Đồ Án 2- Điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch - ĐHBKHN

Đồ Án 2- Điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch - ĐHBKHN

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây phòng sạch là một trong những hướng phát triển tiềm năng trong đời sống , công nghiệp nói chung và lĩnh vực điều hòa không khí nói riêng Do yêu cầu của sản phẩm công nghệ cao như sản xuất máy tính, sản xuất chíp, các bo mạch, công nghệ chất bán dẫn, hay những loại thuốc trong dược phẩm, , các thiết bị y tế, phòng mổ trong bệnh viện Tất cả những phòng

này đòi hỏi phải kiểm soát nồng độ các hạt bụi, các loại chất ô nhiễm, sự trao đổi không khí ở một mức cho phép để tạo ra một môi trường lí tưởng

Để tạo ra môi trường đáp ứng các yêu cầu của phòng sach, người ta sử

dụng điều hòa không khí cho phòng sạch với các đặc điểm, tính năng vợt trội

so với điều hòa không khí thông thường Và nhiệm mới vụ đặt ra sau khi duy

trì được các điều kiện trên cho phòng sạch là điều khiển lưu lượng không khí

trong phòng sạch để tiết kiệm năng lượng một cách tốt nhất

Vì nhu cầu phòng sạch hiện giờ là rất lớn do đất nước ngày càng phát triển nên phòng sạch là một mảng rất có tiềm năng của lĩnh vực ĐHKK Và một trong

những yếu tố quan trọng nhất để đảm bảo yêu cầu chất lượng của phòng sạch đó là khâu điều khiển

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ,

HỆ THỐNG, QUÁ TRÌNH1.1 SƠ LƯỢC VỀ PHÒNG SẠCH

Nói một cách đơn giản, phòng sạch là một phòng kín mà trong đó, lượng bụi trong không khí, được hạn chế ở mức thấp nhất nhằm tránh gây bẩn cho các quá trình nghiên cứu, chế tạo và sản xuất Đồng thời, nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của không khí cũng được khống chế và điều khiển để có lợi nhất cho các quá trình trên Ngoài

ra, phòng còn được đảm bảo vô trùng, không có các khí độc hại đúng theo nghĩa

khác đã chỉ ra rằng sự nhiễm khuẩn là nguyên nhân của nhiều căn bệnh, mà một trong những nguyên nhân của sự nhiễm khuẩn là sự mất vệ sinh trong môi trường Lần đầu tiên vào những năm 1860, Joseph Lister(một giáo sư ở Đại học Tổng hợp Glasgow) đã thiết lập một hệ thống phòng khép kín nhằm hạn chế bụi bẩn, chống

sự nhiễm khuẩn ở Viện xá Hoàng gia Glasgow (Royal Infirmary, là một Viện xá thành lập bởi ĐH Glasgow, ngày nay tách ra làm 2 phần mang tên là Glasgow Western Infirmary và Glasgow Royal Infirmary) Đây chính là phòng sạch sơ khai đầu tiên

Và hệ thống phòng sạch sử dụng cho sản xuất được bắt đầu sử dụng vào thời gian chiến tranh thế giới thứ hai để cải tiến các súng ống, vũ khí quân sự Cho đến lúc này, phòng sạch mới chỉ ở mức sơ khai là làm sạch bằng cách hệ thống hút bụi và hút ẩm đơn giản, khác xa so với ngày nay Tiếp đến, phòng sạch được phát triển thêm một bước nhờ sự thúc đẩy từ các ngành nghiên cứu về hạt nhân, sinh và hóa dẫn sự ra đời của các hệ thống lọc không khí Các phòng sạch với dung tích lớn, hệthống lọc không khí tốt bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1955 Công ty điện tử Western Electric Company (Winston-Salem, Mỹ) gặp phải các vấn đề trục trặc với các sản phẩm sai hỏng do sự có mặt của các hạt bụi trong không khí Yêu cầu đặt

ra cho họ là các phòng sạch không nhiễm bụi, và từ đó hệ thống phòng sạch đươc phát triển, với các hệ thống lọc, các hệ thống điều khiển, các quần áo bảo hộ nhằm chống bụi bẩn cho phòng được phát triển như ngày nay Và hiện nay, phòng sạchđược sử dụng cho nhiều lĩnh vực: y tế, khoa học và kỹ thuật vật liệu, linh kiện điện

tử, lý, hóa, sinh, cơ khí chính xác, dược

1.2 CÁC TIÊU CHUẨN VÀ CÔNG NGHỆ

1.2.1Tiêu chuẩn phòng sạch

Tiêu chuẩn đầu tiên của phòng sạch là hàm lượng bụi, tức là hàm lượng các hạt bụi

lơ lửng trong không khí được khống chế đến mức nào (tất nhiên là bụi bám càng phải làm sạch rồi) Nếu ta so sánh một cách hình tượng, đường kính sợi tóc người vào cỡ 100μm, hạt bụi trong phòng có thể có đường kính từ 0,5 đến 50μm

Các tiêu chuẩn về phòng sạch lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1963 ở Mỹ, và hiện nay đã trở thành các tiêu chuẩn chung cho thế giới Đó là các tiêu chuẩn quy định lượng hạt bụi trong một đơn vị thể tích không khí Người ta chia thành các tầm kích cỡ bụi và loại phòng được xác định bởi số hạt bụi có kích thước lớn hơn 0,5μm trên một thể tích là 1 foot khối (ft3) không khí trong phòng.

