5. Nội dung thực hiện
3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống
Để xây dựng cấu trúc tổng thể của toàn bộ hệ thống, tác giả đi xây dựng sơ đồ mô phỏng của từng phần tử trong hệ thống trên nền Matlab – Simulink dựa trên mô hình toán đã xây dựng ở trong Chƣơng 2.
Mô hình buồng không gian HVAC
Hình 3.8: Mô hình buồng không gian HVAC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.9: Mô hình cuộn nóng
Mô hình bộ tạo ẩm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Mô hình hộp trộn Hình 3.11: Mô hình hộp trộn Mô hình ống dẫn Hình 3.12: Mô hình ống dẫn Mô hình quạt Hình 3.13: Mô hình quạt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Mô hình toàn bộ hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nguyên lý làm việc hệ thống: Hệ thống phải giữ đƣợc nhiệt độ và độ ẩm trong phòng theo yêu cầu của ngƣời sử dụng, có nghĩa là khi điều chỉnh đến nhiệt độ và độ ẩm nào đó thì hệ thống phải tự động giữ ổn định ở giá trị đó. Tác giả thiết lập hệ thống điều khiển mạch vòng kín và sử dụng hai bộ điều khiển PID để điều khiển. Nếu nhiệt độ hoặc độ ẩm phòng giảm, qua các cảm biến, tín hiệu đƣợc gửi về bộ điều khiển trung tâm, bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý và điều khiển dàn nóng hoặc bộ tạo ẩm làm việc, qua hệ thống quạt thì không khí nóng và hơi nƣớc sẽ đƣợc đƣa thêm vào phòng để duy trì nhiệt độ và độ ẩm của phòng. Sau khi mô hình xong hệ thống, tác giả tiến hành mô phỏng để lấy kết quả về nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Kết quả mô phỏng hệ thống
Hình 3.15: Nhiệt độ đầu ra hệ thống HVAC
Hình 3.16: Độ ẩm tương đối hệ thống HVAC
Qua kết quả mô phỏng ta thấy, chất lƣợng giữ ổn định hệ thống tốt. Nhƣ trong hình trên, nhiệt độ và độ ẩm đƣợc giữ ổn định nhờ tác động của hai bộ điều khiển phản hồi. Điều này chứng tỏ, trong quá trình làm việc, khi ta sử dụng hai bộ điều khiển phản hồi kết hợp, hệ thống gần nhƣ ít bị ảnh hƣởng bởi nhiễu và giữ đƣợc ổn định nhiệt độ độ ẩm của phòng nhƣ mong muốn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HVAC TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
THÁI NGUYÊN 4.1. Giới thiệu mô hình
Tại Phòng thí nghiệm Điện – điện tử thuộc Trƣờng Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái nguyên đã trang bị một mô hình thí nghiệm HVAC nhằm phục vụ cho sinh viên đại học cao học tìm hiểu và thực hiện các nghiên cứu về hệ thống này trong môn học Điều khiển quá trình cũng nhƣ kiểm nghiệm cho các bộ điều khiển khác nhau. Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả sẽ thực nghiệm kiểm chứng các bộ điều khiển phản hồi. Thiết bị này bao gồm một số thành phần liên kết bởi các ống dẫn theo các dòng không khí. Các thành phần này thƣờng thấy trong các bộ phận điều hòa không khí thƣơng mại hay công nghiệp bao gồm quạt, bộ gia nhiệt, bộ làm lạnh, bộ tạo ẩm và khử ẩm (có thể liên quan đến bộ làm lạnh) và bộ lọc. Các thành phần này và các ống dẫn đƣợc lắp đặt trên một khung thép với các bánh xe có khóa.
Thiết bị này có một nồi hơi áp suất (pressure boiler) cho việc tạo ẩm và một thiết bị làm lạnh (refrigeration plant) (để làm lạnh và khử ẩm) đƣợc đặt ở phần dƣới của khung.
