Đồ án thiết kế hệ thống BMS điều khiển Chiller, AHU phòng sạch Class 100.000 - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống BMS điều khiển và giám sát hệ thống Chiller, AHU cho phòng sạch Class 100.000 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thị Hồng Nhung
• 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 hệ thống BMS điều khiển, giám sát hệ thống Chiller, AHU sử dụng cho phòng sạch Class 100.000
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất, kiểm tra, lắp ráp và đóng gói vi mạch bán dẫn, việc duy trì một không gian làm việc sạch sẽ, hạn chế tối đa bụi bẩn và tạp chất là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc nhằm bảo vệ các linh kiện và vi mạch điện tử. Phòng sạch (Cleanroom) là môi trường kiểm soát nghiêm ngặt các thông số vi khí hậu gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và nồng độ hạt bụi theo các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 14644-1:2015 hoặc tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8664-1:2011, phổ biến là cấp độ sạch ISO 8 (tương đương Class 100.000, trong một số phần tài liệu gọi là Class 100). Trong môi trường này, hệ thống xử lý không khí AHU (Air Handling Unit) kết hợp với hệ thống làm lạnh Chiller đóng vai trò nòng cốt để cấp khí tươi, lọc tuần hoàn và duy trì áp suất phòng. Để vận hành hệ thống tự động, ổn định, tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ giám sát từ xa, việc tích hợp hệ thống quản lý tòa nhà BMS (Building Management System) là giải pháp kỹ thuật cần thiết.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống BMS điều khiển, giám sát hệ thống Chiller, AHU sử dụng cho phòng sạch Class 100.000" do nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện, hướng đến việc giải quyết bài toán thiết kế, tính toán và thi công mô hình thực nghiệm điều khiển tự động hệ thống AHU kết hợp Chiller phục vụ phòng sạch.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định theo các cấp độ:

• Nhận biết: Mô tả các thiết bị trong hệ thống Chiller, hệ thống AHU và các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và chênh áp.
• Hiểu biết: Giải thích, phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống AHU và các cảm biến trong phòng sạch.
• Áp dụng: Thiết kế mô hình thực tế điều khiển AHU theo tín hiệu cảm biến trong phòng sạch.
• Phân tích: Phân tích quá trình nhận, xử lý tín hiệu và điều khiển hệ thống BMS.
• Đánh giá: Đánh giá hiệu quả giám sát và điều khiển của hệ thống thông qua các thông số trước và sau khi vận hành.
• Thiết kế và phát triển: Thiết kế và phát triển hệ thống BMS để giám sát và điều khiển hệ thống Chiller, AHU trong phòng sạch Class 100.000 từ xa, tối ưu hóa hiệu năng, độ chính xác, độ ổn định; hướng tới tích hợp web server đa người dùng.

Đối tượng nghiên cứu là các thiết bị phần cứng trong hệ thống: bộ điều khiển BMS, hệ thống AHU, hệ thống Chiller, động cơ quạt hút, quạt cấp, biến tần và các cảm biến công nghiệp đo nhiệt độ, độ ẩm, áp suất đường ống, chênh áp màng lọc. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán thông số kỹ thuật cho một phòng sạch kích thước thực tế, sau đó thu nhỏ chế tạo mô hình phòng sạch thực nghiệm tỷ lệ hình học 1:10 (kích thước 0,4m x 0,6m x 0,8m), kết hợp một đường ống AHU hoàn chỉnh (140cm x 30cm x 30cm) kết nối với hệ Chiller công nghiệp. Nghiên cứu thực hiện trong khuôn khổ khóa luận tốt nghiệp khóa 2021 – 2025, hoàn thành vào tháng 6 năm 2025 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý luận và tiêu chuẩn kỹ thuật, đề tài dựa trên:

