Hệ thống đo lường và điều khiển tự động

CHƯƠNG IV hệ thống đo lường và điều khiển tự động cho hệ thống ĐHKK. Mục đích của chương này là nhằm trình bày những kiến thức nền tảng về hệ thống điều khiển tự động cho các ứng dụng ĐHKK. Ngoài ra, để phù hợp với mục đích thiết kế bộ điều khiển thoả mãn yêu cầu của hệ thống ĐHKK, trong chương này em còn đưa ra các đặc tính quá trình của hệ thống ĐHKK và phần khái niệm về hệ thống điều khiển toà nhà BMS mà hệ thống điều khiển cho hệ thống ĐHKK chỉ là một thành phần trong đó. 4.1. Các đặc tính của hệ thống HVAC. 4.1.1. Tổng quan. Một hệ thống HVAC (Heating, ventilating and air conditioning: Sưởi ấm, thông gió và điều hoà không khí) được thiết kế theo nhu cầu về năng lượng, một hệ thống phù hợp khi thoả mãn các yếu tố như: giá thành ban đầu và giá thành vận hành, độ tin cậy của hệ thống, thiết bị dễ tìm và vị trí lắp đặt các thiết bị. Hệ thống điều khiển cho toà nhà thương mại bao gồm nhiều vòng điều khiển và có thể chia ra gồm hệ thống trung tâm và các vòng điều khiển từng khu vực. Để đạt được hiệu quả tối ưu, tất cả các vòng điều khiển phải có mối liên hệ chặt chẽ với nhau để chia sẻ thông tin và các lệnh điều khiển với hệ thống quản lý chung của toà nhà BMS (building management system: hệ thống tập trung sự giám sát, hoạt động và quản lý một toà nhà để đạt hiệu quả hoạt động cao hơn). Các vòng điều khiển cơ bản trong hệ thống điều hoà không khí trung tâm có thể được phân ra như trong bảng 4.1. Tuỳ thuộc vào hệ thống, có thể có các vòng điều khiển khác để đạt được hiệu suất tối ưu. Các vòng điều khiển từng khu vực phụ thuộc vào loại thiết bị được sử dụng. Bảng 4.1. Các chức năng của các vòng điều khiển hệ thống điều hoà trung tâm. Vòng điều khiển Loại Mô tả Thông gió Cơ bản Phối hợp hoạt động của các cửa gió ngoài trời, gió hồi, gió thải để duy trì sự lưu thông không khí. Chế độ bảo vệ nhiệt độ thấp thường được sử dụng. Tốt Đo và điều khiển lưu lượng không khí ngoài trời để cấp chính xác lượng không khí hoà trộn dưới sự thay đổi của điều kiện bên trong (chủ yếu trong các hệ thống điều chỉnh năng suất lạnh dựa vào việc điều chỉnh lưu lượng không khí – VAV). Có thể cần chế độ bảo vệ nhiệt độ thấp. Làm lạnh Điều khiển Chiller Cấp nước lạnh ở nhiệt độ đặt trước hoặc đặt lại phụ thuộc vào yêu cầu Điều khiển tháp giải nhiệt Điều khiển các bơm nước giải nhiệt và/hoặc các quạt để cung cấp nước lạnh nhất có thể với các trạng thái khác nhau của nhiệt độ bầu ướt. Điều khiển dàn ống nước Điều chỉnh lưu lượng nước lạnh để duy trì nhiệt độ không khí. Điều khiển hệ thống giãn nở trực tiếp (DX) Chạy máy nén hay các van điện từ giãn nở trực tiếp để đạt nhiệt độ yêu cầu và ngăn cản việc đóng tuyết. Nếu máy nén là loại giảm tải thì theo yêu cầu số xylanh hoạt động sẽ giảm dần Quạt Cơ bản Khởi động các quạt cấp và quạt hồi trong suốt quá trình sử dụng hệ thống và quay vòng chúng khi không sử dụng hệ thống theo yêu cầu. Tốt Điều chỉnh lưu lượng quạt để duy trì chính xác áp suất đường ống và khu vực. Giảm chi phí hoạt động của hệ thống và nâng cao hiệu suất. Sưởi Điều khiển dàn ống Điều chỉnh lưu lượng nước, hơi hoặc nhiệt điện trở để đạt nhiệt độ yêu cầu. Điều khiển nồi hơi Điều khiển bộ đốt để đạt được áp suất hơi cấp hoặc nhiệt độ nước nóng. Để hệ thống nước nóng đạt được hiệu suất cao nhất, nhiệt độ nước cần đặt lại theo yêu cầu hay nhiệt độ không khí ngoài trời. 4.1.2. Các đặc tính quá trình. Khi lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển tự động, hệ thống HVAC có các đặc tính cần phải nắm bắt để có thể ứng dụng các chế độ điều khiển phù hợp cho từng khu vực của toà nhà. 4.1.2.1. Phụ tải. Phụ tải quá trình là đại lượng xác định lượng tác nhân điều khiển cần thiết để đạt được trạng thái mong muốn của biến điều khiển. Bất kỳ sự thay đổi nào của phụ tải cũng yêu cầu sự thay đổi lượng tác nhân điều khiển để đạt được cùng trạng thái của biến điều khiển. Các nhiễu hay các thay đổi phụ tải làm thay đổi biến điều khiển gây ra bởi sự thay đổi của các thông số trong quá trình hay xung quanh nó. Độ lớn, mức độ, tần số và thời gian tồn tại của nhiễu thay đổi sự cân bằng giữa đầu ra và đầu vào. Bốn loại nhiễu có thể ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển: Nhiễu cung cấp Nhiễu nhu cầu Thay đổi điểm đặt Những thay đổi của môi trường. Nhiễu cung cấp là những thay đổi trong các biến can thiệp ở đầu vào tới quá trình để điều khiển biến điều khiển. Ví dụ về nhiễu cung cấp như sự giảm nhiệt độ nước