Đồ án thiết kế chương trình điều khiển và giám sát hệ thống HVAC tại Trường ĐH SPKT TP.HCM 2025

Đồ án thiết kế chương trình điều khiển và giám sát hệ thống HVAC tại HCMUTE, ứng dụng PLC Micro850, biến tần PowerFlex 525 và giao thức MQTT.

• Tác giả: Trần Gia Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
• Đề tài: Thiết kế chương trình điều khiển và giám sát hệ thống HVAC
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan điều khiển và giám sát hệ thống HVAC tại HCMUTE 2025

Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) giữ vai trò trung tâm trong vận hành công trình hiện đại. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) năm 2025 tập trung vào kỹ thuật tự động hóa tiên tiến của hãng Rockwell Automation. Cấu trúc nghiên cứu bao gồm bộ điều khiển lập trình Micro850, biến tần PowerFlex 525 cùng giao diện người - máy PanelView 800. Mạng truyền thông công nghiệp EtherNet/IP đóng vai trò xương sống truyền tải dữ liệu. Toàn bộ thiết bị kết nối đồng bộ qua phần mềm Connected Components Workbench (CCW). Nghiên cứu giải quyết bài toán kiểm soát các thông số vi khí hậu như nhiệt độ, lưu lượng gió và áp suất phòng. Mô hình hướng tới mục tiêu duy trì chất lượng không khí đạt tiêu chuẩn quốc tế. Đồng thời, giải pháp kỹ thuật này triệt để cắt giảm lượng điện năng lãng phí trong các chu kỳ tải thấp. Việc kết hợp phần cứng công nghiệp chuẩn mực đem lại độ ổn định cao cho mô hình thí nghiệm. Đề tài cung cấp nền tảng thực nghiệm vững chắc phục vụ đào tạo kỹ thuật điện tử và tự động hóa tại HCMUTE.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống HVAC trong công trình hiện đại

Hệ thống HVAC chiếm hơn bốn mươi phần trăm tổng điện năng tiêu thụ của một tòa nhà tiêu chuẩn. Việc điều tiết không khí tác động trực tiếp đến sức khỏe con người và tuổi thọ máy móc. Môi trường nhiệt độ và độ ẩm không phù hợp gây suy giảm năng suất làm việc. Ngoài ra, độ ẩm cao tạo điều kiện cho vi khuẩn và nấm mốc phát triển. Một hệ thống điều khiển tự động chuẩn xác hạn chế tối đa sai lệch thông số vận hành. Cơ chế tự động điều chỉnh tốc độ quạt và van lạnh giúp cân bằng nhiệt độ phòng liên tục. Nhờ đó, công trình duy trì mức phát thải carbon thấp và tiết kiệm chi phí bảo trì. Kỹ sư tự động hóa cần nắm vững nguyên lý vận hành để tối ưu hiệu suất thiết bị.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và định hướng triển khai tại HCMUTE

Nghiên cứu hướng tới việc xây dựng mô hình điều khiển thực nghiệm hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm tự động hóa. Đề tài tích hợp các thiết bị tiêu chuẩn công nghiệp nhằm mô phỏng hệ thống điều hòa không khí trung tâm. Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử áp dụng lý thuyết điều khiển tự động vào bài toán thực tế. Mục tiêu cốt lõi là làm chủ kỹ thuật lập trình PLC Micro850 và biến tần PowerFlex 525. Hệ thống phải đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu thông suốt qua mạng cáp Ethernet công nghiệp. Giao diện điều khiển HMI PanelView 800 cung cấp khả năng thao tác trực quan cho người giám sát. Kết quả đề tài tạo ra tài liệu kỹ thuật hữu ích phục vụ học tập và nghiên cứu ứng dụng.

II. Thách thức điều khiển và giám sát hệ thống HVAC tại HCMUTE 2025

Hệ thống HVAC truyền thống bộc lộ nhiều điểm hạn chế về khả năng tự động hóa và tối ưu năng lượng. Phương pháp vận hành thủ công dẫn đến tình trạng động cơ chạy liên tục ở công suất cực đại. Hiện tượng đóng cắt đột ngột gây sụt áp lưới điện và mài mòn các chi tiết cơ khí. Bên cạnh đó, việc thiếu hụt cảm biến thông minh khiến việc kiểm soát nhiệt độ phòng thiếu chính xác. Nhiệt độ buồng lạnh dao động mạnh gây cảm giác khó chịu cho người sử dụng công trình. Mặt khác, các hệ thống điều khiển thế hệ cũ thường sử dụng tín hiệu nối dây tương tự rời rạc. Tín hiệu dòng và áp đường truyền dài thường xuyên bị nhiễu điện từ bóp méo. Chi phí bảo trì đường dây tăng cao khi mở rộng quy mô diện tích giám sát. Sự cố gián đoạn tín hiệu khó xác định vị trí lỗi cụ thể trong thời gian ngắn. Do đó, việc xây dựng kiến trúc điều khiển mạng số hóa trở thành yêu cầu cấp thiết. Đề tài tại HCMUTE năm 2025 tập trung giải quyết triệt để các tồn tại kỹ thuật nêu trên.

2.1. Hạn chế về tổn thất năng lượng và kiểm soát vi khí hậu

Động cơ quạt gió và máy nén khí thường vận hành theo phương thức định tốc. Động cơ tiêu thụ điện năng không đổi ngay cả khi phụ tải nhiệt đã giảm mạnh. Sự lãng phí này gây tăng vọt hóa đơn tiền điện hàng tháng của công trình. Đồng thời, van tiết lưu cơ khí phản ứng chậm trước sự thay đổi nhiệt độ bên ngoài. Hiện tượng quá nhiệt hoặc quá lạnh diễn ra thường xuyên trong các phòng chức năng. Sai số điều chỉnh nhiệt độ lớn làm giảm độ bền thiết bị làm lạnh. Thiết bị đóng ngắt cơ khí chịu hao mòn lớn do số lần chuyển mạch quá nhiều. Các trục trặc kỹ thuật làm gián đoạn điều kiện tiện nghi của người làm việc.

2.2. Khó khăn trong tích hợp truyền thông và giám sát trung tâm

Hệ thống điều khiển cũ thiếu tính tương thích giữa thiết bị của nhiều hãng sản xuất. Đường cáp điều khiển dạng điểm - điểm gây phức tạp cho quá trình lắp đặt tại công trường. Khi khoảng cách truyền tín hiệu kéo dài, suy hao tín hiệu điện áp diễn ra nghiêm trọng. Nhân viên bảo trì không thể đọc mã lỗi biến tần từ xa một cách trực quan. Việc ghi nhận dữ liệu vận hành thủ công dẫn đến nhiều sai số và trễ hạn báo cáo. Mọi thay đổi thông số động cơ đều yêu cầu thao tác trực tiếp tại tủ điện cục bộ. Điều này làm tăng rủi ro mất an toàn điện cho kỹ thuật viên. Do đó, việc chuyển đổi sang truyền thông mạng EtherNet/IP là giải pháp cấp bách nhằm đồng bộ hóa toàn diện hệ thống.