• Tiêu chuẩn phòng sạch ISO 14644-1:2015 và TCVN 8664-1:2011 quy định nồng độ hạt bụi cho cấp sạch ISO 8 (Class 100.000). Yêu cầu kỹ thuật đối với ngành bán dẫn nêu trong văn bản là duy trì nhiệt độ từ 20°C đến 25°C và độ ẩm tương đối ở mức 40%.
• Tiêu chuẩn TCVN 5687:2024 (Thông gió và điều hòa không khí): tác giả trích dẫn Phụ lục F để tra cứu bội số trao đổi không khí cho phòng thí nghiệm là $k = 12$ lần/giờ (trong dải quy chuẩn 10 – 25 lần/giờ của phòng sạch Class 100.000).
• Khung cấu trúc hệ thống BMS gồm 3 cấp: Cấp quản lý (Management Level - máy tính giám sát, SCADA, Web Server), Cấp điều khiển (Automation Level - các bộ điều khiển khả trình PLC), Cấp trường (Field Level - cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chênh áp, áp suất và cơ cấu chấp hành như biến tần, van điện từ, van Bypass).
• Giao thức truyền thông công nghiệp: Modbus RTU truyền thông nối tiếp RS485 (giao tiếp giữa các PLC), TCP/IP (truyền thông giữa PLC và máy chủ giám sát), cùng khái niệm giao thức BACnet trong tự động hóa tòa nhà.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp 4 nhóm phương pháp:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu tiêu chuẩn phòng sạch, nguyên lý vận hành AHU, Chiller, cấu trúc BMS và quy trình kiểm định chất lượng phòng sạch gồm 5 bước (kiểm tra bộ lọc HEPA/chênh áp, đo lưu lượng gió cấp/hồi, đo áp suất phòng, kiểm tra nhiệt ẩm, đếm hạt bụi bằng Particle Counter).
• Phương pháp tính toán kỹ thuật: Áp dụng công thức tính thể tích không gian $V = L \times W \times H$ và lưu lượng không khí cần trao đổi $V_p = V \times k$ để xác định lưu lượng gió cho phòng thực tế và mô hình thực nghiệm, kết hợp công thức tỷ lệ đồng dạng quạt gió $Q_2 / Q_1 = N_2 / N_1$ để tính toán tốc độ quay và lựa chọn biến tần điều khiển.
• Phương pháp thực nghiệm: Thi công mô hình cơ khí đường ống AHU, gia công lắp ráp tủ điện điều khiển, đấu nối cảm biến và thiết bị chấp hành, kiểm tra khả năng vận hành đồng bộ giữa AHU và Chiller.
• Phương pháp lập trình và thiết kế giao diện: Lập trình điều khiển logic và giải thuật PID trên PLC Siemens S7-1200 bằng phần mềm TIA Portal V19; lập trình bộ điều khiển phụ Mitsubishi FX3U bằng GX Works2; cấu hình truyền thông Modbus RTU; thiết kế giao diện vận hành, giám sát dữ liệu qua nền tảng Siemens WinCC Unified.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu gồm dữ liệu chuẩn hóa từ tiêu chuẩn TCVN, ISO; thông số kỹ thuật (datasheet) của các thiết bị công nghiệp; và dữ liệu đo đạc thực tế từ các cảm biến nhiệt ẩm, áp suất, chênh áp trong quá trình chạy thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ khâu tính toán tải lưu lượng khí, lựa chọn thiết bị, đấu nối điện đến xây dựng thuật toán điều khiển và giao diện SCADA/Web.

Tính toán lưu lượng gió và thiết bị cơ điện

Dựa trên thể tích và bội số trao đổi không khí $k = 12$ lần/h, tác giả tính toán các thông số lưu lượng gió và lựa chọn thiết bị theo bảng so sánh:

Thông số thiết kế	Không gian phòng thực tế	Mô hình phòng thực nghiệm
Chiều dài ($L$)	8,0 m	0,4 m
Chiều rộng ($W$)	6,0 m	0,6 m
Chiều cao ($H$)	4,0 m	0,8 m
Thể tích tính toán ($V$)	192 m³	0,192 m³
Bội số trao đổi khí ($k$)	12 lần/h	12 lần/h
Lưu lượng gió yêu cầu	2.304 m³/h	2,304 m³/h
Thiết bị quạt lựa chọn	Model BHF-6P02VN (QLT-4P 02)	Quạt ly tâm model 150FLJ6
Thông số kỹ thuật của quạt	2 HP (1,5 kW), 3.200 m³/h, 500 Pa, 960 rpm	330 W, 660 m³/h (11 m³/phút), 450 Pa, 2.800 rpm
Phương pháp điều chỉnh	Cấp nguồn trực tiếp 220V/380V	Biến tần LS iG5A điều chỉnh tốc độ qua thuật toán PID

Ống AHU thực nghiệm được gia công bằng kim loại với kích thước dài 140 cm, rộng 30 cm, cao 30 cm. Cấu tạo bên trong gồm: màng lọc sơ cấp (Pre-Filter vải khung nhôm), túi lọc tinh (Bag Filter 6 túi sợi tổng hợp), dàn lạnh làm mát (Cooling Coil ống đồng dẫn nước lạnh Chiller), quạt ly tâm hướng trục thổi gió cấp, màng lọc HEPA gắn trần mô hình (kích thước 130 x 125 x 34 mm), và quạt hút gió thải/gió hồi gắn ở đáy phòng.

Cấu hình phần cứng và bảng điểm vào/ra (Points List)

Hệ thống điều khiển trung tâm được bố trí trong vỏ tủ điện kích thước 40 x 20 x 50 cm, sử dụng bộ điều khiển chính PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY (mã 6ES7 212-1BE40-0XB0), module mở rộng 2 ngõ ra tương tự 2AQ (mã 6ES7 232-4HB32-0XB0), module truyền thông RS422/RS485 (mã 6ES7 241-1CH32-0XB0) kết nối với board PLC Mitsubishi FX3U-14MT (nguồn 24VDC, tích hợp 6 ngõ vào analog AD0–AD5 và 2 ngõ ra analog). Danh mục điểm giám sát và điều khiển (Points list) của hệ thống gồm:

