Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu hướng phát triển của các ngành công nghệ cao hiện đại, yêu cầu về môi trường sản xuất có độ tinh khiết cao ngày càng trở nên khắt khe. Các lĩnh vực như chế tạo linh kiện điện tử, vi mạch bán dẫn, sản xuất bo mạch máy tính, dược phẩm, thiết bị y tế và phòng mổ bệnh viện đòi hỏi phải kiểm soát nghiêm ngặt nồng độ bụi lơ lửng, vi sinh vật, các chất ô nhiễm và tần suất trao đổi không khí. Để duy trì môi trường lý tưởng này, hệ thống điều hòa không khí phòng sạch chuyên dụng được vận hành với các tiêu chuẩn khắt khe hơn nhiều so với hệ thống điều hòa dân dụng thông thường.
Sau khi các điều kiện cơ bản của phòng sạch được thiết lập, vấn đề tối ưu hóa năng lượng trở thành bài toán trọng tâm. Hệ thống thông gió và điều hòa phòng sạch tiêu thụ lượng điện năng rất lớn do phải duy trì lưu lượng tuần hoàn cao liên tục. Do đó, việc ứng dụng biến tần để điều khiển vô cấp tốc độ động cơ quạt gió theo sát nhu cầu phụ tải thực tế là giải pháp kỹ thuật cần thiết nhằm tiết kiệm năng lượng.
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm:
- Tổng quan về công nghệ phòng sạch, các yêu cầu kỹ thuật vi khí hậu và cấu trúc hệ thống điều hòa không khí - thông gió chuyên dụng.
- Khảo sát cấu trúc phần cứng hệ thống điều khiển lưu lượng khí phòng sạch sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC, biến tần công nghiệp, cảm biến và thiết bị xử lý không khí AHU.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về nhận dạng đối tượng nhiệt - khí động công nghiệp, phương pháp mô hình hóa và tổng hợp bộ điều khiển bền vững chất lượng cao có tăng cường khả năng kháng nhiễu.
- Thu thập số liệu thực nghiệm đáp ứng quá độ của hệ thống, nhận dạng mô hình toán học đối tượng thông qua phương pháp giải tích và phần mềm chuyên dụng CASCAD.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch thông qua biến tần điều khiển động cơ quạt cấp trong tổ hợp xử lý không khí AHU. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bài toán điều khiển tự động lưu lượng gió (được quy về đối tượng một đầu vào - một đầu ra SISO), thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào năm 2015.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu kết hợp lý thuyết điều khiển tự động hiện đại với kỹ thuật đo lường và truyền động điện trong hệ thống nhiệt - lạnh:
- Khung lý thuyết nhận dạng và mô hình hóa: Đối tượng công nghiệp nhiệt lạnh có đặc trưng quán tính lớn và trễ vận tải ($\tau$). Nghiên cứu sử dụng mô hình hàm truyền đối tượng quán tính bậc hai có trễ:
$$O(s) = \frac{K \cdot e^{-\tau s}}{(T_1 s + 1)(T_2 s + 1)}$$
Đồng thời, đồ án áp dụng phương pháp nhận dạng qua điểm uốn của đường đặc tính quá độ thực nghiệm để xác định các thông số hằng số thời gian $T_1, T_2$ và thời gian trễ $\tau$.
- Lý thuyết tổng hợp bộ điều khiển bền vững tối ưu: Xây dựng hàm truyền vòng kín mong muốn tiệm cận khâu quán tính bậc nhất $W(s) = \frac{1}{\theta s + 1}$ với hằng số thời gian $\theta > 0$. Dựa trên quan hệ định chuẩn theo biến đổi $p = \tau s$, xác định tần số cắt định chuẩn $\varpi_c$ và chỉ số dao động mềm $m_c$. Để triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu bậc thang và tăng tốc độ hội tụ khi đối tượng có quán tính lớn, cấu trúc bộ điều khiển được bổ sung thành phần tích phân tăng cường $A/s$ vào bộ điều khiển gốc $R_z(s)$:
$$R(s) = R_z(s) + \frac{A}{s}$$
với hệ số $A$ được xác định theo công thức giải tích thực nghiệm:
$$A = \frac{c_1^2}{0{,}5 c_2 + c_1\left(1 + \frac{5\tau}{T}\right)}$$
- Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thực nghiệm kích thích xung bậc thang đầu vào trên hệ thống thực để đo đạc đáp ứng lưu lượng không khí theo thời gian; kết hợp phương pháp mô hình hóa giải tích và tối ưu hóa số trên phần mềm CASCAD (chức năng
M/2Lag+DT/Run_Optim).
