống điều hoà không khí tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung

ương Chương này giới thiệu: vị trí địa lý, khí hậu và đặc điểm của không gian diều hoà; cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hoà và hệ diều khiển của nó.

Chương 2: Khái niệm chung về điều khiển quá trình và các hệ thống điều khiển cho một

số hệ thống điều hoà không khí Nội dung chính của chương 2 đề cập đến: các khái niệm điều khiển quá trình, các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình và giới thiệu về hệ thống điều khiển cho một số hệ thống Nhiệt - Lạnh.

Chương 3: Bộ điều khiển khả lập trình - PLC, Giới thiệu thiết bị PLC S7 - 300 của hãng

Siemens Bao gồm 2 phần chính: phần một giới thiệu tổng quan về bộ điều khiển lập trình

- PLC, phần 2 giới thiệu về thiết bị điều khiển PLC S7 - 300 của hãng Siemens — là thiết bị

sẽ dược sử dụng trong đồ án.

Chương 4: Các phương pháp xác định tham số làm việc của hệ thống điều chỉnh Chương

này sẽ giới thiệu tổng quan về một số phương pháp xác định tham số làm việc của hệ thống điều chỉnh, cách xác định các tham số.

Chương 5: Xây dựng hệ thống điều khiển mới dựa trên nền mô hình của hệ thống điều

khiển cưa hệ thống điều khiển điều hoà không khí công suất lớn làm lạnh kiểu Water Chiller tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.

Kết luận.

Trên đây là khái quát về đồ án tốt nghiệp, trong các chương sau tôi sẽ nêu cụ thể từng vấn

đề dể đi dến đích là một hệ thống điều khiển mới thoả mãn các yêu cầu dặt ra của bài toán điều khiển cũng như ưu điểm của nó đối với hệ thống cũ.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỂ HỆ THốNG ĐlỂU HOÀ TẠI VIỆN VỆ SINH

DỊCH TỄ TRUNG ƯƠNG

Khi thiết kế một hệ thống điều khiển nói chung hay hệ thống điều khiển cho hệ thống điều hoà nói riêng, một công việc không thể thiếu được đó là tìm hiểu vê đối tượng điều khiển của hệ thống Cũng với mục đích đó, trong chương đầu tiên này, tôi sẽ giới thiệu chung về các vấn đề chính sau:

> Vị trí địa lý, khí hậu và đặc điểm không gian cần điều hoà: Giới thiệu tổng quan về Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương với các đặc điểm riêng của không gian điều hoà tại đây.

> Hệ thống điều hoà sử dụng tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương: Giới thiệu về cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều hoà không khí dùng máy lạnh kiểu Water Chiller làm mát hằng nước của hãng Century - Hàn Quốc.

> Hệ thống điều khiển được sử dụng tại đây: Được chia thành hai hệ thống chính là hệ thống điều chỉnh nhiệt độ tại các AHU và OAH; hệ thống điều chỉnh năm> suất lạnh Ngoài ra, hệ thống bảo vệ và các hộ cảm hiến đo lường cũng là phần không thể thiếu của hệ điều khiển.

1.1 Vi trí đỉa lý, khí hâu và đăc điểm của không gian cần điều hoà:

Đối với việc sản xuất và bảo quản các loại hàng hoá đặc biệt như thuốc, vác xin, dụng cụ y

tế thì các yêu cầu về điều kiện vi khí hậu là rất khắt khe Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên để điều kiện vi khí hậu trong phòng sản xuất cũng như bảo quản đạt yêu cầu thì không thể thiếu được hệ thống điều hoà không khí Cũng vì lý do này mà một trong trung tâm sản xuất vác xin lớn ở nước ta như Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương — sô 1 Y Ec Xanh - Hà Nội đã lắp đặt một hệ thống điều hoà không khí rất lớn, hiện đại, đảm bảo hoạt động hoàn toàn tự động dưới sự giám sát vận hành của bộ phận kỹ thuật.

Không gian cần điều hoà ở tại nơi sản xuất và bảo quản của Viện Vệ Sinh Dịch Tễ là rất lớn do tính chất của một địa điểm sản xuất và bảo quản vác xin mang tầm cỡ quốc gia Không gian được chia thành nhiều khu vực khác nhau phụ thuộc vào chức năng của từng khu hay từng phòng Riêng khu nhà sản xuất dược đề cập trong đề tài này dã có diện tích mặt bằng lên đến

7000m 2 trong đó có khoảng 5000m 2 diện tích là không gian điều hoà, phần còn lại là phòng máy

và kho lạnh chứa sản phẩm cuối cùng.

Như trên đã nói, không gian điều hoà được chia thành từng khu, từng phòng phụ thuộc vào chức năng của nó Do chức năng khác nhau sẽ có điều kiện vi khí hậu khác nhau ở mỗi phòng Điều kiện vi khí hậu tại đây phải đảm bảo cho việc sản xuất thuốc, vác xin đúng theo tiêu chuẩn của từng công đoạn sản xuất thuốc Nói chưng, tại đây, yêu cầu chưng về áp suất trong các phòng phải đảm báo đạt 1,3 mmH 2 0 để tránh không khí bên ngoài lọt vào phòng (trừ một số phòng chứa các chất độc hại cho môi trường thì cần để áp suất thấp hơn áp suất môi trường), thêm vào đó là yêu cầu rất khắt khe về độ sạch của không gian cần điều hoà, cấp độ sạch của phòng đánh giá thông qua: mật độ hạt bụi/ m 3 không khí Cấp độ sạch được chia thành ba cấp độ khác nhau:

Cấp độ: 10.000 có 10.000 hạt bụi/m 3 không khí

100.0 có 100.000 hạt bụi/m 3 không khí 300.0 có 300.000hạt bụi/m 3 không khí.

Từ các cấp độ sạch, không gian điều hoà sẽ được chia thành các vùng khác nhau với cấp độ sạch giống nhau để thuận lợi cho công việc điều hoà không khí Được thể hiện như hình vẽ M -103

Nói chung, do dặc điểm đặc trưng Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương là nơi sản xuất, bảo quản thuốc, vác xin - một loại hàng hoá đặc biệt có ảnh hưởng rất lớn đến sức khoẻ cộng đồng, nên các công đoạn sản xuất và bảo quản cẩn phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn Vì vậy việc đảm bảo điều kiện vi khí hậu theo tiêu chuẩn định ra và duy trì các thông số ổn định là một yêu cầu bắt buộc của việc thiết kế hệ thống điều hoà không khí và hệ thống điều khiển cho hệ thống này.

1.2 Các đác điểm của hê thống điều hoà không khí lớn dùng máV lanh Water Chiller tai Viên Vê sinh Dich tễ Trung ưong

Để đáp ứng các yêu cầu đã đặt ra ở trên, một hệ thống điều hoà không khí lớn dùng máy lạnh kiểu Water Chiller giải nhiệt nước đã được thiết kế và lắp đặt tại đây Tổ hợp máy lạnh này bao gồm hai máy lạnh giống nhau của hãng Century được lắp đặt theo kiểu song song, tức là một trong hai máy có nhiệm vụ làm máy dự phòng Do công suất lạnh của không gian cần điều hoà là rất lớn nên mỗi máy lạnh được lắp dặt có công suất lạnh rất lớn: 450 USRT (1USRT = 12.000Btu/h = 3516 W) Mỗi máy hoạt động nhờ nguồn điện 3 pha- 3300V-50Hz, với cường độ dòng điện khi vận hành là 72,5A và khi khởi động là 225,5A Như hình 1.1

Mỗi máy lạnh gồm bộ phận chính là máy nén ly tâm{Centriỷugal Compressor) (số 1 -bản

vẽ số 1), bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập (Fỉooded Shell - and - Tuhe Evaporator) (số 2) và bình ngưng dạng ống vỏ nằm ngang (số 3) (Shell- and-Tuhe), và một hệ thống điều khiển kèm theo Các đường ống nước làm mát bình ngưng, đường ống nước lạnh ra, vào cụm máy được miêu tả như hình vẽ dưới Trong máy lạnh này người ta sử dụng môi chất lạnh là CHC1 2 - CF 3 hay R-123.