Tên đối tượng / Điểm tín hiệu	Số lượng	Ngõ vào số (DI)	Ngõ ra số (DO)	Ngõ vào tương tự (AI)	Ngõ ra tương tự (AO)
Nút nhấn Start	1	X
Nút nhấn Stop	1	X
Nút dừng khẩn cấp (Emergency)	1	X
Cảm biến nhiệt độ phòng	1			X
Cảm biến độ ẩm phòng	1			X
Cảm biến chênh áp màng lọc	1			X
Cảm biến nhiệt độ đường ống (PT100)	1			X
Cảm biến áp suất đường ống Chiller	2			X
Van điện từ cấp nước Chiller	2		X
Van tuyến tính Bypass Chiller	1				X
Tín hiệu điều khiển tần số biến tần	1				X
Tín hiệu lệnh kích chạy biến tần	1		X
Tổng cộng	14	3	2	5	2

Hệ thống truyền thông nối tiếp Modbus RTU được thiết lập giữa PLC S7-1200 (Master) và board FX3U-14MT (Slave) qua đường truyền 2 dây RS485 (cặp chân A+ và B-), sử dụng các khối hàm chức năng MB_COMM_LOAD và MB_MASTER trong TIA Portal để đọc dữ liệu cảm biến đưa về từ board FX3U.

Thuật toán điều khiển và phần mềm SCADA

Thuật toán điều khiển được thiết kế với cơ chế an toàn ưu tiên nút dừng khẩn cấp (E-Stop). Khi nhấn E-Stop, toàn bộ hệ thống lập tức ngắt điện chấp hành. Sau khi kiểm tra nút START, hệ thống phân nhánh hoạt động thành 2 chế độ:

• Chế độ tự động (AUTO): Vận hành theo lịch trình thời gian cài đặt trước (SCHEDULE). Hệ thống điều khiển PID tần số biến tần cấp cho quạt cấp gió nhằm ổn định áp suất gió theo giá trị SETPOINT (tần số quạt duy trì tối thiểu 15 – 20 Hz). Về nhiệt độ, hệ thống so sánh nhiệt độ phòng $T$ với giá trị đặt có xét đến dải trễ $\Delta T$: nếu $T > \text{SETPOINT} + \Delta T$, PLC điều khiển mở 2 van điện cấp nước lạnh từ Chiller; nếu $T < \text{SETPOINT} - \Delta T$, PLC đóng 2 van điện; van Bypass được điều khiển liên tục bằng thuật toán PID dựa trên độ chênh áp suất giữa 2 đường ống nước cấp - hồi để bảo vệ Chiller. Về độ ẩm: khi độ ẩm vượt ngưỡng HIGH SETPOINT, hệ thống kích hoạt quạt hút ẩm; khi độ ẩm tụt dưới LOW SETPOINT, hệ thống phát cảnh báo yêu cầu tạo ẩm.
• Chế độ cưỡng bức (MANUAL): Cho phép người vận hành can thiệp đóng/mở trực tiếp 2 van điện, điều chỉnh độ mở van Bypass và tần số quạt cấp gió. Để bảo vệ an toàn đường ống Chiller, hệ thống tích hợp liên động phần mềm: nếu 1 van điện đóng thì van Bypass tự động mở tối thiểu 50%; nếu cả 2 van điện cùng đóng thì van Bypass mở cưỡng bức 100% để đảm bảo dòng nước hồi về Chiller không bị chặn đứng.

Phần mềm giám sát được triển khai trên Siemens WinCC Unified, bao gồm các chức năng: màn hình đăng nhập bảo mật (LOGIN), màn hình thiết lập thông số (SETTING), màn hình cài đặt lịch trình chạy (SCHEDULE), phân hệ cảnh báo sự cố (ALARM) và trang đồ thị theo dõi tín hiệu cảm biến thời gian thực (GRAPH).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Mở đầu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghệ vi mạch bán dẫn phát triển, đòi hỏi môi trường phòng sạch đạt chuẩn ISO 14644-1:2015 (TCVN 8664-1:2011) để bảo vệ vi mạch khỏi bụi bẩn và tĩnh điện. Tác giả phân tích tổng quan cấu tạo phòng sạch, nguyên lý vận hành của hệ thống AHU và Chiller, vai trò của hệ thống BMS trong việc tự động hóa và tối ưu năng lượng. Chương này nêu chi tiết cấu trúc 3 cấp của BMS, các giao thức truyền thông (Modbus RTU, TCP/IP, BACnet), quy trình kiểm định phòng sạch 5 bước cùng các giải pháp kỹ thuật duy trì chất lượng không khí. Đồng thời, tác giả xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi và phương pháp luận triển khai đề tài.

