Giới thiệu về hệ thống DDC trong quản lý tòa nhà BMS

.vn

Giới Thiệu Về

HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN SỐ TRỰC
TIẾP (DDC)

A PUBLICATION OF CONTROLS.VN


.vn

Lợi ích của hệ thống điều chỉnh số trực tiếp DDC so với công nghệ
điều chỉnh trước đây (điều chỉnh nhờ khí nén hoặc điện tử phân
phối), đó là cải thiện và làm tăng tính hiệu quả của việc điều chỉnh

Tài liệu này được dịch và biên soạn dựa theo
nguồn ddc-online.org. Hy vọng các kỹ sư và
chủ đầu tư thu nhận được các kiến thức hữu
ích, giúp gia tăng hiệu quả sử dụng năng lượng
trong cơng trình
-- Nguyễn Trường Phi ()

2


.vn

NỘI DUNG

1

Mục đích và Đối tượng

2

Căn bản về điều khiển HVAC

2.1

Control và Control Loop là gi?

2.2

Sensor, Controller và Controlled Device

3

Control Responses

4

Định nghĩa DDC

5

Lợi ích của DDC

3

.vn

Phần 1

MỤC ĐÍCH
VÀ

ĐỐI TƯỢNG

4


.vn

KHUÔN MẪU CHO NHÀ SẢN XUẤT
Dành cho Chủ đầu tư và Tư vấn
Mục đích của hướng dẫn này:
Mục đích của hướng dẫn này là để mô tả – thông qua các thuật ngữ
chung – các cấu trúc khác nhau, các bộ phận phần cứng và phần mềm
liên quan đến các hệ thống điều khiển số trực tiếp (DDC – Direct
Digital Control). Để thực hiện mục tiêu này, phải xác định một khn
mẫu chung cho các bộ phận và cấu hình khác nhau được sử dụng trong
các hệ thống DDC đang có mặt trên thị trường hiện nay. Khn mẫu
này cần phải được sử dụng như một thước đo cho nhiều nhà sản xuất
hệ thống DDC, để từ đó người đọc có thể so sánh các tính năng và lợi
ích tương đối của chúng.
Đối tượng độc giả
Do bản chất phức tạp và độc quyền công nghệ sản xuất của các hệ
thống DDC, nên càng lúc càng trở nên khó áp dụng vào thực tế các

thiết kế, lắp đặt, vận hành và bảo trì hệ thống DDC. Hướng dẫn này
được phát triển đặc biệt để giúp chủ sở hữu cơng trình (building
owners) và các kỹ sư tư vấn/giám định (consultant) hoạt động trong
lãnh vực liên quan này.

5


.vn

Phần 2

CĂN BẢN VỀ ĐIỀU
KHIỂN HVAC

6


.vn

HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG LÀ GÌ
EMS - Energy Management System

Theo mục đích của hướng dẫn này, một hệ thống quản lý năng
lượng (EMS – Energy Management System) được định nghĩa là
một hệ thống điều khiển đầy đủ chức năng. Hệ thống này bao
gồm bộ điều khiển, các thiết bị thơng tin liên lạc khác nhau và
tồn bộ các phần mềm vận hành cần thiết để có một hệ thống
bao hàm toàn diện.

Hướng dẫn này đề cập và khảo sát đến khoảng hai mươi nhà cung
cấp hệ thống DDC phục vụ thị trường cơng trình tịa nhà dành cho
tổ chức và thương mại tại Hoa Kỳ. Các nhà cung cấp đã đưa ra thị
trường hẳn một gói trọn vẹn tất cả các phần cứng và phần mềm
cần thiết được gộp vào hệ thống. Hướng dẫn này không bao gồm
các thị trường đặc biệt (tạp hóa bán lẻ, khách sạn), cũng không
bao gồm việc điều khiển trong công nghiệp hoặc điều khiển từng
quá trình.