Cấu hình và thiết bị trong hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển lưu lượng khí phòng sạch được cấu thành từ các thiết bị đo lường, điều khiển và chấp hành công nghiệp:
| Thiết bị / Thành phần |
Chủng loại / Model |
Thông số kỹ thuật chính |
| Bộ điều khiển lập trình |
SIEMENS SIMATIC S7-300 |
Cấu trúc gồm: Nguồn PS (24V DC), CPU, Module tín hiệu SM (Digital In/Out, Analog In áp/dòng/cặp nhiệt, Analog Out 4–20mA), Module giao tiếp IM360/IM365, Module chức năng FM, Module truyền thông CP (PROFIBUS, Industrial Ethernet). |
| Biến tần công nghiệp |
OMRON 3G3RX-A2300 |
Công suất định mức 30 kW (công suất ra 41,9 kVA); Điện áp nguồn 3 pha 200–240V AC, 50/60Hz; Tín hiệu điều khiển 4–20mA; Dải tần số ra 0,1–400 Hz; Điều chế độ rộng xung PWM (tần số mang 0,5–15 kHz); Tích hợp bộ điều khiển PID, truyền thông RS-485 MODBUS. |
| Cảm biến lưu lượng khí |
QUINGTIANWEIYE Flow Transmitter |
Nguồn cấp 20–36V DC / 85–250V AC; Công suất 20W; Nhiệt độ môi trường hoạt động -10 đến +60°C; Độ ẩm 5–90%; Tín hiệu ngõ ra xung / 4–20mA. Hoạt động dựa trên ống Pitot hoặc hiệu ứng áp điện tinh thể thạch anh ($k = 2{,}1$). |
| Tổ hợp xử lý không khí |
AHU (Air Handling Unit) |
Lưu lượng xử lý 6.000 – 140.000 $\text{m}^3/\text{h}$; Khung nhôm hợp kim định hình chữ T cách nhiệt; Vỏ 2 lớp kẹp xốp polyurethane (PU) dày 30–50 mm; Dàn trao đổi nhiệt ống đồng cánh nhôm; Cụm lọc nhiều cấp: phin thô G4, phin túi F7/F8, phin lọc tinh HEPA. |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về phòng sạch và điều hòa dùng trong phòng sạch
Chương này trình bày cơ sở khái niệm và sự khác biệt căn bản giữa điều hòa không khí dân dụng với điều hòa không khí phòng sạch thông qua 5 tiêu chí kỹ thuật:
- Áp suất phòng: Nguyên tắc dòng khí luôn di chuyển từ khu vực có cấp sạch cao (áp suất cao) sang khu vực có cấp sạch thấp hơn (áp suất thấp) nhằm ngăn chặn bụi bẩn và vi khuẩn xâm nhập. Hệ thống duy trì áp suất thông qua cảm biến chênh áp và cửa gió xì tự động khi vượt ngưỡng.
- Nhiễm chéo và tạp nhiễm: Khống chế sự lây nhiễm không mong muốn của các tạp chất hóa học, tiểu phân lạ hoặc vi sinh vật giữa các công đoạn sản xuất trong nhà máy dược phẩm và phòng mổ bệnh viện.
