Giới thiệu về hệ thống DDC trong quản lý tòa nhà BMS

KHUÔN MẪU CHO NHÀ SẢN XUẤTDành cho Chủ đầu tư và Tư vấn Mục đích của hướng dẫn này: Mục đích của hướng dẫn này là để mô tả – thông qua các thuật ngữ chung – các cấu trúc khác nhau, các b

A PUBLICATION OF CONTROLS.VN

Giới Thiệu Về

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TRỰC TIẾP (DDC)

Lợi ích của hệ thống điều chỉnh số trực tiếp DDC so với công nghệ điều chỉnh trước đây (điều chỉnh nhờ khí nén hoặc điện tử phân

phối), đó là cải thiện và làm tăng tính hiệu quả của việc điều chỉnh

Tài liệu này được dịch và biên soạn dựa theo

nguồn ddc-online.org Hy vọng các kỹ sư và

chủ đầu tư thu nhận được các kiến thức hữu

ích, giúp gia tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong công trình

2

Control và Control Loop là gi?

Sensor, Controller và Controlled Device

Control Responses

Định nghĩa DDC

4

5 Lợi ích của DDC

KHUÔN MẪU CHO NHÀ SẢN XUẤT

Dành cho Chủ đầu tư và Tư vấn

Mục đích của hướng dẫn này:

Mục đích của hướng dẫn này là để mô tả – thông qua các thuật ngữ chung – các cấu trúc khác nhau, các bộ phận phần cứng và phần mềm liên quan đến các hệ thống điều khiển số trực tiếp (DDC – Direct Digital Control) Để thực hiện mục tiêu này, phải xác định một khuôn mẫu chung cho các bộ phận và cấu hình khác nhau được sử dụng trong các hệ thống DDC đang có mặt trên thị trường hiện nay Khuôn mẫu này cần phải được sử dụng như một thước đo cho nhiều nhà sản xuất

hệ thống DDC, để từ đó người đọc có thể so sánh các tính năng và lợi ích tương đối của chúng

Đối tượng độc giả

Do bản chất phức tạp và độc quyền công nghệ sản xuất của các hệ thống DDC, nên càng lúc càng trở nên khó áp dụng vào thực tế các thiết kế, lắp đặt, vận hành và bảo trì hệ thống DDC Hướng dẫn này được phát triển đặc biệt để giúp chủ sở hữu công trình (building owners) và các kỹ sư tư vấn/giám định (consultant) hoạt động trong

Phần 2

CĂN BẢN VỀ ĐIỀU

KHIỂN HVAC

6

HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG LÀ GÌ

EMS - Energy Management System

Theo mục đích của hướng dẫn này, một hệ thống quản lý năng lượng (EMS – Energy Management System) được định nghĩa là một hệ thống điều khiển đầy đủ chức năng Hệ thống này bao gồm bộ điều khiển, các thiết bị thông tin liên lạc khác nhau và toàn bộ các phần mềm vận hành cần thiết để có một hệ thống bao hàm toàn diện

Hướng dẫn này đề cập và khảo sát đến khoảng hai mươi nhà cung cấp hệ thống DDC phục vụ thị trường công trình tòa nhà dành cho

tổ chức và thương mại tại Hoa Kỳ Các nhà cung cấp đã đưa ra thị trường hẳn một gói trọn vẹn tất cả các phần cứng và phần mềm cần thiết được gộp vào hệ thống Hướng dẫn này không bao gồm các thị trường đặc biệt (tạp hóa bán lẻ, khách sạn), cũng không bao gồm việc điều khiển trong công nghiệp hoặc điều khiển từng quá trình

ĐIỀU KHIỂN (CONTROL) LÀ GÌ

Basic loop

Quá trình điều khiển một hệ thống HVAC bao gồm ba bước Đầu tiên đo đạc dữ liệu, sau đó xử lý dữ liệu với các thông tin khác nhau, và cuối cùng đưa ra một tác động điều chỉnh Ba chức năng này tạo nên cái được gọi là mạch điều chỉnh (control loop) Một ví

dụ về quá trình này được mô tả trong Hình 1

8

BASIC LOOP

Mạch điều khiển thể hiện trong hình 1 bao gồm ba thành phần chính: một bộ cảm biến (sensor), bộ điều khiển (controller) và cơ quan điều chỉnh (controlled device) Ba thành phần hoặc cơ cấu chức năng này tương tác để điều chỉnh một thông số (đại lượng) Trong ví dụ thể hiện trong hình 1, nhiệt độ không khí là thông số điều chỉnh Cảm biến đo đạc dữ liệu, bộ điều khiển xử lý dữ liệu

và các cơ quan điều chỉnh tạo ra một tác động điều chỉnh

Hình 1 là một ví dụ cho hệ thống điều chỉnh các thiết bị khí nén hoặc các thiết bị điện, nơi mà các bộ điều khiển là một phần riêng biệt của phần cứng Trong một hệ thống DDC, các bộ điều khiển thực hiện chức năng theo các lập trình trong phần mềm thể hiện như trong hình 2

L ienDuong D esign & E ngineering chúng tôi sở hữu đội ngũ kỹ sư chuyên nghiệp, nhiều năm kinh nghiệm.

