Điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch thông qua biến tần (Phần 2)

Hệ thống điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch

Chúng ta đã xem qua phần I : Điều khiển lưu lượng không khí trong phòng sạch thông qua biến tần, hôm nay Shizu xin chia sẻ với các bạn phần II đầy đủ về xây dựng hệ thống điều khiển lưu lượng không khí phòng sạch.

Xem lại phần I tại đây: https://phongsachcongnghiep.com/dieu-khien-luu-luong-khong-khi-phong-sach-p1/

Khái quát về hệ thống điều khiển

√ 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.

√ 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 hậu trong phòng, hệ thống điều khiển còn có tác dụng bảo vệ an toàn cho hệ thống, ngăn ngừa các sự cố có thể xảy ra; đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và kinh tế nhất; giảm chi phí vận hành của công nhân.

Sơ đồ điều khiển

√ Sơ đồ nguyên lý điều khiển

√ Sơ đồ cấu trúc

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.

Các thiết bị đo và điều khiển

√ Bộ điều khiển PID

Cấu trúc của bộ điều 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 rộng rãi trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa
mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

• Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u_p(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn.
• Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần u_I(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh.
  – Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u_D(t) phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.

√ Bộ điều khiển S7-300

Các thành phần cơ bản của S7-300

• Nguồn: nguồn cung cấp là loại cách ly, có bảo vệ ngắn mạch, áp ổn định khi không tải.
• Khối vi xử lý: CPU có nhưng thành phần sau ở mặt trước:

      + Báo trạng thái và báo lỗi .

      + Công tắc chuyển đổi cách vận hành với 4 lựa chọn.

      + Mối nối nguồn cung cấp 24V.

      + Phần giao tiếp nhiều điểm MPI để nối các thiết bị lập trình hay PLC khác

      + Hộc chứa pin.

      + Hộc chứa khối nhớ.

• Khối giao tiếp: Có thể sắp xếp cấu hình theo nhiều kiểu.
• Khối tín hiệu: Có bộ nối bus diều khiển cho mỗi khối và các vòng nối các bus dữ liệu phía sau. Tín hiệu được xử lý ở bộ nối phía trước.
• Nối liên kết: Cần có cáp để nối CPU trực tiếp với máy lập trình.
• Cáp: Cáp PROFIBUS và cáp nối cần có để nối nhiều PLC với nhau.
• FM: Những khối chức năng thay thế các khối IP.
• CP: Bộ xử lý truyền thông dành cho hệ thống bus dữ liệu của PROBUS.

Các khối của PLC SIEMENS S7-300

• Khối tín hiệu (SM)

+ Khối ngõ vào digital : 24V DC, 120/300V AC.

+ Khối ngõ ra digital : 24V DC, 0,5A; 120/300V AC, 1A; ngắt từ.

+ Khối ngõ vào analog: Áp, dòng, điện trở, cặp nhiệt.

+ Khối ngõ ra analog: 24V DC, 4÷ 20mA.

• Khối giao tiếp (IM): Khối IM360/IM365 và IM365 dùng để nối nhiều cấu hình. Chúng điều khiển thanh ghi của hệ thống.
• Khối giả lập (DM): Khối DM 370 dự phòng các khối tín hiệu chưa được chỉ định. Chúng điều khiển thanh ghi của hệ thống.
• Khối chức năng (FM): Thể hiện các chức năng đặc biệt như:

+ Đếm.

+ Định vị.

+ Điều khiển hồi tiếp.

• Xử lý liên lạc(CP): Cung cấp các tiện nghi liên lạc:

+ Nối điểm – điểm.

+ Mạng PROFIBUS.

+ Ethernet công nghiệp.

• Phụ tùng: Các thanh nối và bộ phận nối.

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 chỉnh lưu 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 chiều này 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 men không 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 tải bơm/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 bộ linh 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 khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển.

√ Biến tần OMRON-3G3RX-A2300

• 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.

+ Dải kiểm soát tần số: 0,1-400Hz.

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

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

Cảm biến 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.