7


.vn

ĐIỀU KHIỂN (CONTROL) LÀ GÌ
Basic loop

Q trình điều khiển một hệ thống HVAC bao gồm ba bước. Đầu
tiên đo đạc dữ liệu, sau đó xử lý dữ liệu với các thông tin khác
nhau, và cuối cùng đưa ra một tác động điều chỉnh. Ba chức năng
này tạo nên cái được gọi là mạch điều chỉnh (control loop). Một ví
dụ về q trình này được mơ tả trong Hình 1

8


.vn

BASIC LOOP
Mạch điều khiển thể hiện trong hình 1 bao gồm ba thành phần

chính: một bộ cảm biến (sensor), bộ điều khiển (controller) và cơ
quan điều chỉnh (controlled device). Ba thành phần hoặc cơ cấu
chức năng này tương tác để điều chỉnh một thơng số (đại lượng).
Trong ví dụ thể hiện trong hình 1, nhiệt độ khơng khí là thơng số
điều chỉnh. Cảm biến đo đạc dữ liệu, bộ điều khiển xử lý dữ liệu
và các cơ quan điều chỉnh tạo ra một tác động điều chỉnh.

Hình 1 là một ví dụ cho hệ thống điều chỉnh các thiết bị khí nén
hoặc các thiết bị điện, nơi mà các bộ điều khiển là một phần riêng
biệt của phần cứng. Trong một hệ thống DDC, các bộ điều khiển
thực hiện chức năng theo các lập trình trong phần mềm thể hiện
như trong hình 2.

9


.vn

BẠN CẦN GIẢI PHÁP TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG?
LienDuong Design & Engineering chúng tôi sở hữu đội
ngũ kỹ sư chuyên nghiệp, nhiều năm kinh nghiệm.
Kiểm sốt Chất Lượng Khơng Khí (IAQ) và Điều Khiển
Chiếu Sáng là những thứ chúng tôi tinh thông

Liên hệ chúng tôi

Website:
Hotline: 098 860 9836
Facebook: />Youtube: />

10


.vn

BỘ CẢM BIẾN
SENSOR

Cảm biến đo thông số của các thiết bị điều khiển hoặc các thông
số điều khiển khác đưa vào (Input), theo cách thức chính xác và
có tính lặp đi lặp lại. Các cảm biến HVAC thường được sử dụng để
đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối, thơng số trạng thái của
dịng khơng khí và lượng carbon dioxide. Các biến số khác cũng
có thể được đo lường và có tác động lên logic bộ điều chỉnh. Ví dụ
như các nhiệt độ loại khác, thời điểm trong ngày (biến thời gian)
hoặc các nhu cầu điện năng hiện tại.

Thông tin đầu vào bổ sung (dữ liệu cảm nhận) ảnh hưởng đến
logic điều khiển có thể bao gồm tình trạng của các thơng số
(lượng khơng khí, dịng chảy, dịng điện) hoặc các tín hiệu an
tồn (cháy, khói, giới hạn nhiệt độ cao / thấp hoặc bất kỳ một
thông số vật lý nào đó). Cảm biến là một phần cực kỳ quan trọng
của hệ thống điều khiển và có thể là thứ đầu tiên cần phải xét
đến, cũng như một liên kết chính yếu trong chuỗi điều khiển.

11


.vn

BỘ ĐIỀU KHIỂN
CONTROLLER
Bộ điều khiển xử lý dữ liệu đầu vào lấy từ cảm biến, áp dụng logic điều
chỉnh và tạo ra một tác động ở đầu ra. Tín hiệu này có thể được truyền
trực tiếp đến các cơ quan điều chỉnh hoặc gửi đến các cơ cấu chức
năng điều chỉnh theo logic phụ rồi cuối cùng mới đến cơ quan điều
chỉnh chính. Chức năng bộ điều khiển là so sánh tín hiệu đầu vào của
nó (từ các cảm biến) với một tập hợp các chương trình lập trình như
điểm cài đặt, phạm vi điều tiết và nguyên lý hoạt động, sau đó tạo ra
một tín hiệu đầu ra thích hợp. Đây chính là logic điều khiển . Nó thường
bao gồm một phản hồi điều khiển (control response) cùng với các
quyết định logic mà là duy nhất cho các ứng dụng điều khiển riêng
biệt. Làm thế nào các chức năng của controller được gọi là phản hồi
điều khiển? Các control response này thường là:

