Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển giám sát bộ xử lý khí cho phòng sạch class 100 000

NUYỄN MẠNH QUYẾT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN MẠNH QUYẾT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BỘ XỬ
LÝ KHÍ CHO PHỊNG SẠCH CLASS 100,000

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHỐ 2015A

Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN MẠNH QUYẾT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT BỘ XỬ
LÝ KHÍ CHO PHỊNG SẠCH CLASS 100,000

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS.HỒNG SỸ HỒNG

Hà Nội – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa
học của PGS.TS Hoàng Sỹ Hồng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là
trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các
bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ
các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung
luận văn của mình.
Hà Nội, 3/2017
Học viên

Nguyễn Mạnh Quyết


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................. 5
CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ PHÒNG SẠCH VÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

BỘ XỬ LÝ KHÍ AHU .................................................................................................... 13
1.1

Tổng quan về phịng sạch .................................................................................. 13

1.1.1

Khái niệm phòng sạch ................................................................................. 13

1.1.2

Lịch sử của phòng sạch, sự cần thiết của phòng sạch ................................... 14

1.1.3

Các tiêu chuẩn về phòng sạch...................................................................... 14

1.2

Tổng quan về bộ xử lý khí AHU ........................................................................ 17

1.3

Ảnh hưởng của bộ xử lý khí phịng sạch – AHU đến các tiêu chuẩn phịng sạch 19

1.3.1

Lựa chọn tiêu chuẩn phòng sạch ................................................................. 19

1.3.2

Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu chuẩn phòng sạch........................................ 19

1.4

Mục tiêu của hệ thống điều khiển bộ xử lý khí - AHU ....................................... 22

1.5

Tổng kết chương một ......................................................................................... 23

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ TỔNG THỂ HỆ THỐNG ................................................... 24

2.1

Yêu cầu, phạm vi thiết kế hệ thống .................................................................... 24

2.2

Nguyên lí hệ thống xử lý khí tại dự án SEEV .................................................... 24
1


2.1.1

Nguyên lí hoạt động PAU ........................................................................... 25

2.1.2

Nguyên lí AHU ........................................................................................... 29

2.3

Thiết kế tổng thể ................................................................................................ 34

2.3.1

Mục tiêu và tiêu chí lựa chọn giải pháp ....................................................... 34

2.3.2

Thiết kế kiến trúc hệ thống .......................................................................... 36

2.4

Tổng kết chương hai .......................................................................................... 37

CHƯƠNG 3
3.1

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦM MỀM ................... 39

Phân tích, lựa chọn cảm biến cho hệ thống ........................................................ 39

3.1.1

Cảm biến nhiệt độ ....................................................................................... 39

3.1.2

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm ống gió ............................................................... 41

3.1.3

Cơng tắc chênh áp khí ................................................................................. 42

3.1.4

Cảm biến chênh áp suất phịng .................................................................... 43

3.1.5

Cơng tắc q nhiệt ...................................................................................... 44

3.1.6

Thysristor công suất cho bộ điện trở sưởi .................................................... 45

3.1.7

Van điện điều khiển nước lạnh .................................................................... 47

3.1.8

Biến tần quạt bộ xử lý khí PAU................................................................... 50

3.2

Tính tốn thiết kế tủ điều khiển DDC ................................................................ 51

3.2.1

Tính tốn bảng điểm vào ra cho tủ điều khiển PAU..................................... 51

3.2.2

Tính tốn bảng điểm vào ra cho tủ điều khiển AHU .................................... 51

2


3.2.3

Lựa chọn giải pháp và thiết bị điều khiển giám sát ...................................... 53

3.2.4

Thiết kế chi tiết tủ điều khiển PAU ............................................................. 57

3.2.5

Thiết kế chi tiết tủ điều khiển AHU ............................................................. 61

3.3

Viết lưu đồ thuật toán ........................................................................................ 64

3.3.1

Thuật toán điều khiển PAU ......................................................................... 64

3.3.2

Thuật tốn điều khiển AHU ........................................................................ 69

3.4

Lập trình DDC trên phần mềm của hãng honeywell ........................................... 73