III. Giải pháp điều khiển và giám sát hệ thống HVAC tại HCMUTE 2025

Giải pháp kỹ thuật của nhóm nghiên cứu HCMUTE sử dụng bộ điều khiển PLC Micro850 làm thiết bị điều phối trung tâm. Phần mềm Connected Components Workbench (CCW) đảm nhận toàn bộ quá trình lập trình và cấu hình phần cứng. PLC kết nối trực tiếp với biến tần PowerFlex 525 thông qua cổng giao tiếp EtherNet/IP tích hợp. Giao thức này sử dụng dịch vụ thông điệp rõ ràng (Explicit Messaging) để gửi lệnh điều khiển và thu thập dữ liệu trạng thái. Biến tần được thiết lập thông số P046 bằng 5 và P047 bằng 15 nhằm nhận lệnh chạy và tham chiếu tốc độ từ mạng Ethernet. Khối hàm tự định nghĩa UDFB (User-Defined Function Block) Drive Control hỗ trợ đóng gói các tác vụ giao tiếp phức tạp. Giao diện HMI PanelView 800 mã hiệu 2711R-T7T hiển thị trực quan các thông số vận hành như tần số, dòng điện và điện áp. Người vận hành dễ dàng nhập điểm đặt nhiệt độ và theo dõi cảnh báo sự cố ngay trên màn hình. Cấu trúc mạng Ethernet giúp giảm thiểu tối đa dây dẫn tín hiệu trong tủ điện.

3.1. Cấu hình truyền thông EtherNet IP giữa Micro850 và PowerFlex 525

Bộ điều khiển Micro850 yêu cầu phiên bản phần sụn tối thiểu từ version 4 để hỗ trợ CIP Generic và CIP Symbolic Client. Khối UDFB Drive Control gửi lệnh điều khiển trực tiếp qua giao thức EtherNet/IP công nghiệp. Người thiết lập thực hiện cấu hình cổng mạng nhúng trên biến tần PowerFlex 525 thông qua giao thức TCP/IP. Thông số P046 gán giá trị 5 xác lập nguồn khởi động từ cổng mạng Ethernet. Thông số P047 gán giá trị 15 chỉ định nguồn tham chiếu tốc độ từ mạng truyền thông. Phương thức truyền thông Explicit Messaging trao đổi lệnh Start, Stop, Reverse và tần số đặt liên tục. Đồng thời, biến tần phản hồi thông tin dòng điện và mã lỗi về PLC. Kiến trúc truyền thông phân tán nâng cao độ tin cậy và đơn giản hóa đấu nối cơ điện.

3.2. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên HMI PanelView 800

Màn hình cảm ứng PanelView 800 mã 2711R-T7T kết nối trực tiếp vào cấu trúc phần cứng dự án. Phần mềm CCW hỗ trợ lập trình màn hình theo định hướng ngang hoặc đứng linh hoạt. Giao diện thiết kế bao gồm các nút Start, Stop, thanh đặt tần số và đồ thị thời gian thực. Các trường hiển thị dữ liệu liên kết trực tiếp với biến toàn cục trong PLC Micro850. Màn hình cảnh báo xuất hiện lập tức khi phát hiện tình trạng quá tải dòng hoặc mất pha. Kỹ sư vận hành dễ dàng nhận biết sự cố qua mã màu cảnh báo trực quan. Khả năng tương tác mượt mà giúp rút ngắn thời gian xử lý lỗi tại chỗ. Toàn bộ thông số vận hành của hệ thống HVAC được kiểm soát minh bạch và khoa học.

IV. Hiệu quả điều khiển và giám sát hệ thống HVAC tại HCMUTE 2025

Mô hình điều khiển và giám sát HVAC hoàn thiện đạt hiệu quả cao trong thử nghiệm tại HCMUTE năm 2025. Giải pháp chứng minh khả năng điều tiết lưu lượng gió và duy trì nhiệt độ buồng lạnh ổn định. Việc kết hợp PLC Micro850 và biến tần PowerFlex 525 mang lại mức tiết kiệm điện năng vượt trội. Động cơ điều chỉnh tốc độ mượt mà dựa trên tải nhiệt thực tế thay vì chạy tối đa công suất. Mạng truyền thông EtherNet/IP duy trì tính liên tục và giảm thiểu tình trạng trễ lệnh điều khiển. Giao thức công nghiệp CIP đảm bảo độ toàn vẹn của dữ liệu trong môi trường có nhiều nhiễu trường điện từ. Hơn nữa, giao diện PanelView 800 nâng cao tính tiện dụng và độ an toàn cho người vận hành. Đề tài mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi tại các tòa nhà văn phòng, trường đại học và bệnh viện. Nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng công nghệ tự động hóa hiện đại của sinh viên khoa Đào tạo Quốc tế HCMUTE. Đây là tài liệu tham khảo giá trị cho các dự án điều khiển tòa nhà thông minh.

4.1. Khả năng ứng dụng thực tế trong quản lý tòa nhà thông minh

Kiến trúc điều khiển đề xuất dễ dàng mở rộng sang các hệ thống quản lý tòa nhà (BMS) quy mô lớn. Khả năng tích hợp chuẩn truyền thông EtherNet/IP cho phép kết nối hàng loạt bộ biến tần phân tán trên nhiều tầng lầu. Trung tâm giám sát nhận diện tức thời các biểu hiện bất thường của động cơ trước khi xảy ra hư hỏng nghiêm trọng. Cơ chế điều khiển tốc độ gió theo nhu cầu làm mát giúp cắt giảm từ hai mươi đến ba mươi phần trăm lượng điện tiêu thụ. Doanh nghiệp quản lý tòa nhà tiết kiệm đáng kể ngân sách bảo dưỡng và chi phí năng lượng. Mô hình tạo bước đệm chuyển đổi số hiệu quả cho các hạ tầng công cộng và trung tâm dữ liệu hiện đại.

4.2. Giá trị học thuật và định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Đồ án tốt nghiệp tại HCMUTE 2025 tạo lập tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho đào tạo chuyên ngành. Sinh viên có cơ hội tiếp cận công nghệ tự động hóa chuẩn công nghiệp quốc tế từ hãng Rockwell Automation. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tích hợp thêm giải thuật điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc mạng nơ-ron nhân tạo. Những cải tiến này sẽ giúp dự đoán biến thiên phụ tải nhiệt chính xác hơn theo mùa. Việc bổ sung chuẩn giao tiếp MQTT hoặc BACnet IP sẽ mở đường kết nối hệ thống lên nền tảng đám mây IoT. Khi đó, kỹ sư có thể giám sát tòa nhà từ xa trên thiết bị di động ở mọi nơi.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các công trình xây dựng hiện đại từ dân dụng, thương mại cho đến công nghiệp, hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC - Heating, Ventilation, and Air Conditioning) đóng vai trò nòng cốt nhằm duy trì chất lượng không khí, nhiệt độ và độ ẩm ở mức độ tối ưu cho con người và thiết bị. Tuy nhiên, hệ thống HVAC cũng là thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong các tòa nhà. Theo các số liệu thực tế được nhóm tác giả trích dẫn, hệ thống quạt thông gió (bao gồm quạt cấp và quạt hồi) tiêu tốn khoảng 40% tổng lượng điện năng tiêu thụ của toàn bộ hệ thống HVAC.

