Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐOÀN XUÂN THỰC 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN, 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐOÀN XUÂN THỰC 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN QUÂN NHU THÁI NGUYÊN, 2015 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đoàn Xuân Thực Học viên lớp cao học khóa K15 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa- Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng Mỏ Hữu nghị - Vinacomin Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Ngƣời thực hiện Đoàn Xuân Thực ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, các giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Quân Nhu, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất. Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế. Xin chân thành cảm ơn! NGƢỜI THỰC HIỆN Đoàn Xuân Thực iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu 2 3. Đối tƣợng nghiên cứu 2 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3 5. Nội dung thực hiện 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 4 1.1 Khái niệm về điều khiển quá trình? 4 1.1.1 Quá trình và các biến quá trình 4 Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 5 1.1.2 Phân loại quá trình 7 1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 8 1.2.1. Vận hành ổn định 8 1.2.2. Năng xuất và chất lƣợng sản phẩm 9 1.2.3. Vận hành an toàn 9 1.2.4. Bảo vệ môi trƣờng 9 1.2.5. Hiệu quả kinh tế 10 1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình 10 1.3.1 Giao diện quá trình 10 1.3.2 Điều khiển cơ sở 10 1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát 11 1.3.4 Điều khiển cao cấp 11 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống 11 1.4.1 Thiết bị đo 12 1.4.2 Thiết bị điều khiển 12 1.4.3 Thiết bị chấp hành 13 1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 13 1.5.1 Phân tích chức năng hệ thống 13 1.5.2 Xây dựng mô hình quá trình 13 1.5.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển 14 iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.5.4 Thiết kế thuật toán điều khiển 14 1.5.5 Lựa chọn giải pháp hệ thống 15 1.5.6 Phát triển phần mềm ứng dụng 15 1.5.7 Chỉnh định và đƣa vào vận hành 15 1.6 Mô tả chức năng hệ thống 15 1.6.1 Các tài liệu mô tả đồ họa 16 CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC HVAC 17 2.1 Giới thiệu hệ thống HVAC 17 2.1.1: Hệ thống điều hòa không khí 17 2.1.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ 22 2.2 Xây dựng mô hình toán hệ thống HVAC 26 2.2.1 Mô hình buồng không gian HVAC 28 Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC 30 2.2.2 Mô hình dàn lạnh 30 Hình 2.7 Cuộn làm mát 31 2.2.3 Mô hình dàn nóng 33 2.2.4 Mô hình làm ẩm 34 2.25 Mô hình hộp trộn 34 2.2.6 Mô hình ống dẫn 34 2.2.7 Mô hình quạt 35 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ CẤU TRÚC, THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 36 3.1. Các phƣơng pháp điều khiển cơ sở 36 3.1.1 Điều khiển phản hồi 36 3.1.2 Điều khiển truyền thẳng (Feed Forward) 39 3.1.3 Điều khiển tỉ lệ 42 3.1.4 Điều khiển tầng (cascade control) 47 3.1.5 Điều khiển suy diễn 49 3.1.6. Điều khiển lựa chọn 49 3.2. Lựa chọn cấu trúc điều khiển hệ thống [8] 50 3.3. Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và mô phỏng 51 3.3.1 Mô hình toán học cho hệ thống 51 CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH HVAC TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 57 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4.1. Giới thiệu mô hình 57 4.2. Khảo sát đáp ứng của hệ thống với bài toán điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống thông gió, điều hòa không khí 61 4.3. Kết luận 63 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 5 Hình 1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 12 Hình 2.1: Cấu trúc đảm bảo cơ bản 17 Hình 2.2 Cấu tạo của cặp đo nhiệt 23 Hình 2.3 Cấu tạo thermistor 