- Độ sạch và bội số tuần hoàn: Độ sạch được quy định bởi phin lọc và số lần trao đổi gió mỗi giờ (ACH). Trong khi cao ốc văn phòng chỉ cần 2–10 lần/giờ thì phòng sạch yêu cầu tối thiểu 20 lần/giờ, thậm chí lên đến 100 lần/giờ trong nhà máy sản xuất vi mạch bán dẫn.
| Cấp độ sạch (Khu vực) |
Áp suất phòng |
Bội số tuần hoàn (ACH) |
Cấp phin lọc yêu cầu |
| Cấp E (Khu vực thay đồ - Màu đen) |
+15 Pa |
10 lần/h |
Lọc thô / sơ cấp |
| Cấp C (Phòng pha chế dược phẩm) |
+30 Pa |
20 lần/h |
Lọc HEPA cấp H12 |
Chương 1 cũng phân tích chi tiết cấu tạo hệ thống đường ống gió tôn mạ kẽm, vật liệu bảo ôn xốp PE tráng bạc cách âm - cách nhiệt, cụm tiêu âm đục lỗ, miệng cấp gió gắn phin lọc HEPA theo tiêu chuẩn GMP-WHO và hệ thống thải khí độc hại qua cụm lọc RPT hoặc BIBO (Bag-in/Bag-out).
Chương 2: Hệ thống điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch
Chương 2 mô tả chi tiết sơ đồ nguyên lý và thành phần chức năng của vòng điều khiển kín lưu lượng không khí:
- Sơ đồ nguyên lý điều khiển: Không khí tuần hoàn từ phòng qua miệng hồi (7) về AHU, hòa trộn với một phần khí tươi, đi qua dàn lạnh (6) và được quạt gió (5) đẩy qua phin lọc cấp khí HEPA (1) vào phòng. Cảm biến lưu lượng (2) đo giá trị thực tế $z(t)$ truyền về bộ điều khiển PLC/PID (3) dạng tín hiệu 4–20mA. Bộ điều khiển tính toán sai lệch $e(t) = v(t) - z(t)$ và xuất tín hiệu điều khiển $u(t)$ (4–20mA) tới biến tần (4). Biến tần điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ quạt (5), thay đổi tốc độ quay để duy trì lưu lượng đặt.
- Đặc tính tải quạt gió: Tải quạt gió có mô-men cản tỷ lệ với bình phương tốc độ quay, điện áp yêu cầu là hàm bậc 4 của tần số. Biến tần OMRON 3G3RX ứng dụng kỹ thuật PWM với van IGBT giúp giảm tiếng ồn, tổn hao lõi từ và tiết kiệm điện năng tiêu thụ tỉ lệ thuận với nhu cầu lưu lượng.
- Nguyên lý đo lưu lượng áp điện: Chuyển đổi lực ép do áp suất khí quyển tác động lên màng có diện tích $F$ thành điện tích $Q = k \cdot P \cdot F$ qua khối thạch anh kết nối mạch khuếch đại điện tử có tổng trở đầu vào $10^{13} \ \Omega$, xuất tín hiệu dòng chuẩn 4–20mA về PLC.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết nhận dạng và tổng hợp bộ điều khiển
Chương 3 xây dựng cơ sở toán học cho bài toán điều khiển hệ nhiệt - khí động:
- Phân loại đối tượng: Phòng sạch là hệ đa biến (MIMO) liên kết giữa nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và lưu lượng. Tuy nhiên, khi xét riêng kênh điều khiển lưu lượng không khí phục vụ tiết kiệm năng lượng, bài toán được quy chuẩn về đối tượng một đầu vào - một đầu ra (SISO).
- Mô hình hóa giải tích đối tượng bậc hai có trễ: Từ đường cong phản ứng bước nhảy, xác định giá trị xác lập $h(\infty)$, tọa độ điểm uốn $(t_u, h_u)$, hệ số tung độ tương đối $g = h_u / h(\infty)$. So sánh $g$ với ngưỡng $g_{\max} = 1 - 2e^{-1} \approx 0{,}26424$:
- Nếu $g < g_{\max}$: tính biến đổi trung gian $v = \frac{g - 0{,}364}{0{,}458 - 0{,}584 g}$ để suy ra hằng số thời gian $T_1 = T_a \ln(v)$.
- Nếu $g > g_{\max}$: tính độ lệch $\delta = g - g_{\max}$ để xác định $T_1 = T_2 = \frac{T_a(1 - 0{,}9\delta)}{e}$.
