Đồ Án 2- Điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch - ĐHBKHN
GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh MỞ ĐẦU Trong năm gần phòng hướng phát triển tiềm đời sống , công nghiệp nói chung lĩnh vực điều hòa không khí nói riêng Do yêu cầu sản phẩm công nghệ cao sản xuất máy tính, sản xuất chíp, bo mạch, công nghệ chất bán dẫn, hay loại thuốc dược phẩm, , thiết bị y tế, phòng mổ bệnh viện Tất phòng đòi hỏi phải kiểm soát nồng độ hạt bụi, loại chất ô nhiễm, trao đổi không khí mức cho phép để tạo môi trường lí tưởng Để tạo môi trường đáp ứng yêu cầu phòng sach, người ta sử dụng điều hòa không khí cho phòng với đặc điểm, tính vợt trội so với điều hòa không khí thông thường Và nhiệm vụ đặt sau trì điều kiện cho phòng điều khiển lưu lượng không khí phòng để tiết kiệm lượng cách tốt Vì nhu cầu phòng lớn đất nước ngày phát triển nên phòng mảng có tiềm lĩnh vực ĐHKK Và yếu tố quan trọng để đảm bảo yêu cầu chất lượng phòng khâu điều khiển Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng CHƯƠNG I: Đồ án nhiệt-lạnh TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ, HỆ THỐNG, QUÁ TRÌNH 1.1 SƠ LƯỢC VỀ PHÒNG SẠCH 1.1.1 Giới thiệu phòng - Định Nghĩa "Phòng sạch" phòng Phòng (tiếng Anh cleanroom ), theo định nghĩa tiêu chuẩn ISO 14644-1 là: "Là phòng mà nồng độ hạt lơ lửng không khí bị khống chế xây dựng sử dụng kết cấu cho có mặt, sản sinh trì hạt phòng giảm đến tối thiểu yếu tố khác phòng nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khống chế điều khiển" Nguyên văn tiếng Anh: "A room in which the concentration of airborne is controlled, and which is constructed and used in a manner to minimise the introduction, generation and retention of particles inside the room and in which other relevant parameters, e.g temperature, humidity, and pressure, are controlled as neccessary." Nói cách đơn giản, phòng phòng kín mà đó, lượng bụi không khí, hạn chế mức thấp nhằm tránh gây bẩn cho trình nghiên cứu, chế tạo sản xuất Đồng thời, nhiệt độ, áp suất độ ẩm không khí khống chế điều khiển để có lợi cho trình Ngoài ra, phòng đảm bảo vô trùng, khí độc hại theo nghĩa "sạch" Như phòng thường giải năm vấn đề nhiệt độ, độ ẩm, áp suất phòng, độ vấn đề nhiễm chéo - Lịch sử phòng sạch, cần thiết phòng Phòng sử dụng lần lĩnh vực y tế Mở đầu công trình nghiên cứu Pasteur, Koch, Lister nhà sinh học tiên phong Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh khác nhiễm khuẩn nguyên nhân nhiều bệnh, mà nguyên nhân nhiễm khuẩn vệ sinh môi trường Lần vào năm 1860, Joseph Lister(một giáo sư Đại học Tổng hợp Glasgow) thiết lập hệ thống phòng khép kín nhằm hạn chế bụi bẩn, chống nhiễm khuẩn Viện xá Hoàng gia Glasgow (Royal Infirmary, Viện xá thành lập ĐH Glasgow, ngày tách làm phần mang tên Glasgow Western Infirmary Glasgow Royal Infirmary) Đây phòng sơ khai Và hệ thống phòng sử dụng cho sản xuất bắt đầu sử dụng vào thời gian chiến tranh giới thứ hai để cải tiến súng ống, vũ khí quân Cho đến lúc này, phòng mức sơ khai làm cách hệ thống hút bụi hút ẩm đơn giản, khác xa so với ngày Tiếp đến, phòng phát triển thêm bước nhờ thúc đẩy từ ngành