3.1 Hệ thống điều khiển điều hòa không khí HVAC
3.1.4 Thiết kế chế tạo hệ thống
Hệ thống giám sát điều khiển HVAC của tòa nhà được thiết kế phần cứng và phát triển các chương trình phần mềm theo nguyên tắc vừa tập trung vừa phân tán như trình bày trên hình 14.
Hình 14. Sơ đồđiều khiển tập trung-phân tán hệ thống HVAC
Trung tâm điều khiển toàn tòa nhà được nối với các mô-đun điều khiển tầng và nối
theo bus tới các bộđiều khiển hiện trường. Mỗi trạm tầng cho phép giao tiếp được với
48 bộ điều khiển vào/ra số tại hiện trường. Các bộ điều khiển này gồm 2 loại: một là các bộ đo và đặt các thông số môi trường và hai là các bộ chấp hành công suất đóng ngắt các thiết bị điện. Bộ thứ nhất có nhiệm vụ đọc các dữ liệu là các thông số môi
trường như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió từ các mạch cảm biến tương ứng cung cấp trực tiếp ra các dữ liệu số nối tiếp theo chuẩn nhất định. Các dữ liệu này được hiển thị lên màn hình LCD trực tiếp ngay tại bộ đo và được truyền về trạm điều khiển tầng và trung tâm. Đồng thời các số liệu đặt các thông số cần điều khiển như nhiệt độ cần đặt cho thiết bị có địa chỉ nào, giá trị cần điều khiển là bao nhiêu do người sử dụng nhập vào cũng được bộ này mã hóa và truyền về trạm theo giao thức truyền thông Modbus/RTU. Tại các trạm (là các mô-đun điều khiển tầng) hay bàn điều khiển trung tâm, các dữ liệu nói trên được thu thập (theo giao thức hỏi vòng – polling), được tính toán xử lý và trạm tự ra các quyết định điều khiển các thiết bị được định địa chỉ qua bus thông qua các bộ điều khiển công suất. Việc xử lý thông minh được biểu hiện qua các giải thuật xử lý (thí dụ giải thuật tính toán điều khiển hệ thống các quạt thông gió trong một tầng dựa trên các thông số đo nhiệt độ, độ ẩm tại các vị trí khác nhau của tầng).
Dưới đây lần lượt trình bày quá trình thiết kế chế tạo hệ thống với các thành phần liên quan và quá trình truyền thông trên mạng điều khiển.
3.1.4.1 Các cảm biến và mạch thích ứng tín hiệu
a) Cảm biến nhiệt độ và độẩm
Việc đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường được thực hiện nhờ cảm biến nhiệt bán dẫn
ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM
Hệđiều khiển HVAC
Mô-đun điềukhiển tầng
Bộđo và đặt thông số môi trường Sensor
Mô-đun điềukhiển tầng
Mô-đun điềukhiển tầng
Mô-đun điềukhiển tầng
Mô-đun điềukhiển tầng
Chấp hành Sensor Bộđo và đặt thông số môi trường Chấp hành Sensor Chấp hành Sensor Chấp hành Bộ điều khiển thiết bị Bộ điều khiển thiết bị Chấp hành Chấp hành Bộ điều khiển thiết bị
đại analog, mạch số hóa với bộ biến đổi tương tự-số 14 bit, mạch xử lý và truyền dữ liệu số lối ra theo chuẩn nối tiếp. Cảm biến đo nhiệt độ dựa trên nguyên tắc nhiệt trở bán dẫn, còn cảm biến đo độ ẩm dựa trên nguyên tắc biến đổi điện dung. Đây là loại linh kiện điện tử gắn bề mặt (SMD, surface mounted device) nên có kích thước rất nhỏ, rất thuận tiên cho việc thiết kế lắp ráp. Hình dạng và kích thước và sơ đồ tín hiệu các chân của cảm biến được cho trên hình 15.
Hình 15. Hình dạng và kích thước cảm biến bán dẫn SHT-11
SHT-11 cho phép dễ dàng nối với mạch vi xử lý như hình 16.
Hình 16. Ghép nối với vi điều khiển
Các chỉ tiêu kỹ thuật được cho trong bảng 3 và độ chính xác phép đo được cho trên hình 17. sau.
Bảng 3. Bảng các thông số kỹ thuật của cảm biến kép SHT-11
Hình 17. Độ chính xác của các phép đo phụ thuộc lẫn nhau
Sau đây trình bày tóm tắt việc nghiên cứu truyền thông giữa cảm biến và vi điều khiển.
Để khởi phát quá trình truyền dữ liệu, một chuỗi dữ liệu khởi phát cần được phát ra (transmission start sequence) như hình 18.
