Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát bộ xử lý khí cho phòng sạch class 100 000

NUYỄN MẠNH QUYẾT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MẠNH QUYẾT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BỘ XỬ LÝ KHÍ CHO PHỊNG SẠCH CLASS 100,000 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHOÁ 2015A Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH QUYẾT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BỘ XỬ LÝ KHÍ CHO PHỊNG SẠCH CLASS 100,000 Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.HOÀNG SỸ HỒNG Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa cơng bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, 3/2017 Học viên Nguyễn Mạnh Quyết MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 10 MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHÒNG SẠCH VÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ XỬ LÝ KHÍ AHU 13 1.1 Tổng quan phòng 13 1.1.1 Khái niệm phòng 13 1.1.2 Lịch sử phòng sạch, cần thiết phòng 14 1.1.3 Các tiêu chuẩn phòng 14 1.2 Tổng quan xử lý khí AHU 17 1.3 Ảnh hưởng xử lý khí phịng – AHU đến tiêu chuẩn phịng 19 1.3.1 Lựa chọn tiêu chuẩn phòng 19 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu chuẩn phòng 19 1.4 Mục tiêu hệ thống điều khiển xử lý khí - AHU 22 1.5 Tổng kết chương 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ TỔNG THỂ HỆ THỐNG 24 2.1 Yêu cầu, phạm vi thiết kế hệ thống 24 2.2 Nguyên lí hệ thống xử lý khí dự án SEEV 24 2.1.1 Nguyên lí hoạt động PAU 25 2.1.2 Nguyên lí AHU 29 2.3 Thiết kế tổng thể 34 2.3.1 Mục tiêu tiêu chí lựa chọn giải pháp 34 2.3.2 Thiết kế kiến trúc hệ thống 36 2.4 Tổng kết chương hai 37 CHƯƠNG 3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦM MỀM 39 Phân tích, lựa chọn cảm biến cho hệ thống 39 3.1.1 Cảm biến nhiệt độ 39 3.1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm ống gió 41 3.1.3 Cơng tắc chênh áp khí 42 3.1.4 Cảm biến chênh áp suất phòng 43 3.1.5 Công tắc nhiệt 44 3.1.6 Thysristor công suất cho điện trở sưởi 45 3.1.7 Van điện điều khiển nước lạnh 47 3.1.8 Biến tần quạt xử lý khí PAU 50 3.2 Tính tốn thiết kế tủ điều khiển DDC 51 3.2.1 Tính tốn bảng điểm vào cho tủ điều khiển PAU 51 3.2.2 Tính toán bảng điểm vào cho tủ điều khiển AHU 51 3.2.3 Lựa chọn giải pháp thiết bị điều khiển giám sát 53 3.2.4 Thiết kế chi tiết tủ điều khiển PAU 57 3.2.5 Thiết kế chi tiết tủ điều khiển AHU 61 3.3 Viết lưu đồ thuật toán 64 3.3.1 Thuật toán điều khiển PAU 64 3.3.2 Thuật toán điều khiển AHU 69 3.4 Lập trình DDC phần mềm hãng honeywell 73 3.4.1 Tổng quan ngơn ngữ lập trình graphic 73 3.4.2 Lập trình với Honeywell Spyder Tool 74 3.4.3 Một số khối hàm 78 3.4.4 Lập trình vòng lặp điều khiển với Honeywell Spyder Tool 84 3.5 Lập trình giao diện HMI 89 3.6 Tổng kết chương ba 91 3.7 Một số kết thực tế 91 KẾT LUẬN 93 HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI 93 TÀI LIỆU THAM CHIẾU 94 