Kiểm soát Chất Lượng Không Khí (IAQ) và Điều Khiển

Chiếu Sáng là những thứ chúng tôi tinh thông

Youtube: http://youtube.com/controlsvn

BỘ CẢM BIẾN

SENSOR

Cảm biến đo thông số của các thiết bị điều khiển hoặc các thông

số điều khiển khác đưa vào (Input), theo cách thức chính xác và

có tính lặp đi lặp lại Các cảm biến HVAC thường được sử dụng để

đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối, thông số trạng thái của dòng không khí và lượng carbon dioxide Các biến số khác cũng

có thể được đo lường và có tác động lên logic bộ điều chỉnh Ví dụ như các nhiệt độ loại khác, thời điểm trong ngày (biến thời gian) hoặc các nhu cầu điện năng hiện tại

Thông tin đầu vào bổ sung (dữ liệu cảm nhận) ảnh hưởng đến logic điều khiển có thể bao gồm tình trạng của các thông số (lượng không khí, dòng chảy, dòng điện) hoặc các tín hiệu an toàn (cháy, khói, giới hạn nhiệt độ cao / thấp hoặc bất kỳ một thông số vật lý nào đó) Cảm biến là một phần cực kỳ quan trọng của hệ thống điều khiển và có thể là thứ đầu tiên cần phải xét đến, cũng như một liên kết chính yếu trong chuỗi điều khiển

BỘ ĐIỀU KHIỂN

CONTROLLER

Bộ điều khiển xử lý dữ liệu đầu vào lấy từ cảm biến, áp dụng logic điều chỉnh và tạo ra một tác động ở đầu ra Tín hiệu này có thể được truyền trực tiếp đến các cơ quan điều chỉnh hoặc gửi đến các cơ cấu chức năng điều chỉnh theo logic phụ rồi cuối cùng mới đến cơ quan điều chỉnh chính Chức năng bộ điều khiển là so sánh tín hiệu đầu vào của

nó (từ các cảm biến) với một tập hợp các chương trình lập trình như điểm cài đặt, phạm vi điều tiết và nguyên lý hoạt động, sau đó tạo ra một tín hiệu đầu ra thích hợp Đây chính là logic điều khiển Nó thường bao gồm một phản hồi điều khiển (control response) cùng với các quyết định logic mà là duy nhất cho các ứng dụng điều khiển riêng biệt Làm thế nào các chức năng của controller được gọi là phản hồi điều khiển? Các control response này thường là:

• Hai vị trí (Two-position)

• Thả Nổi (Floating)

• Tỉ lệ (P) – Proportional

• Tỉ lệ – tích phân (PI) – Proportional plus Integral

• Tỉ lệ – tích phân – vi phân (PID) – Proportional plus Integral plus

CƠ QUAN ĐIỀU CHỈNH

CONTROLLED DEVICE (OUTPUT)

Một cơ quan điều chỉnh là một thiết bị phản ứng lại các tín hiệu từ

bộ controller, hoặc từ logic điều chỉnh và thay đổi các trạng thái của thông số điều chỉnh hoặc trạng thái của thiết bị đầu cuối

Các thiết bị này bao gồm các cơ cấu điều khiển van (valve actuator), bộ vận hành cửa gió (controlled damper), rơ le điện, quạt, máy bơm, máy nén và điều khiển tốc độ cho các ứng dụng quạt và bơm

Phần 3

CONTROL

RESPONSE

14

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH 2 VỊ TRÍ

TWO-POSITION CONTROL

Quy luật điều chỉnh hai vị trí so sánh giá trị của thông số tương tự (analog input) hoặc giá trị đo thông số biến đổi (variable input) với chương trình lập sẵn và tạo ra một tín hiệu đầu ra kỹ thuật số (kiểu hai

vị trí – two-position) Các chương trình lập sẵn xác định một giới hạn trên và dưới Tín hiệu ra (output) thay đổi giá trị của nó khi tín hiệu đầu vào (input) vượt qua các giá trị giới hạn