1 Tiêu chuẩn Federal Standard 209 (1963) [1]

Tiêu chuẩn này lần đầu tiên được quy định vào năm 1963 (có tên là 209), và sau đóliên tục được cải tiến, hoàn thiện thành các phiên bản 209 A (1966), 290 B

(1973) , cho đến 209 E (1992)

2 Tiêu chuẩn Federal Standard 209 E (1992) [2-3]

Tiêu chuẩn này xác định hàm lượng bụi lửng trong không khí theo đơn vị chuẩn (đơn vị thể tích không khí là m^3) Sự phân loại phòng sạch được xác định theo thang loga của hàm lượng bụi có đường kính lớn hơn 0,5 \mum Dưới đây là bảng tiêu chuẩn FS 209 E

3 Tiêu chuẩn ISO 14644-1 [3,4]

Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (International Standards Organization - ISO) đã quy định các tiêu chuẩn về phòng sạch tiêu chuẩn quốc tế Tiêu chuẩn ISO 14644-1 được phát hành năm 1999 có tên "Phân loại độ sạch không khí" (Classification of Air Cleanliness) Các loại phòng sạch được quy định dựa trên biểu thức:

Cn=10N[0,1D]2,08

0,1 ở đây là hằng số với thứ nguyên là μm.

Như vậy, có thể dễ dàng xác định các giới hạn hàm lượng bụi từ công thức trên và

dễ dàng phân loại từng cấp phòng sạch (bảng 3)

Cần chú ý rằng, mức độ nhiễm bẩn không khí trong phòng còn phụ thuộc vào các hạt bụi sinh ra trong các hoạt động trong phòng, chứ không chỉ là con số cố định của phòng Chính vì thế, trong các tiêu chuẩn của phòng, luôn đòi hỏi các hệ thốnglàm sạch liên hoàn và còn quy định về quy mô phòng và số người, số hoạt động

Ngoài các tiêu chuẩn này, mỗi ngành còn có thể có thêm các đòi hỏi riêng cho mình, ví dụ như làm về công nghiệp vi mạch bán dẫn đòi hỏi khác với ngành y

Ta nhớ là công nghiệp bán dẫn thao tác với các phần tử vật liệu tới cỡ micron, vì thế mà yêu cầu rất khắt khe về hàm lượng bụi nhỏ, trong khi ngành y tế lại đòi hỏi cao về mức độ sạch và điều hòa không khí nhằm chống nhiễm khuẩn

1.2.2 Nhứng điểm đặc biệt của hệ thống ĐHKK trong phòng sạch so với hệ thống ĐHKK thông thường

1.2.2.1.Áp suất phòng

Nhiệm vụ chủ yếu là ngăn ngừa không cho không khí, hạt bụi, chất nhiễm

trùng; từ phòng, khu vực dơ hơn sang phòng, khu vực sạch hơn Nguyên tắc

di chuyển căn bản của không khí là từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất

thấp Như vậy, phòng có cấp độ sạch hơn thì có áp cao hơn và ngược lại Để

kiểm soát áp suất phòng thì thường có đồng hồ đo áp suất, khi áp phòng vượt

quá sẽ tự động tràn ra ngoài thông qua cửa gió xì Thường thì những phòng

nào có yêu cầu cao mới gắn miệng gió xì

1.2.2.2.Độ sạch

Độ sạch của phòng được quyết định bởi hai yếu tố là số lần trao đổi gió hay

bội số tuần hoàn (Air Changes per Hour) và Phin lọc Thông thường đối với

điều hòa không khí cho cao ốc văn phòng có thể từ 2 tới 10 lần Nhưng trong

phòng sạch thì số lần trao đổi gió lên tới 20 lần, đặc biệt trong phòng sạch chosản xuất chíp lên tới 100 lần Tăng số lần trao đổi gió để làm giảm nồng độ