1 Ma in motor pov*er sllpply

độ là 23°c Nước sau khi đã nhận nhiệt ở bình ngưng sẽ được bơm của hệ thống nước làm mát (số 5) đẩy đến tháp giải nhiệt (số 4) nhằm giảm nhiệt độ để tiếp tục vòng tuần hoàn làm mát bình ngưng tiếp theo Tại đây, tháp giải nhiệt (số 4) được lắp đặt gồm 2 tổ họp loại hộp nằm ngang ứng với hai máy lạnh với công suất làm mát mỗi tháp lên đến 2.340.000 Kcal/h mỗi tổ hợp được lắp 3 quạt rất lớn, đường kính quạt 02000x3, động cơ quạt được vận hành bởi hệ thống điện 3 pha

Hình 1.2 - Cụm tháp giải nhiệt được sủ dụng tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Bình bay hơi ống vỏ kiểu ngập (số 2) có môi chất đi ngập xung quanh các đường ống chứa nước lạnh, môi chất (RI23) nhận nhiệt từ nước lạnh và bay hơi Lúc đó nhiệt độ của nước lạnh giảm xuống từ 15°c xuống 8°c Nước được tuần hoàn trong quá trình nhờ bơm nước lạnh (số 7) với lưu lượng nước qua bình bay hơi là 272,2 m 3 /h Sau khi đi qua bình bay hơi, nước được bơm đẩy đến ống phân phối nước lạnh rồi nước được chia theo các đường khác nhau để đi đến các AHU (sô 11) (Air Handling Unit) hoặc OAH (sô 10) (Oưt door Air Handĩing unit — Làm lạnh khí tươi) để trao đổi nhiệt với không khí Các đường ống nước đến OAH, các AHƯ là song song với

/380V/ 50Hz và quay với duy nhất một cấp tốc độ: 460 vòng/phứt Lưu lượng nước qua tháp giải nhiệt có thể đạt 9760 lít/phút (hình 1.2) Như vậy nước làm mát sau khi qua tháp giải nhiệt sẽ giảm nhiệt độ xuống để khi quay trở lại bình ngưng đạt khoảng 23°c Trong quá trình hoạt động

lượng nước thất thoát trong quá trình làm mát nước sẽ được bổ sung nước ngay tại tháp bởi nguồn nước thành phố thông qua bơm cấp nước thành phố.

nhiệt của AHU hoặc OAH, nước lạnh trao đổi nhiệt với không khí, nhận nhiệt và tăng nhiệt độ lên 15°c (dải nhiệt độ của nước lạnh từ bình bay hơi ra là 8°c đến 15°c, nước sau khi qua AHU là

trở lại bình bay hơi) Ngoài giàn lạnh, tại AHU còn được lắp thêm giàn nóng, nó rất ít khi được sử dụng do điều kiện khí hậu của nước ta, chỉ được sử dụng trong mùa đông khi nhiệt độ ngoài trời rất thấp (dưới 0°C) (vì vậy trong giới hạn của đồ án chỉ dề cập đến hệ thống nước lạnh và các giàn lạnh) Nước nóng do các lò hơi cưng cấp sẽ đi qua giàn nóng và cấp nhiệt thêm cho không khí, để đạt yêu cầu đặt ra về nhiệt độ Như vậy, hệ thống đường ống nước lắp đặt trong hệ thống điều hoà không khí này là hệ thống 4 đường ống, trong đó có 2 đường ống lạnh và 2 đường ống nóng.

Trong vòng tuần hoàn của nước lạnh đối với hệ thống kín không thể thiếu được một thiết

bị rất quan trọng đó là bình giãn nở Bình giãn nở có nhiệm vụ diều tiết sự dãn nở nhiệt của nước trong hệ thống nước lạnh khi có thay dổi nhiệt độ hoặc khi toàn hệ thống ngừng làm việc Ngoài

ra, nó còn có nhiệm vụ cấp nước và bổ sung nước cho hệ thống.

Các OAH được lắp trong hệ thống điều hoà với mục đích giảm nhiệt độ của khí tươi xuống một nhiệt độ nhất định Sau đó, khí tươi này được hệ thống quạt của OAH đẩy đến các AHƯ khác nhau, tuỳ theo độ lớn công suất lạnh của AHƯ mà lượng khí tươi được cấp vào các AHƯ một cách cố định Trong hình 1.3 và 1.4 là hình ảnh về AHƯ được sử dụng tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.

Tại các AHU, khí hồi từ các phòng được một quạt hút về AHU, một phần khí hồi được thải trực tiếp ra ngoài thông qua hệ thống đường ống thải khí, lượng khí thải ra đúng bằng lượng khí tươi cấp vào, phần còn lại tiếp tục được hoà trộn với khí tươi Saư khoang hoà trộn, hỗn hợp khí được quạt hút qua các giàn lạnh và giàn nóng (với điều kiện vận hành ở Việt Nam, các giàn nóng rất hiếm khi phải sử dụng) Tại đây, thông qua các giàn trao đổi nhiệt, nước lạnh làm cho nhiệt độ của hỗn hợp khí giảm xuống AHU có cấu tạo như hình vẽ 1.5.

Hình 1.3 - Hình ảnh của một AHU tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

Dơ không gian điều hoà ở Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương là rất lớn nên số lượng AHU lên đến 16 chiếc Tuỳ thuộc vào không gian điều hoà mà mỗi AHU có công suất khác nhau, công suất từ 23.260 Kcal/h (AHU 16) đến 140.179 Kcal/h (AHU 9).

Cột áp của mỗi quạt trong AHƯ là không giống nhau: quạt hút có cột áp từ 48 mm Aq đến

66 mm Aq(lmmAq = 9,8 Pa « lmmH 2 0), trong khi đó quạt đẩy có cột áp lớn hơn: từ 97mmAq đến 164mmAq Các quạt này đều là ly tâm quạt 1 cấp tốc độ, vì vậy lưu lượng không khí qua các giàn lạnh là không đổi Ngoài ra, tại các AHU còn có các phin lọc như: phin lọc sơ cấp, phin lọc trung cấp.

Không khí sau khi qua các giàn lạnh sẽ được quạt đẩy thổi đến các phòng khác nhau thông qua hệ thống đường ống phân phối gió Do các điều kiện tiêu chuẩn nghiêm ngặt về cấp độ sạch tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương nên không khí trước khi đưa vào phòng hay khu vực sản xuất và bảo quản phải được lọc sạch lần lượt qua các phin lọc có tên Hepa - một loại phin lọc

khí sạch bụi (phòng sạch) và sạch khuẩn (phòng vô trùng) Các loại phin lọc này có thể có các dạng khác nhau như dạng đĩa, dạng hộp, dạng ô nhỏ.

Hình 1.4 - Hình ảnh về một AHU tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

Với các vùng có cấp độ khác nhau thì việc bố trí lưới lọc là khác nhau Sao cho sau khi không khí lạnh đi qua lưới lọc, nó phải đảm bảo được yêu cầu về cấp độ sạch đặt ra trước đó Không khí đi vào phòng sau khi đã trao đổi nhiệt sẽ được hút quay trở lại AHƯ qua đường ống gió hồi để tiếp tục vòng tuần hoàn của không khí.

Ngoài ra, trên các đường ống gió ở tại các phòng còn bố trí một thiết bị tên là Fire Damper hay van khói Van này có tác dụng đóng ngay đường ống gió tại phòng hay khu vực có xảy ra cháy, ngăn không cho ngọn lửa lan rộng ra khu vực hay phòng khác qua đường ống gió.