nóng cung cấp cho các dàn trao đổi nhiệt. Hệ thống yêu cầu lưu lượng nước nhiều hơn cho cùng một nhiệt độ không khí ra khỏi dàn cần đạt được. Nhiễu nhu cầu xuất hiện trong không gian điều khiển ở đó có sự thay đổi nhu cầu về tác nhân điều khiển. Trong trường hợp của một thiết bị gia nhiệt nước nóng dùng hơi, nhiệt độ nước nóng cấp là biến điều khiển và nước là môi trường điều khiển (Hình 4.1). Thay đổi về lưu lượng hay nhiệt độ nước trở về thiết bị thể hiện thay đổi của phụ tải yêu cầu. Yêu cầu lưu lượng nước nóng tăng thì yêu cầu tăng lượng tác nhân điều khiển (hơi nóng). Còn khi nhiệt độ nước về thiết bị gia nhiệt tăng lên thì lại yêu cầu giảm lượng hơi để đạt được yêu cầu nhiệt độ nước cấp. Giá trị điểm đặt thay đổi có thể phá vỡ hệ thống bởi vì đó là thay đổi bất ngờ trong hệ thống và gây ra nhiễu đối với nước nóng cung cấp. Kết quả là gây ra những thay đổi ở dòng vào thiết bị trước khi nó được đo và xử lý. Những thay đổi của môi trường xung quanh là các điều kiện xung quanh quá trình, như nhiệt độ, áp suất, và độ ẩm. Khi các điều kiện này thay đổi chúng sẽ kéo theo thay đổi trong phụ tải của hệ thống. Bẫy hơi Hơi Hơi Tải Hơi ngưng về Thiết bị trao đổi nhiệt (tác nhân điều khiển) Van Bộ điều khiển Lưu lượng (biến thao tác) Nhiệt độ nước (biến cần điều khiển) Nước nóng cấp Nước (môi trường điều khiển) Nước nóng hồi Hình 4.1. Thiết bị gia nhiệt nước nóng dùng hơi (steam-to-water converter). 4.1.2.2. Trễ. Trễ có thể ngăn cản một hệ thống điều khiển từ việc đáp ứng ngay lập tức và hoàn toàn tới thay đổi biến điều khiển. Trễ quá trình là thời gian chậm trễ giữa thời điểm bắt đầu có nhiễu và điểm mà tại đó biến điều khiển bắt đầu đáp ứng lại. Đối với các quá trình nhiệt thì cần phải đặc biệt chú ý tới thành phần trễ vì nhiệt độ là thông số có quán tính rất lớn. Thêm vào đó, cơ cấu chấp hành cũng cần có thời gian để đáp ứng lại, nhiệt cần thời gian để truyền tới không gian điều khiển, năng lượng bổ sung cần thời gian để di chuyển vào không gian. Trễ tổng cộng là tổng của các trễ riêng lẻ gặp phải trong quá trình điều khiển. 4.2. Các đặc điểm của hệ thống điều khiển. Điều khiển tự động được sử dụng khi có biến trạng thái cần được điều khiển. Trong hệ thống HVAC, các thông số cần điều khiển thường là áp suất, nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng. 4.2.1. Các biến điều khiển. Để điều khiển tự động một hệ thống thì nó phải có một biến có thể điều khiển được. Một hệ thống điều khiển tự động điều khiển biến bằng cách tác động 1 biến thứ hai. Biến thứ 2 này gọi là biến thao tác, tạo ra sự thay đổi cần thiết ở biến được điều khiển. Ví dụ, trong 1 phòng được làm mát bởi không khí chuyển động qua 1 dàn nước lạnh, cảm biến đo nhiệt độ (biến điều khiển) của phòng (môi trường điều khiển) ở một vị trí xác định. Khi phòng nóng lên, thermostat sẽ khởi động 1 van để điều chỉnh lưu lượng (biến thao tác) của nước lạnh (tác nhân điều khiển) qua dàn. Bằng cách này, dàn trao đổi nhiệt cung cấp khí lạnh để làm mát phòng. 4.2.2. Vòng điều khiển. Trong hệ thống điều hoà không khí, biến được điều khiển được duy trì bằng cách thay đổi đầu ra của thiết bị cơ khí tạo thanh một vòng điều khiển tự động. Một vòng điều khiển bao gồm một phần tử cảm biến ở đầu vào, như cảm biến nhiệt độ; một bộ điều khiển xử lý tín hiệu vào và xuất tín hiệu ra; và cơ cấu chấp hành (phần tử thực hiện quá trình), ví dụ như van, hoạt động theo tín hiệu ra. Các ứng dụng HVAC sử dụng 2 loại vòng điều khiển: vòng hở và vòng kín. Một hệ thống vòng hở (open-loop) là mối quan hệ không đổi giữa môi trường điều khiển và môi trường ngoài. Điều khiển vòng hở không cho ta một hệ điều khiển hoàn chỉnh và có độ chính xác thấp. Vì lý do này, hệ vòng hở ít gặp trong các ứng dụng thương mại và dân dụng. Một hệ điều khiển vòng kín (closed-loop) dựa vào việc đo biến điều khiển để thay đổi đầu ra của bộ điều khiển. Hình 4.2 là sơ đồ của một hệ vòng kín. Một ví dụ về điều khiển vòng kín là điều khiển nhiệt độ không khí cấp trong ống dẫn bằng lưu lượng nước qua dàn trao đổi nhiệt (FCU, AHU) để đạt được nhiệt độ không khí cấp ở giá trị đặt. Giá trị đặt Bộ điều khiển Cơ cấu chấp hành Quá trình đầu vào thứ cấp Nhiễu Cảm biến tín hiệu điều khiển Biến điều khiển (biến thao tác) Biến cần điều khiển Phản hồi Hình 4.2: Tín hiệu phản hồi trong sơ đồ điều khiển vòng kín. Trong ví dụ này, cảm biến đo nhiệt độ không khí cấp và phản hồi trở lại bộ điều khiển. Dựa trên sự khác biệt, hay sự chênh lệch, bộ điều khiển tác động tín hiệu chính xác tới van, tại đó điều chỉnh lưu lượng nước lạnh đến giá trị yêu cầu của quá trình. Sự thay đổi của biến điều khiển dẫn đến phản hồi lại yêu cầu điều khiển. Cảm biến tiếp tục đo sự thay đổi nhiệt độ không khí cấp và đưa tín hiệu mới trở lại bộ điều khiển để tiếp tục so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển tự động sử dụng tín hiệu phản hồi để giảm sai lệch và tạo ra sự ổn định của hệ thống. Một đầu vào thứ cấp, ví dụ như đầu vào từ 1 cảm biến không khí ngoài trời, có thể cung cấp thông tin về các nhiễu ảnh hưởng đến biến điều khiển. Sử dụng 1 đầu vào cộng với biến điều khiển làm cho bộ điều khiển có thể dự báo được ảnh hưởng của nhiễu và bù vào đó, vì vậy mà giảm được tác động của nhiễu lên biến điều khiển. 4.2.3. Các phương pháp điều khiển. 4.2.3.1. Tổng quát. Một hệ thống điều khiển tự động được phân loại theo loại năng lượng chuyển đổi và theo tín hiệu điều khiển (tương tự và số) mà nó sử dụng để thực hiện chức năng điều khiển. Nguồn năng lượng thường gặp trong hệ thống điều khiển tự động là năng lượng điện (electricity) và khí nén (compressed air). Hệ thống có thể bao gồm 1 hoặc cả hai dạng năng lượng trên. Những hệ thống sử dụng năng lượng điện là hệ điều khiển cơ-điện tử (electromechanical), điện tử (electronic), hay vi xử lý (microprocessor). Hệ điều khiển khí nén lợi dụng sự thay đổi áp suất khí từ bộ phận cảm biến như là tín hiệu đầu vào bộ điều khiển, tại đó lần lượt cấp tín hiệu khí nén ra tới phần tử thực hiện quá trình. Các hệ thống khí nén, cơ - điện tử, và điện tử thực hiện việc giới hạn, định trước các chức năng và vòng điều khiển. Các bộ điều khiển ứng dụng vi xử lý dùng điều khiển số cho biến đổi rộng của các vòng điều khiển. Hệ điều khiển tự cung cấp năng lượng (seft-powered systems) có sự thích ứng hẹp nhưng vẫn quan trọng. Các hệ thống này lấy năng lượng từ các giá trị được đo lường để thực hiện các tác động cần thiết. Ví dụ, thay đổi nhiệt độ cảm biến gây ra sự thay đổi của thể tích hoặc áp suất tác động trực tiếp đến màng hay hộp xếp của động cơ van hay cửa gió. Nhiều hệ điều khiển hoàn chỉnh sử dụng phối hợp các loại trên. Một ví dụ về hệ thống kết hợp là hệ thống điều khiển cho một FCU ở đó bao gồm điều khiển điện on-off của quạt và khí nén cho các dàn trao đổi nhiệt. Bảng 4.2. Các đặc tính và tham số của các phương pháp điều khiển: Khí nén Điện Điện tử Vi xử lý - Điều khiển tỷ lệ - Yêu cầu không khí khô, sạch. - Đường dẫn khí có thể bị đóng tuyết phía dưới. - An toàn nổ. - Đơn giản, bền, giá rẻ, và các cơ cấu chấp hành chắc chắn cho các van, cửa gió. - Thường dùng cho điều khiển vùng đơn giản (VAV…) - Môdul điều chỉnh đơn giản nhất. - Đa số phù hợp điều khiển on-off đơn giản. - Cảm biến/ bộ điều khiển kiểu tích phân. - Trình tự điều khiển đơn giản. - Giới hạn về môi trường. - Các cơ cấu chấp hành điều chỉnh phức tạp, đặc biệt phản hồi dây chuyền. - Điều khiển chính xác. - Thiết bị bán dẫn, có khả năng lặp lại và độ tin tưởng cao. - Cảm biến có thể đặt cách bộ điều khiển tối đa 90 m. - Giá trị đặt đơn giản có thể điều khiển từ xa. - Giá thành cao. - Bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành phức tạp. - Điều khiển chính xác. - Tiết kiệm năng lượng. - Bộ điều khiển cấp cao PI không sai lệch. - Tương thích cao với hệ thống quản lý toà nhà (Building management system – BMS). Có cơ sở dữ liệu để giám sát, hiệu chỉnh và cảnh báo từ xa. - Dễ dàng thực hiện vòng điều khiển phức tạp. - Điều khiển vòng liên động qua các bus. - Màn hình hiển thị và điểm đặt có thể đặt cách xa. - Có thể sử dụng cơ cấu chấp hành khí nén. 4.2.3.2. Điều khiển tương tự và số. Thiết bị tương tự tương thích với hệ thống điều khiển hệ HVAC từ rất lâu. Một bộ điều khiển HVAC loại tương tự là loại khí nén nhận và tác động trên dữ liệu liên tục. Trong bộ điều khiển khí nén, cảm biến gửi tín hiệu khí nén liên tục tới bộ điều khiển, áp suất khí nén tại đó tỷ lệ với giá trị của biến đo được. Bộ điều khiển so sánh áp suất khí nhận từ cảm biến với giá trị áp suất khí mong muốn đặt trước để đưa ra tín hiệu điều khiển. Bộ điều khiển số nhận tín hiệu điện tử từ các cảm biến, chuyển các tín hiệu điện thành các xung số (giá trị), và thực hiện các thao tác trên các giá trị này. Bộ vi xử lý sẽ đưa ra tín hiệu dạng số tác động trực tiếp vào cơ cấu chấp hành hoặc biến đổi tín hiệu thành tín hiệu tương tự trước khi tác động đến cơ cấu thừa hành. Bộ điều khiển lấy dữ liệu số ở các khoảng thời gian