MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ở các nƣớc phát triển việc sử dụng hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) rất phổ biến, nhƣng ở Việt Nam việc sử dụng hệ thống này còn rất hạn chế. BMS là hệ thống tích hợp điều khiển và giám sát các hệ thống kỹ thuật trong tòa nhà nhằm phối hợp vận hành các hệ thống con một cách thống nhất và linh hoạt. Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà một cách hiệu quả và kinh tế.
Hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) là một phần không thể thiếu đƣợc của BMS, đây là hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí, có tác dụng điều chỉnh, cải thiện môi trƣờng không khí, môi trƣờng làm việc của con ngƣời trong tòa nhà. Do nhu cầu nâng cao chất lƣợng môi trƣờng nói chung, đặc biệt là môi trƣờng sống và làm việc. Vì vậy việc tìm hiểu và áp dụng dịch vụ HVAC và hệ thống BMS là rất cần thiêt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 2 Hiện nay tại Trung tâm thí nghiệm -Trƣờng ĐHKTCN đƣợc trang bị mô hình quá trình dịch vụ trong tòa nhà HVAC phục vụ cho công tác thí nghiệm và NCKH.
Để nâng cao hiểu biết, khả năng khai thác và vận dụng vào thực tế công tác, đƣợc sự giúp đỡ của Thày giáo hƣớng dẫn tôi quyết định chọn 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" 2. Mục đích nghiên cứu * Mục tiêu chung: Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật thông gió, điều khiển nhiệt độ, điều hòa không khí trong các tòa nhà và việc điều khiển các yếu tố này bằng hệ thống điều khiển quá trình. Các mục tiêu cụ thể là: * Về lý thuyết: - Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật thông gió, điều khiển nhiệt độ và điều hòa không khí trong các tòa nhà. - Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển quá trình và việc điều khiển thông gió, nhiệt độ và điều hòa không khí trong các tòa nhà bằng hệ thống điều khiển quá trình.
* Về thực tế: - Nghiên cứu việc áp dụng lý thuyết điều khiển quá trình vào việc điều khiển thông gió, nhiệt độ và điều hòa không khí trong các tòa nhà, thông qua việc tìm hiểu “mô hình quá trình dịch vụ trong tòa nhà HVAC” đƣợc trang bị tại Trung tâm thí nghiệm Trƣờng ĐHKTCN. Đối tƣợng nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng cấu trúc, thuật toán điều khiển trong điều khiển quá trình - Nghiên cứu bộ điều khiển phản hồi cho hai bài toán gia nhiệt và thông gió, điều hòa không khí. - Thực hiện mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 3 - Thực nghiệm trên mô hình HVAC tại Phòng 509 - Trung tâm thí nghiệm Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài Trong nhiều năm qua nền kinh tế nƣớc ta từng bƣớc phát triển và đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn.
Kinh tế phát triển nên mức sống tăng lên và các công trình xây dựng nhƣ nhà cửa, khách sạn, văn phòng … mọc lên nhanh chóng. Khi mức sống tăng lên thì con ngƣời sẽ nghĩ đến việc chăm sóc sức khỏe. Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng tới sức khỏe là môi trƣờng không khí xung quanh. Môi trƣờng không khí xung quanh hầu nhƣ không đáp ứng đƣợc các điều kiện.
Chính từ mục tiêu đảm bảo sức khỏe này mà chúng ta cần xậy dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ, thông gió và điều hòa không khí Tuy nhiên đo chƣa hoàn thiện về mặt kỹ thuật nên hệ thống này cần đƣợc nghiên cứu kỹ và tìm kiếm các bộ điều khiển khác nhau để tìm ra phƣơng án kỹ thuật tối ƣu nhất. Ý nghĩa khoa học ở trọng luận vân này là góp phần hoàn thiện thêm về chất lƣợng cho hệ thống HVAC. Nội dung thực hiện Chƣơng 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển quá trình Chƣơng 2: Giới thiệu và xây dựng mô hình toán học hệ thống HVAC Chƣơng 3: Thiết kế cấu trúc, thuật toán điều khiển và mô phỏng Chƣơng 4: Thực nghiệm trên mô hình HVAC tại phòng thí nghiệm Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà máy công nghiệp hiện đại.
Từ những năm đầu của nửa đầu thế kỷ trƣớc cho tới nay, điều khiển tự động chiếm vai trò ngày càng quan trọng trong công nghiệp khai thác, chế biến và năng lƣợng (gọi chung là công nghiệp chế biến) nhƣ công nghiệp dầu khí, lọc dầu, hóa dầu, hóa chất, dƣợc phẩm, thực phẩm, nhà máy điện. Các hệ thống điều khiển và giám sát đƣợc sử dụng trong những lĩnh vực đó có một số đặc thù chung, đƣợc xếp vào phạm trù các hệ thống điều khiển quá trình (process control system). Một hệ thống điều khiển quá trình chứa đựng trong đó toàn bộ các giải pháp đo lƣờng, điều khiển, vận hành và giám sát nhằm đảm bảo các yêu cầu của quá trình và thiết bị công nghệ nhƣ chất lƣợng sản phẩm, sản lƣợng, hiệu quả sản xuất, an toàn cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng.1 Khái niệm về điều khiển quá trình? Khái niệm điều khiển quá trình đƣợc hiểu là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lƣợng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con ngƣời, máy móc và môi trƣờng.1 Quá trình và các biến quá trình Quá trình đƣợc định nghĩa là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lƣợng hoặc thong tin đƣợc biến đổi, vận chuyển hoặc lƣu trữ. Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lƣu trữ vật chất và năng lƣợng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lƣợng.