Chương 2. Thiết kế hệ thống AHU

Nội dung chương 2 tập trung vào việc thiết kế kỹ thuật hệ thống. Tác giả xác định các yêu cầu vận hành chung, yêu cầu chức năng mô hình và tiêu chuẩn an toàn điện. Chương này cung cấp sơ đồ nguyên lý tổng thể của AHU kết hợp Chiller, sơ đồ đấu nối chân I/O của PLC S7-1200 CPU 1212C AC/DC/RLY, sơ đồ cấp nguồn 3 pha 380V và 1 pha 220V/24VDC. Tác giả trình bày các công thức toán học và bảng tính toán thể tích phòng, lưu lượng gió cần thiết cho phòng thực tế (2.304 m³/h) và phòng mô hình (2,304 m³/h) dựa trên TCVN 5687:2024. Từ đó, tác giả đưa ra căn cứ lựa chọn quạt ly tâm công nghiệp BHF-6P02VN cho phòng thực tế và quạt 150FLJ6 kết hợp biến tần LS iG5A cho mô hình, kèm danh mục đặc tính kỹ thuật của toàn bộ màng lọc, cảm biến, van điện từ và van Bypass.

Chương 3. Triển khai thi công mô hình thực tế

Chương 3 mô tả chi tiết quá trình chế tạo mô hình phần cứng, thi công tủ điện và phát triển phần mềm điều khiển. Tác giả trình bày bản vẽ 3D và các bước lắp đặt thực tế đường ống AHU kích thước 140 x 30 x 30 cm, cách bố trí màng lọc sơ cấp, túi lọc tinh, coil lạnh, quạt ly tâm, đường ống nước Chiller có cảm biến nhiệt độ PT100, cảm biến áp suất và van Bypass. Tiếp đó, tác giả cung cấp bản vẽ bố trí thiết bị và thi công hoàn thiện tủ điện điều khiển, lập bảng điểm I/O (Points list). Về phần mềm, chương này thuyết minh lưu đồ giải thuật cho chế độ Auto và Manual; quy trình cấu hình phần cứng trên TIA Portal V19; lập trình truyền thông Modbus RTU giữa S7-1200 và board Mitsubishi FX3U-14MT (sử dụng GX Works2 nạp qua cổng COM3); và cấu hình giao diện giám sát SCADA trên nền tảng WinCC Unified.

Chương 4. Vận hành và đánh giá hệ thống

Chương 4 ghi nhận các bước kiểm tra trước khi cấp nguồn, quy trình cài đặt tham số biến tần LS iG5A và quy trình khởi động hệ thống. Nội dung đánh giá tập trung vào việc chạy thử nghiệm thực tế ở hai chế độ Auto (vận hành tự động theo setpoint và lịch trình) và Manual (điều khiển cưỡng bức từng thiết bị, kiểm tra liên động an toàn van Bypass). Hệ thống được theo dõi thông qua trang đồ thị GRAPH trên WinCC Unified để ghi nhận diễn biến các thông số: áp suất gió trong ống, nhiệt độ và độ ẩm phòng sạch, độ chênh áp qua màng lọc khí và áp lực nước đường ống Chiller, từ đó đánh giá mức độ ổn định và khả năng đáp ứng của giải pháp điều khiển.

Chương 5. Kết luận và định hướng phát triển

Chương cuối tổng kết toàn bộ kết quả nghiên cứu và chế tạo của đề tài. Tác giả khẳng định mô hình đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra, chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng PLC và hệ thống BMS trong quản lý tự động vi khí hậu phòng sạch. Đồng thời, tác giả nêu rõ hướng phát triển tiếp theo của hệ thống là nâng cấp tích hợp Web Server đa người dùng để tối ưu hóa khả năng giám sát từ xa qua mạng Internet.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng AHU kích thước 140 x 30 x 30 cm kết nối với mô hình phòng sạch kích thước 0,4m x 0,6m x 0,8m (tỷ lệ 1:10) và tích hợp hoàn chỉnh với hệ thống Chiller giải nhiệt nước công nghiệp.
• Lắp ráp hoàn thiện tủ điện điều khiển công nghiệp kích thước 40 x 20 x 50 cm, tích hợp đồng bộ PLC Siemens S7-1200 CPU 1212C, module mở rộng 2AQ, module truyền thông RS485 và board mở rộng Mitsubishi FX3U-14MT.
• Thiết lập thành công mạng truyền thông công nghiệp Modbus RTU giữa S7-1200 và FX3U qua giao tiếp RS485, xử lý chính xác 14 điểm I/O gồm 3 ngõ vào số, 2 ngõ ra số, 5 ngõ vào tương tự và 2 ngõ ra tương tự.
• Xây dựng thành công thuật toán điều khiển PID ổn định áp suất gió qua biến tần LS iG5A (duy trì dải tần số sàn 15 – 20 Hz) và điều khiển PID độ mở van Bypass theo chênh áp nước Chiller; lập trình logic điều khiển nhiệt độ phòng qua 2 van điện từ theo dải trễ $\Delta T$ và điều khiển hút ẩm bằng quạt hút.
• Thiết lập cơ chế bảo vệ an toàn hệ thống: ngắt dừng khẩn cấp qua nút E-Stop; tự động mở van Bypass 50% khi 1 van điện đóng và mở 100% khi cả 2 van điện cùng đóng nhằm ngăn chặn sự cố dội áp đường ống Chiller.
• Triển khai hoàn chỉnh giao diện SCADA trên WinCC Unified tích hợp đầy đủ 5 phân hệ chức năng: Đăng nhập (Login), Cài đặt thông số (Setting), Lập lịch làm việc (Schedule), Quản lý cảnh báo lỗi (Alarm) và Đồ thị theo dõi tín hiệu cảm biến thời gian thực (Graph), cho phép giám sát và điều khiển hệ thống qua trình duyệt web trên nền Internet.