hạt bụi, chất ô nhiễm sinh ra trong phòng Do vậy kết cấu phòng sạch khác

với những cao ốc văn phòng Với các phòng có yêu cầu cấp độ sạch khác

nhau thì số lần trao đổi gió cũng khác nhau Ví dụ trong nhà máy sản xuất

dược phẩm khu vực thay đồ có cấp độ sạch E (cấp màu đen) có áp phòng là

+(15Pa), số lần trao đổi gió là 10, trong khi phòng pha chế có cấp độ sạch C

có áp phòng +(30Pa), số lần trao đổi gió là 20, phin lọc cấp H12 Phin lọc có

nhiệm vụ là lọc bỏ những hạt bụi của không khí trước khi vào phòng Tùy

theo yêu cầu của các loại phòng sạch mà sử dụng phin lọc cho phù hợp

Thông thường với các phòng trong nhà máy dược thì sử dụng loại lọc hiệu

suất cao HEPA(High Efficiency Particle Air) Vị trí bộ lọc có thể gắn ngay tạiAHU hoặc từng phòng

1.2.2.3 Nhiễm chéo

Để hiểu rõ về nhiễm chéo ta định nghĩa về tạp nhiễm Tạp nhiễm là sự

nhiễm (đưa vào) không mong muốn các tạp chất có bản chất hóa học hoặc vi

sinh vật, hoặc tiểu phân lạ vào trong hoặc lên trên một nguyên liệu ban đầu

hoặc thành phẩm trung gian trong quá trình sản xuất, lấy mẫu, đóng gói, bảo

quản và vận chuyển Như vậy nhiễm chéo là việc tạp nhiễm của một nguyên

liệu ban đầu , sản phẩm trung gian, hoặc thành phẩm với một nguyên liệu banđầu hay sản phẩm khác trong quá trình sản xuất Việc nhiễm chéo có cả nguyên nhân bên ngoài và bên trong Vấn đề nhiễm chéo khá phức tạp đối với các phòng trong nhà máy dược cũng như phòng mổ trong bệnh viện Các phòng sạch cho công nghệ cao thì ít hơn rất nhiều do chỉ sản xuất 1 loại sản phẩm trong một khu lớn

1.2.3 Điều hòa dùng trong phòng sạch

công nghệ và thiết bị nhằm tạo ra một môi trường không khí phù hợp với

công nghệ sản xuất, chế biến hoặc tiện nghi đối với con người Ngoài nhiệm

vụ duy trì nhiệt độ trong phòng , hệ thống điều hòa không khí còn phải giữ nhiệt độkhông khí trong phòng đó ổn định ở một mức độ ổn định nào đó

Bên cạnh đó cần phải chú ý đến độ sạch của không khí, khống chế độ ồn và

tốc độ lưu thông hợp lí của dòng không khí

Như vậy, một hệ thống điều hòa đúng nghĩa là hệ thống có thể duy trì trạng

thái của không khí trong không gian điều hòa ở trong vùng quy định nào đó,

nó không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của điều kiện khí hậu bên ngoài hay sựthay đổi phụ tải bên trong

H1: Hệ thống điều hòa không khí trong phòng sạch

bị tiền xử lý kiểu như PAU trong các khu hành lang, hội trường lớn,

Nó bao gồm dàn trao đổi nhiệt (thường dùng trao đổi nhiệt giữa nước lạnh đi qua các ống đồng và không khí thổi qua nó) và quạt cao áp( quạt hướng kính) hệ thống

điều khiển gồm cảm biến nhiệt, van ba ngã actuator khi nhiệt độ phòng lớn hơn nhiệt độ đặt thì van 3 ngã mở cho nước lạnh chảy qua dàn trao đổi nhiệt đến khi nhiệt độ tụt xuống nhiệt độ đặt thì van 3 ngã đóng lại nước lạnh chảy qua đường bypass về thiết bị làm lạnh nước(chiller) không khí trước khi đưa vào AHU

thường được lọc qua bộ phận tiền lọc và lọc túi Khi cần độ sạch cao thì sử dụng cảlọc HEPA

Công nghệ valve 3 ngả là công nghệ lâu rồi, bây giờ người ta hay dùng các

actuator điều khiển trơn cho các valve nước lạnh, nó có thể điều khiển đến từng %

độ mở của valve nước lạnh

Còn quạt cao áp thì người ta thường dùng quạt 3 tốc độ với AHU nhỏ ( giống các FCU) Dùng các VSD ( variable speed drive) cho các quạt công suất lớn Qua việcđiều khiển valve nước lạnh, tốc độ quạt gió để điều khiển nhiệt độ không khí đầu ra

Tuy nhiên, các AHU này có độ chính xác ko cao, nó chỉ dùng để xử lý sơ bộ khôngkhí, muốn có 1 nhiệt độ và độ ẩm chính xác, các FCU tại từng khu vực sẽ làm tốt việc này