24 Hình 2.4 Cấu tạo bán dẫn 25 Hình 2.5: Cấu tạo hỏa kế 26 Hình 2.6: Mô hình không gian HVAC 30 Hình 2.7 Cuộn làm mát 31 Hình 3.1 Cấu trúc tổng quát của điều khiển phản hồi 36 Hình 3.2 Cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng (một bậc tự do) 37 Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển truyền thẳng 39 Hình 3.4 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 40 Hình 3.5 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ 44 Hình 3.6 Hệ thống trao đổi nhiệt trực lưu 45 Hình 3.7 Hai cấu trúc điều khiển tầng 48 Hình 3.8: Mô hình buồng không gian HVAC 51 Hình 3.9: Mô hình cuộn nóng 52 Hình 3.10: Mô hình bộ tạo ẩm 52 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.11: Mô hình hộp trộn 53 Hình 3.12: Mô hình ống dẫn 53 Hình 3.13: Mô hình quạt 53 Hình 3.14: Mô hình toàn bộ hệ thống 54 Hình 3.15: Nhiệt độ đầu ra hệ thống HVAC 56 Hình 3.16: Độ ẩm tương đối hệ thống HVAC 56 Hình 4.1: Mô hình hệ thống 58 Hình 4.2: Bàn điều khiển của hệ thống 59 Hình 4.3: Hệ thống HVAC 60 Hình 4.4: Màn hình giám sát và điều khiển 61 Hình 4.5: Hiển thị thông số 62 Hình 4.6: Đặc tính của động cơ quạt trong mô hình HVAC 63 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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. [...]... 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 3 Đối tƣợng nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng cấu trúc, thuật toán điều khiển trong. .. 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. .. năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự 1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức điều khiển tự động, mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát Ví dụ, ngƣời vận hành cần phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống, quan sát các đại lƣợng quá. .. kênh dẫn gió khác (hoặc hồi trực tiếp về buồng máy) và tiếp tục một chu trình mới 2.1.1.3 - Hệ thống điều hoà không khí biến tần (VRV) Hệ thống điều hoà không khí biến tần đƣợc cấu thành bởi một hoặc nhiều hệ thống nhỏ hơn, mỗi hệ thống nhỏ đó bao gồm 1 outdoor unit nối với nhiều indoor unit thông qua một tuyến đƣờng ống gas và hệ thống điều khiển Hệ thống điều hoà biến tần khác với hệ thống điều hoà... 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 5 Nội dung thực hiện Chƣơng 1: Tổng quan về lý thuyết điều khiển quá trình. .. 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 1.1 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. .. vào các thông số điều khiển cơ sở Thông thƣờng chức năng điều khiển cao cấp đƣợc đặt ở phía trên hoặc cùng cấp với vận hành và giám sát Một hệ thống điều khiển quá trình có thể cung cấp các chức năng điều khiển cao cấp nhƣ điều khiển công thức và quản lý mẻ, điều khiển chuyên gia, điều khiển chất lƣợng và tối ƣu hóa thời gian thực 1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống Tùy theo quy mô ứng dụng và mức... lạnh: Là hệ thống phân phối nƣớc lạnh từ máy lạnh trung tâm đến các dàn trao đổi nhiệt FCU e/ Hệ thống đƣờng ống phân phối không khí lạnh: Là hệ thống phân phối không khí lạnh từ các FCU qua các miệng thổi tới các khu vực cần điều hoà f/ Hệ thống điện điều khiển: Là hệ thống điều khiển khống chế liên động các thiết bị trong hệ thống (Máy lạnh, FCU, Bơm nƣớc và tháp giải nhiệt) Đặc điểm của hệ thống này:... chế tạo và lắp ráp Do vậy trong lĩnh vực điều khiển quá trình ta quan tâm trƣớc hết tới quá trình liên tục và quá trình mẻ Tuy nhiên, ngay cả trong những nhà máy chế biến cũng tồn tại một số quá trình rời rạc, ví dụ quá trình nhập xuất hàng, vận chuyển, đóng bao, đóng chai, khởi động/dừng thiết bị… 1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện . " ;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& quot; 2. Mục đích nghiên cứu * Mục tiêu chung: Nghiên cứu lý. ĐOÀN XUÂN THỰC 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã. 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