Cách bố trí các thiết bị tại gian máy được thể hiện trên bản vẽ số 2.

- -1

F

Nhưng để hệ thống điều hoà không khí dùng máy lạnh kiểu Water Chiller vận hành trơn tru, đạt chất lượng yêu cầu và ổn định thì không thể thiếu được hệ thống điều khiển đặt trên đó.

1.3 Hê thông điều khiển của điều hoà khôĩiỉỉ khí tai Viên Vê sinh Dich tễ Trung ương

Hệ thống điều khiển dùng trong hệ thống điều hoà không khí ở đây có thể chia thành hai phần chính sau:

> Hệ thống điều chỉnh năng suất lạnh máy nén.

> Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ tại OAH và các AHU (hình 1.6)

> Các hệ thống điều khiển, bảo vệ, khởi động động cơ của các quạt AHU, OAH, động

cơ bơm nước lạnh, động cơ bơm nước làm mát, động cơ máy nén, động cơ quạt tháp giải nhiệt và bảo vệ cụm chiller.

Trong các hệ thống điều chỉnh này, luôn bao gồm các bộ cảm biến và đo lường Vì vậy, nó

sẽ được nói đến đầu tiên.

1.3.1 Các bô cảm biến đo lưòns:

Các cảm biến đo lường là cấp thấp nhất của hệ thống tự động, cung cấp thông tin đo lường cho hệ thống tự động điều chỉnh hoạt động Ngoài ra còn có thiết bị hiển thị giúp người vận hành xác định rõ ràng thông số của các đại lượng cần đo để đề ra phương thức vận hành kinh tế và tối

ưu Như vậy yêu cầu các hệ thống đo lường phải đảm bảo chính xác, nhanh, nhậy, phản ánh kịp thời các thông số cần đo.

Trong hệ thống điều khiển tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương các đầu đo được kết hợp với các bộ biến đổi tín hiệu đo lường chuẩn tạo thành các hợp bộ đo lường để biến đổi các đại lượng không điện (lưu lượng, nhiệt độ, áp suất) thành tín hiệu điện một chiều thống nhất từ 4-r20mA (kiểu nguồn dòng) và 0-Ỉ-5V (kiểu nguồn điện áp).

a) Đo nhiêt đô:

Tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, có sử dụng các loại cảm biến sau:

o Các cặp nhiệt ngẫu: Platin - Rodi (10%)/Platin - Century, được lắp tại đường nước

lạnh khi ra khỏi bình bay hơi, tín hiệu còn được đưa về bộ điều chỉnh để điều chỉnh năng suất lạnh theo tải.

o Các nhiệt điện trở: Platin NPT P100 của Honeywell, được lắp tại dường hồi không khí của AHU và đường không khí ra của OAH.

> Căì? nhiêt mẫu: là cảm biến đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện của cặp nhiệt, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp [10]

o Hiệu ứng nhiệt điện:

Một vật dẫn đồng chất bao giờ cũng chứa một lượng điện tử nhất định, biểu thị bởi mật độ điện tử tự do của vật dẫn (hiệu ứng Seebeck) Mật độ điện tử tự do phụ thuộc vào nhiệt độ của vật Gọi N A là mật độ điện tử tự do trong vật dẫn A Giả sử nhiệt độ hai đầu vật là t và t 0 (với t

>t 0 ) tương ứng có N At , N A0 (với N At > N ao ) Xuất hiện sự chuyển dịch của các điện tử tự do từ đầu

có mật độ N A lớn sang đầu có mật độ N A nhỏ hơn và tạo sự chênh lệch điện thế ở hai đầu, làm xuất hiện điện trường chống lại sự chuyển dịch đó Đến một thời điểm nào đó đạt tới trạng thái cân bằng động, một sức điện động được sinh ra (hiện ứng Thomson) Sức điện động e A (t, t 0 ):

0 với Ơ A - hệ số Thomson của vật liệu A.

Khi có hai dây dãn A, B khác nhau hai đầu nối với nhau

Vật B:

Vật A:

Giả sử N A > Ngdẫn đến có một sức điện động do khuếch tán các điện tử tự do từ A sang B

là e AB (t) tại đầu t và e AB (t u ) tại đầu t„:

Khi giữ nhiệt độ t 0 không đổi thì E AB (t 0 ) = const, ta đuợc:

E AB (t, to) = E AB (t) - c = F(t) t =const - đây là nguyên lý để dùng khắc độ cặp nhiệt độ.

o Cặp nhiệt:

Các cặp thường được dùng: Crômen - Kôpen, Crômen - Alumen, Bạck kim — Rô di - Bạch kim úiig với mỗi cặp nhiệt sẽ có khoảng đo khác nhau Các loại cặp nhiệt này đều có cấu tạo chung: cặp nhiệt được đặt trong sứ cách điện và trang bị thêm một lớp bảo vệ bên ngoài Việc bọc

vỏ bên ngoài nhằm tránh khí lọt qua và chống thăng giáng nhiệt độ đột ngột.

o Phương pháp đo:

Suất điện động do giữa hai đầu của cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo Chúng chỉ có thể được xác định chính xác nếu như ta giảm tới mức tối thiểu sự sụt áp do có dòng chạy trong các phần tử cặp nhiệt và dây dẫn: do rất khó đoán biết điện trở của chúng vì điện trở là hàm của nhiệt độ môi trường và của nhiệt độ cần đo Trên thực tế thường sử dụng hai phương pháp đo suất điện động:

Khi đó trong hệ tồn tại 4 sức diện động và ta dược sức điện động tổng là:

+ Sử dụng milivôn kế có điện trở trong rất lớn để giảm điện thế trên dây dẫn + Sử dụng phương pháp xung đối để dòng chạy qua cặp nhiệt bằng không.

>

Nhiêt điên trở: [10]

Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, sử dụng trong nhiệt trở kim loại (Resistance Temperature

Detector, RTD) hoặc nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor).

Trong trường hợp tổng quát, tính giá trị của một điện trở phụ thuộc vào nhiệt:

R(T) = R 0 F(T-T 0 ) Với R 0 là diện trở ở nhiệt điện trở T 0 và F là hàm đặc trưng cho vật liệu.

Trường hợp kim loại:

R(T) = R 0 (l + AT + BT 2 + CT 3 ) Trong đó T đo bằng °c và T 0 = 0°c

Trường hợp nhiệt điện trở (hỗn hợp của các oxit bán dẫn):

R(T) = R„.exp[B( ị !-)]

Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối

Các hệ số được xác định chính xác bằng cách đo những nhiệt độ đã biết trước Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo.

Khi độ biến thiên nhiệt độ AT (xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có thể thay đổi theo hàm tuyến

1 dR

CC R — — ~~

R(T) dT

a R là hệ số nhiệt độ của điện trở, phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ.

b) tìo áy suất: \ 101

Trong hệ thống điều khiển tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, bộ đo áp suất được bố trí

để đo áp suất nước lạnh cũng như nước làm mát tại các vị trí như: đầu đẩy, đầu hút các bơm; đầu vào, đầu ra của bình bay hơi và bình ngưng tụ Các giá trị này hiển thị giúp người vận hành đưa ra các phương pháp vận hành hợp lý.