H2: Hệ thống AHU

1.2.4 Hệ thống thông gió

Để luân hồi không khí trong hệ thống ta sử dụng hệ thống ống gió làm bằng

tôn, có tính chất vật lí tốt như bền, nhẹ không làm ảnh hưởng tới không khí

cần luân hồi, tùy thuộc vào kích thước của từng ống mà chọn độ dày khác

nhau

1.2.4.2 Thiết bị tiêu âm

Khi hệ thống hoạt động sẽ tạo ra tiếng ồn, để tiếng ồn không bị di chuyển

theo cấp vào các phòng sản xuất ta phải sử dụng biện pháp làm tiêu âm trên

dường đi của dòng khí, sử dụng ống gió tiêu âm bề mặt xung quanh bên trongống có cấu trúc lỗ làm cho tiếng ồn đó bị triệt tiêu

1.2.4.3 Các miệng cấp/ hồi khí – Bộ lọc HEPA

- Miệng cấp khí HEPA : Trong hệ thống phòng sạch có nhiều khu vực có

cấp độ sạch khác nhau Bởi vậy các HEPA cho các khu vực này cũng có các

filter lọc với cấp độ lọc, độ dày khác nhau theo tiểu chuẩn GMP – WHO

- Miệng hồi khí : Với cửa hút trần ta sử dụng cửa hút nan thẳng có màng lọc

thô hoặc cửa hút có vỏ bọc kim loại soi nhiều lỗ tròn Cửa hút chân tường là

dùng loại dạng lưới

H3: Một bộ lọc HEPA kiểu các nếp gấp sâu (a) và các nếp gấp nhỏ (b).

Không khí được lọc qua các cuộn giấy lọc cuốn từng lớp thành các media lọc có độrộng từ 15 đến 30 cm và được ngăn cách bởi các lá nhôm mỏng Để ngăn cản các hạt bụi nhỏ, người ta sử dụng media lọc là các dây micro xếp thành các lưới siêu nhỏ (hình 4a bên dưới) và cho không khí đi qua đồng thời cản các hạt bụi

H4: Vi cấu trúc tấm lọc (a) và cơ chế lọc bụi của tấm lọc (b) và hiệu suất lọc

(c)

1.2.4.4 Vật liệu bảo ôn cách nhiệt

Hệ thống ống gió được làm bằng tôn nên trong quá trình lắp đặt ta cần phải

làm kín và cách nhiệt Ta sử dụng bảo ôn PE dạng tấm xốp có tráng bên ngoàimột lớp giấy bạc, ngoài ra bảo ôn còn có thể cách âm cho hệ thống

1.2.4.5 Hệ thống thải khí

Đối với một số công trình phòng sạch có các khu vực độc hại hoặc hóa chất

gây hại cho con người và môi trường nên không thể để không khí luân hồi tạicác AHU Do đó ta cần lắp đặt một hệ thống thải khí trong đó có các virút và hóa chất độ hại được tách ra khỏi không khí trước khi cho ra môi trường bên ngoài Giải pháp tốt nhất cho vấn đề này là sử dụng các bộ lọc khí RPT hoặc

hệ thống lọc khí BIBO

1.2.5 Các thiết kế phòng sạch

1.2.5.1Kiểu phòng thông hơi hỗn loạn (Turbulently Vetilated Cleanroom) [4]Nguyên lí thông hơi của phòng sạch kiểu này cũng tương tụ như hầu hết các phòng điều hòa không khí phổ thông như văn phòng hay cửa hàng Không khí sạchđược cấp bởi máy điều hòa không khí được tỏa đi qua các hệ thống khuếch tán trêntrần nhà (hình vẽ)

Hình 5 Phòng sạch kiểu “Thông hơi hỗn loạn”

Người ta gọi là “thông hơi hỗn loạn” là do không khí chuyển động một cách ngẫu nhiên và hỗn loạn trong phòng nhờ hệ thống khuếch tán (hình 6a) hoặc nhờ hệ thống “phun” (hình 6b).

a b

Hình 6 Các kiểu di chuyển không khí trong phòng sạch kiểu thông hơi hỗn loạn:

di chuyển qua bộ khuếch tán (a) và sự phun nhờ hệ thống phun hơi (b)

Hệ thống “phun” không khí (hình 6b) thường bắt gặp trong các hệ thống phòng sạch thông hơi hỗn loạn truyền thống Hệ thống kiểu này thường cho các dòng khí thẳng và có khả năng kiểm soát tốt quá trình nhiễm bẩn dưới bộ lọc Hệ thống phun này có thể mang lại các điều kiện khả dĩ hơn bên dưới khu vực cung cấp, nhưng do đó lại làm kém đi cho các vùng xung quanh trong phòng (hình 7)

Hình 7 Một sơ đồ đơn giản về phân bố áp suất dòng khí trong phòng sạch với hệ thống phun khí.