• Hai vị trí (Two-position)

• Thả Nổi (Floating)

• Tỉ lệ (P) – Proportional

• Tỉ lệ – tích phân (PI) – Proportional plus Integral

• Tỉ lệ – tích phân – vi phân (PID) – Proportional plus Integral plus
Derivative

12


.vn

CƠ QUAN ĐIỀU CHỈNH
CONTROLLED DEVICE (OUTPUT)

Một cơ quan điều chỉnh là một thiết bị phản ứng lại các tín hiệu từ
bộ controller, hoặc từ logic điều chỉnh và thay đổi các trạng thái của
thông số điều chỉnh hoặc trạng thái của thiết bị đầu cuối.

Các thiết bị này bao gồm các cơ cấu điều khiển van (valve
actuator), bộ vận hành cửa gió (controlled damper), rơ le điện,
quạt, máy bơm, máy nén và điều khiển tốc độ cho các ứng dụng
quạt và bơm.

13


.vn

Phần 3

CONTROL
RESPONSE

14


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH 2 VỊ TRÍ
TWO-POSITION CONTROL

Quy luật điều chỉnh hai vị trí so sánh giá trị của thơng số tương tự
(analog input) hoặc giá trị đo thông số biến đổi (variable input) với
chương trình lập sẵn và tạo ra một tín hiệu đầu ra kỹ thuật số (kiểu hai
vị trí – two-position). Các chương trình lập sẵn xác định một giới hạn
trên và dưới. Tín hiệu ra (output) thay đổi giá trị của nó khi tín hiệu
đầu vào (input) vượt qua các giá trị giới hạn.

Khơng có tiêu chuẩn nào để xác định những giới hạn này. Các thuật
ngữ được sử dụng phổ biến nhất là trị số quy định (định trị – setpoint)
và độ chênh lệch (differential). Trị số quy định là thơng số mà tín hiệu
ra output dựa vào đó mà đưa ra, kích hoạt hoặc thiết lập giá trị cho nó.
Tín hiệu đầu ra trở lại giá trị cũ hoặc là biến mất sau khi các giá trị
thông số điều chỉnh đầu vào vượt qua mốc giá trị bằng độ chênh lệch
giữa setpoint và giới hạn chênh lệch.

Quy luật điều chỉnh hai vị trí có thể được sử dụng cho các mạch điều
chỉnh đơn giản (điều chỉnh nhiệt độ) hoặc điều chỉnh giới hạn
(freezestats, giới hạn nhiệt độ khơng khí bên ngồi). Giá trị thơng số
analog có thể là bất kỳ biến đo lường nào, có thể là nhiệt độ, độ ẩm
tương đối, áp suất, dòng điện và mức chất lỏng.

15


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH 2 VỊ TRÍ
TWO-POSITION CONTROL
Thời gian cũng có thể là thơng số đầu vào cho một cơ chế phản hồi quy
luật điều chỉnh hai vị trí (two-position control response). Chức năng

của bộ điều chỉnh này như một đồng hồ thời gian với các kim chỉ giờ.
Tín hiệu đầu ra phát đi khi thời gian chỉ định trạng thái bật và biến mất
ở thời gian tắt.

Hình 3 cho thấy một ví dụ về hệ thống điều chỉnh hai vị trí trong một
hệ thống sưởi ấm trong nhà, nơi mà thermostat được thiết lập kích
hoạt hệ thống sưởi ấm khi nhiệt độ không gian giảm xuống dưới 70 F
và tắt khi nhiệt độ tăng lên đến 72 F trong khơng gian. Đây là một ví
dụ về giá trị định trước là 70 F với độ chênh là 2 độ F.