nghiên cứu hạt nhân, sinh hóa dẫn đời hệ thống lọc không khí Các phòng với dung tích lớn, hệ thống lọc không khí tốt bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1955 Công ty điện tử Western Electric Company (Winston-Salem, Mỹ) gặp phải vấn đề trục trặc với sản phẩm sai hỏng có mặt hạt bụi không khí Yêu cầu đặt cho họ phòng không nhiễm bụi, từ hệ thống phòng đươc phát triển, với hệ thống lọc, hệ thống điều khiển, quần áo bảo hộ nhằm chống bụi bẩn cho phòng phát triển ngày Và nay, phòng sử dụng cho nhiều lĩnh vực: y tế, khoa học kỹ thuật vật liệu, linh kiện điện tử, lý, hóa, sinh, khí xác, dược 1.2 CÁC TIÊU CHUẨN VÀ CÔNG NGHỆ 1.2.1Tiêu chuẩn phòng Tiêu chuẩn phòng hàm lượng bụi, tức hàm lượng hạt bụi lơ lửng không khí khống chế đến mức (tất nhiên bụi bám phải làm rồi) Nếu ta so sánh cách hình tượng, đường kính sợi tóc người vào cỡ 100μm, hạt bụi phòng có đường kính từ 0,5 đến 50μm Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Các tiêu chuẩn phòng lần đưa vào năm 1963 Mỹ, trở thành tiêu chuẩn chung cho giới Đó tiêu chuẩn quy định lượng hạt bụi đơn vị thể tích không khí Người ta chia thành tầm kích cỡ bụi loại phòng xác định số hạt bụi có kích thước lớn 0,5μm thể tích foot khối (ft3) không khí phòng Tiêu chuẩn Federal Standard 209 (1963) [1] Tiêu chuẩn lần quy định vào năm 1963 (có tên 209), sau liên tục cải tiến, hoàn thiện thành phiên 209 A (1966), 290 B (1973) , 209 E (1992) Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh 2 Tiêu chuẩn Federal Standard 209 E (1992) [2-3] Tiêu chuẩn xác định hàm lượng bụi lửng không khí theo đơn vị chuẩn (đơn vị thể tích không khí m^3) Sự phân loại phòng xác định theo thang loga hàm lượng bụi có đường kính lớn 0,5 \mum Dưới bảng tiêu chuẩn FS 209 E Tiêu chuẩn ISO 14644-1 [3,4] Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (International Standards Organization - ISO) quy định tiêu chuẩn phòng tiêu chuẩn quốc tế Tiêu chuẩn ISO 14644-1 phát hành năm 1999 có tên "Phân loại độ không khí" (Classification of Air Cleanliness) Các loại phòng quy định dựa biểu thức: Cn=10N[0,1D]2,08 Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh với: Cn hàm lượng cho phép tối đa (tính số hạt/m3) bụi lửng không khí lớn kích thước xem xét N số phân loại ISO, không vượt số cho phép nhỏ 0,1 D đường kính hạt tính theo μm 0,1 số với thứ nguyên μm Như vậy, dễ dàng xác định giới hạn hàm lượng bụi từ công thức dễ dàng phân loại cấp phòng (bảng 3) Cần ý rằng, mức độ nhiễm bẩn không khí phòng phụ thuộc vào hạt bụi sinh hoạt động phòng, không số cố định phòng Chính thế, tiêu chuẩn phòng, đòi hỏi hệ thống làm liên hoàn quy định quy mô phòng số người, số hoạt động phòng Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Ngoài tiêu chuẩn này, ngành có thêm đòi hỏi riêng cho mình, ví dụ làm công nghiệp vi mạch bán dẫn đòi hỏi khác với ngành y Ta nhớ công nghiệp bán dẫn thao tác với phần tử vật liệu tới cỡ micron, mà yêu cầu khắt khe hàm lượng bụi nhỏ, ngành y tế lại đòi hỏi cao mức độ điều hòa không khí nhằm chống nhiễm khuẩn 1.2.2 Nhứng điểm đặc biệt hệ thống ĐHKK phòng so với hệ thống ĐHKK thông thường 1.2.2.1.