1.2.5.2 Phòng sạch kiểu định hướng hoàn toàn (Unidirectional Cleanroom)[4]

Hệ thống phòng sạch với kiểu thông hơi tán loạn thường chỉ đạt được các độ sạch tiêu chuẩn tới cấp ISO 6 trong quá trình sản xuất Để đạt được điều kiện tốt hơn thếtrong suốt quá trình hoạt động, điều cần thiết là phải làm loãng sự sản sinh các hạt

Điều này có thể làm được bằng cách dùng dòng không khí hoàn toàn thẳng (hình 5).

Hình 8 Hệ thống phòng sạch kiểu dòng không khí thẳng đứng

Hình 8 là mặt cắt của một thiết kế phòng sạch với dòng không khí lưu chuyển theo chiều thẳng đứng và được vận hành khép kín theo kiểu như các piston Do đó, dòng không khí này giúp cho việc đẩy bay các nhiễm bẩn Khi được lưu chuyển ra cửa, dòng không khí này sẽ vận chuyển theo dòng và lại được lưu chuyển khép kín qua hệ thống lọc Hệ thống này tiên tiến hơn hệ thống thoát khí hỗn loạn rất nhiều bởi khả năng khử các nhiễm bẩn nhanh chóng Vận tốc dòng khí thường dùng từ 0.3 m/s đến 0.6 m/s Tuy nhiên, loại phòng sạch kiểu này có giá thành và chi phí vận hành cao hơn rất nhiều so với phòng sạch thông khí hỗn loạn

Hình 9 Hệ thống thoát khí thẳng đứng với các của thoát khí bổ sung 2 bên.

Một kiểu khác của hệ thống phòng sạch định hướng là hệ thống dòng khí nằm ngang (hình 10), với cách thức là dòng khí đi vào từ một bên vách này qua hệ thống lọc với hiệu suất cao và thổi qua phòng rồi được quay ngược lại khi đập vào vách đối diện Vì diện tích của vách tường thường nhỏ hơn rất nhiều so với diện tích trần nhà vì thế chi phí của loại phòng này cũng thấp hơn nhiều so với kiểu dùng dòng không khí thẳng đứng

Hình 10 Hệ thống phòng sạch với dòng không khí nằm ngang

Hệ thống lưu chuyển không khí kiểu nằm ngang không phổ biến bằng hệ thống thẳng đứng dù nó rẻ hơn với lý do liên quan đến sự nhiễm bẩn (so sánh qua hình 8) Hình 8 so sánh cho ta 2 cách làm loãng sự nhiễm bẩn ở 2 loại phòng nằm ngang

và dòng thẳng đứng Ở phòng có dòng lưu chuyển thẳng đứng, các hạt bụi bẩn sẽ

bị đẩy theo chiều thẳng đứng xuống sàn, và thổi bạt xuống các vị trí thoát khí và không gây nhiễm bẩn từ vị trí này sang vị trí khác cũng như từ người này sang người khác Còn hệ thống lưu chuyển khí nằm ngang có thể dẫn tới việc bụi bẩn bị thổi từ vị trí này sang một vị trí nằm ngang khác, hoặc từ người phía trước (chiều khí lưu chuyển) bay vào người phía sau (hình 11)

Hình 11 So sánh 2 kiểu nhiễm bẩn ở dòng không khí thẳng đứng và nằm ngang.

1.3 QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TRONG PHÒNG SẠCH

1.3.1 Chi tiết về công nghệ

H12: Sơ đồ công nghệ phòng sạch

Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: không khí ngoài trời (gió tươi) với lưu lượng GN, kg/s, trạng thái N được quạt hút vào qua cửa chớp (van gió tươi) vào phòng hòa trộn 13 Ở đây diễn ra quá trình hòa trộn với gió hồi có trạng thái T và lưu lượng GT Sau khi hòa trộn, hỗn hợp có trạng thái H và lưu lượng GT + GN

được đưa qua các thiết bị xử lý không khí như dàn làm lạnh 3, calorifer 4 để đạt được trạng thái không khí O sau đó được quạt đưa qua các hệ thống lọc để lọc không khí cho phòng sạch Không khí sau khi sử lý sẽ được đưa vào phòng sạch để

xử dụng Trạng thái không khí thổi vào là V Trong phòng không khí sẽ tự biến đổitrạng thái từ V đến T do nhận nhiệt thừa và ẩm thừa trong không gian phòng sạch theo hệ số góc của tia quá trình ε

t =Qt/Wt, đã xác định trước Sau đó không khí ở trạng thái T được quạt 10 hút qua các miệng hút, thải ra một phần theo đường xả

và đưa một phần về phòng hòa trộn theo đường hồi

1.3.2.Các vòng điều khiển chính, hệ thống điều khiển, giám sát

Các hệ thống điều khiển tự động trong điều hòa không khí hoạt động dựa trên nhiều nguyên tắc khác nhau Tuy nhiên, một hệ thống điều khiển đều có các thiết bị tương tự nhau