3.4.1

Tổng quan về ngơn ngữ lập trình graphic .................................................... 73

3.4.2

Lập trình với Honeywell Spyder Tool. ........................................................ 74

3.4.3

Một số khối hàm chính ................................................................................ 78

3.4.4

Lập trình các vịng lặp điều khiển với Honeywell Spyder Tool ................... 84

3.5

Lập trình giao diện HMI .................................................................................... 89

3.6

Tổng kết chương ba ........................................................................................... 91

3.7

Một số kết quả thực tế........................................................................................ 91

KẾT LUẬN .................................................................................................................... 93
HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI ........................................................................................ 93
TÀI LIỆU THAM CHIẾU .............................................................................................. 94

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Giới hạn bụi trong tiêu chuẩn 209 E (1992) .................................................... 15
Bảng 1.2 Các cấp độ sạch hạt trong khơng khí cho phịng sạch và vùng sạch ................. 16
Bảng 1.3 Yêu cầu về tiêu chuẩn phòng sạch với quy trình sản xuất theo chuẩn WHO.... 19
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật cảm biến nhiệt độ LF20 ...................................................... 40
Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật cảm biến nhiệt độ , độ ẩm H708B ....................................... 41
Bảng 3.3 Thông số kĩ thuật công tắc chênh áp DPS400 ................................................. 43
Bảng 3.4 Thông số kĩ thuật cảm biến chênh áp DPTE50S .............................................. 44
Bảng 3.5 Thông số kĩ thuật công tắc quá nhiệt L4029E1011 .......................................... 45
Bảng 3.6 Thông số kĩ thuật bộ điều khiển cơng suất SCR .............................................. 47
Bảng 3.7 Đặc tính kĩ thuật van VBA216 và actuator CN7510A2001 điều khiển ............ 49
Bảng 3.8 Thông số kĩ thuật của quạt PAU và AHU........................................................ 50

Bảng 3.9 Bảng điểm giám sát vào ra tủ điều khiển PAU ................................................ 51
Bảng 3.10 Bảng điểm giám sát vào ra tủ điều khiển AHU.............................................. 52
Bảng 3.11 Thông số kĩ thuật bộ điều khiển mạng WEB8000 ......................................... 54
Bảng 3.12 Thông số kĩ thuật bộ điều khiển Honeywell Spyder ...................................... 55
Bảng 3.13 Đối tượng và phương pháp điều khiển khyến nghị của hãng Honeywell ....... 66

4


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Một AHU tiêu biểu của hãng DAIKIN. ............................................................ 18
Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc ảnh hưởng của bộ xử lý khí AHU.............................................. 20
Hình 1.3 Ảnh hưởng của các yếu tố đến tiêu chuẩn phòng sạch. ..................................... 21
Hình 2.1 Sơ đồ khối phương án thiết kế điều hịa khơng khí cho khu vực sản xuất. ........ 25
Hình 2.2 Sơ đồ ngun lí PAU....................................................................................... 26
Hình 2.3 Thiết bị trong chu trình điều khiển nhiệt độ và độ ẩm PAU. 1 .......................... 27
Hình 2.4 Vịng điều khiển nhiệt độ tại PAU. 1 ............................................................... 28
Hình 2.5 Chu trình tính tốn chế độ tách ẩm PAU. ......................................................... 28
Hình 2.6 Các loại lọc trong PAU, AHU. ......................................................................... 29
Hình 2.7 Vịng điều khiển áp suất phịng tại PAU. .......................................................... 29
Hình 2.8 Sơ đồ ngun lí chung cho AHU1 và AHU2. ................................................... 30
Hình 2.9 Coil lạnh AHU. ................................................................................................ 31
Hình 2.10 Điện trở sưởi AHU. ....................................................................................... 32
Hình 2.11 Bộ làm ẩm AHU............................................................................................ 32
Hình 2.12 Chu trình điều khiển nhiệt độ AHU. ............................................................... 33
Hình 2.13 Chu trình điều khiển độ ẩm AHU. .................................................................. 34
Hình 2.14 Kiến trúc chung của hệ thống. ........................................................................ 36
Hình 3.1 Cảm biến nhiệt độ LF20 loại gắn đường ống gió. ............................................. 39