Về mặt đóng góp, đề tài cung cấp một tài liệu kỹ thuật có tính thực hành cao trong việc kết hợp hai dòng PLC phổ biến (Siemens và Mitsubishi) qua mạng Modbus RTU phục vụ bài toán BMS. Đồng thời, công trình chứng minh tính khả thi của việc mô phỏng, tính toán quy đổi lưu lượng khí và công suất quạt từ quy mô công trình thực tế (192 m³) sang mô hình học thuật (0,192 m³) bằng giải pháp điều khiển biến tần.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả và hội đồng phản biện chỉ ra bao gồm:

• Mô hình được thực hiện ở quy mô học thuật phục vụ thí nghiệm, do đó chưa phản ánh và phát huy được toàn bộ các yêu cầu vận hành phức tạp trong môi trường nhà máy công nghiệp thực tế.
• Hệ thống chưa thực hiện kiểm soát và đo lường trực tiếp nồng độ hạt bụi thực tế trong phòng bằng thiết bị chuyên dụng (như máy đếm hạt bụi Particle Counter), chưa có giải pháp cảm biến đo lường định lượng lượng bụi tràn vào trong trường hợp màng lọc bị rách ngoài việc dựa vào cảm biến chênh áp.
• Giải pháp kiểm soát độ ẩm mới chỉ dừng lại ở việc bật quạt hút ẩm khi độ ẩm cao và phát cảnh báo khi độ ẩm thấp, chưa tích hợp bộ điều khiển sưởi (heater) hoặc hệ thống phun ẩm tự động để chủ động tăng ẩm khi môi trường quá khô.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả xác định trong văn bản là tích hợp và phát triển hệ thống Web Server đa người dùng (multi-user), tăng cường tính linh hoạt trong quản lý, bảo mật và mở rộng khả năng tiếp cận vận hành hệ thống từ xa qua mạng Internet.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Nhiệt – Lạnh (HVAC).

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

• Quy trình tính toán thể tích phòng và lưu lượng gió trao đổi theo tiêu chuẩn TCVN 5687:2024, cùng phương pháp tính chọn công suất quạt ly tâm và quy đổi tốc độ quay cho mô hình thực nghiệm.
• Giải pháp cấu hình phần cứng và lập trình truyền thông Modbus RTU giữa PLC Siemens S7-1200 và board PLC Mitsubishi FX3U qua cổng RS485 sử dụng các khối hàm chuẩn trong TIA Portal.
• Sơ đồ mạch điện điều khiển, bố trí tủ điện công nghiệp và phương pháp kết nối các cảm biến đo lường vi khí hậu công nghiệp (PT100, 4-20mA, 0-10V) với hệ thống điều khiển PLC.
• Cấu trúc xây dựng giao diện điều khiển, giám sát và lập lịch vận hành trên nền tảng Siemens WinCC Unified phục vụ các ứng dụng BMS và SCADA Web.

Câu hỏi thường gặp

Đề tài tính toán thể tích và lưu lượng gió cho phòng thực tế và mô hình phòng sạch như thế nào? Theo công thức $V = L \times W \times H$, phòng thực tế (8m x 6m x 4m) có thể tích là 192 m³; mô hình phòng (0,4m x 0,6m x 0,8m) có thể tích là 0,192 m³. Dựa vào Phụ lục F của TCVN 5687:2024, bội số trao đổi không khí được chọn là $k = 12$ lần/h. Lưu lượng gió tính toán yêu cầu cho phòng thực tế là $V_p = 192 \times 12 = 2.304$ m³/h (chọn quạt ly tâm BHF-6P02VN lưu lượng 3.200 m³/h); lưu lượng gió cho mô hình là $V_{\text{MH}} = 0,192 \times 12 = 2,304$ m³/h (chọn quạt 150FLJ6 lưu lượng 660 m³/h, điều chỉnh tốc độ qua biến tần LS iG5A).

Hệ thống xử lý chênh lệch nhiệt độ và bảo vệ áp suất đường ống Chiller như thế nào trong chế độ Auto? Hệ thống so sánh nhiệt độ phòng $T$ với giá trị đặt SETPOINT kèm dải trễ $\Delta T$: nếu $T > \text{SETPOINT} + \Delta T$, PLC điều khiển mở 2 van điện từ để nước lạnh từ Chiller đi vào coil lạnh; nếu $T < \text{SETPOINT} - \Delta T$, PLC đóng 2 van điện. Đồng thời, van Bypass được điều khiển bằng thuật toán PID dựa trên tín hiệu chênh áp giữa đường ống cấp và hồi nước Chiller. Trường hợp cả 2 van điện cùng đóng, van Bypass được lập trình mở hoàn toàn 100% để nước Chiller tuần hoàn hồi về, tránh sự cố tăng áp gây hư hỏng đường ống.