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Giới hạn bụi tiêu chuẩn 209 E (1992) 15 Bảng 1.2 Các cấp độ hạt khơng khí cho phòng vùng 16 Bảng 1.3 Yêu cầu tiêu chuẩn phòng với quy trình sản xuất theo chuẩn WHO 19 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật cảm biến nhiệt độ LF20 40 Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật cảm biến nhiệt độ , độ ẩm H708B 41 Bảng 3.3 Thông số kĩ thuật công tắc chênh áp DPS400 43 Bảng 3.4 Thông số kĩ thuật cảm biến chênh áp DPTE50S 44 Bảng 3.5 Thông số kĩ thuật công tắc nhiệt L4029E1011 45 Bảng 3.6 Thông số kĩ thuật điều khiển công suất SCR 47 Bảng 3.7 Đặc tính kĩ thuật van VBA216 actuator CN7510A2001 điều khiển 49 Bảng 3.8 Thông số kĩ thuật quạt PAU AHU 50 Bảng 3.9 Bảng điểm giám sát vào tủ điều khiển PAU 51 Bảng 3.10 Bảng điểm giám sát vào tủ điều khiển AHU 52 Bảng 3.11 Thông số kĩ thuật điều khiển mạng WEB8000 54 Bảng 3.12 Thông số kĩ thuật điều khiển Honeywell Spyder 55 Bảng 3.13 Đối tượng phương pháp điều khiển khyến nghị hãng Honeywell 66 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Một AHU tiêu biểu hãng DAIKIN 18 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc ảnh hưởng xử lý khí AHU 20 Hình 1.3 Ảnh hưởng yếu tố đến tiêu chuẩn phòng 21 Hình 2.1 Sơ đồ khối phương án thiết kế điều hịa khơng khí cho khu vực sản xuất 25 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí PAU 26 Hình 2.3 Thiết bị chu trình điều khiển nhiệt độ độ ẩm PAU 27 Hình 2.4 Vịng điều khiển nhiệt độ PAU 28 Hình 2.5 Chu trình tính tốn chế độ tách ẩm PAU 28 Hình 2.6 Các loại lọc PAU, AHU 29 Hình 2.7 Vịng điều khiển áp suất phịng PAU 29 Hình 2.8 Sơ đồ ngun lí chung cho AHU1 AHU2 30 Hình 2.9 Coil lạnh AHU 31 Hình 2.10 Điện trở sưởi AHU 32 Hình 2.11 Bộ làm ẩm AHU 32 Hình 2.12 Chu trình điều khiển nhiệt độ AHU 33 Hình 2.13 Chu trình điều khiển độ ẩm AHU 34 Hình 2.14 Kiến trúc chung hệ thống 36 Hình 3.1 Cảm biến nhiệt độ LF20 loại gắn đường ống gió 39 Hình 3.2 Mặt vị trí lắp đặt cảm biến 40 Hình 3.3 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm gắn ống gió H708B2105 41 Hình 3.4 Hoạt động cơng tắc chênh áp khí 42 Hình 3.5 Cơng tăc chênh áp khí PDS400 43 Hình 3.6 Cảm biến áp suất khí DPTE50S 44 Hình 3.7 Công tắc nhiệt L4029E1011 45 Hình 3.8 Ngun lí hoạt động công suất thyristor 46 Hình 3.9 Module điều khiển công suất SCR 46 Hình 3.10 Đường đặc tính lưu lượng loại van 48 Hình 3.11 Đặc tính điều khiển van nước lạnh 48 Hình 3.12 dịng can bi VBA216 49 Hình 3.13 Actuator CN7510A2001 49 Hình 3.14 Biến tần Fuji Frenic 50 Hình 3.15 Cấu trúc mạng tiêu biểu giải pháp WEB AX hãng Honeywell 53 Hình 3.16 Bộ quản lí mạng WEB8000 54 Hình 3.17 Dòng DDC Spyder hãng Honeywell 56 Hình 3.18 Module IO mở rộng hãng Honeywell 57 Hình 3.19 Sơ đồ đấu nối nguồn truyền thông tủ DDC PAU 57 Hình 3.20 Layout tủ điều khiển PAU 58 Hình 3.21 Mạch rơ le tủ động lực quạt PAU 59 Hình 3.22 Mạch lực biến tần quạt PAU 60 