Các cảm biến áp suất sử dụng trong hệ thống đa số là loại cảm biến đàn hổi hai phần tử Cảm biến đàn hồi hai phần tử: Phần tử cảm biến sơ cấp biến đổi áp suất thành dịch chuyển dựa trên tính chất lý đàn hồi(ví dụ như ống Bourdon, màng rung, màng chắn) Phần tử thứ cấp là một cảm biến dịch chuyển, chuyển đổi độ dịch chuyển thành tín hiệu điện (ví dụ chiết áp, cảm biến sức căng, cảm biến cảm ứng, cảm biến tụ điện).Loại cảm biến này bao gồm những loại sau:

> Cảm biến dùng màng dạng lưới: Cảm

biến dùng mạng lưới dán lên vật trung cô đinh lò xo lá

gian thường được dùng để biến đổi trực

tiếp biến dạng 8 do áp suất gây nên

thành biến thiên điện trở AR/R Biến

thiên điện trở được đo và thông qua biến

thiên này ta biết được chỉ số của áp suất

đo được Vật trung gian có thể là ống

c) Lưu lưons kế lá chắn:\ 101

Lưu lượng kế lá chắn biểu diễn như hình 1.7 Lá chắn chịu lực tác động của dòng chảy, trọng lượng và phản lực của lò xo Vị trí của lá chắn là vị trí mở và dóng ứng với có nước hay không có nước qua đường ống nước Vị trí của lá chắn sẽ được biết thông qua một công tắc lưu lượng kế lá chắn theo kiểu ON/OFF Tín hiệu này sẽ được gửi tới bộ điều khiển.

lò xo lá

Hình 1.7- Lưu lượng kế lá chắn Lưu lượng kế này được lắp trên đường ống nước thành phố cấp cho tháp giải nhiệt, nó giúp bảo vệ tháp giải nhiệt.

d) Bô chuyến đổi đo chuẩn (CĐCH):

Chức năng của bộ chuyển đổi đo chuẩn: Các hệ thống thông tin đo lường điều khiển cùng một lúc quản lý một số lượng lớn các sensor mắc ở đầu vào Các sensor đó có thể khác nhau về nguyên lý hoặc nếu cùng một loại thì khác nhau về giới hạn đo.

Do đó, để đồng bộ tín hiệu giữa nhiều loại sensor và hệ thống người ta phải đưa vào các bộ CĐCH tín hiệu để biến các tín ra từ sensor thành một đại lượng duy nhất và một thang đo duy nhất phù hợp với các tín hiệu đầu vào của hệ thống Các tín hiệu chuẩn hoá một chiều dó thường được quy định: Dòng một chiều từ Điện áp 1 chiều

hoặc tín hiệu bus trường

Như vậy giữa các sensor và hệ thống nhất thiết phải có bộ CĐCH Các bộ CĐCH có thể lấy tín hiệu riêng cho từng sensor, hoặc cho cả một nhóm các sensor Sau khi tín hiệu đã được xử lý qua tín hiệu bộ chuyển đổi đo chuẩn, tín hiệu đo sẽ được đưa đến bộ điều khiển để bộ điều khiển dưa ra các tín hiệu điều khiển tự động đến thiết bị chấp hành.

1.3.2 Hê thống điều chỉnh năns suất lanh

Muốn việc điều chỉnh năng suất lạnh máy nén tốt thì phải tìm hiểu kỹ về nguyên lý làm việc và phương pháp diều chỉnh năng suất lạnh của máy nén.[l 3]

Nguyên /ý làm viêc và phương pháp điều chỉnh:

Việc vận hành của máy nén là giống như đối với quạt hoặc bơm ly tâm Ga ở thể khí được hút qua lối vào và đi xuyên qua cánh dẫn hướng lối vào (có hình dáng giống chong chóng gió như hình 1.9) đi vào trong khoang hoặc các cánh phân tán từ trung tâm của bánh công tác, như hình 1.8 mô tả hướng của dòng môi chất chuyển động Bánh công tác quay với tốc độ cao, đẩy ga ra tới vòng tròn ngoài cùng của bánh công tác bởi lực ly tâm Điều này sẽ làm tăng tốc độ và áp suất của ga Ga sau khi được đẩy ra từ bánh công tác sẽ đi vào ống xoắn, tại đây hầu hết vận tốc (động năng) sẽ biến đổi thành áp suất [13]

Đồ án tốt nghiệp TTBL&N-K43

Cánh dãn hướng được đặt ở đầu hút của máy nén, điềư chỉnh dòng khí ga bởi các cánh hạn chế dòng Khi vị trí cánh dẫn hướng thay đổi, lưu lượng môi chất và công suất lạnh của máy nén

sẽ thay đổi theo.

Máy nén ly tâm được dẫn động động cơ điện hoặc động cơ đốt trong Năng suất lạnh có thể thay đổi nhờ cánh dẫn hướng đặt tại đầu hút hoặc điều khiển tốc độ động cơ Mỗi phương pháp có hiệu suất và đặc tính khác nhau Sự kết hợp giữa diều khiển tốc độ và điều khiển cánh dẫn hướng sẽ đưa lại hiệu suất vận hành cao nhất.

Hình 1.8 - Hướng dòng môi chất di chuyển

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Hình 1.11 - Đường làm việc của máy nén ly tâm một tầng khi tốc độ vòng quay không đổi Đường surge line miêu tả giới hạn làm việc an toàn của máy nén Surge là do áp suất không đu đáp ứng việc tăng áp từ bình bay hơi đến bình ngưng tụ Nếu hoạt động tại trạng thái này, môi chất lạnh đảo ngược dòng chảy sẽ gây tiếng kêu lớn, rung động và nóng máy Nếu tiếp tục tình trạng này, máy nén sẽ bị nguy hiểm Nếu sắp đạt đến trạng thái surge thì cần phải giảm

áp suất môi chất lạnh và/hoặc giảm tải lạnh của máy nén sẽ làm máy nén tránh được diều kiện hoạt động nguy hiểm.

Khi sử dụng điều chỉnh năng suất lạnh bằng việc diều khiển tốc độ, điều khiển cánh dãn hướng đầu vào vẫn phải sử dụng cho trường hợp tải quá thấp để tránh trạng thái tại surge Vì cánh dẫn hướng đầu vào đóng, tốc độ của máy nén tăng để điều chỉnh áp suất và lưu lượng đủ cao để tránh tình trạng surge Điều chỉnh tốc độ kết hợp với điều chỉnh cánh dẫn hướng sẽ làm cho việc vận hành đạt hiệu suất năng lượng rất tốt.

Hè thống điều chỉnh năng sucít lanh máy nén tai Viên Vờ sinh Dịch té Trung ương:

Tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, hệ thống điều chỉnh năng suất lạnh theo cách điều chỉnh cánh dẫn hướng nhưng tốc độ vòng quay của động cơ hay của bánh công tác là không đổi.

Tín hiệu nhiệt độ nước lạnh ra sau bình bay hơi là tín hiệu để điều chỉnh vị trí của cánh dẫn hướng Tín hiệu nhiệt độ này được đưa về bộ điều chỉnh bằng một cặp nhiệt, nó được so sánh với tín hiệu nhiệt độ nước lạnh đặt Khi giá trị nhiệt độ thay đổi khác so với nhiệt độ đặt, bộ diều chỉnh sẽ dựa trên sự sai khác đó và đưa tín hiệu đến bộ điéu khiển của đông cơ servo và điều

Một động cơ servo 0,75kW sẽ dãn động cánh dẫn hướng thay đổi vị trí thông qua một cơ cấu truyền động Khi nhận được tín hiệu từ bộ điều chỉnh, đến bộ điều khiển của động cơ servo sẽ làm trục động cơ servo chuyển động đến vị trí tương ứng với độ lớn của tín hiệu nhận được.

Các bộ điều chỉnh này đều hoạt động theo luật điều khiển PID và của hãng Century - Hàn Quốc sản xuất.