Hình 18. Xung khởi phát thông tin
Các lệnh được mã hóa như sau:
Lệnh Mã
Đọc nhiệt độ 00011
Đọc độẩm 00101
Để bù trừ sự phi tuyến của cảm biến độ ẩm, cần phải biến đổi số đọc lối ra SORH
theo công thức sau:
Với các dải nhiệt độ khác với 25°C, cần phải bù trừ nhiệt cho cảm biến độ ẩm (12%RH/°C). Các hệ số bù trừ được cho trong công thức sau:
Cảm biến nhiệt độ ở đây thuộc loại band-gap PTAT (proportional To Absolute Temperature) có sự phụ thuộc rất tuyến tính. Sử dụng công thức sau cho phép biến đổi từ số đọc ra của cảm biến thành giá trị nhiệt độ:
b) Cảm biến đo lưu lượng không khí
Luận văn sử dụng một loại cảm biến đo lưu lượng không khí trong nhà là loại SF5. Kích thước thiết kế của nó được cho trên hình 19. Đây là loại cảm biến đo lưu lượng luồng khí dựa trên công nghệ tiêu tán nhiệt. Các bộ phận của cảm biến bao gồm hai điện trở platinum phụ thuộc nhiệt độ, cả hai được đặt trên cùng một đế. Một điện trở có giá trị thấp và diện tích nhỏ được dùng là bộ phận đốt nóng. Còn điện trở có giá trị cao hơn làm nhiệm vụ đo nhiệt độ tham chiếu. Vì dùng một mạch cầu, nên hai giá trị điện trở khác nhau sẽ dẫn đến hai mức nhiệt khác nhau. Mức nhiệt phụ thuộc vào điện áp nguồn nuôi, khối lượng dòng chảy, và loại vật liệu dùng làm đế sensor. Điện áp
tăng thì mức nhiệt tăng, khối lượng dòng chảy tăng mức nhiệt giảm. Nếu như mức nhiệt được giữ không đổi bằng một bộ điều khiển thích hợp, điện áp sẽ tăng theo khi khối lượng dòng chảy tăng, bằng cách đó ta có thể đo tốc độ dòng chảy.Bởi vì có khối nhiệt rất nhỏ nên sensor có thời gian đáp ứng quá trình nung nóng và làm mát thấp. Theo nguyên tắc này, sensor có thể hoạt động trong phạm vi rộng, từ 0.1m/s tới 100m/s.
Hình 19. Cấu tạo và hình dạng của cảm biến FS5
Cảm biến này có các tính năng: Dễ dàng lắp đặt cho các ứng dụng khác nhau hoặc sử dụng trong nhà, bộ xử lý tín hiệu đơn giản và dễ căn chỉnh, không cần có các bộ phận chuyển động cơ học, khả năng lặp lại chính xác, độ ổn bền cao và giá thành hợp lý. Vì thế, nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như: HVAC và các ứng dụng cho nhà thông minh, điều khiển tự động trong công nghiệp, dụng cụ y tế, theo dõi thiết bị, làm má, công nghiệp thực phẩm.
Khi hoạt động trong môi trường không khí, các thông số kỹ thuật của cảm biến như sau:
• Phương pháp đo: Phân tán nhiệt.
• Phạm vi đo: 0…100m/s.
• Độ nhạy: 0.01m/s.
• Độ chính xác: <3% giá trị dòng đo
• Thời gian đáp ứng T63% : Ca. <2s
• Nhiệt độ hoạt động: -20…..+1500C
• Độ nhạy nhiệt: < 0.1% /0K (Tùy thuộc vào mạch).
• Kết nối: có 3 chân (30 AWG) cách điện bằng PTFE.
• Bộ phận đốt nóng: RH (tại 00C)= 45Ω ± 1%
• Vật liệu nền: gốm đặc biệt có độ dẫn nhiệt thấp.
Mạch điện cơ bản cho một cảm biến SF5 được Luận văn áp dụng như hình 20. Khi
cầu đang cân bằng, nếu nhiệt độ giữa hai điện trở RS và RH cách nhau một lượng
khoảng T = 30K thì điện áp U_Bs sẽ thay đổi khi lưu lượng dòng chảy thay đổi. Giá trị R1 và R3 phụ thuộc vào lượng nhiệt chênh lệch T và môi trường cần đo, nếu là không khí hoặc các loại gas thì có thể tham khảo giá trị trong mạch điện hình bên. Điều chình R2 có thể thay đổi 10% T.
Đồ thị quan hệ giữa điện áp ra cảm biến và tốc độ gió được cho trên hình 21.
Hình 20. Mạch điện cơ bản FS5
Hình 21. Đường cong sự phụ thuộc của điện áp ra theo tốc độ gió
Từ đồ thị này ta tính được sự phụ thuộc vận tốc gió theo thế lối ra của mạch cầu theo hàm đa thức bậc 5 được làm khớp theo phương pháp bình phương tối thiểu như sau: 4 4 3 3 2 2 1 0 ) / (m s a aV aV aV a V FV = + + + + a0 = 424,1864 a1 = -562,8749 a2 = 280,6491 a3 = -62,4150 a4 = 5,2366
3.1.4.2 Thiết kế chế tạo bộđo HVAC hiện trường
Tín hiệu ra từ các cảm biến được đưa tới lối vào của các bộ đo và đặt thông số môi trường. Các bộ đo số này được đặt tại hiện trường (các phòng ở, phòng họp, nhà kho, tầng hầm, thang máy, ...). Mạch điện được thiết kế với chip vi điều khiển (microcontroller) PIC-16F886 làm trung tâm cùng các bộ nhớ. Phần cứng còn bao gồm 4 phím nhấn tạo thành bàn phím cho phép cấu hình bộ đo (đặt địa chỉ slave), hiển thị từng nhóm thông số một, đặt các thông số nhiệt độ và độ ẩm. Một màn hiển thị số liệu bằng tinh thể lỏng LCD cho phép hiện các giá trị thông số môi trường đo được cũng như các thông số cần đặt. Một chương trình phần mềm thu thập, xử lý dữ liệu được nhúng (embedded) trong vi điều khiển cho phép bộ thực hiện đủ các chức năng đo đạc hiển thị tại chỗ cũng như truyền số liệu đi xa. Các bộ này thông tin với bộ điều khiển trung tâm và tầng qua các kênh thông tin có dây với chuẩn RS-485 (cho phép thông tin bán song công với khoảng cách tối đa lên tới 1.200 m) và giao thức hỏi vòng Modbus/RTU. Công nghệ này cho phép thỏa mãn yêu cầu truyền thông trong tòa nhà với tốc độ thông tin cao và số nút mạng tham gia có thể lên tới vài trăm địa chỉ.
a) Cấu trúc của bộđo và đặt các thông số môi trường tại hiện trường
Sơ đồ khối và vị trí của bộ đo và đặt các thông số cần điều khiển tại hiện trường liên kết với các khối khác được chỉ ra trên hình 22.
ds PIC 30F6010 Mô-đun điều khiển tầng PIC 16F886 LCD Các phím °C ÀF CO 2 RH Quạt Sưởi Hút ẩm ĐHKK Bộ chấp hành đóng / ngắt thiết bị PC Trung tâm Bộđo và đặt thông số Đườ ng 485 / M odbus-RTU Các c ả m b i ế n Các ch ấ p hành
Dữ liệu số từ lối ra các mạch đo như nhiệt độ, độ ẩm được truyền tới các lối vào số của vi điều khiển PIC-16F886. Tại đây các số liệu đo này được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng LCD. Bộ điều khiển cũng có một bàn phím gồm các phím nhấn để cho phép đặt giá trị các thông số cần điều khiển. Các giá trị này sẽ được truyền về bộ điều khiển tầng hoặc trực tiếp về máy tính trung tâm qua hệ thống bus RS-485 và các bộ chuyển đổi UART/485 bên phía các bộ đo là mạch SN 75176.
Tại các bộ điều khiển trung tâm, các số liệu đo tại hiện trường được chuyển đổi thành tín hiệu nối tiếp UART qua mạch chuyển đổi 485/USB cũng là vi mạch SN 75176 đi vào máy tính hoặc vi điều khiển tầng. Các dữ liệu này được hiển thị (hiện số hoặc đồ họa máy tính) bằng một chương trình phần mềm. Cùng với các số liệu đặt được truyền về, máy tính trung tâm sẽ so sánh với số liệu đo được, tính toán và xuất ra các lệnh đóng/ngắt các thiết bị (máy sưởi ấm, máy điều hòa nhiệt độ, quạt gió, hộp
điều tốc gió) với các địa chỉ nhất định qua bus thông tin, nhằm đạt được các thông số
môi trường đặt ra.
Mô-đun đo và đặt thông số gồm có các chức năng sau:
• Khối nguồn để cung cấp điện.
• Vi điều khiển PIC-16F886 có chức năng thu thập các dữ liệu lối ra từ các sensor, xử lý và hiển thị số liệu lên màn hình LCD, nhập dữ liệu các thông số nhiệt độ và độ ẩm cần đặt cho phòng và địa chỉ các thiết bị cần điều khiển, sau đó truyền các thông tin này về mô-đun điều khiển tầng qua bus 485 và giao thức truyền thông Modbus /RTU.
• Màn hiển thị tinh thể lỏng LCD 8 × 2, hiển thị các chức năng và số liệu đo, số liệu đặt.