Hình 3.23 Mạch điều khiển van nước lạnh 61 Hình 3.24 Mạch điều khiển sưởi AHU 62 Hình 3.25 Mạch điều khiển phun ẩm AHU 63 Hình 3.26 Đáp ứng phương pháp điều khiển PID 65 Hình 3.27 Đáp ứng phương pháp điều khiển EPID 65 Hình 3.28 Sơ đồ tổng quát chương trình điều khiển PAU 66 Hình 3.29 Sơ đồ thuật tốn tính tốn điểm đặt cho vịng lặp điều khiển nhiệt độ 67 Hình 3.30 Sơ đồ thuật tốn điều khiển nhiệt độ gió cấp 68 Hình 3.31 Sơ đồ thuật tốn PID điều khiển áp suất phịng 68 Hình 3.32 Sơ đồ tổng quát chương trình điều khiển AHU 69 Hình 3.33 Sơ đồ thuật tốn chu trình điều khiển nhiệt độ AHU 70 Hình 3.34 Sơ đồ thuật tốn chu trình điều khiển độ ẩm AHU 71 Hình 3.35 Sơ đồ thuật tốn chu trình kiểm sốt lọc 72 Hình 3.36 Ngơn ngữ lập trình đồ họa Function Block 74 Hình 3.37 Giao diện WEBStation N4 76 Hình 3.38 Cửa sổ New Station Wizard 76 Hình 3.39 Giao diện chọn thiết bị DDC 77 Hàm OR (hình 3.44) khối hàm dùng nhiều với ý nghĩa logic Or Hình 3.44 Khối hàm OR d) Khối hàm ADD Hình 3.45 Khối hàm ADD Khối hàm ADD (hình 3.45) dùng để cộng đối tượng tính tốn tín hiệu tương tự e) Khối hàm Divide 80 Khối hàm chia hoạt động hình 3.46 Hình 3.46 Khối hàm Divide f) Khối hàm tính tốn Enthalpy Khối hàm tính tốn Enthalpy (hình 3.47) Hình 3.47 Khối hàm Enthalpy Khối hàm Enthalpy tính tốn Enthalpy khơng khí dựa nhiệt độ độ ẩm tương đối Đây khối hàm thể tính chuyên dụng hãng Honeywell hỗ trợ hàm tính tốn HVAC mà thiết bị điều khiển Logic thơng thường khơng có làm phải dùng khối hàm thay lập trình phức tạp g) Khối hàm tính tốc độ gió 81 Khối hàm tính lưu lượng (hình 3.48) khối hàm chuyên dụng cho ứng dụng HVAC Khối hàm thường sử dụng cho ứng dụng VAV với cảm biến qua que đo chênh áp gió Hình 3.48 Hàm tính tốn tốc độ gió h) Khối hàm PID Khối hàm điều khiển PID (hình 3.49) khối hàm điều khiển ta sử dụng nhiều ứng dụng điều khiển HVAC Khối hàm PID thiết kế đầy đủ tính PID tiêu chuẩn với đầu vào cảm biến, điểm đặt, hệ số TR (chính hệ số 1/K), hệ số I hệ số D Deadband Hình 3.49 Khối hàm PID 82 i) Khối hàm điều khiển bước Stager Khối hàm điều khiển bước Stager (hình 3.50) có sơ đồ mơ tả hoạt động hình 3.51 Đây khối hàm thường sử dụng việc điều khiển ba cấp tốc độ quạt FCU điều khiển ba cấp sưởi Hình 3.50 Sơ đồ mơ tả hoạt động khối hàm Stager Hình 3.51 Khối hàm Stager 83 k) Khối hàm điều khiển thích nghi AIA Khối hàm điều khiển thích nghi AIA (hình 3.52) có cấu trúc khối hàm tương tự PID dùng thay khối hàm PID số trường hợp điều khiển đặc biệt Damper, VAV Hình 3.52 Khối hàm điều khiển thích nghi AIA 3.4.4 Lập trình vịng lặp điều khiển với Honeywell Spyder Tool a) Vòng lặp điều khiển PID nhiệt độ van nước lạnh thyristor sưởi Hình 3.53 chương trình lập trình PID cho điều khiển nhiệt độ van nước lạnh sử dụng khối hàm công cụ Honeywell Spyder Tool Các đầu vào đâu sử dụng khối Pass để liên kết với chương trình khác Các thơng số PID TR, I thiết lập với việc sử dụng định dạng Network