Trong thiết kế truyền thống, các động cơ quạt thường được chọn theo công suất cực đại (peak design loads) và hoạt động ở tốc độ cố định, dẫn đến lãng phí năng lượng nghiêm trọng khi phụ tải nhiệt thực tế của công trình phần lớn thời gian đều thấp hơn mức tải đỉnh. Việc ứng dụng biến tần (Variable Frequency Drive - VFD) để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ theo sát nhu cầu thực tế của tòa nhà được xem là một trong những giải pháp cải tạo và thiết kế hồi quy hiệu quả nhất. Xu hướng này phù hợp với định hướng công nghệ của các nhà sản xuất giải pháp HVAC hàng đầu thế giới như Daikin (hệ thống VRV/VRF, lọc bụi PM2.5, điều khiển thông minh qua ứng dụng), Carrier (hệ thống Chiller, bơm nhiệt, tối ưu hóa năng lượng qua biến tần) và Rockwell Automation (các dòng biến tần PowerFlex chuyên dụng cho quạt, bơm và máy nén).

Xuất phát từ thực tiễn trên, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh của sinh viên Trần Gia Ngọc và Võ Huy Vũ (dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Đình Nhơn) đã thực hiện đề tài: "Design Program to Control and Monitor HVAC Systems" (Thiết kế chương trình điều khiển và giám sát hệ thống HVAC).

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định rõ ràng qua 4 nội dung cụ thể:

1. Thiết kế chương trình điều khiển và giám sát hệ thống HVAC cung cấp nhiệt độ không khí cho mô hình tòa nhà.
2. Trực quan hóa hệ thống điều khiển và giám sát nhiệt độ.
3. Vận hành mô hình ở hai chế độ: Tự động (Auto Mode) và Thủ công (Manual Mode).
4. Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả vận hành thực tế so với kết quả tính toán lý thuyết từ mô hình.

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là quy trình điều khiển tốc độ quạt cấp khí (Supply Fan) trong khối xử lý không khí (AHU - Air Handling Unit) và vòng lặp giám sát, điều khiển nhiệt độ không khí cấp cho mô hình tòa nhà trung tâm. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được thực hiện trên mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh với kích thước hình học xác định; phạm vi thời gian thực hiện và nghiệm thu hoàn thành vào tháng 01 năm 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng từ sự kết hợp giữa các tiêu chuẩn kỹ thuật thông gió công trình, lý thuyết động học chất khí và các nguyên lý điều khiển tự động hóa công nghiệp:

• Tiêu chuẩn thông gió: Đề tài áp dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687:2010 (Phụ lục G - Quy định lưu lượng không khí ngoài cấp vào phòng thông gió cơ khí). Đối với loại phòng thí nghiệm (Laboratory), tiêu chuẩn quy định bội số trao đổi không khí $m$ dao động từ 10 đến 12 lần/giờ. Tác giả chọn hệ số trao đổi không khí cực đại $m = 12$ lần/giờ để tính toán lưu lượng thông gió cần thiết cho mô hình.
• Lý thuyết tính toán thể tích và lưu lượng khí: Thể tích không gian phòng được xác định qua công thức hình học: $$V = L \times W \times H \quad (\text{m}^3)$$ Lưu lượng gió cấp yêu cầu $L$ được tính toán theo công thức: $$L = m \times V_p \quad (\text{m}^3/\text{h})$$ Trong đó $m$ là bội số trao đổi không khí (lần/h) và $V_p$ là thể tích không gian (m$^3$).
• Đặc tính cơ học của quạt ly tâm: Mối quan hệ tỷ lệ tuyến tính giữa tốc độ vòng quay động cơ và lưu lượng gió cấp của quạt ly tâm được tính theo công thức: $$\frac{N_1}{L_1} = \frac{N_2}{L_2}$$ Trong đó $N_1, L_1$ lần lượt là tốc độ quay định mức (rpm) và lưu lượng định mức (m$^3$/h); $N_2, L_2$ là tốc độ quay mong muốn và lưu lượng yêu cầu thực tế.
• Lý thuyết điều khiển phản hồi PID: Sử dụng thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) được cấu hình trực tiếp trên biến tần nhằm duy trì nhiệt độ đặt trước thông qua việc điều biến tần số cấp nguồn cho động cơ quạt.
• Giao thức truyền thông công nghiệp và IoT: Sử dụng mạng truyền thông EtherNet/IP dựa trên nền tảng Common Industrial Protocol (CIP) để trao đổi dữ liệu điều khiển thời gian thực giữa bộ điều khiển lập trình (PLC), biến tần (VFD) và giao diện người - máy (HMI). Đồng thời, nhóm nghiên cứu tích hợp giao thức truyền thông nhẹ MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) theo kiến trúc Publish/Subscribe cùng phần mềm trung gian MQTT Broker Mosquitto và nền tảng Node-RED để giám sát dữ liệu từ xa.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp tính toán lý thuyết kỹ thuật (tính toán thể tích, lưu lượng và tốc độ động cơ), phương pháp thiết kế kỹ thuật (lập trình PLC chuẩn IEC 61131-3, cấu hình biến tần và giao diện HMI), và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng (vận hành trực tiếp trên mô hình vật lý ở cả hai chế độ Manual và Auto). Nguồn dữ liệu sử dụng gồm các thông số kỹ thuật phần cứng của hãng Rockwell Automation, tiêu chuẩn xây dựng TCVN 5687:2010 và tín hiệu tương tự (Analog 4-20mA) thu thập trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở kim loại PT100 qua bộ chuyển đổi SBWZ Transmitter.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống điều khiển và giám sát được triển khai theo cấu trúc liên kết mạng công nghiệp tập trung. Thiết bị điều khiển khả trình PLC Allen-Bradley Micro850 đóng vai trò trung tâm xử lý, kết nối với máy tính vận hành (PC), biến tần PowerFlex 525 và màn hình cảm ứng HMI PanelView 800 thông qua bộ chuyển mạch công nghiệp Stratix 2000 qua giao thức EtherNet/IP.