Yêu cầu: Điều chỉnh năng suất lạnh của máy nén để đảm bảo nhiệt độ của nước lạnh tại

đầu ra luôn nằm trong giới hạn cho phép (8°c -ỉ-15 °C) khi đầu vào là 10 °c -ỉ- 21 °c Điều chỉnh năng suất lạnh này được điều chỉnh thông qua quá trình điều khiển lưu lượng môi chất đi qua máy nén tức là điều chỉnh cánh hướng thay đổi trong khoảng 120° Khi môi chất lạnh qua máy nén thay đổi thì năng suất lạnh của máy nén cũng thay đổi theo Bản vẽ số 3 sẽ mô tả về hệ thống điều chỉnh năng suất lạnh máy nén và điều chỉnh nhiệt độ tại OHA, AHU của hệ thống điều hoà không khí tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.

Việc bảo vệ máy nén ly tâm sẽ được giới thiệu trong phần hệ thống bảo vệ.

1.3.3 Hê thốns điều chỉnh nhiêt đô tai OAH, AHU:

Cách điều chỉnh nhiệt độ của AHU và OAH tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương là gần giống nhau Các damper (van điều chỉnh lưu lưu gió) được cố định tại những vị trí đã định trước, sao cho thoả mãn được yêu cầu về lưu lượng gió tươi, gió thải, áp suất dư của từng khu vực, từng phòng, là hợp lý nhất Việc thay đổi vị trí của các damper này là do việc điều chỉnh bằng tay, được hiệu chỉnh lần đầu và mỗi năm một lần.

a)Điều chỉnh nhiêt đô không khí tươi tai OAH:

OAZ>

OA: Out Air

SA: Supply Air

1=) SA

CCV: Cooling Control Valve TD: Termperature Detector

Nguyên lý làm viêc: Điều chỉnh nhiệt độ không khí tươi được điều khiển thông qua lưu

lượng nước lạnh đi qua giàn lạnh (do các van gió được giữ là cố định) Lưu lượng của nước lạnh được điều khiển thông qua van điều khiển nước qua giàn lạnh (Cooling Control Valve - CCV) Việc điều khiển nhiệt độ như sau: Không khí được hút vào với nhiệt độ môi trường được đi qua giàn lạnh, nhiệt độ của không khí giảm xuống Tiếp tục quá trình, không khí được quạt đẩy vào đường ống và phân phối đi các AHU Cảm biến nhiệt độ trên đường ống từ OAH đến các AHU sẽ

có nhiệm vụ đưa tín hiệu về nhiệt độ không khí sau giàn lạnh về bộ điều chỉnh Tín hiệu này đưa

về và được so sánh với tín hiệu nhiệt độ đặt, dựa vào độ chênh lệch nhiệt độ bộ điều chỉnh đưa tín hiệu đến van điều khiển để điều chỉnh nước qua giàn lạnh sao cho nhiệt độ ra đạt yêu cầu.

Yêu cầu của điều chỉnh là phải duy trì nhiệt độ đầu ra của không khí tươi hút vào nằm

trong khoảng (18°c -j-22°C) tuỳ thuộc vào điều kiện nhiệt độ môi trường tránh bị dọng sương quá nhiều, với lưu lượng không khí tươi cần là 50070 cmVh.

b) Điều chính nhiêt đô không khí tai AHU:

Nguyên lý làm việc: Tương tự như việc điều chỉnh nhiệt độ cho OAH, chỉ khác là cảm

biến nhiệt độ được đặt tại đường hồi của không khí như hình vẽ 1.13 Tín hiệu của cảm biến được gửi về bộ điều chỉnh, từ đây bộ điều chỉnh sẽ đưa tín hiệu điều khiển đến các van điều khiển ccv

hoặc HCV để điều chỉnh nhiệt độ không khí Còn các quạt hồi và đẩy tại các AHƯ là quạt một cấp tốc độ, dược khởi động và dừng thông qua một tủ điều khiển cấp trường bởi người vận hành.

Như đã nói ở phần đầu, ở điều kiện khí hậu ở Việt Nam thì giàn nóng rất ít khi được sử dụng VI vậy, việc điều chỉnh chủ yếu dành cho điều chỉnh giàn lạnh, nên trong giới hạn của đề tài tôi chỉ xin đưa ra quá trình điều chỉnh cho giàn lạnh.

Yêu cầu: Điều chỉnh nhiệt độ cho các AHU là tương tự nhau, với lưu lượng gió không đổi

trong quá trình vận hành (do quạt đều là một cấp tốc dộ, vị trí các damper trong AHU là không thay đổi), yêu cầu nhiệt độ tại các phòng là thay đổi trong một giới hạn nhất định (18°c -j-25'’C) hay xung quanh một giá trị đặt trước như 23°c, điều chỉnh lưu lượng nước lạnh qua giàn lạnh khi nhiệt độ của nước lạnh nằm trong giới hạn (đầu vào: 8°C-Ỉ-15 °c, đầu ra: 12 °c -ỉ- 19 °C) Do đó, trong phần điều khiển AHU tôi chỉ xin đưa ra việc thiết kế cho một AHU cụ thể là AHƯ 1 với các thông số cụ thể nhu sau: nhiệt độ không khí tươi được cung cấp từ OAH nằm trong khoảng (18 0 O22°C), lưu lượng không khí tươi chiếm 30% hỗn hợp khí cấp, lượng khí hồi là 16400cm7h, lưu lượng khí cấp là 18300 cm 3 /h, năng suất lạnh là 64739 Kcal/h.

1.3.4 Các hề thống bảo vê:

a) Hê thốiiíỉ bảo vê cum chiller, bom nước làm mát và tháp íỉiủi nhiêu

> Bảo vệ cụm chiller: Khi ở tình trạng không an toàn, máy nén có thể dùng hoạt động một cách

tự động Việc điều khiển cắt máy an toàn có thể được đặt chế độ một cách tự động hoặc thủ

o Quá tải động cơ

Tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, máy nén được bảo vệ như sau:

o Áp suất đầu đẩy không quá cao bằng rơle áp suất cao (giá trị lớn nhất cho phép là 5 at).

o Áp suất đầu hút không quá thấp bằng rơle áp suất thấp (giá trị nhỏ nhất cho phép là

-550mmHg).

o Nhiệt độ dầu quá thấp bằng rơle nhiệt độ (giá trị thấp nhất cho phép là 30°C)

o Nhiệt độ dầu quá cao bằng 1'ơle nhiệt độ (giá trị lớn nhất cho phép là 55°C).

o Bảo vệ thứ tự pha cho động cơ máy nén

o Bảo vệ quá tải động cơ: tín hiệu dòng điện quá tải của máy nén được một bộ biến dòng

hạ thấp theo tỉ lệ nhất định, đưa về cụm bảo vệ và thiết bị hiển thị dòng điện.

> Bảo vệ hệ thống bơm nước làm mát: là bảo vệ động cơ máy bơm khỏi hoạt động trong tình

trạng nguy hiểm:

o Ngắn mạch, lệch pha, mất pha, đảo pha

o Bảo vệ tránh quá tải động cơ

o Báo tín hiệu khi động cơ dừng hoạt động,

o Bảo vệ thứ tự pha

> Bảo vệ tháp giải nhiệt: bảo vệ tháp giải nhiệt tránh các tính trạng sau:

o Không có nước vào đường ống cấp nước cho tháp giải nhiệt (làm cho hệ thống nước làm mát không đủ nước làm mát) bằng công tắc lưu lượng kế.

o Bảo vệ động cơ các quạt không bị:

■ Ngắn mạch, lệch pha, mất pha.

■ Quá tải động cơ.

■ Báo tín hiệu khi động cơ dừng hoạt động

b) Hê thống bảo vê cum OAH, AHU và các bơm hê thống nước lanh:

Mục đích chính của cụm này là bảo vệ các động cơ của hệ thống quạt, động cơ bơm tránh khỏi các trường hợp:

o Ngắn mạch, lệch pha, mất pha, đảo pha

o Bảo vệ tránh quá tải động cơ.

o Báo tín hiệu khi động cơ dừng hoạt động,

o Bảo vệ thứ tự pha cho động cơ bơm

tương tự như việc bảo vệ động cơ thuộc phần a).