Áp suất phòng Nhiệm vụ chủ yếu ngăn ngừa không cho không khí, hạt bụi, chất nhiễm trùng; từ phòng, khu vực dơ sang phòng, khu vực Nguyên tắc di chuyển không khí từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp Như vậy, phòng có cấp độ có áp cao ngược lại Để kiểm soát áp suất phòng thường có đồng hồ đo áp suất, áp phòng vượt tự động tràn thông qua cửa gió xì Thường phòng có yêu cầu cao gắn miệng gió xì 1.2.2.2.Độ Độ phòng định hai yếu tố số lần trao đổi gió hay bội số tuần hoàn (Air Changes per Hour) Phin lọc Thông thường điều hòa không khí cho cao ốc văn phòng từ tới 10 lần Nhưng phòng số lần trao đổi gió lên tới 20 lần, đặc biệt phòng cho sản xuất chíp lên tới 100 lần Tăng số lần trao đổi gió để làm giảm nồng độ hạt bụi, chất ô nhiễm sinh phòng Do kết cấu phòng khác Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh với cao ốc văn phòng Với phòng có yêu cầu cấp độ khác số lần trao đổi gió khác Ví dụ nhà máy sản xuất dược phẩm khu vực thay đồ có cấp độ E (cấp màu đen) có áp phòng +(15Pa), số lần trao đổi gió 10, phòng pha chế có cấp độ C có áp phòng +(30Pa), số lần trao đổi gió 20, phin lọc cấp H12 Phin lọc có nhiệm vụ lọc bỏ hạt bụi không khí trước vào phòng Tùy theo yêu cầu loại phòng mà sử dụng phin lọc cho phù hợp Thông thường với phòng nhà máy dược sử dụng loại lọc hiệu suất cao HEPA(High Efficiency Particle Air) Vị trí lọc gắn AHU phòng 1.2.2.3 Nhiễm chéo Để hiểu rõ nhiễm chéo ta định nghĩa tạp nhiễm Tạp nhiễm nhiễm (đưa vào) không mong muốn tạp chất có chất hóa học vi sinh vật, tiểu phân lạ vào lên nguyên liệu ban đầu thành phẩm trung gian trình sản xuất, lấy mẫu, đóng gói, bảo quản vận chuyển Như nhiễm chéo việc tạp nhiễm nguyên liệu ban đầu , sản phẩm trung gian, thành phẩm với nguyên liệu ban đầu hay sản phẩm khác trình sản xuất Việc nhiễm chéo có nguyên nhân bên bên Vấn đề nhiễm chéo phức tạp phòng nhà máy dược phòng mổ bệnh viện Các phòng cho công nghệ cao nhiều sản xuất loại sản phẩm khu lớn 1.2.3 Điều hòa dùng phòng 1.2.3.1.Khái niệm điều hòa không khí Điều hòa không khí ngành khoa học nghiên cứu phương pháp , Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh công nghệ thiết bị nhằm tạo môi trường không khí phù hợp với công nghệ sản xuất, chế biến tiện nghi người Ngoài nhiệm vụ trì nhiệt độ phòng , hệ thống điều hòa không khí phải giữ nhiệt độ không khí phòng ổn định mức độ ổn định Bên cạnh cần phải ý đến độ không khí, khống chế độ ồn tốc độ lưu thông hợp lí dòng không khí Như vậy, hệ thống điều hòa nghĩa hệ thống trì trạng thái không khí không gian điều hòa vùng quy định đó, không bị ảnh hưởng thay đổi điều kiện khí hậu bên hay thay đổi phụ tải bên H1: Hệ thống điều hòa không khí phòng 1.2.3.2 AHU phòng AHU( AIR handling unit) thiết bị trao đổi nhiệt thường dùng hệ thống HVAC, Xưởng công nghiệp có yêu cầu cao phòng ngành dược phẩm, mỹ phẩm, vi điện tử Hệ thống AHU đc sử dụng rộng rãi tòa nhà thương mại, tòa nhà lớn có hệ thống chiller trung tâm Nó thiết bị tiền xử lý kiểu PAU khu hành lang, hội trường lớn, Nó bao gồm dàn trao đổi nhiệt (thường dùng trao đổi nhiệt nước lạnh qua ống đồng không khí thổi qua nó) quạt cao