16


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH THẢ NỔI
FLOATING CONTROL
Điều chỉnh kiểu phao nổi là một cơ chế phản hồi điều chỉnh tạo ra hai
tín hiệu đầu ra kỹ thuật số có thể thực hiện được dựa trên một sự thay
đổi tín hiệu đầu vào. Một tín hiệu đầu ra (output) gia tăng tín hiệu đến
cơ quan điều chỉnh (controlled device), trong khi tín hiệu đầu ra khác
làm giảm tín hiệu đến cơ quan điều chỉnh. Cơ chế phản hồi này cũng
bao gồm một giới hạn trên và dưới với việc tín hiệu đầu ra thay đổi khi
giá trị thông số biến đổi đầu vào (variable input) thay đổi vượt qua
những giới hạn này. Một lần nữa, khơng có tiêu chuẩn để xác định
những giới hạn này, nhưng các thuật ngữ trị số quy định (setpoint) và
vùng không tác động (deadband) là phổ biến. Trị số quy định thiết lập
một trung điểm và vùng không tác động đặt ra độ chênh giữa giới hạn
trên và dưới.

Khi biến đo lường có giá trị nằm trong vùng khơng tác động hoặc vùng
trung lập, tín hiệu đầu ra khơng được kích hoạt và cơ quan điều chỉnh
cũng khơng thay đổi – nó vẫn giữ ngun vị trí của mình. Để cho có
chế phản hồi điều chỉnh này ổn định, các bộ cảm biến phải cảm nhận
được các tác động từ sự dịch chuyển cơ quan điều chỉnh một cách
nhanh chóng. Điều chỉnh kiểu phao nổi khơng hoạt động tốt ở nơi có độ
trễ nhiệt động lực đáng kể trong vịng điều khiển. Vịng điều khiển
nhanh phía khơng khí (airside) phản ứng tốt với điều chỉnh kiểu phao.
Một ví dụ về điều chỉnh kiểu phao nổi được thể hiện trong hình 4.
17


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH THẢ NỔI
FLOATING CONTROL

18


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ
Proportional Control – P CONTROL

Một cơ chế phản hồi theo quy luật điều chỉnh tỷ lệ làm cho tín hiệu đầu
ra tương tự (analog output) hoặc thông số biến đổi (variable output)
thay đổi tỷ lệ với sự thay đổi của giá trị điều chỉnh đầu vào.

Trong cơ chế phản hồi quy luật điều chỉnh này, có một mối quan hệ

tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra. Thường thì mối quan hệ này được
xác định bởi định trị, phạm vi điều chỉnh và các tác động điều chỉnh.
Trong cơ chế phản hồi theo quy luật điều chỉnh tỷ lệ chỉ có một giá trị
duy nhất của biến đo lường tương ứng với sự dịch chuyển hoàn toàn
của cơ quan điều chỉnh, và một giá trị duy nhất tương ứng với việc
hồn tồn khơng dịch chuyển của cơ quan điều chỉnh. Độ thay đổi các
biến đo lường làm cho cơ quan điều chỉnh chuyển từ trạng thái đóng
hồn tồn sang mở hồn tồn được gọi là phạm vi điều chỉnh. Biến đo
lường nằm trong phạm vi này vịng điều khiển sẽ kiểm sốt, giả định
rằng hệ thống này có khả năng đáp ứng các yêu cầu.

19


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ
Proportional Control – P CONTROL
Tác động điều chỉnh quyết định độ dốc của cơ chế phản hồi điều chỉnh.
Trong một cơ chế phản hồi theo quy luật điều chỉnh tỉ lệ tác động trực
tiếp, tín hiệu điều chỉnh đầu ra sẽ tăng lên với sự gia tăng giá trị các
biến đo lường. Trong cơ chế phản hồi tác động nghịch, thông số điều
chỉnh đầu ra sẽ giảm khi giá trị biến đo lường tăng. Định trị là một giá
trị định hướng cho vòng điều khiển và tương ứng với một giá trị cụ thể
của cơ quan điều chỉnh, thường là ở khoảng giữa đường chuyển dịch.
Một ví dụ được thể hiện trong hình 5

20

.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ
Proportional Control – P CONTROL

Trong một hệ thống điều chỉnh tỷ lệ, giá trị của biến đo lường tại bất
kỳ thời điểm được gọi là điểm điều chỉnh. Lượng bù điều chỉnh (offset)
được định nghĩa là độ chênh giữa các điểm điều chỉnh và thông số
mong muốn. Một cách để giảm lượng bù là giảm phạm vi điều chỉnh.
Việc giảm phạm vi điều chỉnh quá nhiều lại dẫn đến tình trạng bất ổn.
Bộ cảm biến cảm nhận càng nhanh các ảnh hưởng của cơ chế phản hồi
điều chỉnh, phạm vị điều tiết phải càng lớn để việc điều chỉnh được ổn
định.