Việc bảo vệ các động cơ được thực hiện thông qua các tủ điều khiển điện cấp trường Trong mỗi cụm bảo vệ của cụm chillcr, cụm máy bơm, cụm quạt tháp giải nhiệt, hộ thống quạt OAH, AHU sẽ có một tủ diều khiển cấp trường Thực chất nó là các tủ điều khiển điện động lực

máy nén chiller Như vậy, mỗi tủ này sẽ có các khối chính như: khối khởi động động cơ; khối báo tín hiệu ngắn mạch, mất pha, lệch pha, báo tín hiệu khi động cơ hỏng; khối báo tín hiệu quá tải động cơ, một bộ chống đảo pha Các tín hiệu về sự cố động cơ và dòng điện tại hệ thống bảo vệ cụm chiller, hệ thống bơm nước làm mát, tháp giải nhiệt sẽ được tủ điều khiển điện cấp trường đưa tín hiệu về bộ điều khiển Đây là tín hiệu chính trong việc bảo vệ mạch điện động lực các động cơ.

Hình 1.14 - So đồ mạch điện của tủ điều khiển Chiller.

c) Các loai role bảo vê đươc sử duns:

Ro le áp suất: có hai loại là rơle áp suất thấp và rơle áp suất cao.

Hình! 15 - Role tổ hợp áp suất cao và thấp

Mạch phát hiện điện

Để xây dựng bất kỳ một hệ thống điều khiển nào cũng cần phải có một nền tảng kiến thức

vê một hệ điều khiển nói chung Mục đích của đê tài này là xây dựng một hệ thống điều khiển mới cho quá trình nhiệt tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Vì vậy, các vấn đề cơ bản của điều khiển quá trình và hệ thống điều khiển của một số hệ thống nhiệt lạnh nói chung sẽ được nêu ra Nội dung của chương này sẽ bao gồm các phần sau:

> Khái niệm chung về điều khiển quá trình [2].

> Mục đích và chức năng của điều khiển quá trình [2].

> Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình [2].

> Mô hình hoá đối tượng điều chỉnh

> Một sô hệ thống điều hoà và phương pháp điều khiển tương ứng [6, 7,12].

2.1 Khái niêm chung về điều khiển quá trình:

Điều khiển quá trình là lĩnh vực ứng dụng quan trọng của kỹ thuật điều khiển trong các

ngành công nghiệp năng lượng và hoá chất Trong nội dung của đồ án này, điều khiển quá trình dược hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình, diều khiển quá trình nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sán xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường Điều khiển quá trình nhiệt cũng không nằm ngoài quy luật

đó, VI vậy, dựa trên khái niệm chung về điều khiển quá trình ta có thể tìm hiểu được về điều khiển quá trình nhiệt.

Trong đó, quá trình dược hiểu là một trình tự các diễn biến vật lý, hoá học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ.

Quá trình nhiệt là quá trình mà trạng thái của hệ thống nhiệt động thay đổi trạng thái,

năng lượng của nó có sự biến đổi từ dạng này sang dạng khác Tuỳ theo vào điều kiện tiến hành quá trình mà trạng thái của hệ thay đổi khác nhau và hiệu quả biến hoá năng lượng cũng khác nhau [9].

Trạng thái hoạt động và biểu diễn 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 hoạ như hình 2.1 Trong đó một biến vào là một đại lượng hoặc một điều kiện phản ánh tác động bên ngoài vào quá trình, ví

dụ như lưu lượng dòng, nhiệt độ nước lạnh, Một biến ra là một đại lượng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ như nhiệt độ hỗn hợp khí lạnh, lưu lượng của hỗn hợp khí này, Khi các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả thì mối quan hệ giữa hai biến này sẽ thể hiện mối quan hệ nhân - quả Bên cạnh các biến vào ra, đối với điều khiển quá trình thì người ta rất quan tâm đến các biến trạng thái Các biến trạng thái

mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ như áp suất, nhiệt độ của nước lạnh khi ra khỏi Water Chiller, mức nước có trong bình dãn nở, tháp giải nhi ệt

Biến vào I - 1 -1 Biến điều khiển Nhiễu

Vật chất

Năng lượng

Thông tin

Vật chất Năng lượng Thông tin

Biến trạng thái Biến ra

I - -1 - -1 Biến không cần Biến không cần Biến không cần điều khiển điều khiển điều khiển Hình 2.1 - Quá trình và phân loại biến quá trình

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

khiển/điều chỉnh sao cho gần tới một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu Các biến cần diều khiển liên quan hệ trọng dến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản phẩm.

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

ngoài, qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn.

Những biến vào còn lại không can thiệp được một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm

vi quá trình nhiệt đang quan tâm được coi là nhiễu Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu ảnh hưởng của nó Nhiễu

Tín hiệu đo Thiết bị

Hình 2.2 - Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình nhiệt

Trong phần này, các khái niệm về các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình được trình bày một cách sơ lược để hiểu rõ hơn về chức năng của từng thành phần trong hệ thống và quan hệ giữa chúng.

a) Thiết bi đo:

Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỉ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến và chuyển đổi đo chuẩn Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm của quá trình kỹ thuật

và biến đổi thành một tín hiệu Để có thể truyền đi xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hoà và chuyển đổi sang dạng thích hợp Một bộ chuyển đổi đo chuẩn là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn.

b) Thiết bi điều khiển:

Thiết bị điều khiển hay bộ điều khiển là một thiết bị tự động thực hiện chức năng điều khiển, là thành phẩn cốt lõi của một hệ thống điều khiển nhiệt Trên cơ sở các tín hiệu đo và một 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 nhiệt thông qua các thiết bị chấp hành Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic hoặc thiết bị điều khiển số.

c) Thiết bi chấy hành:

Một hệ thống/thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện tác động tới biến diều khiển Các thiết bị chấp hành thường dùng trong diều khiển các quá trình nhiệt và các van điều khiển, động cơ máy nén, máy bơm, quạt gió, động cơ servo Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào diễn biến của quá trình nhiệt.

Một thiết bị chấp hành bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ sở chấp hành hay cơ cấu dẫn động và phần tử điều khiển Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng, trong khi phần tử điều khiển can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển.

Trên dây dã giới thiệu về các thành phần cơ bản của một hệ thống diều khiển quá trình

Từ đây, cần phải mô hình hoá đối tượng của các quá trình nhiệt trong hệ thống điều hoà không khí tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.

2.2 Mô hình hoá đối tương điều khiến:

Tôi xin được đưa ra mô hình kiểu P&TD (Piping and Instrumentation Diagram) của các qưá trình như sau:

2.4.1 Quá trình điêu chỉnh nhỉêt đô tai OAHvà AHU:là như nhau lên có mô hình tương đương

Dòng nướclạnh kilv

Biến ra cần điều khiển

^kkr

Hình 2.3 - So đồ công nghệ của quá trình điều chỉnh nhiệt độ tại OAH Như hình vẽ ta thấy, trong quá trình nhiệt có hai biến ra là t n , r và t kkr Tuy nhiên theo yêu cầu của quá trình thì biến cần điều khiển chính là t kkr Với bốn biến vào là t kkv , 0\ kv , t nlv và co nlr thì

có biến co nrl chính là biến điều khiển cho quá trình trao đổi nhiệt này, các biến còn lại như t kkv , (D kkv , t n l v là nhiễu của quá trình.

Đối với AHU, thay vì sử dụng biến cần điều khiển là t kkr bằng cách sử dụng một đại lượng khác là nhiệt độ của không khí hồi t kkh từ phòng trở về AHU Với cách này các ảnh hưởng của nhiễu sẽ ảnh hưởng tới mức tối đa.