Một quá trình công nghệ có thể chỉ đơn giản nhƣ quá trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp cũng có thể phức tạp hơn nhƣ một tổ hợp lò phản ứng – tháp chƣng luyện hoặc một tổ hợp lò hơi, tua bin. Quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lƣợng kỹ thuật đƣợc đo hoặc/và đƣợc can thiệp. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là quá trình công nghệ cùng với các phƣơng tiện kỹ thuật nhƣ thiết bị đo và thiết bị chấp hành. Trạng thái hoạt động và diễn biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình.
Khái niệm quá trình cùng với sự phân loại các biến quá trình đƣợc minh họa nhƣ hình sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.1 Quá trình và phân loại biến quá trình Một biến vào là một đại lƣợng hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lƣu lƣợng dòng nguyên liệu, nhiệt độ hơi nƣớc cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của rơ le… Một biến ra là một đại lƣợng hoặc một điều kiện thể hiện tác động của tác động của quá trình ra bên ngoài, ví dụ nồng độ hoặc lƣu lƣợng sản phẩm ra, nồng độ khí thải ở mức bình thƣờng hay quá cao… Nhìn từ quan điểm lý thuyết hệ thống, các biến vào thể hiện nguyên nhân trong khi các biến ra thể hiện kết quả (quan hệ nhân – quả). Bên cạnh các biến vào, ra, nhiều khi ta cũng quan tâm tới các biến trạng thái. Các biến trạng thái mang thông tin về trạng thái bên trong quá trình, ví dụ nhiệt độ lò, áp suất hơi hoặc mức chất lỏng hoặc cũng có thể là dẫn xuất từ các đại lƣợng đặc trƣng khác, ví dụ nhƣ tốc độ biến thiên nhiệt độ, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trƣờng hợp, một biến trạng thái cũng có thể coi là một biến ra.
Ví dụ, mức nƣớc của một bình chứa vừa có thể coi là một biến trạng thái, vừa có thể coi là một biến ra. Một cách tổng quát, nhiệm vụ của hệ thống điều khiển quá trình là can thiệp các biến vào của quá trình một cách hợp lý để các biến ra của nó thỏa mãn các chỉ tiêu cho trƣớc, đồng thời giảm thiểu ảnh hƣởng xấu của quá trình kỹ thuật với con ngƣời và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 6 môi trƣờng xung quanh. Hơn nữa, các diễn biến của quá trình cũng nhƣ các tham số, trạng thái hoạt động của các thành phần trong hệ thống cần đƣợc theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một quá trình công nghệ thì không phải biến nào cũng có thể can thiệp đƣợc và không phải biến ra nào cũng cần phải điều khiển.
Biến cần điều khiển là một biến ra hoặc biến trạng thái của một quá trình đƣợc điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo/tín hiệu mẫu. Các biến cần điều khiển liên quan hệ trọng tới sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lƣợng sản phẩm. Nhiệt độ, mức, lƣu lƣợng, áp suất và nồng độ là những biến cần điều khiển tiêu biểu nhất trong các hệ thống điều khiển quá trình. Các biến ra hoặc biến trạng thái còn lại của quá trình có thể đƣợc đo, ghi chép hoặc hiển thị.
Biến điều khiển là một biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài qua đó tác động tới biến ra theo ý muốn. Trong điều khiển quá trình thì điều khiển lƣu lƣợng là tiêu biểu nhất. Những biến vào còn lại không can thiệp đƣợc một cách trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm đƣợc gọi là nhiễu. Nhiễu tác động tới quá trình một cách không mong muốn, vì thế cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc ít nhất là làm giảm thiểu ảnh hƣởng của nó.
Có thể phân biệt hai loại nhiễu có đặc trƣng khác hẳn nhau là nhiễu quá trình và nhiễu đo. Nhiễu quá trình là những biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một cách cố hữu nhƣng không can thiệp đƣợc, ví dụ trọng lƣợng hàng cần nâng, lƣu lƣợng chất lỏng ra, thành phần nhiên liệu… Còn nhiễu đo hay nhiễu tạp là nhiễu tác động lên phép đo gây sai số trong giá trị đo đƣợc. Các biến quá trình có thể đo đƣợc hoặc không đo đƣợc. Trong đa số các trƣờng hợp, biến cần điều khiển cũng là một đại lƣợng đo đƣợc.