- Đánh giá chất lượng điều khiển: Thiết lập các chỉ tiêu chất lượng chuyển trạng thái gồm: thời gian điều chỉnh $T_q$ (theo dải sai lệch $\pm \Delta$), độ quá điều chỉnh $\delta = \frac{h_{\max} - h(\infty)}{h(\infty)} \times 100%$ (yêu cầu từ 10% đến 50%), hệ số tắt dần $\psi = 1 - \frac{A_2}{A_1}$, chỉ số dao động $m = \frac{1}{2\pi}\ln(1-\psi)$ và các chỉ tiêu tích phân sai số $J_1, J_{1a}, J_2, J_{2a}$.
Chương 4: Lấy số liệu và tính toán cụ thể
Chương 4 cung cấp số liệu thực nghiệm đo đạc đáp ứng lưu lượng không khí của hệ thống khi có tín hiệu kích thích đầu vào $x_0 = 5$:
| Thời gian $t$ (s) |
Lưu lượng $h(t)$ ($\text{m}^3/\text{h}$) |
Thời gian $t$ (s) |
Lưu lượng $h(t)$ ($\text{m}^3/\text{h}$) |
| 0 |
0 |
7 |
700 |
| 1 |
20 |
8 |
787,5 |
| 2 |
62,5 |
9 |
825 |
| 3 |
175 |
10 |
875 |
| 4 |
312,5 |
12 |
925 |
| 5 |
475 |
14 |
975 |
| 6 |
575 |
16 |
987,5 |
| - |
- |
18 |
997,5 |
| - |
- |
20 |
1000 |
Từ bảng số liệu thực nghiệm:
- Giá trị xác lập: $h(\infty) = 1000 \ \text{m}^3/\text{h}$.
- Hệ số truyền đối tượng: $K = \frac{h(\infty)}{x_0} = \frac{1000}{5} = 200$.
- Các tham số động học thu được từ đặc tính quá độ: hằng số quán tính $T_a = 3{,}1 \text{ s}$, điểm uốn và trễ vận tải được nhận dạng thông qua công cụ
M/2Lag+DT/Run_Optim trong gói phần mềm CASCAD/DATA-PROCESS, làm cơ sở để tổng hợp các tham số bộ điều chỉnh PID/bền vững tối ưu.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
- Mô hình hóa hệ thống: Xác định được hàm truyền thực nghiệm kênh lưu lượng không khí trong hệ thống phòng sạch dưới dạng khâu quán tính bậc hai có trễ vận tải, với hệ số khuếch đại $K = 200$, phản ánh chính xác quán tính khí động của đường ống và cụm quạt - AHU.
- Giải pháp phần cứng tích hợp: Xây dựng hoàn chỉnh cấu hình kết nối điều khiển tự động giữa PLC Siemens S7-300 (sử dụng module SM Analog 4–20mA), biến tần Omron 3G3RX-A2300 (công suất 30kW) và cảm biến lưu lượng Quingtianweiye.
- Đóng góp thuật toán điều khiển: Đề xuất cấu trúc bộ điều khiển bền vững chất lượng cao có bổ sung khâu tích phân kháng nhiễu, giúp triệt tiêu sai số xác lập đối với đối tượng quán tính lớn khi chịu tác động của các xung nhiễu bậc thang trong quá trình vận hành.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án mới tập trung giải quyết bài toán điều khiển độc lập kênh lưu lượng gió (mô hình SISO), chưa xét đến tương tác đa biến đồng thời (MIMO) giữa lưu lượng với trường nhiệt độ, độ ẩm tương đối và áp suất vi sai giữa các phòng sạch liền kề.
- Hướng phát triển:
- Mở rộng cấu hình điều khiển đa biến tích hợp giải thuật phân rã kênh điều khiển (Decoupling Control) cho toàn bộ các thông số vi khí hậu.