Bên cạnh đó, để hạn chế nhiễu, người ta cố gắng duy trì co kkv là hằng số bằng cách đặt vị trí các damper cố định, quạt được sử dụng là loại một cấp tốc độ tại cả OHA và AHU.

Tóm lại, trong quá trình điều khiển OAH thì vấn đề cần quan tâm đó là mối quan hệ giữa lưu lượng nước lạnh ra co nlr và nhiệt độ của không khí tươi t kktr sau khi đi qua OAH Còn đối với AHU, vấn đề là mối quan hệ giữa lưu lượng nước lạnh ra co nlr và nhiệt độ không khí hồi từ phòng

hồi về t kkh

hkt

tn IV C0 kkv

Hoà trộn

hkh

tkkv

Biến điều khiển

tkkr

Biến cần điều khiển

Phòng cần điều hoàBiến ra không cần

điều khiển Hình 2.4 - Sơ đồ công nghệ của quá trình điều chỉnh nhiệt độ tại AHU

2.4.2 Điều khiển năng suất máy nén:

Theo yêu cầu của quá trình thì biến cần điều khiển là nhiệt độ của nước lạnh khi ra khỏi bình bay hơi t nr , biến điều khiển là lưu lượng của môi chất lạnh đi qua máy nén co gv Các biến khác như: nhiệt độ nước lạnh vào t nv , lưu lượng nước lạnh qua bình bay hơi co nv hay co nr , áp suất của nước lạnh trước khi vào bình bay hơi p nv , nhiệt độ bay hơi của môi chất t gv (hay nhiệt độ của môi chất tại đầu hút hoặc áp suất bay hơi của môi chất) là các nhiễu của quá trình Mô hình quá trình như hình 2.5.

Hình 2.5 - Sơ đồ của quá trình làm lạnh nước

2.3 Các hê thông điều hoà không khí và vhương vháv điều khiển tương ứng:

Trong thực tế có rất nhiều kiểu điều hoà không khí, tương ứng với nó là có rất nhiều hệ thống điều hoà không khí Trong giới hạn của đồ án này, tôi sẽ đưa ra một số hệ thống điều hoà không khí tiêu biểu được ứng dụng nhiều trong thực tế và cách điều khiển tương ứng của hệ thống điều hoà đó.

2.5.7 Hê thông điều hơà cuc bô:

a) Cấu tao và nguyên lý hoat đông:

Hệ thống điều hoà cục bộ gồm hai loại chính là máy điều hoà cửa sổ và máy điều hoà tách năng suất lạnh đến 7 kW (24.000 Btu/h) Đây thường các loại máy nhỏ, việc bảo dưỡng sửa chữa

dễ dàng, tuổi thọ không cao nhưng có độ tin cậy lớn, giá thành rẻ, thích hợp với các phòng và các căn hộ nhỏ Trong phần này, tôi xin trình bày về loại máy điều hoà tách hai cụm hai chiều.

Như đã biết, máy điều hoà loại có hai phần tách rời nhau: phần trong nhà (Indoor Unit IU) và phần ngoài nhà (Outdoor Unit - OƯ) Bộ phận chủ yếu của phần trong nhà IU gồm có:

-giàn trao đổi nhiệt (ở chế độ làm lạnh là -giàn bay hơi, ở chế độ bơm nhiệt là -giàn ngưng tụ), quạt gió ly tâm, lọc bụi và các thiết bị điều khiển Phần ngoài nhà ou gồm: giàn trao đổi nhiệt, quạt gió (kiểu dọc trục) và lốc máy (máy nén) Trên các máy loại máy này ống mao sẽ được lắp thay cho việc lắp van tiết lưu (như hình vẽ 2.6).

b) Nsuxên lx làm viêc của hê thốìiíỉ điều khiển:

Hệ thống điều khiển của máy điều hoà loại này được nhà sản xuất chế tạo thành một bảng main, các chế độ đặt của máy được nhà sản xuất quy định và khó có thể can thiệp vào đó Nó không tách biệt rõ ràng giữa mạch điều khiển và mạch động lực.

Việc điều chỉnh năng suất lạnh của máy điều hoà thông qua điều chỉnh năng suất lạnh của máy nén và điều chỉnh tốc độ của quạt ly tâm theo hai hoặc ba cấp tốc độ Trong loại máy này, việc điều chỉnh năng suất lạnh của máy nén là điều chỉnh theo chế độ hai vị trí “ON - OFF”, thông qua role nhiệt độ và 1'ơle áp suất kết hợp với tín hiệu đưa về của cảm biến nhiệt độ đặt tại đường hồi của không khí trong phòng, sẽ đưa ra tín hiệu đóng, cắt trực tiếp tiếp điểm điện hai hoặc nhiều cực Trong việc điều chỉnh, tín hiệu đưa ra để điều khiển đã được tính toán thông qua bảng mạch ghép nối sẩn do nhà sản xuất chế tạo chỉ để thực hiện một số thuật toán đã định trước, phù hợp với yêu cầu điều chỉnh và an toàn của máy này.

Để chuyển chế độ làm lạnh sang chế độ làm ấm, một tín hiệu điện sẽ được tác động đến van đáo chiều làm cho piston trong van chuyển động đến một vị trí mới làm cho dòng môi chất chuyển động theo chiều ngược lại, thay đổi sang chế độ mới.

Trong loại máy này, việc bảo vệ môtơ máy nén, môtơ quạt cũng thông qua các mạch bảo

vệ Trong việc bảo vệ quạt thì người ta dùng một bộ điều nhiệt trong máy Bộ này được gắn vào cuộn dây của môtơ quạt Khi cuộn dây nóng lên không bình thường vì môtơ quạt bị khoá lại hay

sự cố quá tải nào đó, một lá lưỡng kim trong bộ điều nhiệt được kích hoạt nhờ sự tăng cao nhiệt

độ cuộn dây và ngắt nguồn điện Việc này giúp ngăn ngừa nhiệt độ tăng cao không bình thường của cuộn dây và tránh được cuộn dây bị cháy Một số loại có lắp cầu chì với chức năng tương tự cho bộ điều nhiệt.

Mạch bảo vệ môtơ máy nén: hạn chế dòng điện quá lớn, gây tổn hại đến môtơ, chạy qua mạch bằng một rơle quá dòng trong các trường hợp: máy nén khởi động ngay sau khi vừa ngừng máy, máy nén chạy quá tải, ngắn mạch hoặc khởi động quá lâu.

Bên cạnh đó, đối với các máy lạnh có máy nén kiểu rôto, trên đường hồi của máy nén còn lắp thêm một bình tách lỏng nhỏ để tránh máy nén hút phải lỏng, gây va đập thuỷ lực cho máy nén.

2.5.2 Hê thôns điều hoà đác chủng

Trong phần này tôi sẽ giới thiệu về hệ thống điều hoà không khí trên ôtô và hệ thống điều

a) Cấu tao chung:

Nói chung, một hệ thống điều hoà không khí trên ôtô về cơ bản có cấu tạo không khác nhiều so với một hệ thống điều hoà dân dụng hiện nay Điểm khác biệt lớn nhất là: động cơ của ôtô vừa dùng để vận hành vừa là nguồn động lực được sử dụng để vận hành hệ thống điều hoà Bên cạnh đó, do vận hành trong điều kiện chịu nhiều rung động khi ôtô chạy và khoang máy có nhiệt độ cao, chật hẹp nên hệ thống đường ống, các thiết bị được chế tạo đặc biệt với cách lắp đặt khác biệt Điện được sử dụng cho điều hoà ôtô là điện 1 chiều (với xe từ 12 chồ trở xuống DC 12V, xe từ 24 chồ trở lên DC 24V).