Không có tiêu chuẩn nào để xác định những giới hạn này Các thuật ngữ được sử dụng phổ biến nhất là trị số quy định (định trị – setpoint)

và độ chênh lệch (differential) Trị số quy định là thông số mà tín hiệu

ra output dựa vào đó mà đưa ra, kích hoạt hoặc thiết lập giá trị cho nó Tín hiệu đầu ra trở lại giá trị cũ hoặc là biến mất sau khi các giá trị thông số điều chỉnh đầu vào vượt qua mốc giá trị bằng độ chênh lệch giữa setpoint và giới hạn chênh lệch

Quy luật điều chỉnh hai vị trí có thể được sử dụng cho các mạch điều chỉnh đơn giản (điều chỉnh nhiệt độ) hoặc điều chỉnh giới hạn (freezestats, giới hạn nhiệt độ không khí bên ngoài) Giá trị thông số

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH 2 VỊ TRÍ

TWO-POSITION CONTROL

Thời gian cũng có thể là thông số đầu vào cho một cơ chế phản hồi quy luật điều chỉnh hai vị trí (two-position control response) Chức năng của bộ điều chỉnh này như một đồng hồ thời gian với các kim chỉ giờ Tín hiệu đầu ra phát đi khi thời gian chỉ định trạng thái bật và biến mất

ở thời gian tắt

16

Hình 3 cho thấy một ví dụ về hệ thống điều chỉnh hai vị trí trong một

hệ thống sưởi ấm trong nhà, nơi mà thermostat được thiết lập kích hoạt hệ thống sưởi ấm khi nhiệt độ không gian giảm xuống dưới 70 F

và tắt khi nhiệt độ tăng lên đến 72 F trong không gian Đây là một ví

dụ về giá trị định trước là 70 F với độ chênh là 2 độ F

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH THẢ NỔI

FLOATING CONTROL

Điều chỉnh kiểu phao nổi là một cơ chế phản hồi điều chỉnh tạo ra hai tín hiệu đầu ra kỹ thuật số có thể thực hiện được dựa trên một sự thay đổi tín hiệu đầu vào Một tín hiệu đầu ra (output) gia tăng tín hiệu đến

cơ quan điều chỉnh (controlled device), trong khi tín hiệu đầu ra khác làm giảm tín hiệu đến cơ quan điều chỉnh Cơ chế phản hồi này cũng bao gồm một giới hạn trên và dưới với việc tín hiệu đầu ra thay đổi khi giá trị thông số biến đổi đầu vào (variable input) thay đổi vượt qua những giới hạn này Một lần nữa, không có tiêu chuẩn để xác định những giới hạn này, nhưng các thuật ngữ trị số quy định (setpoint) và vùng không tác động (deadband) là phổ biến Trị số quy định thiết lập một trung điểm và vùng không tác động đặt ra độ chênh giữa giới hạn trên và dưới

Khi biến đo lường có giá trị nằm trong vùng không tác động hoặc vùng trung lập, tín hiệu đầu ra không được kích hoạt và cơ quan điều chỉnh cũng không thay đổi – nó vẫn giữ nguyên vị trí của mình Để cho có chế phản hồi điều chỉnh này ổn định, các bộ cảm biến phải cảm nhận được các tác động từ sự dịch chuyển cơ quan điều chỉnh một cách nhanh chóng Điều chỉnh kiểu phao nổi không hoạt động tốt ở nơi có độ

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH THẢ NỔI

FLOATING CONTROL

18

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ

Proportional Control – P CONTROL

Một cơ chế phản hồi theo quy luật điều chỉnh tỷ lệ làm cho tín hiệu đầu

ra tương tự (analog output) hoặc thông số biến đổi (variable output) thay đổi tỷ lệ với sự thay đổi của giá trị điều chỉnh đầu vào

Trong cơ chế phản hồi quy luật điều chỉnh này, có một mối quan hệ tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra Thường thì mối quan hệ này được xác định bởi định trị, phạm vi điều chỉnh và các tác động điều chỉnh Trong cơ chế phản hồi theo quy luật điều chỉnh tỷ lệ chỉ có một giá trị duy nhất của biến đo lường tương ứng với sự dịch chuyển hoàn toàn của cơ quan điều chỉnh, và một giá trị duy nhất tương ứng với việc hoàn toàn không dịch chuyển của cơ quan điều chỉnh Độ thay đổi các biến đo lường làm cho cơ quan điều chỉnh chuyển từ trạng thái đóng hoàn toàn sang mở hoàn toàn được gọi là phạm vi điều chỉnh Biến đo lường nằm trong phạm vi này vòng điều khiển sẽ kiểm soát, giả định rằng hệ thống này có khả năng đáp ứng các yêu cầu