H13:Sơ đồ ngyên lý điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch

- Hệ thống điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch sẽ giúp cho lưulượng không khí trong hòng được giữ ở mức ổn định không thay đổi Ta biết để không khí trong phòng đảm bảo các tiêu chuẩn thì phải trải qua các cấp lọc Khi không khí bẩn đi qua các bộ lọc thì các hạt bụi sẽ bị giữ lại làm bẩn bộ lọc bụi và lưu lượng không khí sẽ không thể đản bảo yêu cầu Và khi bẩn thì cũng không thể thay iền các bộ lọc nên để vẫn đảm bảo lưu lượng không khí cấp vào phòng đòi hỏi phải tăng cột áp của quạt để đảm bảo lưu lượng không khí cấp vào phòng

CHƯỜNG II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯỢNG KHÔNG KHÍTRONG

PHÒNG SẠCH

2.1.Khái quát về hệ thống điều khiển2.1.1 Thành phần cấu tạo chính

- Thông số điều khiển: là thông số nhiệt vật lí cần phải duy trì của hệ thống

điều khiển Thông số điều khiển được định giá trị trước tại bộ điều khiển

- Bộ cảm biến: là thiết bị cảm nhận sự thay đổi của thông số diều khiển và

truyền các ghi nhận đó lên thiết bị điều khiển Bộ cảm biến hoạt động dựa

trên sự giãn nở nhiệt của các chất, áp lực dòng chảy …

- Bộ điều khiển: Thiết bị điều khiển sẽ so sánh giá trị nhận được từ bộ cảm

biến với giá trị đặt trước của nó.Tùy theo mối quan hệ của hai giá trị này mà

tín hiệu đầu ra khác nhau

- Phần tử điều khiển: Sau khi nhận tín hiệu từ thiết bị điều khiển cơ cấu

chấp hành sẽ tác động, tác động đó có tác dụng làm thay đổi thông số điều

khiển

2.1.2 Nhiệm vụ và chức năng

-Chức năng quan trọng nhất của hệ thống điều hòa không khí là duy trì các

thông số khí hậu trong một phạm vi nào đó không phụ thuộc vào điều kiện

môi trường xung quanh và sự thay đổi của phụ tải Tuy nhiên chúng ta vẫn

chưa xem xét làm thế nào mà hệ thống điều hoà không khí có thể thực hiện

được điều đó khi phụ tải và môi trường luôn luôn thay đổi Hệ thống điều

khiển có chức năng nhận các tín hiệu thay đổi của môi trường và phụ tải để

tác động lên hệ thống thiết bị nhằm duy trì và giữ ổn định các thông số khí

hậu trong không gian điều hòa không phụ thuộc vào điều kiện khí hậu bên

ngoài và phụ tải bên trong Ngoài chức năng đảm bảo các thông số vi khí hậutrong phòng, hệ thống điều khiển còn có tác dụng bảo vệ an toàn cho hệ thống, ngăn ngừa các sự cố có thể xãy ra; đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu

quả và kinh tế nhất; giảm chi phí vận hành của công nhân

- Hệ thống điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch sẽ giúp cho lưu lượngkhông khí trong hòng được giữ ở mức ổn định không thay đổi Ta biết để không khí trong phòng đảm bảo các tiêu chuẩn thì phải trải qua các cấp lọc Khi không khí bẩn đi qua các bộ lọc thì các hạt bụi sẽ bị giữ lại làm bẩn bộ lọc bụi và lưu lượng không khí sẽ không thể đản bảo yêu cầu Và khi bẩn thì cũng không thể thay

iền các bộ lọc nên để vẫn đảm bảo lưu lượng không khí cấp vào phòng đòi hỏi phảităng cột áp của quạt để đảm bảo lưu lượng không khí cấp vào phòng.

Giải pháp điều chỉnh đó là ta sẽ sử dụng biến tần để điều chỉnh quạt nhằm đảm bảo yêu cầu ta sẽ dùng bộ biến tần để có thể điều chỉnh quạt

Quy trình công nghệ thiết bị cảm biến lưu lượng sẽ đo lưu lượng không khí trước hepa sau đó sẽ truyền tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ so sánh giá trị đo được với giá trị đặt và sẽ truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành là biến tần và quạt