Thiết bị / Thành phần	Mã sản phẩm / Thông số kỹ thuật cụ thể	Chức năng trong hệ thống
PLC Micro850	Allen-Bradley 2080-LC50-24QWB; nguồn 24V DC, ngõ vào 24V DC/V AC; hỗ trợ mở rộng tới 132 I/O qua 4 module mở rộng và 5 module Plug-in; 6 bộ đếm xung tốc độ cao HSC 100kHz; tích hợp cổng EtherNet/IP (RJ-45), USB Type B, RS232/RS485.	Thu thập dữ liệu tín hiệu nhiệt độ, xử lý logic điều khiển, giao tiếp CIP Explicit Messaging với biến tần.
Biến tần PowerFlex 525	Allen-Bradley 25B-A4B8N104 Series A; ngõ vào 1 pha 200–240VAC (47–63Hz), ngõ ra 3 pha 0–600Hz; dòng ngắn mạch 100kA; cổng EtherNet/IP tích hợp; dải nhiệt độ làm việc -20°C đến 70°C (có quạt tản nhiệt).	Điều khiển tốc độ động cơ quạt ly tâm, tích hợp vòng lặp điều khiển PID độc lập, nhận lệnh điều khiển qua mạng.
Switch công nghiệp	Allen-Bradley Stratix 2000 (1783-US5T); dòng Unmanaged Switch; hỗ trợ cổng đồng/quang SFP tốc độ 100MB/1Gb; chuẩn vỏ bảo vệ công nghiệp IP-30; cơ chế cắm là chạy (Plug-and-Play).	Cung cấp hạ tầng liên kết mạng vật lý giữa PC, PLC, biến tần và HMI.
Màn hình HMI	PanelView 800 (2711R-T7T Series A); màn hình màu cảm ứng TFT 7 inch, độ phân giải 65K màu; vi xử lý 800MHz, bộ nhớ 128MB/256MB; nguồn cấp 24V DC (11W); giao tiếp EtherNet, RS-232, RS-422/RS-485, USB host, thẻ microSD.	Giao diện vận hành tại chỗ, hiển thị nhiệt độ thực tế, cho phép cài đặt nhiệt độ đặt, chuyển đổi chế độ Manual/Auto.
Cảm biến nhiệt độ	PT100 dạng RTD; dải đo nhiệt độ -50°C đến 150°C; que đo dài 50mm, đường kính 5mm; chiều dài dây dẫn 2m.	Đo lường nhiệt độ không khí bên trong mô hình tòa nhà.
Bộ chuyển đổi tín hiệu	SBWZ PT100 Transmitter; nguồn cấp 24V DC; tín hiệu ngõ ra dòng 4–20mA (giới hạn tối đa 28mA); dải can nhiệt 0–300°C; độ chính xác ±0.2% FS; sai lệch nhiệt độ ±0.5 FS.	Chuyển đổi điện trở thay đổi từ đầu đo PT100 thành tín hiệu dòng điện tuyến tính tiêu chuẩn 4–20mA đưa về PLC.
Động cơ quạt ly tâm	Quạt ly tâm 3 pha; lưu lượng định mức $L_1 = 660\text{ m}^3/\text{h}$, tốc độ định mức $N_1 = 2800\text{ rpm}$.	Cung cấp luồng khí qua đường ống dẫn AHU vào mô hình buồng khí.

Quá trình tính toán kỹ thuật để định cỡ hệ thống được thực hiện với các thông số cụ thể:

• Kích thước mô hình buồng tòa nhà trung tâm: Chiều dài $L = 0.9\text{ m}$, chiều rộng $W = 0.6\text{ m}$, chiều cao $H = 0.7\text{ m}$.
• Thể tích mô hình tòa nhà được xác định: $$V = 0.9 \times 0.6 \times 0.7 = 0.378\text{ m}^3$$
• Căn cứ theo TCVN 5687:2010 với bội số thông gió phòng thí nghiệm $m = 12$ lần/h, lưu lượng gió tươi cần cung cấp là: $$L = 12 \times 0.378 = 4.536\text{ m}^3/\text{h}$$ Nhóm nghiên cứu lấy lưu lượng tối đa làm tròn để tính toán là $5\text{ m}^3/\text{h}$.
• Với động cơ quạt ly tâm có sẵn trong phòng thí nghiệm ($L_1 = 660\text{ m}^3/\text{h}$, $N_1 = 2800\text{ rpm}$), tốc độ động cơ cần thiết $N_2$ để cấp lưu lượng $5\text{ m}^3/\text{h}$ được xác định bằng: $$\frac{2800}{660} = \frac{N_2}{5} \implies N_2 \approx 21.2\text{ rpm}$$ Từ kết quả này, tốc độ quay của quạt được xác lập ở mức $22\text{ rpm}$. Ngược lại, nếu quạt chạy hết công suất thiết kế ($660\text{ m}^3/\text{h}$ với $m = 12$), hệ thống có khả năng cấp gió cho một không gian thực tế có thể tích lên tới $V_p = 55\text{ m}^3$.

Về mặt phần mềm, hệ thống được cấu hình toàn diện trong môi trường Connected Components Workbench (CCW) của Rockwell Automation:

1. Lập trình PLC Micro850: Nhóm tác giả sử dụng ngôn ngữ Ladder Diagram (LD) kết hợp việc nhập các khối hàm do người dùng định nghĩa (User-Defined Function Blocks - UDFB) để giao tiếp với biến tần qua thông điệp Explicit Messaging (CIP Generic và CIP Symbolic Client). Yêu cầu kỹ thuật bắt buộc là firmware của PLC Micro850 phải đạt từ phiên bản 4 trở lên.
2. Cấu hình biến tần PowerFlex 525: Để cho phép điều khiển và truyền giá trị đặt tốc độ qua cổng mạng EtherNet/IP tích hợp, hai tham số điều khiển chính bắt buộc phải thiết lập là:
   • Tham số $P046$ (Start Source 1) = 5 (EtherNet/IP).
   • Tham số $P047$ (Speed Reference 1) = 15 (EtherNet/IP). Đồng thời, cấu hình tính năng PID bên trong PowerFlex 525 nhằm xử lý tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhiệt độ.
3. Mạng truyền thông và Giám sát: Cấu hình địa chỉ IP tĩnh cho từng thiết bị (PC, Micro850, PowerFlex 525, PanelView 800) đồng bộ qua phần mềm RSLinx Classic. Trên giao diện giám sát, ngoài các trang màn hình chính (Main Screen), trang điều khiển bằng tay (Manual Screen) và tự động (Auto Screen) trên HMI PanelView 800, nhóm tác giả triển khai khối mqtt in trên nền tảng Node-RED kết nối tới Broker Mosquitto nhằm phục vụ hiển thị dữ liệu giám sát hệ thống từ xa qua giao thức MQTT.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu (CHAPTER 1: INTRODUCTION)

Chương mở đầu phân tích bức tranh tổng thể về vai trò của hệ thống HVAC trong việc duy trì vi khí hậu công trình. Tác giả chỉ ra rằng quạt gió chiếm tới khoảng 40% lượng điện tiêu thụ trong hệ thống HVAC và việc điều khiển biến thiên lưu lượng khí qua biến tần (VFD) dựa trên các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ CO$_2$ là giải pháp then chốt để tiết kiệm năng lượng. Chương này tổng kết giải pháp của các hãng lớn (Daikin, Carrier, Rockwell Automation), xác lập lý do chọn đề tài, đặt ra 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, tóm tắt bố cục 5 chương của đồ án và phương pháp tiếp cận dựa trên lý thuyết điều khiển PLC cho cụm AHU.