5

Hình 3.2 Mặt bằng vị trí lắp đặt cảm biến ....................................................................... 40
Hình 3.3 Cảm biến nhiệt độ độ ẩm gắn ống gió H708B2105. .......................................... 41
Hình 3.4 Hoạt động cơng tắc chênh áp khí. ..................................................................... 42
Hình 3.5 Cơng tăc chênh áp khí PDS400. ....................................................................... 43
Hình 3.6 Cảm biến áp suất khí DPTE50S. ...................................................................... 44
Hình 3.7 Cơng tắc q nhiệt L4029E1011. ..................................................................... 45
Hình 3.8 Ngun lí hoạt động bộ cơng suất thyristor. ..................................................... 46
Hình 3.9 Module điều khiển và cơng suất SCR. .............................................................. 46
Hình 3.10 Đường đặc tính lưu lượng các loại van. .......................................................... 48
Hình 3.11 Đặc tính điều khiển van nước lạnh. ................................................................ 48
Hình 3.12 dịng can bi VBA216. ..................................................................................... 49
Hình 3.13 Actuator CN7510A2001. ................................................................................ 49
Hình 3.14 Biến tần Fuji Frenic. ....................................................................................... 50
Hình 3.15 Cấu trúc mạng tiêu biểu giải pháp WEB AX của hãng Honeywell.................. 53
Hình 3.16 Bộ quản lí mạng WEB8000. ........................................................................... 54
Hình 3.17 Dịng DDC Spyder của hãng Honeywell. ....................................................... 56
Hình 3.18 Module IO mở rộng của hãng Honeywell. ...................................................... 57
Hình 3.19 Sơ đồ đấu nối nguồn truyền thơng tủ DDC PAU. ........................................... 57
Hình 3.20 Layout tủ điều khiển PAU. ............................................................................. 58

6


Hình 3.21 Mạch rơ le tủ động lực quạt PAU ................................................................... 59
Hình 3.22 Mạch lực biến tần quạt PAU........................................................................... 60
Hình 3.23 Mạch điều khiển van nước lạnh. ..................................................................... 61
Hình 3.24 Mạch điều khiển bộ sưởi AHU. ...................................................................... 62
Hình 3.25 Mạch điều khiển bộ phun ẩm AHU ................................................................ 63

Hình 3.26 Đáp ứng phương pháp điều khiển PID. ........................................................... 65
Hình 3.27 Đáp ứng phương pháp điều khiển EPID. ........................................................ 65
Hình 3.28 Sơ đồ tổng quát chương trình điều khiển PAU................................................ 66
Hình 3.29 Sơ đồ thuật tốn tính tốn điểm đặt cho vịng lặp điều khiển nhiệt độ. ............ 67
Hình 3.30 Sơ đồ thuật tốn điều khiển nhiệt độ gió cấp.................................................. 68
Hình 3.31 Sơ đồ thuật tốn PID điều khiển áp suất phịng. .............................................. 68
Hình 3.32 Sơ đồ tổng quát chương trình điều khiển AHU. .............................................. 69
Hình 3.33 Sơ đồ thuật tốn chu trình điều khiển nhiệt độ AHU....................................... 70
Hình 3.34 Sơ đồ thuật tốn chu trình điều khiển độ ẩm AHU. ......................................... 71
Hình 3.35 Sơ đồ thuật tốn chu trình kiểm sốt lọc. ........................................................ 72
Hình 3.36 Ngơn ngữ lập trình đồ họa Function Block. .................................................... 74
Hình 3.37 Giao diện WEBStation N4. ............................................................................ 76
Hình 3.38 Cửa sổ New Station Wizard. .......................................................................... 76
Hình 3.39 Giao diện chọn thiết bị DDC. ......................................................................... 77

7


Hình 3.40 Thanh cơng cụ Palette và Honeywell Spyder Tool.......................................... 77
Hình 3.41 Khối hàm And. ............................................................................................... 78
Hình 3.42 Hàm Onshot. .................................................................................................. 79
Hình 3.43 Hoạt động của hàm One Shot. ........................................................................ 79
Hình 3.44 Khối hàm OR. ................................................................................................ 80
Hình 3.45 Khối hàm ADD. ............................................................................................. 80
Hình 3.46 Khối hàm Divide. ........................................................................................... 81
Hình 3.47 Khối hàm Enthalpy......................................................................................... 81
Hình 3.48 Hàm tính tốn tốc độ gió. ............................................................................... 82
Hình 3.49 Khối hàm PID. ............................................................................................... 82
Hình 3.50 Sơ đồ mô tả hoạt động khối hàm Stager. ........................................................ 83
Hình 3.51 Khối hàm Stager. ............................................................................................ 83

Hình 3.52 Khối hàm điều khiển thích nghi AIA. ............................................................. 84
Hình 3.53 Lập trình PID nhiệt độ cho van nước lạnh. ..................................................... 85
Hình 3.54 Bảng thơng số thiết lập PID nhiệt độ .............................................................. 85
Hình 3.55 Lập trình PID nhiệt độ cho thyristor bộ sưởi. .................................................. 86
Hình 3.56 Lập trình PID độ ẩm cho van nước lạnh ......................................................... 87
Hình 3.57 Chương trình điều khiển bộ phun ẩm.............................................................. 87
Hình 3.58 Khối Hysterectic relay .................................................................................... 88

8


Hình 3.59 Lập trình EPID vịng lặp điều khiển áp suất phịng. ........................................ 88
Hình 3.60 Giao diện tổng. ............................................................................................... 89
Hình 3.61 Giao diện điều khiển giám sát PAU. ............................................................... 90
Hình 3.62 Giao diện điều khiển giám sát AHU. .............................................................. 90
Hình 3.63 Tủ DDC điều khiển AHU. .............................................................................. 92
Hình 3.64 AHU thực tế dự án. ........................................................................................ 92

9


CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AHU

Air Handing Unit

Bộ xử lý khí

BACnet

Data Communications Protocol for

Giao thức truyền thơng dữ liệu

Building Automation and Control
Networks

cho mạng điều khiển và tự động hóa
tịa nhà

DDC

Direct Digital Controller

Bộ điều khiển số trực tiếp

DCS

Distributed Control System

Hệ thống điều khiển phân tán

EPID

Enhanced Proportional-IntegralDerivative

Bộ điều chỉnh tuyến tính- tích phân- vi
phân tăng cường

FCU

Fan Coil Unit

Dàn quạt lạnh

HVAC

Heat Ventilation and Air Condition

Hệ thống điều hịa, thơng gió

HEPA

High-efficiency Particulate Arrestance

Bộ lọc hiệu năng cao

HMI

Human Machine Interface

Giao diện người máy

PAU

Primery Air Unit

Bộ xử lý khí sơ cấp

VAV

Variable Air Volume

Bộ điều chỉnh lưu lượng khí

10


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây Việt Nam ta trên con đường phát triển công nghiệp hóa, hiện
đại hóa đã có nhưng thành tựu khơng nhỏ trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp nhất là khu
nhà máy có vốn đầu tư nước ngồi. Cùng với sự phát triển đó nhu cầu cho thiết kế phịng
sạch đang ngày càng tăng. Do yêu cầu của sản phẩm cơng nghệ cao như sản xuất máy
tính, sản xuất chíp, các bo mạch, công nghệ chất bán dẫn, điện tử, …hay những loại thuốc
trong dược phẩm, thực phẩm chế biến, các thiết bị y tế, phòng mổ ở bệnh viện thì phịng
sạch là điều khiện khơng thể thiếu. Trong các yếu tố cấu thành nên phịng sạch thì bộ xử
lý khí là bộ phận tối quan trọng quyết định các yếu tố tiêu chuẩn phịng sạch và bộ xử lý
khí này cần phải được điều khiển, giám sát tự động ở mức độ cao để đảm bảo chất lượng
phòng sạch.
Đứng từ nhu cầu thực tế đó và cũng xuất phát từ điều kiện công tác tại công ty cổ phần kĩ
thuật MYCOM là cơng ty có nhiều dự án trong lĩnh vực tự động hóa liên quan đến hệ
thống điều hịa khơng khí trong cơng nghiệp em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ
điều khiển giám sát bộ xử lý khí cho phịng sạch class 100,000”.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và ứng dụng DDC để thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ xử lý khí phịng
sạch Class 100000.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quy trình cơng nghệ của các bộ xử lý khí cho phịng sạch
để thiết kế hệ thống thống điều khiển bộ xử lý khí bằng DDC với đối tượng cụ thể là bộ
xử lý khí cho dự án phịng sản xuất linh kiện điện tử tại SEEV Thăng Long.