để điều chỉnh tăng lưu lượng đến giá trị đặt

2.1.3 Sơ đồ điều khiển

- Sơ đồ nguyên lý điều khiển

1- Phin lọc (miệng cấp khí) ; 2- Cảm biến lưu lượng ; 3- Bộ điều khiển

4- Biến tần ; 5- Quạt ; 6- Dàn lạnh ; 7- Miệng hồi khí

-Sơ đồ P&ID

- Sơ đồ cấu trúc

cơ sở chuyển đổi

Trong đó

R: Thiết bị điều khiển

O : Đối tượng điều khiển(trong hệ thống này là: biến tần, quạt, cảm biến).r(t): Tín hiệu vào

y(t): Tín hiệu ra

u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên phần tử điều khiển

v(t): Tín hiệu nhiễu

e(t): Tín hiệu sai lệch điều khiển

z(t): Tín hiệu phản hồi

2.2 Các thiết bị đo và điều khiển

2.2.1 Bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ ñiều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại

(P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D) Khi sử dụng thuật toán PID nhất

thiết phải lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho

các chế độ đã chọn Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng

là P, PI và PID

Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộngrãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ PID cónhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏamãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệu điềuchỉnh u(t) càng lớn

- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), PID vẫn còntạo tín hiệu điều chỉnh

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t),phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

* Ta chọn bộ điều khiển SIMATIC 1200, CPU 1215C với mã sản phẩm 6ES7215-1AG31-0XB0 do tập đoàn Siemens sản xuất

Bộ điều khiển PLC SIMATIC S7-1200, CPU 1215C

 Sơ lược về bộ điểu khiển S7-1200

Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình Đặc điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản

Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một dải sản phẩm các màn hình HMI mới dùng cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu.Tất cả cùng tạo ra một giải pháp tích hợp, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡnhỏ (Micro Automation)

CPU SIMATIC S7-1200

S7-1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C.Mỗi loại CPU có đặc điểm và tính năng khác nhau, thích hợp cho từng ứng dụng của khách hàng Dưới đây là tóm tắt các tính năng nổi bật của SIMATIC S7-1200:

+ Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:

Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở

Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo

Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s

Hỗ trợ 16 kết nối ethernet

TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol

+ Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:

6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và

đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100 kHz và 3 bộ đếm 30 kHz

2 ngõ ra PTO 100 kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ láiservo (servo drive)

Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ

16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality)

+ Thiết kế linh hoạt:

Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển

Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra

Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU

3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông VD: Module RS232 hay RS485

50KB work memory, 2MB load memory

Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware

Chẩn đoán lỗi online / offline

 Thông số kỹ thuật bộ điều khiển PLC S7 1200 CPU 1215C

*Sơ đồ đấu dây

2.2.2 Biến tần

● Biến tần là gì?

- Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành

dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được

● Nguyên lý hoạt động của biến tần

- Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc

thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnhlưu cầu diode và tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosφ của hệ biến tần đều

có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96 Điện áp một chiềunày được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng

Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng

cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ

tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số

chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho

động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

- Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ

và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp

có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô menkhông đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt,quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra

đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tảibơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp

- Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộlinh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy,năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống

- Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khácnhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày nay biến tần có tíchhợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phùhợp cho việc điều khiển

*) Chọn biến tần:

Ta chọn quạt với công suất khoảng 10KW nên chọn biến tần: 3G3RX-A2300

OMRON Chức năng:

+ Điều khiển vector vòng kín với mô đun PG cắm thêm

+ Mô men khởi động lớn, cho phép 200% ở tần số 0.3Hz

+ Có chức năng điều khiển PID

+ Chức năng dừng khẩn cấp (tác động nhanh)

+ Tích hợp mô đun phanh với loại 22kW trở xuống

+ Chức năng truyền thông RS-485 (chuẩn MODBUS)

+ Khối đấu nối dây tín hiệu có thể tháo rời được

+ Chức năng lọc nhiễu và lọc sóng hài nguồn đầu vào

+ Tương thích với các tiêu chuẩn RoHS, CE, UL/cUL

- Đặc tính kỹ thuật:

+ Điện nguồn: 3 pha 200-240V tại 50/60Hz

+Tín hiệu đầu vào: dòng điện 4-20mA

+ Công suất động cơ: 30kW

+ Công suất đầu ra danh định: 41,9kVA

+ Điện áp danh định đầu ra: 3 pha 200-240V AC

+ Tần số tối đa đầu ra: 400Hz

+ Phương thức điều khiển: Điều chế dòng sin bằng độ rộng xung(PWM).+ Tần số mang: 0,5-15kHz

+ Độ phân giải của tần số đầu ra: 0,01Hz.

+ Thời gian gia tốc/giảm tốc: 0,01-360

- Sơ đồ đấu dây

2.2.3.Cảm biến lưu lượng

Nguyên lý

Một trong những công dụng phổ biến nhất của cảm biến lưu lượng là xác định lưu lượngcủa vật liệu qua đường ống với kích thước biết trước Nhớ rằng lưu lượng là lượng chất lỏng, chất dạng vữa, khí hoặc thậm chí cả chất rắn dạng bột đi qua trong một khoảng thời gian xác định

phút (gal/min, gpm) hoặc feet khối trên phút (ft3/min)

2 Lưu lượng khối lượng - là khối lượng trên một đơn vị thời gian như

pounds trên giây (lb/sec) hoặc pounds trên phút (lb/min)