áp( quạt hướng kính) hệ thống Sinh viên: Lê Văn Hùng Page GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh điều khiển gồm cảm biến nhiệt, van ba ngã actuator nhiệt độ phòng lớn nhiệt độ đặt van ngã mở cho nước lạnh chảy qua dàn trao đổi nhiệt đến nhiệt độ tụt xuống nhiệt độ đặt van ngã đóng lại nước lạnh chảy qua đường bypass thiết bị làm lạnh nước(chiller) không khí trước đưa vào AHU thường lọc qua phận tiền lọc lọc túi Khi cần độ cao sử dụng lọc HEPA Công nghệ valve ngả công nghệ lâu rồi, người ta hay dùng actuator điều khiển trơn cho valve nước lạnh, điều khiển đến % độ mở valve nước lạnh Còn quạt cao áp người ta thường dùng quạt tốc độ với AHU nhỏ ( giống FCU) Dùng VSD ( variable speed drive) cho quạt công suất lớn Qua việc điều khiển valve nước lạnh, tốc độ quạt gió để điều khiển nhiệt độ không khí đầu Tuy nhiên, AHU có độ xác ko cao, dùng để xử lý sơ không khí, muốn có nhiệt độ độ ẩm xác, FCU khu vực làm tốt việc H2: Hệ thống AHU 1.2.4 Hệ thống thông gió 1.2.4.1 Hệ thống đường ống gió Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 10 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh - Dựa vào đặc tính mềm hệ hở hệ thống, ta vẽ đồ thị đáp ứng thời gian vòng điều khiển đặc tính số theo kênh nhiễu Đáp ứng đầu theo kênh nhiễu vòng điều khiển - Dựa vào đồ thị trên, với xung đầu vào xung bậc thang, ta có chất lượng điều chỉnh hệ thống điều chỉnh mức nước theo kênh nhiễu đánh giá qua số sau: • Thời gian điều chỉnh: Tq = 35,463 ( Dải điều chỉnh 5% ) • Hệ số tắt dần: ψc = 0,957 • • Độ biến thiên cực đại y(t)max = 87,82 Chỉ tiêu tích phân sai số bình phương: I2 = Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 69 2,74.104 GVHD:Ths Cao Đại Thắng • Đồ án nhiệt-lạnh Chỉ số tích phân sai số tuyệt đối: I1=484,2 4.3Xác định điều chỉnh bền vững có tăng cường kháng nhiễu • Xác định CASCAD Chọn GRAPHING/Robust/I+Robust Đường đặc tính mềm H(-mω + jω) hệ hở Ta điều khiển bền vững có tăng cường kháng nhiễu: R( s) = 0, 005(1 + + 0, 433s) 1, 717 s Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 70 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Hệ số tăng cường tác động tích phân: Đáp ứng độ theo kênh đặt kháng nhiễu • • • • Thời gian điều chỉnh: Tq = 15,34 ( Dải điều chỉnh 5% ) Hệ số tắt dần: ψc = 0,887 Chỉ tiêu tích phân sai số bình phương: I2 = 3,421 Chỉ số tích phân sai số tuyệt đối: I1=5,107 Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 71 GVHD:Ths Cao Đại Thắng • • Đồ án nhiệt-lạnh δ = ymax − y∞ = 1,253 −1 = 25,3% y∞ Độ điều chỉnh: Độ biến thiên cực đại y(t)max = 1,253 Đáp ứng độ theo kênh nhiễu kháng nhiễu • Thời gian điều chỉnh: Tq = 87,813s ( Dải điều chỉnh 5% ) • Hệ số tắt dần: ψc = 0,946 • Độ biến thiên cực đại y(t)max = 87,813 2, 762.104 • • Chỉ tiêu tích phân sai số bình phương: I2 = Chỉ số tích phân sai số tuyệt đối: I1=496,083 Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 72 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh 4.4.Tổng hợp đánh giá hệ thống với cấu chấp hành có độ bất định Nhập số liệu trường hợp bất định: Trường hợp bất định hệ thống: Đường đặc tính xấu hệ thống: Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 73 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Ở ta cần tổng hợp lại điều khiển để đưa đường đặc tính xấu qua điềm (-1;j0) để đảm bảo độ dự trữ ổn định hệ Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 74 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Sau tổng hợp điều chỉnh, ta có tham số điều chỉnh sau: Hàm truyền điều chỉnh: a Theo kênh đặt Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 75 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Đặc tính tần số Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 76 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Đặc tính độ Từ đặc tính độ hệ kín theo kênh đặt ta có: • Thời gian điều chỉnh: Tq = 15,364s ( Dải điều chỉnh 5% ) δ= • • • • • ymax − y∞ 1,243 −1 = = 24,3% y∞ Độ điều chỉnh: Hệ số tắt dần: ψc = 0,854 Độ biến thiên cực đại y(t)max = 1,243 Chỉ tiêu tích phân sai số bình phương: I2 = 3,701 Chỉ số tích phân sai số tuyệt đối: I1=5,301 b,Theo kênh nhiễu Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 77 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Đặc tính tần số theo kênh nhiễu Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 78 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Đặc tính độ theo kênh nhiễu Từ đặc tính độ hệ kín theo kênh nhiễu ta có số sau: • • • Thời gian điều chỉnh: Tq = 66,411 ( Dải điều chỉnh 5% ) Hệ số tắt dần: ψc = 0,977 Độ biến thiên cực đại y(t)max = 90,73 3, 007.104 • • Chỉ tiêu tích phân sai số bình phương: I2 = Chỉ số tích phân sai số tuyệt đối: I1=524,322 4.5 Bảng so sánh Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 79 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Sinh viên: Lê Văn Hùng Đồ án nhiệt-lạnh Page 80 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Các tham số hàm truyền Bộ điều khiển bền vững tối ưu q m n b0 Bộ điều khiển kháng nhiễu Bộ điều khiển trường hợp bất định b2 Các số theo kênh đặt Các số theo kênh nhiễu Tr Tq I1 I2 δ Ψ Tq I1 I2 Ψ 0,0 0,00 0,00 03 11,46 4,899 3,3 84 0,224 0,952 35,46 484,19 2, 75.104 0,95 0,0 0,00 0,00 03 15,34 5,107 3,4 21 0,253 0,887 87,81 496,1 2, 76.10 0.94 0,0 0,00 0,00 03 5 15,36 5,301 3,7 01 0,243 0.854 66,41 524,32 3, 007.104 0,97 Sinh viên: Lê Văn Hùng b1 Đồ án nhiệt-lạnh Page 81 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 82 Đồ án nhiệt-lạnh GVHD:Ths Cao Đại Thắng Sinh viên: Lê Văn Hùng Đồ án nhiệt-lạnh Page 83 ... firmware Chẩn đoán lỗi online / offline Thông số kỹ thuật điều khiển PLC S7 120 0 CPU 121 5C Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 28 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh *Sơ đồ đấu dây 2. 2 .2 Biến tần ●... Automation) CPU SIMATIC S7- 120 0 Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 26 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh S7- 120 0 bao gồm họ CPU 121 1C, 121 2C, 121 4C.Mỗi loại CPU có đặc điểm tính khác nhau, thích hợp... SIMATIC 120 0, CPU 121 5C với mã sản phẩm 6ES 721 5-1AG31-0XB0 tập đoàn Siemens sản xuất Sinh viên: Lê Văn Hùng Page 25 GVHD:Ths Cao Đại Thắng Đồ án nhiệt-lạnh Bộ điều khiển PLC SIMATIC S7- 120 0, CPU 121 5C