PLC S7-1200 và board Mitsubishi FX3U trao đổi dữ liệu với nhau bằng giao thức nào? Hai bộ điều khiển kết nối với nhau qua giao thức Modbus RTU trên đường truyền vật lý nối tiếp RS485. Trong TIA Portal, PLC S7-1200 đóng vai trò Modbus Master sử dụng module truyền thông RS422/485 và các khối hàm MB_COMM_LOAD, MB_MASTER để gửi lệnh và đọc các giá trị cảm biến tương tự (áp suất, nhiệt độ PT100) được thu thập bởi board FX3U-14MT (đóng vai trò Modbus Slave).

Cơ chế kiểm soát độ ẩm trong phòng sạch của mô hình hoạt động ra sao? Hệ thống kiểm soát độ ẩm dựa trên hai ngưỡng cài đặt: HIGH SETPOINT và LOW SETPOINT. Khi cảm biến phát hiện độ ẩm phòng vượt quá mức HIGH SETPOINT, PLC kích hoạt quạt hút ẩm ở đáy phòng để hút khí ẩm ra ngoài cho đến khi độ ẩm hạ xuống dưới ngưỡng này. Khi độ ẩm phòng thấp hơn mức LOW SETPOINT, hệ thống bật tín hiệu cảnh báo trên giao diện giám sát để người vận hành thực hiện biện pháp tạo ẩm.

Giao diện giám sát SCADA được thiết kế bằng phần mềm nào và gồm các màn hình chức năng gì? Giao diện giám sát được phát triển trên phần mềm Siemens WinCC Unified, hỗ trợ truy cập qua trình duyệt Web. Hệ thống bao gồm 5 màn hình chức năng chính: màn hình đăng nhập tài khoản người dùng (LOGIN), màn hình thiết lập thông số vận hành và giá trị đặt (SETTING), màn hình cài đặt khung giờ chạy tự động (SCHEDULE), màn hình ghi nhận và cảnh báo lỗi hệ thống (ALARM), và màn hình hiển thị đồ thị theo dõi tín hiệu cảm biến thời gian thực (GRAPH).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành việc thiết kế, tính toán kỹ thuật và thi công mô hình thực nghiệm hệ thống AHU kết hợp Chiller phục vụ phòng sạch quy mô mô phỏng tỷ lệ 1:10. Nghiên cứu đã tích hợp thành công giải pháp tự động hóa BMS trên cơ sở kết nối hai dòng PLC Siemens S7-1200 và Mitsubishi FX3U qua mạng Modbus RTU, điều khiển vòng kín PID áp suất gió và chênh áp nước Chiller. Mô hình vận hành ổn định ở cả hai chế độ tự động và cưỡng bức, đồng thời triển khai hoàn chỉnh giao diện SCADA trên nền tảng WinCC Unified cho phép giám sát vi khí hậu từ xa qua giao diện web.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương 2: Thiết kế hệ thống AHU. Chương 3: Triển khai thi công mô hình thực tế. Chương 4: Vận hành và đánh giá hệ thống. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển hệ thống.

Tổng quan về phòng sạch Phòng sạch có thể được định nghĩa là một khu vực hay một không gian mà các đặc điểm yếu tố của môi trường trong đó được kiểm soát nghiêm ngặt theo một tiêu chuẩn nhất định, các yếu tố đó có thể là: số lượng hạt bụi, kích thước hạt bụi, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm hoặc các vi sinh vật, các tác nhân gây ô nhiễm từ người, thiết bị, sản phẩm,… Tất cả các yếu tố này trong một khu vực phải được kiểm soát để tạo ra một môi trường có không khí sạch nhằm phục vụ công việc, quy trình nào đó đòi hỏi môi trường đặc biệt. [1] Phòng sạch được xây dựng dựa theo một tiêu chuẩn gọi là tiêu chuẩn phòng sạch. Do phòng sạch được ứng dụng rộng rãi trong các ngành yêu cầu độ chính xác cao và môi trường sạch nghiêm ngặt như: các ngành vi mạch bán dẫn, dược phẩm, y tế, công nghiệp điện tử, … Tùy theo yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn chất lượng của từng khu vực mà phòng sẽ được thiết kế và vận hành theo các cấp độ sạch khác nhau. Các cấp độ này được quy định bởi các tiêu chuẩn quốc tế khác nhau như ISO (ISO 14644-1:2015) hay là quốc gia như TCVN (TCVN 8664-1:2011).