3 Vận tốc dòng chảy – là khoảng cách trên một đơn vị thời gian như feet trên phút(ft/min)

Mối quan hệ cơ bản giữa lưu lượng và vận tốc là:

Lưu lượng thể tích = Vận tốc x diện tích tiết diện ngang của đường ốngTrong hình 1, chúng ta thấy đường kính của hai ống có kích thước khác nhau ảnh hưởngnhư thế nào đến vận tốc dòng chảy khi xét cùng lưu lượng

*Ống pitô

Trên hình trình bày ống pitô đo áp suất: áp suất tĩnh (a), áp suất tổng (b) và

áp suất động (c), cảm biến điện (d)

Cơ sở để đo lưu lượng là sự phụ thuộc giữa lưu lượng vào sự thay đổi áp suất khi đi qua thiết bị

Các ống pitot cơ bản bao gồm một ống chỉ trực tiếp vào dòng chảy chất lỏng Khi ống này chứa chất lỏng, áp lực có thể được đo lường; các chất lỏng di chuyển được đưa đến nghỉ ngơi (stagnates) là không có ổ cắm để chophép lưu lượng để tiếp tục Áp lực này là áp lực trì trệ của chất lỏng, còn được gọi là tổng áp lực hay (đặc biệt là trong ngành hàng không) áp lực Pitot

Áp lực trì trệ đo không thể tự nó được sử dụng để xác định vận tốc dòng chất lỏng (tốc độ không khí trong ngành hàng không) Tuy nhiên, phương

• u là vận tốc dòng chảy được đo bằng m / s;

• pt là trì trệ hoặc áp suất trong pascal;

• ps là áp suất tĩnh trong pascal;

• và là mật độ chất lỏng trong kg/m

3

Các áp lực năng động , sau đó, là sự khác biệt giữa áp lực trì trệ và áp suất tĩnh Sau đó, áp lực động được xác định bằng cách sử dụng cơ hoành bên trong một container kín Nếu không khí ở một bên của cơ hoành là ở áp suất tĩnh, và khác ở áp lực trì trệ, sau đó sự lệch của cơ hoành là tỉ lệ với áp suất động

Trên máy bay, áp suất tĩnh thường được đo bằng cách sử dụng cổng tĩnh ở phía bên của thân máy bay Áp lực động đo có thể được sử dụng để xác

được chứa trong các chỉ số tốc độ bay , chuyển đổi áp suất động đến một đọctốc độ bay bằng phương tiện của đòn bẩy cơ khí.

Thay vì Pitot và tĩnh cổng riêng biệt, một ống pitot tĩnh (còn gọi

là Prandtlống) có thể được sử dụng, trong đó có một đồng trục ống thứ hai với các ống pitot có lỗ ở hai bên, ngoài luồng không khí trực tiếp, để đo áp lực tĩnh

Nếu một cột chất lỏng áp kế được sử dụng để đo lường sự chênh lệch áp suất

pt -ps , hoặc là ∆p

,

p h

áp suất để xác định vận tốc dòng chảy bên trong đường hầm gió ngầm

hoá.Một ứng dụng của kỹ thuật này là để xác định khối lượng của không khíđang được chuyển giao cho một không gian lạnh

Tỷ lệ dòng chảy chất lỏng trong một ống dẫn có thể được ước tính từ:

Tỷ lệ lưu lượng thể tích (feet khối mỗi phút) = diện tích ống (feet vuông) × vận tốc dòng chảy (feet mỗi phút)

* Chọn thiết bị đo và chuyển đổi lưu lượng MP Flow Transmitter series 9800MP của hãng Eldridge Products, Inc

Thiết bị đo và chuyển đổi lưu lượng MP Flow Transmitter series 9800MP

đầu ra tín hiệu 0-5 VDC & 4-20 mA (lưu lượng và nhiệt độ)

và qua cảm biến lưu lượng, sau khi qua các cảm biến dòng khí sẽ được đưa lại dòng chảy chính Thiết bị tính toán sẽ tính và chuyến đổi nó thành tín hiệu điện 4-

20 mA để chuyển về bộ điều khiển

* sơ đồ nối dây

2.3 Sơ đồ ghép ối thiết bị

2.4 Phương pháp lấy số liệu

Cách lấy số liệu

-Đầu tiên ta cho máy hoạt động ổn định ở tần số 30Hz

-Ta sẽ thay đổi tần số của biến tần từ 30Hz lên 40Hz và lấy số liệu sự thay đổi lưu lượng không khí theo thời gian cho đến khi lưu lượng không khí ổn định

-Dựa vào số liệu đã lấy ta sẽ tổng hợp được bộ điều khiển và đánh giá được bộ điều khiển đó

*Số liệu thu được

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ MÔ HÌNH HÓA VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU

KHIỂN