Cảm biến điện
Sử dụng hiệu ứng áp điện trong vật trung gian, ta có thể chuyển đổi trực  tiếp ứng lực tạo ra bởi áp suất thành tín hiệu điện dưới dạng điện tích do hiện tượng phân cực điện. Điện tích này tỷ lệ với lực tác dụng:

Q = kN

Trong đó k là hằng số áp điện (hệ số này phụ thuộc vào kích thước của lát cắt và bản chất của tinh thể), ví dụ với thạch anh thì k = 2,1.10^-12 C/N.
Áp suất đo được biến đổi nhờ màng thành ứng suất, tạo nên một lực nén 20 lên miếng thạch anh, (đường kính 5 mm, có bề dày 1 mm).
Điện tích Q xuất hiện và được đưa ra bộ khuếch đại điện tử có tổng trở vào rất lớn cỡ 10¹³Ω. Quan hệ giữa điện tích Q và áp suất P :

Q = k.F.P

Trong đó F là diện tích hữu ích của màng

Điện tích trên các bản cực:

Trong đó:

• D, d – là đường kính ngoài và trong của ống.
• h – là chiều cao phần phủ kim loại( 2 bản cực).
• Dòng điện được sinh ra:

Giới hạn trên của bộ biến đổi này với tinh thể thạch anh từ 2,5 – 100 MPa. Bộ biến đổi này có tần số hồi đáp cao nên thường để đo áp suất thay đổi nhanh, kích thước nhỏ, đo nhanh, tuy nhiên nó nhạy cảm với nhiệt độ, cần sử dụng cáp nối riêng.

Cảm biến điện flow transmitter của QUINGTIANWEIYE

Thông số kỹ thuật

• Nguồn cung cấp: 20-36 VDC / 85-250 VAC.
• Công suất: 20W
• Nhiệt độ môi trường: -10~+60℃.
• Độ ẩm tương đối: 5~90%.
• Vỏ: Nhôm đúc.
• Dải đo: 100 ~ 8.000 m3/h.
• Tín hiệu đầu ra: Xung / 4-20mA.
• Độ chính xác: 0,5%.

√ AHU và quạt

• Bộ xử lý không khí AHU có thể được dùng để làm lạnh, làm nóng, hút ẩm và làm sạch không khí. Lưu lượng xử lý không khí lên đến 6,000-140,000 m3/h.
• Cấu tạo: cấu trúc nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt, kiểu dáng trang nhã, vận hành ổn định, điện năng tiêu thụ thấp, máy chạy êm, dễ lắp đặt và bảo trì…
• Phạm vi ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều hòa không khí trong ngành công nghiệp thực phẩm, công nghiệp điện, hóa học, dược, xây dựng.

√ Cấu trúc của AHU

Khung bên ngoài: Vật liệu bằng nhôm hợp kim dạng hình chữ T loại bỏ cấu  dẫn nhiệt và kết cấu vững chắc.

Kết cấu vỏ ngoài: Vỏ ngoài có dạng tấm 2 lớp, lớp bên trong phủ hợp kim, lớp bên ngoài phủ sơn tĩnh điện và lớp giữa bằng vật liệu cách nhiệt loại PU (polyurethane) dày 30mm – 50mm.

Dàn lạnh: Dàn lạnh vật liệu là các ống đồng và cánh tản nhiệt bằng nhôm.

Phin lọc: Phin lọc kiểu tấm G4 có thể rửa được, bộ lọc kiểu túi F7 hoặc F8, và bộ lọc HEPA filter để đáp ứng các cấp yêu cầu làm sạch khác nhau.

Cấu hình bổ sung: Bộ giải nhiệt, thiết bị phun ẩm bổ sung, bộ tiêu âm, bộ điều chỉnh gió…

Tại AHU, khí hồi từ các phòng dược quạt hút về AHU, một phần khí hồi được thải trực tiếp ra ngoài thông qua hệ thống đường ống thải khí, lượng khí thải ra đúng bằng lượng khí tươi cấp vào, phần còn lại tiếp tục được hòa trộn với khí tươi. Sau khoang hòa trộn, hỗn hợp khí được quạt hút qua các dàn lạnh và dàn nóng. Tại đây, thông qua các dàn trao đổi nhiệt, nước lạnh làm cho nhiệt độ của hỗn khí giảm xuống.

Quạt có nhiệm vụ tạo ra áp suất dương đẩy không khí vào phòng sạch, đồng thời tạo ra áp suất âm để hút khí từ phòng sạch ra qua miệng hồi khí.

Sơ đồ kết nối điều khiển