Chương 2: Thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển quạt cấp trong hệ thống HVAC (CHAPTER 2: DESIGN HARDWARE AND SOFTWARE TO CONTROL SUPPLY FAN IN HVAC SYSTEMS)

Chương 2 trình bày chi tiết toàn bộ cơ sở thiết kế kỹ thuật của hệ thống. Tác giả thuyết minh sơ đồ khối kết nối qua giao thức EtherNet/IP và switch Stratix 2000. Toàn bộ thông số kỹ thuật chi tiết của các thiết bị phần cứng được làm rõ: PLC Micro850 (2080-LC50-24QWB), biến tần PowerFlex 525 (25B-A4B8N104 Series A), Switch công nghiệp Stratix 2000 (1783-US5T), HMI PanelView 800 (2711R-T7T Series A), cảm biến nhiệt độ PT100 và bộ chuyển đổi tín hiệu SBWZ Transmitter (ngõ ra 4–20mA). Về mặt tính toán, chương này đưa ra các công thức xác định thể tích mô hình buồng khí trung tâm ($0.378\text{ m}^3$), áp dụng tiêu chuẩn TCVN 5687:2010 Phụ lục G để chọn bội số trao đổi khí $m = 12$ lần/h, tính ra lưu lượng gió yêu cầu ($4.536\text{ m}^3/\text{h}$, làm tròn $5\text{ m}^3/\text{h}$) và tốc độ quạt tương ứng ($22\text{ rpm}$). Về phần mềm, chương mô tả quy trình khởi tạo dự án trên Connected Components Workbench (CCW), thêm các thiết bị vào dự án, cấu hình khối hàm người dùng UDFB để điều khiển biến tần qua EtherNet/IP, thiết lập các tham số $P046=5$ và $P047=15$, thiết lập thuật toán PID trên biến tần và cấu hình giao thức MQTT kết hợp phần mềm Mosquitto Broker.

Chương 3: Thi công phần cứng và xây dựng phần mềm điều khiển quạt cấp trong hệ thống HVAC (CHAPTER 3: CONSTRUCT HARDWARE AND SOFTWARE TO CONTROL SUPPLY FAN IN HVAC SYSTEMS)

Chương 3 tập trung vào khâu triển khai chế tạo và cài đặt thực tế. Phần cứng được thi công gồm việc chế tạo hệ thống đường ống dẫn khí bằng tôn (corrugated iron pipes), lắp đặt quạt ly tâm vào hộp ống dẫn của khối xử lý không khí AHU, đấu nối đường ống cấp gió từ AHU vào mô hình buồng tòa nhà và thực hiện đấu dây cảm biến nhiệt độ PT100 về bộ chuyển đổi SBWZ rồi dẫn tín hiệu analog về PLC. Về truyền thông, chương hướng dẫn các bước gán địa chỉ IP tĩnh cho máy tính, PLC Micro850, biến tần PowerFlex 525 và HMI PanelView 800; thiết lập kết nối driver qua RSLinx Classic để nạp chương trình xuống PLC. Về giao diện, nhóm tác giả thiết kế bảng biến (Tag Editor) và các màn hình vận hành trên PanelView 800 gồm màn hình chính (Main Screen), màn hình chế độ tay (Manual Screen), màn hình chế độ tự động (Auto Screen); đồng thời lập trình luồng giám sát trên Node-RED sử dụng khối chức năng MQTT.

Chương 4: Vận hành thực tế và đánh giá (CHAPTER 4: ACTUAL OPERATION AND EVALUATION)

Chương 4 mô tả nguyên lý vận hành tổng thể của hệ thống điều khiển quạt cấp và phân tích kết quả chạy thử nghiệm trên mô hình thực tế. Quá trình kiểm nghiệm được tiến hành độc lập trên hai chế độ:

• Chế độ Manual (Manual Mode): Người vận hành chủ động thiết lập tần số/tốc độ của biến tần và theo dõi trực tiếp trạng thái quạt cùng sự thay đổi nhiệt độ trên màn hình giám sát.
• Chế độ Auto (Auto Mode): Hệ thống tự động kích hoạt thuật toán điều khiển phản hồi PID cài đặt trên biến tần. Biến tần tự động điều chỉnh tần số cấp cho động cơ quạt dựa trên sai lệch giữa nhiệt độ thực tế đo bởi cảm biến PT100 và nhiệt độ đặt mong muốn. Kết quả vận hành ở cả hai chế độ được đánh giá, so sánh trực tiếp với các giá trị tính toán lý thuyết đã thiết lập ở Chương 2.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển (CHAPTER 5: CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTION)

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được của đề tài sau quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm; khẳng định việc hoàn thành các mục tiêu ban đầu về điều khiển, giám sát nhiệt độ và tiết kiệm năng lượng cho mô hình quạt AHU; đồng thời chỉ ra các hạn chế kỹ thuật còn tồn tại và đề xuất các giải pháp nâng cấp, phát triển hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện việc xây dựng một mô hình hệ thống điều khiển và giám sát quạt cấp AHU trong HVAC với các kết quả cụ thể:

• Kết quả kỹ thuật và số liệu thực nghiệm:
  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình buồng khí thể tích thực nghiệm $0.378\text{ m}^3$ kết nối với cụm ống tôn AHU và động cơ quạt ly tâm.
  • Tính toán định cỡ chính xác lưu lượng thông gió $4.536\text{ m}^3/\text{h}$ (chọn mức $5\text{ m}^3/\text{h}$) theo chuẩn TCVN 5687:2010 với bội số trao đổi khí $m=12$ lần/h, xác định điểm làm việc của động cơ quạt ly tâm ở tốc độ $22\text{ rpm}$ (từ thông số định mức $2800\text{ rpm} - 660\text{ m}^3/\text{h}$).
  • Thiết lập thành công mạng truyền thông công nghiệp EtherNet/IP liên kết đồng bộ giữa PLC Micro850, biến tần PowerFlex 525, Switch Stratix 2000 và HMI PanelView 800.
  • Lập trình thành công khối UDFB điều khiển biến tần qua thông điệp Explicit Messaging với các thiết lập tham số chuẩn xác ($P046=5, P047=15$), tích hợp chuyển đổi mượt mà giữa chế độ Manual và Auto dựa trên thuật toán PID.
  • Thu thập chính xác tín hiệu nhiệt độ qua cảm biến PT100 và bộ chuyển đổi SBWZ (dải chuyển đổi 4–20mA tương ứng $0–300^\circ\text{C}$, độ chính xác $\pm 0.2%$ FS).
  • Tích hợp thêm kênh giám sát không dây từ xa sử dụng giao thức MQTT, Mosquitto Broker và giao diện trực quan hóa Node-RED.
• Giải pháp kỹ thuật đề xuất: Đề xuất cấu trúc điều khiển tích hợp linh hoạt giữa tự động hóa công nghiệp cấp trường (PLC - Inverter - HMI qua EtherNet/IP) và tầng giám sát IoT phân tán (MQTT qua Node-RED). Việc tận dụng bộ điều khiển PID tích hợp sẵn trên biến tần PowerFlex 525 giúp giảm tải xử lý tính toán cho CPU của PLC Micro850.
• Đóng góp của đồ án: Khóa luận đã hiện thực hóa việc kết hợp giữa tính toán lý thuyết công nghệ lạnh/thông gió (tiêu chuẩn TCVN) với giải pháp điều khiển tự động hóa bằng thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn của Rockwell Automation. Công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh từ khâu tính toán tải gió, cấu hình phần cứng, cài đặt tham số biến tần, lập trình khối hàm UDFB cho tới tích hợp giám sát IoT.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên các nội dung được trình bày trong tài liệu đồ án, một số hạn chế và định hướng phát triển được xác định:

• Hạn chế:
  • Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm phòng thí nghiệm với thể tích buồng khí nhỏ ($0.378\text{ m}^3$), chưa triển khai thực tế trên hệ thống HVAC công suất lớn tại các tòa nhà thương mại thực thụ.
  • Hệ thống quạt ly tâm có sẵn trong phòng thí nghiệm có công suất và lưu lượng định mức khá lớn ($660\text{ m}^3/\text{h}$) so với nhu cầu thực tế của mô hình nhỏ ($5\text{ m}^3/\text{h}$), buộc quạt phải hoạt động ở dải tần số/tốc độ rất thấp ($22\text{ rpm}$ so với định mức $2800\text{ rpm}$).
  • Đề tài tập trung chủ yếu vào quạt cấp (Supply Fan) và biến trạng thái nhiệt độ, chưa tích hợp đầy đủ các vòng lặp kiểm soát các đại lượng khác của hệ HVAC hoàn chỉnh như độ ẩm, áp suất chênh lệch đường ống, và nồng độ chất lượng không khí (CO$_2$, bụi mịn PM2.5).
• Hướng phát triển tiếp theo:
  • Mở rộng thuật toán điều khiển để kiểm soát đồng thời cả quạt cấp, quạt hồi và các van gió tươi/gió thải (dampers) nhằm tối ưu hóa toàn diện hiệu quả năng lượng.
  • Bổ sung các cảm biến đo lường độ ẩm và chất lượng không khí (CO$_2$/PM2.5) vào vòng lặp điều khiển đa biến.
  • Nâng cấp mô hình từ phạm vi phòng thí nghiệm lên ứng dụng thử nghiệm tại một khu vực phòng thực tế trong khuôn viên trường đại học (với thể tích phòng thực tế đến $55\text{ m}^3$).

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành: Tài liệu là nguồn tham khảo trực tiếp cho sinh viên thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh (HVAC) khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án tích hợp hệ thống.
• Kỹ sư tích hợp hệ thống tự động hóa: Các hướng dẫn từng bước về việc liên kết thiết bị Allen-Bradley/Rockwell Automation (Micro850, PowerFlex 525, PanelView 800) trong môi trường Connected Components Workbench (CCW) là tài liệu mẫu hữu ích trong thực tế sản xuất. Đặc biệt, phần hướng dẫn chi tiết cách viết và cấu hình khối hàm người dùng (UDFB) để điều khiển biến tần PowerFlex 525 qua mạng EtherNet/IP bằng Explicit Messaging và cấu hình tham số ($P046=5, P047=15$) có tính ứng dụng thực tiễn rất cao.
• Nghiên cứu ứng dụng IoT công nghiệp (IIoT): Phần triển khai cầu nối dữ liệu giữa hệ PLC công nghiệp và nền tảng giám sát Node-RED thông qua giao thức MQTT và Mosquitto Broker là ví dụ điển hình cho các kỹ sư muốn hiện đại hóa hệ thống SCADA truyền thống sang kiến trúc IoT.

Câu hỏi thường gặp

1. Lưu lượng gió cấp và tốc độ quay của quạt ly tâm cho mô hình buồng tòa nhà được tính toán dựa trên căn cứ nào?
Mô hình buồng tòa nhà có kích thước $0.9\text{ m} \times 0.6\text{ m} \times 0.7\text{ m}$, tương ứng thể tích $V = 0.378\text{ m}^3$. Căn cứ theo Phụ lục G của Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687:2010, bội số trao đổi không khí cho phòng thí nghiệm được chọn là $m = 12$ lần/h, cho ra lưu lượng gió yêu cầu là $L = 12 \times 0.378 = 4.536\text{ m}^3/\text{h}$ (lấy mức tối đa $5\text{ m}^3/\text{h}$). Áp dụng công thức quan hệ tỷ lệ giữa lưu lượng và tốc độ quay của quạt ly tâm ($\frac{N_1}{L_1} = \frac{N_2}{L_2}$) với quạt mẫu có $N_1 = 2800\text{ rpm}$ và $L_1 = 660\text{ m}^3/\text{h}$, tốc độ động cơ quạt được tính toán và xác lập ở mức xấp xỉ $22\text{ rpm}$.

2. Để điều khiển biến tần PowerFlex 525 từ PLC Micro850 qua cổng EtherNet/IP tích hợp, cần đáp ứng điều kiện tiên quyết và cài đặt các tham số nào?
Điều kiện tiên quyết là bộ điều khiển PLC Micro850 phải được cập nhật firmware tối thiểu từ phiên bản 4 trở lên để hỗ trợ giao thức CIP Generic và CIP Symbolic Client messaging. Trên biến tần PowerFlex 525, hai tham số cốt lõi quy định nguồn kích hoạt và nguồn tham chiếu tốc độ bắt buộc phải cài đặt qua cổng Ethernet là: tham số $P046$ (Start Source 1) đặt bằng 5 (EtherNet/IP) và tham số $P047$ (Speed Reference 1) đặt bằng 15 (EtherNet/IP).

3. Khối hàm nào được dùng trong phần mềm CCW để PLC giao tiếp với biến tần và nó hoạt động theo cơ chế nào?
Hệ thống sử dụng khối hàm do người dùng tự định nghĩa (User-Defined Function Block - UDFB) mang tên khối Drive control function. Khối UDFB này thực hiện truyền các lệnh điều khiển (Start, Stop, ghi tốc độ) và đọc phản hồi trạng thái từ biến tần PowerFlex 525 thông qua mạng EtherNet/IP bằng cơ chế truyền thông điệp tường minh (Explicit Messaging).