11


-

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về phòng sạch, các tiêu chuẩn cho phịng sạch.
Nghiên cứu lí thuyết về cấu trúc hoạt động hệ thống điều khiển tự động của bộ xử lý khí.
Thiết kế tổng quát và áp dụng thực tế hệ thống điều khiển bộ xử lý khí cho phịng sạch
sản xuất linh kiện điện tử tại dự án SEEV Thăng long bằng DDC với giải pháp của hãng
cụ thể.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
-

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu lý thuyết về tiêu chuẩn phòng sạch và nghiên cứu lý
thuyết về cấu trúc, quy trình hoạt động của bộ xử lý khí phịng sạch.

-

Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài góp phần thiết kế ứng dụng thực tế cho bộ xử lý khí
phịng sạch tại dự án SEEV Thăng Long.

12


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÒNG SẠCH VÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
BỘ XỬ LÝ KHÍ AHU
Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về lý thuyết phịng sạch, các tiêu chuẩn cấu thành
nên phòng sạch, ảnh hưởng của bộ xử lý khí AHU cùng các yếu tố điều khiển cần quan
tâm.
1.1 Tổng quan về phòng sạch
1.1.1 Khái niệm phòng sạch
Theo định nghĩa bởi tiêu chuẩn ISO 14644-1 thì phịng sạch là: “Là một phòng mà nồng
độ của hạt lơ lửng trong khơng khí bị khống chế và nó được xây dựng và sử dụng trong
một kết cấu sao cho sự có mặt, sự sản sinh và duy trì các hạt trong phòng được giảm đến
tối thiểu và các yếu tố khác trong phòng như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất đều có thể khống
chế và điều khiển”. Nói một cách đơn giản, phịng sạch là một phịng kín mà trong đó,
lượng bụi trong khơng 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
khơng khí cũng được khống chế và điều khiển để có lợi nhất cho các q trình trên. Ngồi
ra, phịng cịn được đảm bảo vơ trùng, khơng có các khí độc hại đúng theo nghĩa “sạch”
của nó.
Phịng sạch là một phần quan trọng trong công nghiệp dược phẩm, công nghiệp sinh học,
công nghiệp bán dẫn, vi điện tử và cơng nghiệp vũ trụ. Phịng sạch đang ngày càng được
ứng dụng trong nhiều ngành khác nữa như nghiên cứu vật liệu, sản xuất và đóng gói thực
phẩm, trong ngành quang học, ngành bảo vệ bề mặt vật thể với những yêu cầu riêng về
kiểm soát bụi và nhiễm bụi.

Phòng phẫu thuật trong y tế sử dụng các nguyên lý thiết kế và vận hành tương tự về
phịng sạch nhưng trong đó u cầu về các dạng bụi được quan tâm nhiều hơn là số lượng
hạt bụi.
13


1.1.2 Lịch sử của phòng sạch, sự cần thiết của phòng sạch
Phòng sạch được sử dụng lần đầu tiên là trong lĩnh vực y tế. Mở đầu là các công trình
nghiên cứu của Pasteur, Koch, Lister và các nhà sinh học tiên phong 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
phịng 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 mang tên
là Glasgow Western Infirmary). Đây chính là phịng 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 khơng khí. Các phịng
sạch với dung tích lớn, hệ thống lọc khơng 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 khơng khí. u cầu
đặt ra cho họ là các phịng sạch khơng nhiễm bụi, và từ đó hệ thống phịng 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 sạch được 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…
1.1.3 Các tiêu chuẩn về phịng sạch