nhất định, hiếm khi đọc dữ liệu liên tục. Phương pháp lấy mẫu được gọi là tín hiệu điều khiển gián đoạn (discrete control). Nếu việc lấy mẫu đối với các bộ điều khiển số được lựa chọn phù hợp, sự thay đổi đầu ra rời rạc sẽ tạo ra các tác động điều khiển và hiệu quả điều khiển liên tục. Trong phương pháp điều khiển số có kiểu điều khiển số trực tiếp DDC (direct digital control) sử dụng bộ điều khiển có bộ vi xử lý để biểu thị các thuật toán theo các chương trình định trước. Đóng Thời gian Vị trí Cơ cấu Chấp hành Mở Đóng Tín hiệu điều khiển tương tự Tín hiệu điều khiển số Vị trí Cơ cấu Chấp hành Mở Thời gian Hình 4.3. So sánh giữa các tín hiệu số và tương tự. Hình 4.3 so sánh các tín hiệu điều khiển số và tương tự. Bộ điều khiển số cập nhật định kỳ quá trình bằng 1 hàm của tập hợp các biến điều khiển đo được và cho ra tập hợp các thuật toán điều khiển. Bộ điều khiển kết thúc toàn bộ việc tính toán, bao gồm thuật toán điều khiển, và gửi tín hiệu tới cơ cấu chấp hành. Trong hầu hết các hệ thống điều khiển thương mại, một phần tử truyền tín hiệu điện tử – khí nén chuyển đầu ra là tín hiệu điện thành đầu ra áp suất khí nén thay đổi, khởi động cơ cấu chấp hành. 4.2.4. Các chế độ điều khiển. Hệ thống điều khiển sử dụng các chế độ điều khiển khác nhau để đạt được mục đích của chúng. Các chế độ điều khiển trong các ứng dụng thương mại bao gồm: điều khiển 2 vị trí, bước, dao động, tỷ lệ, tỷ lệ – tích phân, tỷ lệ – tích phân – vi phân, và điều khiển thích nghi. 4.2.4.1. Điều khiển hai vị trí (Two-position control). Bộ điều khiển sẽ khống chế trạng thái của các phần tử nào đó chỉ có hai trạng thái: cực đại và cực tiểu. Ví dụ, hệ thống điều khiển để khởi động hay dừng động cơ bơm, quạt gió, máy nén, hoặc hệ thống đóng cắt điện cho bộ sấy không khí. Do đó điều khiển kiểu này còn được gọi là điều khiển “on – off”. Cơ cấu chấp hành sẽ giữ ở một trong hai vị trí có thể ngoại trừ khoảng thời gian rất nhỏ khi nó chuyển từ trạng thái này sang trạng thái kia. Một ví dụ về vi sai điều khiển có thể gặp trong 1 hệ thống lạnh mà bộ điều khiển được đặt trước để mở van nước lạnh khi nhiệt độ không khí đạt 26oC, và đóng van khi nhiệt độ không khí đạt 24oC. Độ chênh thông số giữa hai giá trị đóng và mở (2oC) gọi là vi sai điều khiển. Biến điều khiển dao động giữa hai giá trị nhiệt độ. Vi sai Nhiệt độ (°C) Điều khiển 2 vị trí đơn thuần Sai lệch trên Sai lệch dưới Thời gian ofF ON 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 Hình 4.4. Hoạt động điển hình của điều khiển hai vị trí. Điều khiển hai vị trí cơ bản hoạt động tốt trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, sự xuất hiện của trễ làm cho bộ điểu khiển hoạt động không còn chính xác. Hình 4.4 thể hiện vòng điều khiển thiết bị gia nhiệt điển hình. Điều khiển hai vị trí có giảm độ trễ hay điều khiển hai vị trí theo thời gian (Timed two-position control) dự tính trước được yêu cầu và phân phối được lượng nhiệt cần thiết theo phần trăm dựa trên thời gian nhằm giảm dao động của điểm điều khiển. Việc tính toán thời gian được thực hiện bởi một bộ phận dự tính nhiệt (heat anticipator) trong điều khiển điện và bởi một thiết bị bấm giờ (timer) trong điều khiển điện tử số. Việc giảm hoặc loại bỏ vi sai hoạt động đạt được nhờ kết quả đặc biệt của việc dự tính trước nhiệt (heat anticipation) hoặc cân đối thời gian (time proportioning) với tốc độ quay vòng nhanh hơn của thiết bị cơ khí. Kết quả là điều khiển vòng kín cho chất lượng điều khiển tốt hơn điều khiển 2 vị trí đơn thuần (hình 4.4). OFF ON 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 Nhiệt độ (°C) Điều khiển 2 vị trí theo thời gian Thời gian OFF ON 20 20.5 21 21.5 22 22.5 23 23.5 Điểm điều khiển Nhiệt độ (°C) Điều khiển 2 vị trí đơn thuần Sai lệch trên Vi sai điều khiển Sai lệch dưới Thời gian Hình 4.5. So sánh giữa điều khiển hai ví trí đơn thuần và điều khiển 2 vị trí theo thời gian. 4.2.4.2. Điều khiển bước (Step control). Điều khiển bước để đóng ngắt hay đặt rơle theo thứ tự để cho phép hoặc không cho phép các đầu ra, các trạng thái của các thiết bị 2 vị trí như bộ sưởi điện hay các máy nén piston. Điều khiển bước sử dụng tín hiệu tỷ lệ để tạo ra tín hiệu đầu ra dạng tỷ lệ mà điển hình là đóng hoặc mở. Độ lệch của biến được điều khiển càng lớn thì công suất ra của thiết bị công nghệ càng cao. Hình 4.6 và 4.7 chỉ ra các giai đoạn có thể đặt có hoặc không sự chồng chéo của các vi sai điều khiển (on/off). Trong cả hai trường hợp, vi sai hoạt động kiểu 2 vị trí điển hình vẫn tồn tại nhưng đầu ra cuối cùng vẫn ở dạng tỷ lệ. Hình 4.6. Các bước sưởi điện. Hình 4.7. Điều khiển Chiller máy nén piston nhiều cấp. Hình 4.8 chỉ ra thứ tự điều khiển các dàn giãn nở trực tiếp và nhiệt điện trở. Khi nhiệt độ ở thermostat tăng lên ngưỡng trên của phạm vi điều chỉnh (throttling range) thì các cấp sưởi lần lượt ngừng. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng thì các cấp làm mát sẽ thứ tự được cho hoạt động. 1 2 3 4 5 6 D X D X Thứ tự giai đoạn Mô tơ Bộ điều khiển Nhiệt độ phòng Van điện từ Bộ điều khiển bước Quạt Dàn ống giãn nở trực tiếp DX Sưởi điện đa cấp Không khí cấp Hình 4.8. Thứ tự điều khiển của các dàn bay hơi trực tiếp và bộ sưởi điện. Kiểu điều khiển bước sử dụng rộng rãi trong các trong các hệ thống máy ghép cũng như các bộ sấy không khí nhiều cấp làm việc nối tiếp. 4.2.4.3. Điều khiển động (điều khiển dao động) (Floating control). Trong chế độ điều khiển động, bộ điều khiển chỉ tác động vào cơ cấu chấp hành khi trị số biến được điều khiển vượt ra ngoài vi sai điều khiển. Điều khiển động bao gồm một cơ cấu chấp hành di chuyển chậm và một cảm biến đáp ứng nhanh được chọn theo tốc độ phản ứng trong hệ thống điều khiển. Chế độ điều khiển động phù hợp với các hệ thống điều khiển có độ trễ tối thiểu giữa bộ cảm biến và môi chất điều khiển. Một ví dụ về điều khiển dao động là điều chỉnh áp suất tĩnh trong ống (Hình 4.9). Bộ điều khiển áp suất tĩnh kiểu động Môtơ Dòng khí Cửa gió cảm biến áp suất tĩnh Cảm biến áp suấtngoài Hình 4.9. Điều khiển áp suất tĩnh. Khi biến được điều khiển (áp suất tĩnh của không khí trong đường ống) vượt ra ngoài vi sai điều chỉnh và cao hơn giới hạn trên của vi sai thì bộ điều khiển sẽ tác động đóng bớt cánh điều chỉnh đầu hút quạt gió, còn nếu áp suất tĩnh giảm xuống dưới giới hạn dưới của vi sai thì bộ điều khiển sẽ mở thêm cánh điều chỉnh quạt gió (hình 4.10). Hình 4.10. Điều khiển động. 4.2.4.4. Điều khiển tỷ lệ (Proportional control). Trong chế độ điều khiển tỷ lệ, bộ điều khiển tác động vào thiết bị điều khiển sao cho công suất tín hiệu ra của thiết bị điều khiển tỷ lệ với độ lệch của biến được điều khiển so với giá trị định trước. Công suất của thiết bị điều khiển tỷ lệ tuyến tính với biên độ của biến được điều khiển (hình 4.11). Ví dụ trong thệ thống lạnh trung tâm nước (Hình 4.12), cảm biến được đặt trong dòng không khí cấp, nó đo và gửi tín hiệu tới bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ tính toán những thay đổi và gửi tín hiệu mới tới motor van. Motor sẽ điều chỉnh van để thay đổi lượng nước cấp và do đó thay đổi nhiệt độ không khí cấp. Vị trí của van Vị trí Cơ cấu chấp hành Phạm vi điều chỉnh Điểm điều khiển (0C) Mở 100% Mở 50% Đóng 22,5 23 23,5 24 24,5 Hình 4.11. Quan hệ giữa vị trí của cơ cấu chấp hành và điểm điều khiển. Bộ điều khiển Van Nước lạnh Không khí hồi Không khí cấp Dàn ống Cảm biến Hình 4.12. Vòng điều khiển tỷ lệ. Giá trị tín hiệu ra của bộ điều khiển tỷ lệ V tỷ lệ với độ lệch của giá trị điều khiển so với giá trị định trước có quan hệ sau: V = Kp.e + M Trong đó: K – hệ số tỷ lệ, có giá trị tỷ lệ nghịch với khoảng điều chỉnh; e – sai số của tín hiệu, còn gọi là biến sai; M – giá trị công suất ra khi biến sai bằng 0 (thường giá trị này nằm giữa khoảng công suất ra của bộ điều chỉnh). Khi điều khiển nhiệt độ không khí thổi và và nhiệt độ không khí trong phòng nếu sử dụng điều khiển tỷ lệ thì biến sai sẽ tỷ lệ với phụ tải của phòng và phụ tải dàn lạnh. Nhiệt độ thổi vào phòng và nhiệt độ trong phòng t được tính toán như sau: t = Rpt.tdo + tmin trong đó: tdo – khoảng điều chỉnh biểu diễn theo nhiệt độ thổi vào hay nhiêtj độ phòng; tmin – nhiệt độ thổi vào hay nhiệt độ phòng khi phụ tải của phòng hay phụ tải của giàn lạnh bằng 0; Rpt – tỷ số phụ tải của phụ tải phòng và phụ tải giàn lạnh, là đại lượng không thứ nguyên. Kiểu điều khiển tỷ lệ phù hợp với hệ thống lạnh và điều hoà không khí có phụ tải lớn. 4.2.4.5. Điều khiển tỷ lệ – tích phân (proportional-integral control: PI). Trong điều khiển tỷ lệ – tích phân, việc đặt lại chế độ được thực hiện tự động. Điều khiển PI còn được gọi là điều khiển tỷ lệ với đặt lại chế độ (proportional plus-reset control), gần như loại trừ được sai lệch và dải tỷ lệ gần như không thấy. Trong điều khiển PI, có thêm một phần tử đưa vào hệ thống điều khiển để triệt tiêu sai lệch điều khiển. Tín hiệu ra của bộ điều khiển có thể biểu thị bằng công thức: V = Kp.e + Ki.fe.dt + M Trong đó: Ki: hằng số tích phân; T: thời gian. Trong phương trình này, số hạng thứ hai ở vế phải cho biết giá trị của biến sai được đo ở các khoảng thời gian cũng như giá trị của tích giữa Ki và tích phân biến sai sẽ được cộng thêm vào tín hiệu ra của bộ điều khiển để triệt tiêu biến sai. Biến sai tồn tại càng lâu thì đáp ứng của bộ điều khiển sẽ càng lớn. Tác động điều khiển như vậy tương đương với việc đặt lại chế độ định trước để làm tăng công suất ra của bộ điều khiển nhằm triệt tiêu biến sai. Đường cong 2 trong hình 4.13 cho thấy sự biến đổi của biến điều khiển ở kiểu điều khiển PI. Đặc điểm quan trọng của điều khiển PI là triệt tiêu được vi sai điều khiển khi biến điều khiển đã đạt được giá trị ổn định. Nếu chọn đúng giá trị hệ số tích phân Ki và hệ số tỷ lệ Kp thì hệ thống sẽ ổn định hơn và điều khiển chính xác hơn. Điều khiển PI thường áp dụng cho các hệ thống điều khiển nhiệt độ không khí thổi vào, điều khiển nhiệt độ nước lạnh và điều khiển áp suất tĩnh trong đường ống gió. Điểm đặt T1 T2 T3 T4 T5 T6 Biến sai Điều khiển PI (2) Điểm đặt Điểm đặt Điều khiển P (1) Điều khiển PID (3) Biến sai Biến sai THờI GIAN .Hình 4.13. Hệ thống điều khiển nhiệt độ với các chế độ điều khiển khác nhau. 4.2.4.6. Điều khiển tỷ lệ – tích phân – vi phân (proportional-integral-derivative control: PID). Chế độ điều khiển PID có thêm một tác động điều khiển so với điều khiển PI, đó là thêm chức năng vi phân tỷ lệ với sự thay đổi biến được điều khiển. Phương trình mô tả tín hiệu ra của bộ điều khiển PID: V = Kp.e + Ki.fedt + Kd.de/dt +M Trong đó: Kd – hệ số vi phân. Hàm vi phân Kd.de/dt làm cho tác động hiệu chỉnh của bộ điều khiển PID càng lớn khi giá trị điều khiển thay đổi càng nhanh. Đường cong 3 trong hình 4.13 biểu diễn sự biến đổi của biến được điều khiển khi sử dụng kiểu điều khiển PID. Giống như điều khiển PI, điều khiển PID cũng không có vi sai điều khiển khi đã đạt tới điều kiện ổn định, nhưng so với điều khiển PI thì tác dụng điều khiển nhanh hơn, biên độ dao động nhỏ hơn, thời gian ổn định ngắn hơn. Tuy vậy việc xác định đúng 3 hằng số Kp, Ki, Kd cho bộ điều khiển PID cũng khó khăn hơn. Điều khiển PID thích hợp với các hệ thống điều khiển áp suất tĩnh của đường ống gió và điều khiển lưu lượng môi chất. 4.2.4.7. Điều khiển thích nghi (Adaptive control). Điều khiển thích nghi có thể dùng trong các bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý. Các thuật toán điều khiển thích nghi làm cho bộ điều khiển điều chỉnh những đáp ứng ra của nó để cho sự điều khiển tối ưu dưới điều kiện toàn tải. Bộ điều khiển được làm cho phù hợp để điều khiển chính xác dưới một tập hợp những điều kiện thay đổi, ví như thay đổi đáng kể của phụ tải hay thay đổi từ sưởi ấm sang làm lạnh. Một thông số cần đo của quá trình là thời gian cần thiết để hệ thống chống lại nhiễu: thời gian càng ngắn thì hoạt động của hệ thống càng tốt. Phương pháp dùng các thông số hiệu chỉnh được xác định bởi kiểu của thuật toán thích nghi. Một ví dụ về việc áp dụng khá tốt điều khiển thích ứng là điều khiển nhiệt độ không khí cấp của dàn ống làm lạnh trung tâm của 1 hệ thống VAV. Hằng số thời gian của cảm biến thay đổi theo một hàm của tốc độ không khí (hay chất lỏng khác). Vì vậy, hằng số thời gian của cảm biến không khí cấp trong hệ thống VAV luôn luôn thay đổi. Sự thay đổi trong đáp ứng của cảm biến ảnh hưởng đến điều khiển hệ thống vì vậy thuật toán điều khiển thích nghhi điều chỉnh các thông số của hệ thống bằng việc đặt lại hay mức độ cài đặt để đạt được hoạt động tối ưu của hệ thống. 4.2.6. Các nguyên tắc ứng dụng các kiểu điều khiển. Những điều sau đây cần lưu ý khi quyết định các yêu cầu điều khiển: Mức độ chính xác yêu cầu và độ sai lệch, nếu có, chấp nhận được. Những kiểu thay đổi mong muốn của phụ tải, bao gồm độ lớn, mức độ, tần số, và quãng thời gian thay đổi. Các đặc tính quá trình của hệ thống, như các hằng số thời gian, trễ, tốc độ đáp ứng lại. Mỗi kiểu điều khiển có thể áp dụng cho các quá trình khác nhau. Kiểu điều khiển tốt nhất là kiểu đơn giản nhất, rẻ tiền nhất mà vẫn đảm bảo yêu cầu điều khiển. Bảng 4.2 giới thiệu các ứng dụng điều khiển điển hình và các kiểu điều khiển khuyên dùng: Bảng 4.3. Các ứng dụng và các kiểu điều khiển khuyên dùng. ứng dụng điều khiển Kiểu điều khiển khuyên dùng Nhiệt độ không khí trong phòng Nhiệt độ không khí hoà trộn Nhiệt độ dòng vào dàn ống Nhiệt độ nước lạnh cấp Nhiệt độ nước nóng cấp Lưu lượng khí áp suất tĩnh của quạt Độ ẩm Nhiệt độ điểm sương P PI PI PI PI PI – Một số trường hợp có thể yêu cầu kiều PID PI – Một số ứng dụng có thể dùng PID sẽ tốt hơn. P, hoặc trong trường hợp yêu cầu điều khiển rất chặt chẽ thì dùng PI. P, hoặc nếu yêu cầu điều khiển rất chặt chẽ thì dùng PI. 4.2.7. Các thành phần cơ bản của hệ thống Tuỳ theo quy mô ứng dụng và mức độ tự động hoá, các hệ thống điều khiển HVAC có thể đơn giản đến tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng của mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một cách trực quan với sơ đồ khối trên hình 4.1. 