21


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ-TÍCH PHÂN
Proportional Control Plus Integral – PI CONTROL
Quy luật điều chỉnh PI bao gồm việc tính tốn lượng bù điều chỉnh hoặc
các sai số theo thời gian. Sai số này được lấy tích phân và tín hiệu đầu
ra từ phần điều khiển tỷ lệ của mơ hình này thực hiện tác động điều
chỉnh cuối cùng. Loại cơ chế phản hồi này sẽ sử dụng vòng điều khiển
để giảm lượng bù điều chỉnh xuống bằng không. Một vòng điều khiển
PI thiết lập tốt sẽ hoạt động trong biên độ hẹp gần với định trị. Nó sẽ
khơng hoạt động trên tồn bộ phạm vi điều chỉnh(hình 6).

Vịng điều khiển PI không hoạt động tốt khi định trị có đặc tính động,

nơi tải thay đổi đột ngột hoặc nếu phạm vi điều chỉnh nhỏ.

22


.vn

QUY LUẬT ĐIỀU CHỈNH TỶ LỆ-TÍCH PHÂN-VI PHÂN
Proportional Plus Integral plus Derivative Control – PID CONTROL

Quy luật điều chỉnh PID thêm yếu tố dự báo cho cơ chế phản hồi điều
chỉnh. Ngồi việc tính tốn tỷ lệ và tích phân, vi phân hoặc độ dốc của
cơ chế phản hồi sẽ được tính. Tính tốn này sẽ có tác dụng làm giảm
phản ứng điều chỉnh về lại điểm cài đặt quá nhanh đến nỗi nó sẽ vượt
qua điểm cài đặt.

Bộ điều chỉnh PID là một cơ chế phản hồi điều chỉnh q trình chính
xác và khơng phải lúc nào cũng cần thiết cho các ứng dụng HVAC. Các
ứng dụng thường xuyên của bộ điều chỉnh PID cho các vòng điều khiển
đòi hỏi nhiều yếu tố và ứng dụng của nó nên được chọn lọc.

23


.vn

Phần 4

ĐỊNH NGHĨA
DDC

24


.vn

ĐỊNH NGHĨA HỆ THỐNG DDC
DIRECT DIGITAL CONTROL

Hệ thống điều chỉnh DDC bao gồm bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý
với logic điều khiển được thực hiện bởi phần mềm. Bộ chuyển đổi
Analog-to-Digital (A/D) chuyển đổi các giá trị tương tự (analog) thành
tín hiệu kỹ thuật số (digital) mà bộ vi xử lý có thể đọc được. Các cảm
biến analog có thể là điện trở, thiết bị tạo điện áp hoặc thiết bị phát
dòng. Hầu hết các hệ thống phân phối các phần mềm để điều khiển từ
xa các bộ điều chỉnh, loại bỏ sự cần thiết phải có khả năng thông tin
liên lạc liên tục (độc lập). Các máy tính được sử dụng chủ yếu để theo
dõi tình trạng của hệ thống quản lý năng lượng, lưu trữ bản sao của
các chương trình, chức năng ghi lại báo động và xu hướng điều khiển.

Chiến lược và chức năng quản lý năng lượng phức tạp hữu dụng ở mức
thấp nhất trong cấu trúc hệ thống. Nếu yêu cầu việc vận hành nhờ khí
nén, thực hiện điều này bằng các bộ chuyển đổi từ thiết bị điện tử sang
khí nén. Hiệu chuẩn cảm biến thực hiện bằng toán học, do đó tổng số
giờ nhân cơng lao động để hiệu chuẩn được giảm đáng kể. Khả năng
chẩn đoán trung tâm là một tài sản quan trọng. Phần mềm và việc lập
trình cải thiện liên tục, ngày càng trở nên thân thiện hơn sau mỗi lần
cập nhật.

25