Trong đề tài Class 100.000 dựa theo tiêu chuẩn ISO (ISO 8). [2] Tiêu chuẩn của một phòng sạch ngoài việc đảm bảo các thông số môi trường thì còn phải có một sự tuân thủ nghiêm ngặt trong quy trình vận hành như việc trao đổi SVTH: 21142211, 21142232, 21142256 3/57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Lê Thị Hồng Nhung không khí, kiểm soát ra/vào (người, vật liệu, sản phẩm, thiết bị,…), hệ thống lọc không khí (HEPA/ULPA),… 1. Nguyên lý và điều kiện xử lý trong phòng sạch Nguyên lý phòng sạch: Dựa trên việc kiểm soát các thông số về không khí, áp suất, nhiệt độ và độ ẩm bằng các hệ thống lọc và tuần hoàn khí: không khí tươi bên ngoài môi trường được lọc qua các bộ lọc gồm : bộ lọc thô, bộ lọc tinh, đi qua coil lạnh làm mát, quạt li tâm thổi khí cấp tới bộ lọc HEPA từ trên trần phòng sạch, không khí cấp vào trong phòng sạch và được thu hồi bằng quạt gắn tường, gió hồi thu về AHU, tiếp tục tuần hoàn đi qua bộ lọc thô, gió hồi đảm bảo chất lượng không khí và giảm thiểu năng lượng sử dụng để làm lạnh, lọc khí tươi từ đầu nhằm tiết kiệm không khí.

Lưu lượng gió luôn được thay mới và tuần hoàn liên tục lọc. Duy trì nhiệt độ (20 C - 25oC) và 40% độ ẩm đối với ngành bán dẫn (phụ thuộc vào ứng dụng). o Quy trình kiểm tra chất lượng của phòng sạch: Trước khi nghiệm thu sản phẩn, nhà kiểm định triển khai kiểm định bao gồm 5 bước chính: −Bước 1: Kiểm tra bộ lọc HEPA về tình trạng bụi bẩn, kiểm tra độ chênh áp qua bộ lọc để xác định hiệu suất. − Bước 2: Kiểm tra lưu lượng gió cấp và gió hồi tại các miệng gió.

− Bước 3: Kiểm tra áp suất tại phòng sạch. − Bước 4: Kiểm tra nhiệt độ, độ ẩm so với thiết kế. − Bước 5: Đo nồng độ hạt bụi trong không khí bằng thiết bị Particle Counter. Biện pháp xử lý khi phòng sạch chưa đạt chuẩn: Các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí trong AHU cần duy trì trong vùng làm việc an toàn.

Định kỳ đo mật độ hạt bụi để đảm bảo phòng sạch đạt tiêu chuẩn, lập kế − hoạch bảo trì hệ thống lọc và thay thế định kỳ. −Theo dõi giám sát dữ liệu của các cảm biến hằng ngày, từ đó đánh giá khả năn, chất lượng của hệ thống AHU, nhằm khắc phục sớm vấn đè bộ lọc bị bẩn tắc bụi. − Kiểm tra lưu lượng gió có được cung cấp đủ theo thiết kế, quạt gió, ống dẫn khí. − Vệ sinh bề mặt sàn tường trần, dùng các vât tư không phát sinh bụi, sơn chống tĩnh điện.

Hệ thống BMS (Building Management System) Hệ thống BMS (Building Management System) là hệ thống quản lý tòa nhà thông minh. Hệ thống được thiết kế để có thể giúp con người điều khiển và giám sát SVTH: 21142211, 21142232, 21142256 4/57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Lê Thị Hồng Nhung các thiết bị hay cả một hệ thống kỹ thuật như HVAC (Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí), Lighting,… một các hiệu quả và tối ưu được hiệu suất hoạt động của tòa nhà. [3] Hệ thống BMS là một mạng lưới điều khiển dựa trên các bộ vi xử lý được lập trình, cài đặt để giám sát và điều khiển các hệ thống, thu thập thông tin từ các thiết bị cấp dưới.

Các dữ liệu, thông tin này sẽ được phân tích và xử lý bởi các phần mềm chuyên dụng và đưa ra các lệnh điều khiển, đồng thời cung cấp cho người giám sát những dữ liệu cần thiết. Hệ thống BMS được lắp đặt trong các tòa nhà hoặc cơ sở lớn với khả năng tích hợp tất cả các hệ thống, dịch vụ của tòa nhà như: CCTV, phòng cháy chữa cháy, tháng máy và các hệ thống an toàn khác. Ngày nay, các hệ thống BMS được thiết kế tích hợp các giao thức truyền thông và hệ thống webserver cho phép người dùng điều khiển từ xa các hệ thống mà không cần có mặt tại hiện trường.1 Hệ thống BMS Ưu điểm của hệ thống BMS: − Nâng cao độ an toàn và tin cậy trong quá trình vận hành. − Tối ưu hóa hiệu suất và năng lượng tiêu hao của hệ thống.

SVTH: 21142211, 21142232, 21142256 5/57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Lê Thị Hồng Nhung − Tự động hóa công việc và đảm bảo sự ổn định trong việc vận hành hệ thống. − Kéo dài tuổi thọ của các thiết bị. − Đơn giản hóa quá trình vận hành nhờ các giao diện thân thiện và dễ sử dụng.