Các ống dẫn không khí có tiết diện cắt ngang khoảng 0.09m2.Không khí từ khí quyển đi vào một quạt ly tâm điều tốc trƣớc khi đƣa vào các ống dẫn.Trong khi không khí đi vào quạt thì hơi nƣớc có thể đƣợc thêm vào để làm tăng thành phần ẩm để hỗn hợp đồng nhất của không khí và hơi nƣớc khi đi vào các ống dẫn.
Khi đi qua quạt, không khí tiếp tục đi qua hai phần tử điện dạng cánh bên ngoài (gia nhiệt trƣớc) có thể chuyển đổi lần lƣợt. Tiếp đó, không khí nóng đi qua phần ổn định mà ở đó tình trạng của nó đƣợc xác định bởi các sensor nhiệt độ và độ ẩm.Sau đó không khí đi qua một dàn trao đổi nhiệt của bộ phận làm lạnh nơi mà ở đó không khí ẩm có thể bị lạnh đi và sẽ để lại một phần thành phần ẩm của nó dƣới dạng lỏng.Không khí lạnh và khô này sẽ đi qua phần ổn định khác với các sensor nhiệt độ và độ ẩm trƣớc khi đi qua hai bộ gia nhiệt lại có công suất 0.5kW có thể chuyển đổi lẫn nhau.Tình trạng của không khí gia nhiệt lại đƣợc xác định và sau đó không khí này đƣợc dẫn trở lại khí quyển thông qua một bộ đo lƣu lƣợng khí.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.1: Mô hình hệ thống
Nồi hơi cung cấp hơi nƣớc để làm ẩm đƣợc điều khiển bởi một bộ điều khiển sinh hơi để sao cho định mức hơi đƣợc sinh ra có thể thay đổi.Một chuyển mức điện tử sẽ đƣợc cài đặt trong nồi hơi và kết hợp với một van điện tử để duy trì mức nƣớc trong nồi.
Dòng làm lạnh sử dụng bộ môi chất R134a.Trong suốt quá trình hơi nƣớc định hình trong dàn trao đổi nhiệt đƣợc đƣa qua một máy nén kiểu kín rồi đƣa ra một dàn ngƣng làm mát bằng không khí.Chất lỏng R134a sau đó đƣợc đƣa qua một lƣu lƣợng kế và một van dãn nở điều khiển ổn nhiệt để tới dàn trao đổi nhiệt. Các điểm đo áp suất và nhiệt độ đƣợc cung cấp trong dòng làm lạnh.
Tốc độ quạt có thể đƣợc thay đổi bởi các thyristor lắp trên các bộ chuyển mạch trên panel điều khiển và các bộ hiển thị đƣợc lắp đặt trên panel điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bàn điều khiển
Hình 4.2: Bàn điều khiển của hệ thống
Chú thích:
1 – PLC 2 – Màn hình LED hiển thị thông số
3 – Các thiết bị đóng/cắt nguồn và đo lƣờng 4 – Cáp MPI
5, 6 – Role, công tắc tơ đóng cắt nguồn cho động cơ quạt gió, động cơ lốc lạnh, bộ gia nhiệt 1&2
7, 14 – Màn hình máy tính, bàn phím để giám sát và điều khiển hệ thống thông qua Wincc 8 – Mạch điều khiển 2 bộ gia nhiệt 1&2
9 – Biến tần điều khiển động cơ lốc lạnh 10 – Biến tần điều khiển động cơ quạt gió
11 – Các nút ấn bật/tắt quạt gió, thiết bị lạnh, bộ gia nhiệt 1, bộ gia nhiệt 2, bộ tạo ẩm 12 – Các biến trở để thay đổi giá trị đặt tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
13 – Công tắc lựa chọn chế độ điều khiển từ xa/tại chỗ
Hệ thống HVAC
Các thiết bị của hệ thống
Hình 4.3: Hệ thống HVAC
Chú thích:
1 – Quạt gió 2 – Đƣờng ống 3 – Bộ gia nhiệt 1
4 – Cảm biến nhiệt độ 1 5 – Cảm biến độ ẩm 1 6 – Dàn lạnh 7 – Cảm biến nhiệt độ 2 8 – Cảm biến độ ẩm 2 9 – Bộ gia nhiệt 2 10 – Cảm biến nhiệt độ 3 11 – Cảm biến độ ẩm 3 và Cảm biến tốc độ gió
12 - Dàn nóng 13 –Bộ lọc 14 – Động cơ lốc lạnh
15 – Lốc lạnh 16 – Bộ tạo ẩm
Trên đây là toàn bộ giới thiệu về hệ thống HVAC tại Phòng thí nghiệm Điện – điện tử thuộc Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, sau đây tác giả sẽ thực hiện thực nghiệm với hệ thống này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
4.2. Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống thông gió, điều hòa không khí hệ thống thông gió, điều hòa không khí
Do còn nhiều hạn chế về kiến thức và thời gian nên tác giả vẫn chƣa đƣa ra đƣợc đặc tính nhiệt độ và độ ẩm ra màn hình hiển thị nhƣ trong phần mô phỏng trong Chƣơng 3 mà chỉ hiển thị đƣợc giá trị nhiệt độ và đặc tính của động cơ quạt trong hệ thống gia nhiệt của hệ thống HVAC.