Một hệ thống điều hoà ôtô bao gồm hai phần:

• Hệ thống làm lạnh:

+ Máy nén: dùng loại máy nén hở + Giàn ngưng tụ: được lắp ở trước két làm mát nước (ôtô con) hoặc hai bên thân xe (với xe khách)

+ Bình chứa/bộ hút ẩrn/íil lọc + Mắt ga: thường được lắp cùng với bình chứa/bộ hút ẩm + Cụm làm mát: giàn bay hơi, mô tơ quạt và quạt, van tiết lun

■ Van tiết lưu: thường dùng van tiết lưu cân bằng trong

■ Giàn bay hơi: được lắp cùng với quạt gió

■ Quạt: thường dùng kiếu ly tâm

• Hệ thống sưởi:

+ Van nước: nằm trên vòng tuần hoàn nước làm mát của động cơ + Két sưởi: có cấu tạo gần giống giàn bay hơi + Quạt gió: gồm mô tơ và cánh quạt.

Blovver

Bên cạnh những bộ phận trên còn có các loại cảm biến, các bộ phận điều khiến, bộ phận chấp hành của bộ điều khiển và một phần rất quan trọng đó là hệ thống phân phổi gió.

bìNsuvên lý hoai đông:

Khi bật nút A/C (hoạt động chế độ làm lạnh), thermosat (Rơ le khống chế nhiệt độ) chỉ màu xanh (cool) có điện cấp vào khớp điện từ của máy nén, dẫn động máy nén với động cơ Nhờ động cơ ôtô dẫn động, máy nén của hệ thống điều hoà quay, ga của hệ thống lạnh ở thể hơi, áp suất thấp (với ôtô từ 1996 về trước sử dụng ga RI2) (với ôtô từ 1997 về sau sử dụng ga R134a) được hút từ giàn bay hơi về máy nén Tại đây, ga nhiệt độ thấp và áp suất thấp được nén thành ga nhiệt độ cao và áp suất cao ở thể hơi Sau đó ga được làm mát tại giàn ngưng tụ nhờ quạt làm mát (dùng chung quạt với két nước làm mát) hoặc hệ thống quạt riêng (với xe khách từ 24 chồ ngồi trở lên) Cuối giàn ngưng tụ ga ớ thê lỏng áp suất cao tiếp tục qua bình chứa/bộ hút ẩm/íil lọc, mắt ga Ga lỏng áp cao đã được làm sạch chảy đến van tiết lưu giảm áp thành ga lỏng áp suất thấp Ga tiếp tục đi vào giàn bay hơi, thực hiện quá trình trao đôi nhiệt Quá trình này diễn ra như sau: nhờ quạt, không khí trong ôtô chuyền động qua lưới lọc thành không khí sạch trao đổi nhiệt với giàn bay hơi (trong đường ống của giàn bay hơi ga lỏng bay hơi và thu nhiệt bên ngoài) làm nhiệt độ giảm xuống và nhờ chính quạt này phun lại vào ôtô Ga lỏng sau khi trao đổi nhiệt với không khí tại giàn bay hơi sẽ được hút về máy nén và tiếp tục chu trình tiếp theo.

Khi hoạt động ớ chế độ sưởi, nút A/C sê được tắt hoặc máy nén sẽ được tách ra khỏi động

cơ do khớp điện từ không có điện Lúc này thermosat chỉ màu đó (heat) sẽ có điện vào van điện

từ Van này có tác dụng đóng, mớ van nước khi không, có điện Vì vậy nước làm mát động cơ qua van nước đi vào két sưởi Tại đây xảy ra quá trình trao đôi nhiệt giữa nước nóng và không khí Thông qua quạt lượng không khí đã hút từ trong xe qua két sưởi và quay trở lại ôtô với nhiệt

độ cao Nước làm mát sau khi qua két sưởi sẽ quay trở lại động cơ để tiếp tục quá trình tiếp theo.

Các quá trình trên được minh hoạ bởi các hình ở 2.9

c) Hê thôns điều khiển nhiêt đô:

Trên ôtô hiện nay phổ biến hai hệ thống điều khiển: Loại điều khiến bằng bộ khuếch đại

và loại điều khiển bằng bộ vi xử lý Trong giới hạn của đồ án, nguyên lý hoạt động của loại điều khiển bằng bộ khuếch đại với bộ phận điều khiển chính là điều khiển nhiệt độ sẽ được đề cập đến.

Hình 2.9 - Sơ đồ nguyên lý hoạt động Một bộ điều khiên nói chung bao giờ cũng bao gồm những phần chính: Cảm biến, bộ điều khiển và bộ phận chấp hành Các cảm biến có tác dụng nhận biết sự thay đổi nhiệt độ bên trong

và bên ngoài; sự toả nhiệt của mặt trời Các loại cảm biến được sử dụng trên ôtô chủ yếu là loại cảm biến nhiệt điện trở và cảm biến điổt quang học Bộ phận chấp hành: môtơ bộ thổi khí, máy nén và các động cơ môtơ servo (dùng để dịch chuyển các cánh gió).

Các hệ thống điều khiến trong loại khuếch đại A/C hoạt động bằng cách gạt các cần điều khiển và bật các công tắc đặt trên các bảng điều khiển điều khiển, cần điều khiển nhiệt độ: được gạt bằng tay để đặt nhiệt độ trong xe theo ý muốn Công tắc tự động đặt chế độ thổi khí: công tắc này cho phcp chế độ thổi khí thay đổi tự động giữa FACE và BI - LEVEL, BI - LEVEL và FOOT tương ứng với nhiệt độ khí thôi.

> Cấu tạo: như trong hình vẽ 2.10

Các cảm biến, trừ cảm biến mặt trời được mắc nối tiếp vào bộ khuếch đại hệ thống Trong

R2: Biến trở thay đổi theo nhiệt độ đặt trước (tín hiệu nhiệt độ đặt trước)

Khi nhiệt độ đặt trước và nhiệt độ trong xe bằng nhau: Ri và R2 gần bằng nhau Vi ~

V2V0 Do đó, bộ khuếch đại vi sai sẽ gửi một điện áp thấp đến bộ khuếch đại chuyến đổi 1 và 2,

và môtơ servo điều khiến hoà trộn khí được giữ ở tình trạng hiện thời.

Khi nhiệt độ trong xe thấp hơn nhiệt độ đặt trước: Điều này xảy ra khi nhiệt độ đặt cao hơn, kết quả là làm giảm R 2 , hay khi nhiệt độ bôn trong xe giảm xuống dưới nhiệt độ đặt trước, kết quả là tăng Rr Trong các trường hợp trên, R 2 trở nên nhỏ hơn Ri, kết quả là làm Vi trở nên lớn hơn l/2Vo, do vậy cho phép bộ khuếch đại vi sai phát hiện ra sự thay đổi này ( có nghĩa là Vi trở nên lớn hơn l/2Vo) Bộ khuếch đại vi sai sau đó cấp điện “H” (cao) đến bộ khuếch đại chuyển đối 2 và “L” (thấp) đến bộ khuếch đại chuyển đổi 1 Điều này sê dẫn động môtơ servo điều khiển hoà trộn khí (với dòng điện chạy theo hướng từ dưới lên), môtơ sẽ quay cánh điều khiển hoà trộn khí đến “L” (thấp) để tăng tỷ lệ của luồng khí đi qua bộ sưởi ấm, vì vậy tăng được nhiệt độ khí thổi vào Điều này làm giảm Rpo (điện trở của chiết áp gắn với cánh điều khiển hoà trộn khí), làm giảm dần dần Vi cho đến khi môtơ servo điều khiển hoà trộn khí ngừng hoạt động.

Hoàn toàn ngược lại cho trường hợp nhiệt độ trong xe cao hơn nhiệt độ đặt trước.