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ

Proportional Control – P CONTROL

Tác động điều chỉnh quyết định độ dốc của cơ chế phản hồi điều chỉnh Trong một cơ chế phản hồi theo quy luật điều chỉnh tỉ lệ tác động trực tiếp, tín hiệu điều chỉnh đầu ra sẽ tăng lên với sự gia tăng giá trị các biến đo lường Trong cơ chế phản hồi tác động nghịch, thông số điều chỉnh đầu ra sẽ giảm khi giá trị biến đo lường tăng Định trị là một giá trị định hướng cho vòng điều khiển và tương ứng với một giá trị cụ thể của cơ quan điều chỉnh, thường là ở khoảng giữa đường chuyển dịch Một ví dụ được thể hiện trong hình 5

20

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ

Proportional Control – P CONTROL

Trong một hệ thống điều chỉnh tỷ lệ, giá trị của biến đo lường tại bất

kỳ thời điểm được gọi là điểm điều chỉnh Lượng bù điều chỉnh (offset) được định nghĩa là độ chênh giữa các điểm điều chỉnh và thông số mong muốn Một cách để giảm lượng bù là giảm phạm vi điều chỉnh Việc giảm phạm vi điều chỉnh quá nhiều lại dẫn đến tình trạng bất ổn

Bộ cảm biến cảm nhận càng nhanh các ảnh hưởng của cơ chế phản hồi điều chỉnh, phạm vị điều tiết phải càng lớn để việc điều chỉnh được ổn định

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ-TÍCH PHÂN

Proportional Control Plus Integral – PI CONTROL

Quy luật điều chỉnh PI bao gồm việc tính toán lượng bù điều chỉnh hoặc các sai số theo thời gian Sai số này được lấy tích phân và tín hiệu đầu

ra từ phần điều khiển tỷ lệ của mô hình này thực hiện tác động điều chỉnh cuối cùng Loại cơ chế phản hồi này sẽ sử dụng vòng điều khiển

để giảm lượng bù điều chỉnh xuống bằng không Một vòng điều khiển

PI thiết lập tốt sẽ hoạt động trong biên độ hẹp gần với định trị Nó sẽ không hoạt động trên toàn bộ phạm vi điều chỉnh(hình 6)

22

Vòng điều khiển PI không hoạt động tốt khi định trị có đặc tính động, nơi tải thay đổi đột ngột hoặc nếu phạm vi điều chỉnh nhỏ

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ-TÍCH PHÂN-VI PHÂN

Proportional Plus Integral plus Derivative Control – PID CONTROL

Quy luật điều chỉnh PID thêm yếu tố dự báo cho cơ chế phản hồi điều chỉnh Ngoài việc tính toán tỷ lệ và tích phân, vi phân hoặc độ dốc của

cơ chế phản hồi sẽ được tính Tính toán này sẽ có tác dụng làm giảm phản ứng điều chỉnh về lại điểm cài đặt quá nhanh đến nỗi nó sẽ vượt qua điểm cài đặt

Bộ điều chỉnh PID là một cơ chế phản hồi điều chỉnh quá trình chính xác và không phải lúc nào cũng cần thiết cho các ứng dụng HVAC Các ứng dụng thường xuyên của bộ điều chỉnh PID cho các vòng điều khiển đòi hỏi nhiều yếu tố và ứng dụng của nó nên được chọn lọc

Phần 4

ĐỊNH NGHĨA

DDC

24

ĐỊNH NGHĨA HỆ THỐNG DDC

DIRECT DIGITAL CONTROL

Hệ thống điều chỉnh DDC bao gồm bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý với logic điều khiển được thực hiện bởi phần mềm Bộ chuyển đổi Analog-to-Digital (A/D) chuyển đổi các giá trị tương tự (analog) thành tín hiệu kỹ thuật số (digital) mà bộ vi xử lý có thể đọc được Các cảm biến analog có thể là điện trở, thiết bị tạo điện áp hoặc thiết bị phát dòng Hầu hết các hệ thống phân phối các phần mềm để điều khiển từ

xa các bộ điều chỉnh, loại bỏ sự cần thiết phải có khả năng thông tin liên lạc liên tục (độc lập) Các máy tính được sử dụng chủ yếu để theo dõi tình trạng của hệ thống quản lý năng lượng, lưu trữ bản sao của các chương trình, chức năng ghi lại báo động và xu hướng điều khiển

Chiến lược và chức năng quản lý năng lượng phức tạp hữu dụng ở mức thấp nhất trong cấu trúc hệ thống Nếu yêu cầu việc vận hành nhờ khí nén, thực hiện điều này bằng các bộ chuyển đổi từ thiết bị điện tử sang khí nén Hiệu chuẩn cảm biến thực hiện bằng toán học, do đó tổng số giờ nhân công lao động để hiệu chuẩn được giảm đáng kể Khả năng chẩn đoán trung tâm là một tài sản quan trọng Phần mềm và việc lập trình cải thiện liên tục, ngày càng trở nên thân thiện hơn sau mỗi lần