Hình 23. Hình ảnh mạch điện tử của bộđo và đặt các thống số môi trường
được thiết kế với các đầu nối truyền thông RS-485
Hình 24 là ảnh chụp cảm biến SHT-11 đo nhiệt độ, độ ẩm được gắn trên bản mạch chính bộ đo (hình a) và bản mạch cầu có gắn cảm biến đo lưu lượng khí SF-5 (hình b).
Hình 24. Sơ đồ khối các mô-đun tham gia điều khiển HVAC tại tòa nhà
Sơ đồ nguyên lý của mạch đo và đặt các thông số môi trường được trình bày trên hình 25 và 26.
Hình 25. Sơ đồ mạch vi điều khiển
Hình 26. Sơ đồ mạch cảm biến đo lưu lượng khí
Sơ đồ lắp ráp PCB của bo mạch cùng mạch thích ứng tín hiệu cho cảm biến đo lưu lượng không khí được chỉ ra trên các hình dưới đây.
Hình 27. Sơ đồ lắp ráp PCB của bản mạch chính bộđo và đặt thông số
Hình 28. Sơ đồ lắp ráp PCB của mạch cầu đo tốc độ gió trong phòng
Dưới đây mô tả chi tiết một số cấu kiện chính của thiết bị: ¾ Vi điều khiển PIC-16F886:
Vi điều khiển PIC 16F886 sử dụng công nghệ CMOS, nano-Watt có bộ nhớ Flash- 8 bit. Chi tiết kỹ thuật của chip được cho trong các tài liệu có sẵn của hãng MicroChip. Dưới đây chỉ liệt kê một số đặc điểm chính của chip.
• PIC-16F886 là vi xử lý RISC chất lượng cao, do đó tất cả các lệnh (trừ lệnh rẽ nhánh) trong số 35 lệnh được thực hiện chỉ trong 1 chu kỳ nhịp đồng hồ.
• Tốc độ hoạt động từ DC-20 MHz, chu kỳ nhịp từ DC-200 ns.
• Có khả năng ngắt và có các mode địa chỉ tương đối, trực tiếp và gián tiếp.
Vi điều khiển có những vài đặc điểm ghép nối với ngoại vi đáng chú ý như sau:
• Có bộ biến đổi A/D 10 bit, 14/16 kênh.
• Có Timer-0 là bộ đếm 8 bit khả trình, Timer-1 là bộ đếm 16 bit, Timer- 3 là bộ đếm 8 bit.
• Có mô-đun điều chế PWM 10 bit với 1, 2 hoặc 4 kênh lối ra khả trình, tần số cực đại là 20 kHz.
• Có mô-đun giao tiếp nối tiếp UART hỗ trợ các chuẩn RS-232, RS-485 và LIN 2.0.
Vi điều khiển có 28 chân, sơ đồ như trên hình 29. Sơ đồ khối được chỉ ra trên hình 30. Mô tả các chân tín hiệu được trình bày trên bảng 4.
Bảng 4. Bảng các chân tín hiệu của PIC16F886
¾ Bộ chuyển đổi UART 232/USB /RS-485 dùng chip SN 75176:
Giao diện chuyển đổi thông tin giữa các chuẩn ghép nối trong hệ thống đóng một vai trò rất quan trọng. Luận văn đã quyết định sử dụng kênh thông tin chủ yếu là RS- 485 với giao thức truyền thông Modbus/RTU. Trong khi đó, hầu hết các vi điều khiển
và máy vi tính hiện nay chủ yếu chỉ có sẵn các đầu nối ra ghép nối theo chuẩn RS-232 hoặc USB. Vì vậy, một nhiệm vụ quan trọng là phải tự thiết kế, chế tạo các bộ chuyển đổi tín hiệu từ RS-232, USB sang RS-485 và ngược lại.
Qua nghiên cứu, Luận văn đã sử dụng chip ghép nối SN 75176 để phát triển bản mạch chuyển đổi này. Vi mạch SN 75176 có chức năng như một bộ thu-phát (tranceiver) có bus vi sai dùng cho thông tin song công (2 hướng). Nó được thiết kế cho các đường truyền cân bằng và đáp ứng các chuẩn ANSI TIA/EIA-422-B và 485- A. Vi mạch kết hợp các bộ điều khiển đường dây vi sai 3 trạng thái và 1 lối vào vi sai.
Bộ điều khiển đệm trong vi mạch cho phép cấp một nguồn dòng tới 60 mA. Phần thu có trở kháng vào cực tiểu 12 kΩ và độ nhậy lối vào ±200 mV với độ trễ lối vào 50 mV. Chip có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ 0°C đến 70°C. Ký hiệu và sơ đồ lôgic