Màn hình giám sát hệ thống
Hình 4.4: Màn hình giám sát và điều khiển
Quy trình điều khiển hệ thống
B1 – Cấp nguồn cho hệ thống. B2 – Khởi động máy tính.
B3 – chuyển PLC sang chế độ RUN. B4 – Lựa chọn chế độ điều khiển Từ xa hoặc tại chỗ thông qua công tắc 13.
Chế độ điều khiển tại chỗ:
B5a - Ấn nút bật quạt gió, thiết bị lạnh, bộ tạo ẩm, bộ gia nhiệt 1&2 thông qua các nút ấn tại vị trí 11.
B6a – Xác định giá trị đặt tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm thông qua các biến trở tại vị trí 12.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chế độ điều khiển từ xa:
B5b–Nhấn chuột trái vào các vị trí nhập thông số trên màn hình giám sát và điều khiển và nhập thông số đặt thông qua bàn phím.
Bộ điều khiển sẽ tự động ổn định nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió theo lƣợng đặt.
Khi cần dừng hệ thống ta tiến hành như sau:
B1 – Tắt các thiết bị: quạt gió, thiết bị làm lạnh, bộ gia nhiệt 1&2, bộ tạo ẩm thông qua các nút ấn tại vị trí 11 (chế độ điều khiển tại chỗ ); hoặc thông qua màn hình giám sát và điều khiển (chế độ điều khiển từ xa ).
B2 – Chuyển PLC về chế độ STOP. B3–Tắt máy tính.
B4 – Ngắt nguồn điện cấp cho hệ thống.
Trong màn hình giám sát này thì toàn bộ nhiệt độ của các điểm trong hệ thống HVAC đã đƣợc tác giả đƣa vào để giám sát việc điều chỉnh và giữa nhiệt độ đặt cho hệ thống, giám sát quá trình làm việc của hệ thống.
Dƣới đây là hình ảnh hiển thị của màn hình hiển thị thông số của các đại lƣợng nhiệt độ tại các điểm trong mô hình HVAC trên bàn điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Đặc tính của động cơ trong hệ thống gia nhiệt của HVAC
Ở đây do tốc độ quạt cũng là thành phần khá quan trong quyết định đến việc gia nhiệt của hệ thống HVAC nên việc giữ ổn định tốc độ quạt là điều vô cùng cần thiết, do đó tác giả đã lựa chọn việc điều khiển biến tần – PLC cho quạt trong hệ thống HVAC để thực nghiệm
-
.