4. Tín hiệu nhiệt độ từ môi trường được chuyển đổi và xử lý như thế nào trước khi đưa vào thuật toán điều khiển?
Nhiệt độ môi trường buồng khí được đo lường bằng cảm biến nhiệt điện trở kim loại PT100 (dải đo -50°C đến 150°C). Vì ngõ ra của cảm biến là giá trị điện trở thuần, hệ thống sử dụng bộ chuyển đổi SBWZ PT100 Transmitter (độ chính xác $\pm 0.2%$ FS, dải can nhiệt 0–300°C) để chuyển đổi sự thay đổi điện trở thành tín hiệu dòng điện tương tự tiêu chuẩn 4–20mA (tối đa 28mA). Tín hiệu 4–20mA này sau đó được cấp vào kênh đọc analog của hệ thống điều khiển để phản hồi về thuật toán PID.

5. Hệ thống giám sát nhiệt độ và trạng thái quạt từ xa qua internet được xây dựng bằng những công nghệ nào?
Bên cạnh màn hình HMI PanelView 800 đặt tại chỗ, nhóm tác giả xây dựng kênh giám sát từ xa dựa trên giao thức IoT nhẹ MQTT theo kiến trúc Publish/Subscribe. Dữ liệu từ chương trình được xuất sang phần mềm trung gian MQTT Broker Mosquitto và trực quan hóa trên giao diện giám sát máy tính thông qua nền tảng lập trình luồng Node-RED (sử dụng các khối chức năng như mqtt in).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Design Program to Control and Monitor HVAC Systems" của sinh viên Trần Gia Ngọc và Võ Huy Vũ đã giải quyết thành công bài toán tích hợp công nghệ biến tần và điều khiển tự động nhằm tối ưu hóa năng lượng cho cụm quạt cấp AHU trong hệ thống HVAC. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 5687:2010 và xây dựng hệ thống phần cứng, phần mềm đồng bộ trên nền tảng thiết bị Rockwell Automation (PLC Micro850, PowerFlex 525, PanelView 800) cùng giao thức EtherNet/IP và MQTT/Node-RED, công trình đã chứng minh tính hiệu quả và sự ổn định trong cả hai chế độ vận hành Manual và Auto. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật nhiệt - lạnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MAJOR: ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING TECHNOLOGY DESIGN PROGRAM TO CONTROL AND MONITOR HVAC SYSTEMS INSTRUCTOR: TRUONG DINH NHON STUDENT: TRAN GIA NGOC VO HUY VU Ho Chi Minh city, January 2025 HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FALCUTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT DESIGN PROGRAM TO CONTROL AND MONITOR HVAC SYSTEMS Student: TRAN GIA NGOC Student ID: 20142236 Student: VO HUY VU Student ID: 20142260 Major: ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING TECHNOLOGY Supervisor: Ph.D Truong Dinh Nhon Ho Chi Minh City, January 2025 HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FALCUTY OF INTERNATIONAL EDUCATION GRADUATION PROJECT Student: TRAN GIA NGOC Student ID: 20142236 Student: VO HUY VU Student ID: 20142260 Major: ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING TECHNOLOGY Supervisor: Ph.D Truong Dinh Nhon Ho Chi Minh City, January 2025 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom – Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 2025 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Tran Gia Ngoc Student ID: 20142236 Student name: Vo Huy Vu Student ID: 20142260 Major: Electrical and Electronic Engineering Technology Supervisor: Ph.D TRUONG DINH NHON Phone number: Date of submission: 1. Project title: Design progarm to control and monitor HVAC System 2. Content of the project:. CHAIR OF THE PROGRAM SUPERVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom – Happiness -------- Ho Chi Minh City, January 2025 SUPERVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: Tran Gia Ngoc Student ID: 20142236 Student name: Vo Huy Vu Student ID: 20142260 Major: Electrical and Electronic Engineering Technology Supervisor: Ph.D TRUONG DINH NHON Project title: Design progarm to control and monitor HVAC System EVALUATION 1.

Content of the project. Approval for oral defense? (Approved or denied). Ho Chi Minh City, January 2025 SUPERVISOR (Sign with full name) THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January…, 2025 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: Tran Gia Ngoc Student ID: 20142236 Student name: Vo Huy Vu Student ID: 20142260 Major: Electrical and Electronic Engineering Technology Advisor: Ph.D Truong Dinh Nhon Project title: Design progarm to control and monitor HVAC System Name of Reviewer: Ph.D Le Trong Nghia EVALUATION 1. Content of the project:.

Approval for oral defense (Approved or denied). Reviewer’s questions for project valuation. Mark: Ho Chi Minh City, January…, 2025 REVIEWER Acknowledgements Firstly, on behalf of our graduate project team, we would like to express our gratitude to the teachers of the Faculty of Electrical and Electronics Engineering and Faculty of International Education for creating all favorable conditions during their four-year learning process, especially for implementing the project. In particular, the team would like to thank Dr.

Truong Dinh Nhon, the project instructor, enthusiastically guided and advised the group throughout the process of implementing the project " Program to control and monitor HVAC system”. In the process of making the subject project report, it is hard to avoid errors, we hope you will ignore it. At the same time, due to limited knowledge as well as practical experience, the report cannot avoid undesirable shortcomings, the group looks forward to receiving comments from teachers to plan the group's subjects. You will be more complete and the group members will accumulate more experience and additional knowledge.

We sincerely thanks CONTENTS CHAPTER 1: INTRODUCTION.1 Introduce the topic .2 Overview of HVAC Systems .3 Reason for choosing the topic.4 Objective of the thesis .5 Content of project.6 Research method of the topic. 4 CHAPTER 2: DESIGN HARDWARE AND SOFTWARE TO CONTROL SUPPLY FAN IN HVAC SYSTEMS .1 System block diagram .2 Ethernet IP Protocol .3 Devices used in system .3 Stratix 2000 Ethernet Switches .5 Temperature Sensor PT100 .4 Calculate air flow in HVAC system .5 Calculate motor speed and power in HVAC system .1 Connected Components Workbench software .2 Working on CCW software .1 Start CCW sofware .2 Add PCL Micro850 to project .3 Add PowerFlex 525 Drive to project .4 Add HMI PanelView 800 to project .3 Programming for mico850 in CCW .1 Drive control function .2 Start and Stop Drive .3 Read and Write Temperature .4 Manual Mode and Auto Mode.4 PID set up on PowerFlex525 .5 MQTT Protocol and MQTT Broker .6 MicroLink MQTT Remote Control .7 Setting up MQTT in CCW software. 60 CHAPTER 3: CONSTRUCT HARDWARE AND SOFTWARE TO CONTROL SUPPLY FAN IN HVAC SYSTEMS .2 Results of hardware construction .1 Connecting devices in the system .1 Setting IP address for PC .2 Setting IP address for Micro850 PLC .3 Setting IP address for Powerflex 525 inverter .4 Setting IP address for HMI .2 Connection driver to download program to PLC .4 Node Red Programming with MQTT. 81 CHAPTER 4: ACTUAL OPERATION AND EVALUATION .1 Operating principle of HVAC system .2 Operate the HVAC system .1 Operate in Manual Mode .2 Evaluate in Manual Mode .3 Operate in Auto Mode .4 Evaluate in Auto Mode.