− Quản lý trực quan các hệ thống kỹ thuật, dễ dàng truy xuất dữ liệu, lập báo cáo và đánh giá hiệu suất vận hành. − Tích hợp được nhiều công nghệ, hệ thống khác như SCADA, ERP hay IoT. Cấu trúc hệ thống BMS: Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống BMS Cấp quản lý (Management Level): Là cấp cao nhất, quản lý toàn bộ hệ thống. Các thiết bị của cấp quản lý là các máy chủ, PC hay Laptop sử dụng các phần mềm chuyên dụng từ nhà sản xuất để thu thập các dữ liệu từ thiết bị cấp dưới, truyền dữ liệu và các mệnh lệnh điều khiển của người dùng đến các thiết bị chấp hành.

Cấp điều khiển (Automation Level): Là các thiết bị được liên kết với cấp quản lý giúp người dùng quản lý các thiết bị hiện trường. Thường là các thiết bị như PLC, các bộ mở rộng, các thiết bị phụ,… kết nối với nhau thông qua truyền thông Modbus RTU, Ethernet/IP,… Các thiết bị điều khiển sẽ là thiết bị trực tiếp điều khiển các thiết bị cấp dưới thông qua các tín hiệu cảm biến ( tín hiệu dòng điện, tín hiệu điện áp,…). Cấp trường (Field Level): Là các thiết bị hiện trường như cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, công tắc áp suất (cảm biến chênh áp), cảm biến áp suất nước, cảm biến nhiệt độ và các thiết bị chấp hành như biến tần (điều khiển động cơ ba pha), van điện, SVTH: 21142211, 21142232, 21142256 6/57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Lê Thị Hồng Nhung van Bypass.

Các tín hiệu từ cảm biến sẽ được đọc về bộ điều khiển trung tâm (Cấp điều khiển) từ đó nhận lệnh từ người dùng và điều khiển các thiết bị chấp hành. Giao thức truyền thông trong hệ thống BMS: Giao thức truyền thông Modbus RTU: là một giao thức mở, sử dụng theo kiểu truyền thông nối tiếp (đường truyền dây dẫn vật lý RS232, RS485,…), phổ biến trong hệ thống BMS nói riêng và lĩnh vực tự động hóa công nghiệp nói chung. Thường được sử dụng để kết nối bộ điều khiển với các thiết bị chấp hành với cấu trúc là Master – Slave hoặc Client – Server. Giao thức truyền thông TCP/IP: là giao thức điều khiển truyền tải (Transmission Control Protocol) và giao thức liên mạng (Internet Protocol).

Giao thức liên mạng IP được dụng để định tuyến và nhận biết địa chỉ (Address) cho các dữ liệu để phục vụ cho việc truyền tải dữ liệu qua mạng chính xác. Còn giao thức điều khiển truyền tải TCP giúp đảm bảo dữ liệu phải được truyền tải đầy đủ, theo đúng thứ tự đề ra và nếu xảy ra việc gói dữ liệu bị mất, TCP sẽ yêu cầu gửi lại. Giao thức truyền thông BACnet (Building Automation and Control Network): Là một giao thức truyền thông tiêu chuẩn mở và được thiết kế dành cho lĩnh vực tự động hóa tòa nhà, cho phép tất cả các thiết bị (khác hãng) trong tòa nhà truyền thông với nhau. Giao thức hoạt động theo cấu trúc Server – Client và Request – Response.

Hệ thống AHU (Air Handling Unit) Hệ thống AHU: thuộc hệ thống HVAC, có nhiệm vụ xử lý xử lý không khí và cung cấp cho một khu vực trong tòa nhà. Hệ thống AHU lấy không khí bên ngoài môi trường loại bỏ các loại bụi bẩn thông qua các bộ lọc sau đó sẽ được đưa qua dàn lạnh của chiller hoặc dàn nóng của heater để điều chỉnh nhiệt độ và xử lý độ ẩm theo nhu cầu, khí đã được xử lý sẽ được đẩy vào trong phòng bằng các ống thông gió và quạt thổi. [4] SVTH: 21142211, 21142232, 21142256 7/57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Lê Thị Hồng Nhung Hình 1.3 Tổng quan hệ thống AHU Hệ thống Chiller: bao gồm các đường ống dẫn, các van điện và một thiết bị làm lạnh nước dựa vào chu trình nhiệt động lực học.

Chức năng chính là hạ nhiệt độ của nước xuống mức phù hợp (10oC – 25oC) và cung cấp nước lạnh đến cho hệ thống AHU, HVAC,… Nước lạnh được cung cấp cho dàn lạnh của các hệ thống và làm mát không khí trong phòng sau đó sẽ được quay lại theo đường ống về chiller để làm mát và tuần hoàn.3 là sơ đồ tổng quan của một hệ thống phòng sạch dùng AHU kết hợp với Chiller làm lạnh không khí cấp vào phòng và không khí hồi vòng về AHU tái tạo chu trình. SVTH: 21142211, 21142232, 21142256 8/57 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. Lê Thị Hồng Nhung CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG AHU 2.

Yêu cầu vận hành hệ thống Yêu cầu chung cho hệ thống: − Hệ thống phải được xây dựng gần gũi với thực tế. − Có khả năng dự toán toàn bộ thiết bị, mô hình. − Giao diện quản lý đơn giản, dễ sử dụng. − Nguyên lý hoạt động đúng yêu cầu.