4.2.7.1. Thiết bị đo. Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa nào đó với đại lượng đo. Một thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor) và chuyển đổi đo (transducer) (hình 4.14). Một cảm biến thực hiện chức năng tự động cảm nhận đại lượng quan tâm và biến đổi thành một tín hiệu. Để có thể truyền xa và sử dụng được trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, tín hiệu ra từ cảm biến cần được khuếch đại, điều hoà và chuyển đổi sang một dạng thích hợp. Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là một bộ chuyển đổi đo mà cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (ví dụ 1-10V, 0-20mA, 4-2mA, RS-485, tín hiệu bus trường,…). Trong các hệ thống điều khiển quá trình truyền thống thì tín hiệu 4-20mA là thông dụng nhất, song xu hướng gần đây cho thấy việc ứng dụng công nghệ bus trường ngày càng chiếm ưu thế. Cảm biến Bộ chuyển đổi đo chuẩn Chỉ báo Sensor Transducer Transmitter Indicator Đại lượng đo (PV, x) Tín hiệu đo (PM, y) Hình 4.14. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo. 4.2.7.2. Các bộ điều khiển phản hồi. Các bộ điều khiển phản hồi là những thành phần cốt lõi của mỗi hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển phản hồi có chức năng nhận tín hiệu đo, so sánh với tín hiệu đặt, thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra tín hiệu điều khiển để can thiệp vào biến điều khiển thông qua thiết bị chấp hành. Trong một hệ thống điều khiển quá trình, các bộ điều khiển phản hồi có thể được thực hiện dưới dạng một thiết bị điều khiển vòng đơn (Single-Loop Control, SLC), hoặc một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển chia sẻ như DCS (Distributed Control System), PLC (Programable Logic Control) hoặc máy tính cá nhân công nghiệp. Một bộ điều khiển đa biến bao giờ cũng được cài đặt trên trên một thiết bị điều khiển chia sẻ. Bên cạnh những chức năng điều khiển cơ sở, các thiết bị điều khiển chia sẻ còn có thể thực hiện nhiều chức năng khác như tính toán, ghi chép, cảnh giới và điều khiển cao cấp. Tuỳ theo dạng tín hiệu vào ra và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị điều khiển có thể được xếp loại là thiết bị điều khiển tương tự, thiết bị điều khiển logic, hoặc thiết bị điều khiển số. Các thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử được xếp vào loại tương tự. Một mạch logic rơ-le (cơ - điện hoặc điện tử) là một thiết bị điều khiển logic theo đúng nghĩa của nó. Một thiết bị điều khiển số được xây dựng trên nền tảng máy tính số, có thể thay thế chức năng của một thiết bị điều khiển tương tự hoặc một thiết bị điều khiển logic. Một thiết bị điều khiển số có thể chấp nhận các đầu và/ra là tín hiệu số hoặc tương tự và tích hợp các thành phần chuyển đổi tương tự –số như cần thiết, tuy nhiên thuật toán điều khiển bao giờ cũng được thể hiện bằng máy tính số. Một thiết bị điều khiển số không những cho chất lượng và độ tin cậy cao hơn, mà còn có thể đảm nhiệm nhiều chức năng điều khiển, tính toán và hiển thị cùng một lúc. Cấu trúc sơ lược của hai loại bộ điều khiển phản hồi vòng đơn – bộ điều khiển tương tự và bộ điều khiển số - được minh hoạ trên hình 4.15. Trong thực tế có nhiều dạng mở rộng khác nhau, ví dụ có bổ sung các khâu lọc trước, bù nhiễu, phi tuyến, hạn chế đầu ra,… Tất cả đều dựa trên nguyên cơ bản của điều khiển phản hồi, đó là liên tục quan sát sai lệch để đưa ra tác động điều khiển. Tạo tín hiệu đặt Khâu điều chỉnh Giá trị đặt SP Tín hiệu điều khiển u Tín hiệu đo y Tín hiệu đặt r Sai lệch e - Bộ điều khiển tương tự Bộ điều khiển số (a) (b) Khâu điều chỉnh Chuyển thang DAC Chuyển thang ADC - Sai lệch e Giá trị đặt r Tín hiệu điều khiển u Tín hiệu đo y Hình 4.15. Cấu trúc cơ bản của các bộ điều khiển phản hồi. Có thể nói rằng, tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại (PLC, DCS, PAS) đều là các hệ điều khiển số. Một thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển. Vì vậy, khi ta nói tới máy tính điều khiển tức là chỉ bao gồm khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch. Còn các khái niệm thiết bị điều khiển hoặc trạm điều khiển bao hàm cả máy tính điều khiển và các thành phần mở rộng, kể các module vào/ra và các module chức năng khác. 4.2.7.3. Thiết bị chấp hành. Một hệ thống/thiết bị chấp hành (actuator system, final control element) nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện tác động can thịêp tới biến điều khiển. Các thiết bị chấp hành tiêu biểu trong công nghiệp là van điều khiển, động cơ, máy bơm và quạt gió. Thông qua các thiết bị chấp hành mà hệ thống điều khiển có thể can thiệp vào quá trình. Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần cơ bản là cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn động (actuator) và phần tử điều khiển (control element). Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điều khiển thành năng lượng (cơ hoặc nhiệt), trong khi phần tử điều khiển can thiệp trực tiếp vào biến điều khiển. Hình 4.16 minh hoạ cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành. Cơ cấu chấp hành Phần tử điều khiển Thiết bị chấp hành Đầu ra của bộ điều khiển (CO) Biến điều khiển (MV) Hình 4.16. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành. 4.3. Hệ thống điều khiển HVAC trong hệ thống quản lý toà nhà (BMS). Một toà nhà thương mại đến khi hoàn thành bao gồm trong đó rất nhiều các hệ thống như: hệ thống ĐHKK, hệ thống chiếu sáng, hệ thống báo động, hệ thống kiểm soát ra vào, hệ thống thang máy… Tất cả các thành phần này được điều khiển thông qua hệ thống quản lý toà nhà BMS (Building Management System). 4.3.1. Khái niệm hệ thống quản lý toà nhà BMS. Mục đích của một hệ BMS là tập trung sự giám sát, hoạt động, quản lý của một hoặc nhiều toà nhà. Thực hiện điều này nhằm đạt được hiệu quả hoạt động cao của toà nhà ở việc giảm lao động chân tay và chi phí năng lượng và cung cấp môi trường làm việc tiện nghi và an toàn hơn cho những người làm việc trong đó. Trong quá trình đạt được mục đích đó, hệ thống BMS được tạo ra từ điều khiển giám sát đơn thuần đến những điều khiển kết phức tạp bằng máy tính. Một số ưu điểm của hệ thống BMS có thể thấy như: Hoạt động đơn giản hơn với các chức năng đặc trưng và thông thường được lập trình cho hoạt động tự động của hệ thống. Giảm thời gian tập huấn cho người vận hành thông qua các chỉ dẫn trên màn hình và hình ảnh minh họa hỗ trợ. Phản ứng nhanh và tốt hơn với các nhu cầu của người sử dụng và thay đổi của môi trường. Cấp hệ thống Cấp quản lý Hình 4.17. Sơ đồ một hệ BMS. Giảm chi phí năng lượng thông qua chương trình quản lý năng lượng và điều khiển tập trung. Quản lý dễ dàng hơn với việc ghi lại lịch trình hoạt động, chương trình quản lý bảo dưỡng, và báo cáo, báo động tự động. Linh hoạt trong việc lập trình để đáp ứng các nhu cầu tiện nghi, các yêu cầu mở rộng về độ lớn và tổ chức. Cải thiện hoạt động thông qua sự thống nhất giữa phần mềm và phần cứng của các hệ thống con như điều khiển số trực tiếp DDC (Direct digital controller), cảnh báo cháy, an toàn, điều khiển ra vào, hay điều khiển chiếu sáng. Khi hệ thống sử dụng các máy con và máy chủ thì chỉ được sử dụng cho các toà nhà văn phòng lớn và các trường học lớn. Nếu thêm vào các bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý cho DDC thì giá của các thành phần thực hiện các chức năng quản lý toà nhà là khá nhỏ, do vậy dù là loại nào ở kích cỡ nào thì một bộ BMS cũng là một sự đầu tư tốt cho các công trình thương mại. Hình 4.17 thể hiện mô hình một hệ BMS. 4.3.2. Hệ thống điều khiển HVAC trong hệ thống BMS. Hệ thống điều khiển HVAC nằm ở cấp hệ thống của hệ thống BMS. Trong các ứng dụng dân dụng, các bộ điều khiển này thường là các bộ điều khiển số trực tiếp DDC, các bộ điều khiển này được liên kết với cấp cao hơn và cấp dưới thông qua các cổng vào ra (các bus trường). Cấp dưới của các DDC là cấp trường bao gồm các cảm biến, các cơ cấu chấp hành. Với các thiết bị I/O có dung lượng lớn làm cho các bộ điều khiển cấp hệ thống có thể điều khiển các vòng DDC phức tạp và thứ tự điều khiển rắc rối cho các AHU liên tiếp hay các thiết bị khác của hệ thống HVAC. Trên đây là lý thuyết chung về hệ thống điều khiển tự động ứng dụng cho HVAC. Đó là cơ sở để phân tích và lựa chọn hệ thống điều khiển cho hệ thống ĐHKK đã tính toán và đưa ra ở phần 1. Chương sau đây, em sẽ đi vào chi tiết vấn đề này.