Hình 4.6: Đặc tính của động cơ quạt trong mô hình HVAC
4.3. Kết luận
Nhƣ vậy trong Chƣơng 4 tác giả đã đi thực nghiệm kiểm chứng việc sử dụng bộ điều khiển quá trình cho hệ thống HVAC và thu đƣợc những kết quả khá tích cực nhƣ việc hiển thị nhiệt độ các điểm của hệ thống, ổn định và điều chỉnh tốc độ động cơ trong hệ thống gia nhiệt dùng bộ điều khiển phản hồi. Sau khi hoàn thành luận văn này, tác giả đã nắm bắt đƣợc lý thuyết và có khả năng áp dụng điều khiển quá trình vào việc điều khiển thông gió, nhiệt độ, điều hòa không khí, hệ thống chiếu sáng, ….trong hệ thống BMS (Building Management System) để nâng cao chất lƣợng của quá trình xử lý môi trƣờng phục vụ cuộc sống trong các tòa nhà. Tuy còn nhiều việc chƣa làm đƣợc nhƣng tác giả sẽ cố gắng trong thời gian tới để đạt đƣợc kết quả tốt hơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Kết luận
Sau thời gian thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng hệ thống điều khiển quá trình để điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí trong tòa nhà HVAC” tác giả đã thực hiện đƣợc những công việc sau:
- Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết điều khiển quá trình để hiểu rõ bản chất của điều khiển quá trình và phân biệt điều khiển quá trình với các lĩnh vực điều khiển khác.
- Xây dựng mô hình toán cho hệ thống HVAC
- Hiểu và lựa chọn đƣợc các sách lƣợc điều khiển phù hợp với thực tế - Mô phỏng và thực nghiệm hệ thống HVAC.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do hạn chế về mặt thời gian, trình độ nhận thức và điều kiện thực tế còn nhiều khó khăn nên bản luận văn chƣa ứng dụng đƣợc nhiều các phƣơng pháp để kiểm nghiệm, so sánh và lựa chọn thông số tối ƣu cho bộ điều khiển do đó không tránh khỏi những khiếm khuyết, sai sót. Tác giả mong nhận đƣợc những ý kiến bổ sung, phê bình góp ý của các thày cô và các bạn đồng nghiệp.
Hƣớng phát triển của đề tài
Tác giả sẽ cố gắng trong thời gian tới tiếp tục nghiên cứu về hệ thống HVAC, áp dụng các bộ điều khiển khác nhau nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống cũng nhƣ tính toán chi tiết nhằm đƣa hệ thống này vào ứng dụng thực tế.
Tác giả sẽ viết chƣơng trình điều khiển nhằm xuất đƣợc đặc tính nhiệt độ và độ ẩm ra màn hình hiển thị nhằm quan sát dễ dàng hơn cho ngƣời sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Minh Sơn, Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, NXB Bách Khoa Hà Nội – 2009.
[2] Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học & Kỹ thuật – 2009.
[3] Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB Khoa học & Kỹ thuật – 2005.
[4] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & Kỹ thuật – 2008.
[5] [Manmohan. A, Sanjay. K. S, Praveen. K. A, “Modelling and Temperature Control of Heat Exchanger Process”, ICETT 2014].
[6] Aizerman, M. A. and Gantmacher, F. R. , Absolute Stability of Regulator Systems, Holden-Day, San Francisco, CA – 1964.
[7] Anderson, B. D. O. and Moore, J. B., Linear Optimal Control, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ – 1971.
[8] Ahmad Parvaresh, Seyed Mohammad Ali Mohammadi, Ali Parvaresh , “A new mathematical dynamic model for HVAC system components based on Matlab/Simulink”, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), ISSN: 2278-3075, Volume-1, Issue-2, July 2012
[9] Clemens Felsmann, Jean Lebrun, Vincent Lemort and Aad Wijsman, “Testing and validation of simulation tools of HVAC mechanical equipment including their control strategies”.
[10] Øyvind Alvsvåg , “HVAC-systems Modeling, simulation and control of HVAC-systems”, Master thesis, 2011
[11] Nebil Ben-Aissa, “Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) Controls: Variable Air Volume (VAV) Systems”, VisSim Tutorial Series.
[12] Michael Anderson, Michael Buehner, Peter Young, Douglas Hittle, Charles Anderson, Jilin Tu, David Hodgson, “An experimental system for advanced heating, ventilating and air conditioning (HVAC) control”, Science Direct, Energy and Buildings 39 (2007) 136–147.