Setpoint Đây định dạng lưu trữ nhớ chương trình khơng mất nguồn Về thông số TR thông số PID sử dụng thông số K ngược lại tức TR nhỏ phản ứng PID lớn 84 Hình 3.53 Lập trình PID nhiệt độ cho van nước lạnh Hình 3.54 bảng thông số thiết lập bên PID Vì tác động cần van nước lạnh nhiệt độ trực tiếp tức nhiệt độ cao nhiệt độ đặt góc mở van nước lớn nên thiết lập phản ứng “DirectActing” Hình 3.54 Bảng thơng số thiết lập PID nhiệt độ 85 Cũng tương tự vòng lặp cho điều khiển van nước lạnh vịng lặp điều khiển nhiệt độ cho điều khiển sưởi lập trình hình 3.55 Hình 3.55 Lập trình PID nhiệt độ cho thyristor sưởi Cấu trúc gần giống hệt PID van nước lạnh khác điểm chế độ chạy ta thiết lập “ReverseActing” tức nhiệt độ thấp nhiệt độ đặt đầu tác động thyristor lớn b) Vòng lặp điều khiển phối hợp PID cho độ ẩm điều khiển phun ẩm Vòng lặp điều khiển phối hợp PID độ ẩm PID nhiệt độ cho van nước lạnh thể hình 3.56 86 Hình 3.56 Lập trình PID độ ẩm cho van nước lạnh Chương trình điều khiển bật tắt phun ẩm lập trình đơn giản hình 3.57 với việc sử dụng khối Hysterectic Relay hình 3.58 Hình 3.57 Chương trình điều khiển phun ẩm 87 Hình 3.58 Khối Hysterectic relay c) Vòng lặp điều khiển EPID cho áp suất phòng Vòng lặp điều khiển ổn định áp suất phịng với biến tần thể hình 3.59 Điểm khác biệt ở đầu khối PID ta bổ sung khối hàm chương trình Enhanced mà ta phân tích tác dụng chương trước Hình 3.59 Lập trình EPID vịng lặp điều khiển áp suất phịng 88 3.5 Lập trình giao diện HMI Giao diện người sử dụng HMI hay gọi UI lập trình WEB8000 WEB8000 lập trình phần mềm WEB AX Station N4 với công cụ Bajaui Palette Ta lập trình tổng cộng bốn trang giao diện chính:  Giao diện tổng – Mainmenu (Hình 3.60)  Giao diện điều khiển giám sát PAU (Hình 3.61)  Giao diện điều khiển giám sát AHU1 (Hình 3.62) Hình 3.60 Giao diện tổng 89 Hình 3.61 Giao diện điều khiển giám sát PAU Hình 3.62 Giao diện điều khiển giám sát AHU 90 3.6 Tổng kết chương ba Hệ thống giám sát điều khiển thiết kế cụ thể với ba tủ điều khiển PAU, AHU AHU Giải pháp thiết bị lựa chọn giải pháp thiết bị WEB AX hãng Honeywell hãng có nhiều kinh nghiệm ngành điều hịa khơng khí cung cấp đồng thiết bị tiêu chuẩn từ điều khiển DDC đến cảm biến chuyên dụng Các mạnh rơ le mạch động lực thiết kế để phối hợp đầy đủ tính điều khiển giám sát thiết bị chấp hành với tủ DDC điều khiển WEB AX Station phần mềm hãng Honeywell với việc tích hợp tảng Plaform phần mềm giám sát, cơng cụ lập trình DDC cơng cụ lập trình giao diện Do tiện lợi cho việc cài đặt sử dụng Ngôn ngữ đồ họa hệ thống thân thiện với người dùng kĩ sư tự động, giúp việc lập trình hệ thống vịng lặp điều khiển xử lý khí PAU, AHU trở nên dễ dàng trực quan xu lập trình phổ biến cho thiết bị chuyên dụng DDC Giao diện người dùng tạo dễ dàng sinh động với thư viện chuyên dụng đầy đủ 3.7 Một số kết thực tế Sau giai đoạn thiết kế hệ thống điều khiển tiến hành thi công chế tạo Ba tủ điều khiển tủ lực lắp đặt,T&C đưa vào vận hành cho phòng dự án Tủ điều khiển DDC điều khiển AHU lắp đặt hình 3.63 Hình ảnh AHU thực tế dự án hình 3.64 Tủ điều khiển thực tế hoạt động ổn định Nhiệt độ hệ thống trình chạy ổn định 24 ±2 °C đạt yêu cầu phịng Hệ thống đạt nhiệt độ đặt sau khởi động từ 5-7 phút Độ ẩm tương đối trì khoảng yêu cầu 60 ±10 với thời gian khoảng 10 phút từ chạy hệ thống Với áp suất phịng thời gian ổn định 30-35s giây khởi động khoảng 5s-10s thay đổi điểm đặt 91 Hình 3.63 Tủ DDC điều khiển AHU Hình 3.64 AHU thực tế dự án 92 KẾT LUẬN Luận văn tiến hành nhiệm vụ :  Tìm hiểu tiêu chuẩn, u cầu cơng nghệ phịng đưa đối tượng trọng tâm hệ thống điều khiển với hệ thống xử lý khí cho phòng  Thiết kế cấu trúc hệ thống điều khiển cho phòng  Thiết kế lựa chọn cảm biến, thiết bị điều khiển thực tế theo yêu cầu dự án cho phòng Class 100000  Lập trình thiết bị điều theo giải pháp WEB hãng Honeywell  Thiết kế thi công vào hoạt động thực tế Tuy nhiên luận văn có nhiều điểm hạn chế tập trung vào thiết kế cho tốn phịng Class 100000 loại phịng có u cầu thấp, tiêu chuẩn cũ thay sử dụng tính quen thuộc thực tế thi cơng Phịng sản xuất sản xuất linh kiện điện tử thông thường nên yêu cầu nhiệt độ độ ẩm mức bình thường, chưa thể đáp ứng cho phịng sản xuất có u cầu cao cơng nghiệp dược phẩm, sinh học Luận văn chưa sâu vào nghiên cứu việc điều chỉnh thuật toán điều khiển PID đánh giá cải thiện chất lượng hệ thống HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI Hướng mở rộng đề tài tiếp tục nghiên cứu tiêu chuẩn phòng cập nhật tiêu chuẩn WHO, tìm hiểu sâu thêm khối điều khiển PID, EPID hãng để điều chỉnh nâng cao chất lượng hệ thống Hơn mở rộng nghiên cứu sang loại phòng khác phịng cho lĩnh vực dược phẩm, hóa chất, 93 TÀI LIỆU THAM CHIẾU A Bhatia BE, Fundamentals of HVAC Controls, pp 34-36 Minneapolis Honeywell Regulator Company, 1997, Engineering Manual of Automatic Control, Control fundamentals pp 25-30 Honeywell Environmental Combustion and Control, August 2015, Spyder Tool User Guide for WEBs-N4 WHO Supplementary Training Modules: Validation, Water, Air Handling Systems - Validation (Part 3): Cleaning Validation (2006; 43 pages) Phạm Quang Đăng, IEC61131 Programming Course Ngơn ngữ lập trình (2015) Curtisj Klaassen PE, August 2001, Installing BAS Sensors Properly 94 ... tài ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát xử lý khí cho phịng class 100, 000? ?? Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng DDC để thiết kế hệ thống điều khiển cho xử lý khí phịng Class 1000 00... vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quy trình cơng nghệ xử lý khí cho phịng để thiết kế hệ thống thống điều khiển xử lý khí DDC với đối tượng cụ thể xử lý khí cho. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH QUYẾT NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BỘ XỬ LÝ KHÍ CHO PHÒNG SẠCH CLASS 100, 000 Chuyên