- Triển khai mạng truyền thông công nghiệp (PROFIBUS hoặc MODBUS RTU qua cổng RS-485 của biến tần) thay vì điều khiển hoàn toàn bằng tín hiệu tương tự (Analog 4–20mA) nhằm nâng cao độ chính xác và khả năng giám sát từ xa qua hệ thống SCADA/BMS.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh, Điều hòa không khí & Thông gió (HVAC), cũng như ngành Tự động hóa và Cơ điện tử:
- Phần đáng tham khảo: Phương pháp nhận dạng đối tượng nhiệt lạnh bậc hai có trễ từ chuỗi dữ liệu thực nghiệm; thuật toán tổng hợp bộ điều khiển bền vững tối ưu có tăng cường tích phân kháng nhiễu; phương pháp cấu hình ghép nối tín hiệu giữa PLC S7-300 và biến tần Omron 3G3RX.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đối tượng điều khiển phòng sạch là hệ đa liên kết nhưng trong đồ án lại được xem là đối tượng một đầu vào - một đầu ra (SISO)?
Phòng sạch có nhiều thông số cần kiểm soát như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và độ sạch. Tuy nhiên, trong phạm vi giới hạn của đồ án là tập trung giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng thông qua điều chỉnh lưu lượng gió cấp bằng biến tần, tác giả đã tách riêng kênh tác động từ tần số biến tần/quạt đến lưu lượng gió đo được tại miệng cấp để quy về bài toán SISO độc lập.
2. Bội số tuần hoàn (ACH) và áp suất yêu cầu cho phòng pha chế cấp C trong nhà máy dược là bao nhiêu?
Theo số liệu đối chuẩn trong Chương 1, phòng pha chế có cấp độ sạch C yêu cầu duy trì áp suất dương $+30 \text{ Pa}$, số lần trao đổi gió là $20 \text{ lần/h}$ và trang bị phin lọc HEPA cấp H12.
3. Công suất và dải tần số đầu ra của biến tần OMRON 3G3RX-A2300 sử dụng trong đồ án là bao nhiêu?
Biến tần OMRON 3G3RX-A2300 có công suất định mức cho động cơ là $30 \text{ kW}$ (công suất ra danh định $41{,}9 \text{ kVA}$), điện áp 3 pha 200–240V AC, dải tần số đầu ra điều chỉnh từ $0{,}1 \text{ Hz}$ đến $400 \text{ Hz}$ với độ phân giải tần số đạt $0{,}01 \text{ Hz}$.
4. Dữ liệu thực nghiệm đáp ứng quá độ lưu lượng gió đạt giá trị xác lập là bao nhiêu và hệ số truyền $K$ tính ra như thế nào?
Khi tác động tín hiệu kích thích đầu vào $x_0 = 5$, lưu lượng gió $h(t)$ tăng từ $0 \ \text{m}^3/\text{h}$ ở $0 \text{ s}$ lên giá trị xác lập $h(\infty) = 1000 \ \text{m}^3/\text{h}$ ở $20 \text{ s}$. Hệ số truyền của đối tượng được tính bằng công thức:
$$K = \frac{h(\infty)}{x_0} = \frac{1000}{5} = 200$$
5. Tại sao cần bổ sung thành phần tích phân $A/s$ vào cấu trúc bộ điều khiển bền vững nguyên bản?
Đối với các đối tượng công nghiệp có hằng số quán tính $T$ lớn, bộ điều khiển bền vững nguyên bản phản ứng chậm với nhiễu và dễ xuất hiện sai số xác lập khi chịu nhiễu quá trình. Việc bổ sung thành phần tích phân tăng cường giúp triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập do nhiễu và đẩy nhanh tốc độ hội tụ của hệ thống.
Kết luận
Đồ án "Điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch thông qua biến tần" đã hoàn thành việc thiết kế giải pháp điều khiển tự động lưu lượng gió ứng dụng biến tần OMRON và PLC SIEMENS S7-300 nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng trong hệ thống HVAC phòng sạch. Tác giả đã hệ thống hóa lý thuyết nhận dạng đối tượng quán tính bậc hai có trễ và đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển bền vững tối ưu có khả năng kháng nhiễu cao. Kết quả nhận dạng từ chuỗi dữ liệu thực nghiệm 20 giây ($K = 200$, xác lập tại $1000 \ \text{m}^3/\text{h}$) là cơ sở thực tiễn quan trọng cho việc cài đặt và vận hành hệ thống thông gió phòng sạch công nghiệp.