94 CHAPTER 5: CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTION. 95 LIST OF FIGURES Fig.1 System Block Diagram .2 Micro850 2080-LC50-24QWB .3 Micro850 controllers and status indicators.4 Dimension of Micro850 controllers .6 Power Terminal Block Diagram of PowerFlex 525 .7 PowerFlex 525 Control I/O Wiring Block Diagram .8 Display and control key .9 Parameter Group and Description .10 Dimension of Stratix 2000 Switches .11 Status indicators on the 1783-US5T .12 3D View of 2711R PanelView 800 HMI .14 HMI PanelView 800 working interface .15 Temperature Sensor PT100 .16 SBWZ PT100 Transmitter .17 Wiring diagram of SBWZ PT100 Transmitter .18 Central Building Model .21 Connected Components Workbench Software.22 Start screen in CCW .23 Create new project in CCW .24 Add PCL Micro850 to project .25 Add PowerFlex 525 Drive to project.26 Add HMI PanelView 800 to project .27 UDFB control drive .28 UDFB read temperature value .29 UDFB write temperature value .31 The diagram of PID Controller.34 Chart about Analog Input and PID Reference.36 Publish/Subscriber model in MQTT protocol .37 MQTT Broker Mosquitto .38 Working principle of MQTT .1 Construction of corrugated iron pipes……………………………….2 Install the centrifugal fan into the AHU duc .3 Install air ducts from the AHU system to the building model .4 Wiring diagram of temperature sensor .5 Wiring temperature sensor.6 Setting IP Address for PC.7 Setting IP Address for PLC .8 Setting IP Address for PF525 .9 Setting IP Address for HMI .10 RSLinx Classic Software .11 Connection in RSLinx Classic Software .13 Tag Editor in HMI Configuration.14 Main Screen in HMI .15 Manual Screen in HMI .16 Auto Screen in HMI .17 mqtt in block in Node-RED .18 The monitor interface. 87 LIST OF TABLES Table 2.1 Micro850 controllers-Number and Types of Inputs/Outputs .2 Micro850 controllers and status indicators description .3 Power Terminal description of PowerFlex 525 .4 PowerFlex 525 Control I/O Terminal Designations .5 Control and Navigation Keys .6 Status indicators description on the 1783-US5T .7 Hardware and features on PanelView 800 HMI .8 Technical specifications of centrifugal fan .9 I/O Address of PLC in the system .11 UDFB Inputs and output with descriptions .12 UDFB Inputs and output with descriptions .1 Introduce the topic Today, ventilation systems consume significant amounts of electricity to power fans, contributing substantially to the overall energy demand of HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems. However, energy savings in HVAC systems can be achieved by installing devices that adjust motor speeds according to the actual building demand, which is often much lower than the peak design loads used for sizing the system.

Variable Frequency Drives (VFDs) are available for this purpose, allowing the electric motor's rotational speed and consequently, the speed of motor-driven equipment like fans and pumps to vary. VFDs can be applied to chillers, air handlers, heat pumps, pumping systems, and terminal units such as fan coils to create more efficient central plants. VFD technology can operate in conjunction with, or independently of, building management systems. Inverters, which are electronic devices that control motor speed by altering the frequency of the electric power supplied to the motor, are key components.

Motors used in chillers, pumps, cooling towers, and fans represent a significant portion of HVAC system energy consumption. In recent years, the retrofit installation of VFDs has emerged as one of the most effective technologies. VFDs can be added to existing equipment or incorporated into factory-supplied equipment.2 Overview of HVAC Systems HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) is a heating, ventilation, and air conditioning system designed to maintain a comfortable and safe indoor environment. It is an indispensable technology in residential, commercial, and industrial buildings, helping to control temperature, humidity, air quality, and air flow.

1 Main Components of HVAC Systems: - Heating: Heating systems increase the temperature of indoor spaces, using: fireplaces (burning fuels such as gas or oil), boilers (boiling water or generating steam for heating), heat pumps (absorbing heat from the air or ground) - Ventilating: Ventilating ensures clean air circulation, removing pollutants and maintaining clean air quality: natural ventilation (windows, doors), mechanical ventilation (fans, ductwork, exhaust fans) - Air Conditioning: Air conditioning units cool the space and regulate humidity, commonly used: separate systems (hot and cold units), chillers (for large buildings), integrated systems (packaged in one unit) Benefits of HVAC Systems: maintain ideal temperature and humidity levels year-round, save energy modern systems help reduce energy costs, improve air quality: Filter out dust, pollen, and allergens, customize flexibility: allow for zone-specific temperature adjustments. The world’s leading HVAC equipment manufacturers offer a wide range of solutions, from air conditioning, heating, to ventilation systems. These solutions are designed to suit the different needs of each project, from homes, offices, hotels to large industrial facilities. Below are some typical HVAC solutions from famous brands: - Daikin • VRV/VRF Systems: Variable Refrigerant Volume/Flow systems provide energy-efficient climate control for multiple zones.

• Residential Air Conditioners: Inverter-based systems with air purification features. • Ventilation Solutions: Advanced air purification and filtration 2 systems (PM2. • Smart Controls: Remote monitoring and control via apps for enhanced convenience. - Carrier • Chillers: High-efficiency chillers for cooling large buildings and industrial facilities.

• Heat Pumps: Solutions for heating and cooling, with options for geothermal integration. • Rooftop Units: Packaged systems ideal for commercial applications. • Energy Optimization: Use of Variable Frequency Drives (VFDs) for reduced energy consumption. Today, the general trend of HVAC solutions from famous brands is Energy saving and Smart integration.

Energy-efficient drives from Rockwell Automation improve HVAC performance by regulating motor speeds. PowerFlex Drives: Designed for fans, pumps, and compressors, reducing energy consumption and wear. Therefore, it is very necessary to DESIGN A PROGRAM TO CONTROL AND MONITOR THE HVAC SYSTEM.3 Reason for choosing the topic Today, HVAC systems are essential for maintaining optimal temperature, air quality, and humidity in living spaces. Fans account for roughly 40% of the electricity consumed by these systems.

Supply and return fans in HVAC can operate at either a constant speed or a variable speed, depending on the requirements to keep the area’s temperature steady or to ensure a certain flow of fresh air based on the measured air properties. Speed control can be based on temperature, pressure, or CO2 levels, depending on the area’s cooling and ventilation needs. These variables can be used to regulate the speed of Variable 3 Frequency Drive (VFD) for energy efficiency. VFDs installed in supply and exhaust fans consistently lead to energy savings.

This is why our group chose this topic.4 Objective of the thesis - Design the program to control and monitor the HVAC system that provide air temperature for the building model. - To illustrate the temperature monitoring and control system. - Operate the model in Auto and Manual modes. - Analyze, compare, and evaluate operational results compared to model calculation results.5 Content of project - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Design hardware and software to control HVAC system - Chapter 3: Construct hardware and software to control supply fan in HVAC systems - Chapter 4: Actual operation and evaluation - Chapter 5: Conclusion and development direction 1.