Tiêu chuẩn đầu tiên của phòng sạch là hàm lượng bụi, tức là hàm lượng các hạt bụi lơ
lửng trong khơng khí được khống chế đến mức nào (tất nhiên là bụi bám càng phải làm
14


sạch rồi). Nếu ta so sánh một cách hình tượng, đường kính sợi tóc người vào cỡ 100 m,
hạt bụi trong phịng có thể có đường kính từ 0,5 đến 50 .
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 khơng khí. Người ta chia thành các tầm kích cỡ bụi và loại
phịng được xác định bởi số hạt bụi có kích thước lớn hơn 0,5 m trên một thể tích là 1
foot khối (ft3) khơng khí trong phịng.
a) Tiêu chuẩn Federal Standard 209 (1963)
Tiêu chuẩn này lần đầu tiên được quy định vào năm 1963 (có tên là 209), và sau đó liên
tục được cải tiến, hoàn thiện thành các phiên bản 209 A (1966), 290 B (1973)…, cho đến
209 E (1992).
b) Tiêu chuẩn Federal Standard 209 E (1992)
Tiêu chuẩn này xác định hàm lượng bụi lửng trong khơng khí theo đơn vị chuẩn (đơn vị
thể tích khơng khí là m3). Sự phân loại phòng sạch được xác định theo thang loga của
hàm lượng bụi có đường kính lớn hơn 0,5 m. Dưới đây là bảng 1.1 giới hạn bụi theo tiêu
chuẩn FS 209 E.
Bảng 1.1 Giới hạn bụi trong tiêu chuẩn 209 E (1992)

Bảng tiêu chuẩn này đã bị Bộ Thương mại Mỹ chính thức huỷ bỏ kể từ 29 tháng 9 năm
2001 tuy nhiên vẫn còn được sử dụng rộng rãi.
15


c) Tiêu chuẩn ISO 14644-1
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 khơng khí” (Classification of Air Cleanliness). Các
loại phịng sạch được quy định dựa trên biểu thức: với: Cn là hàm lượng cho phép tối đa
(tính bằng số hạt/m3) của bụi lửng khơng khí lớn hơn hoặc bằng kích thước xem xét. N là
chỉ số phân loại ISO, không vượt quá 9 và chỉ số cho phép nhỏ nhất là 0,1 D là đường
kính hạt tính theo m 0,1 ở đây là hằng số với thứ nguyên là m. 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 1.2).
Bảng 1.2 Các cấp độ sạch hạt trong khơng khí cho phịng sạch và vùng sạch
Số phân loại
(N)

Giới hạn nồng độ cực đại (hạt/m3 không khí) với các hạt có kích thước bằng và lớn hơn
kích thước đã biết được nêu ra dưới đây
0,1 μm

0,2 μm

0,3 μm

0,5 μm

1 μm

5 μm

Cấp 1

10

2

Cấp 2

100

24

10

4

Cấp 3

1 000

237

102

35

8

Cấp 4

10 000

2 370

1 020

352

83

Cấp 5

100 000

23 700

10 200

3 520

832

29

Cấp 6

1 000 000

237 000

102 000

35 200

8 320

293

Cấp 7

352 000

83 200

2 930

Cấp 8

3 520 000

832 000

29 300

Cấp 9

35 200 000

8 320 000

293 000

Cần chú ý rằng, mức độ nhiễm bẩn khơng khí trong phòng còn phụ thuộc vào các hạt bụi
sinh ra trong các hoạt động trong phịng, chứ khơng chỉ là con số cố định của phịng.

Chính vì thế, trong các tiêu chuẩn của phịng, ln địi hỏi các hệ thống làm sạch liên
hồn và cịn quy định về quy mơ phịng và số người, số hoạt động khả dĩ trong phòng
sạch. Ngồi các tiêu chuẩn này, mỗi ngành cịn có thể có thêm các địi hỏi riêng cho mình,
16


ví dụ như làm về cơng nghiệp vi mạch bán dẫn địi hỏi khác với ngành y… Ta nhớ là
cơng 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 hịa khơng khí nhằm chống nhiễm khuẩn…
1.2 Tổng quan về bộ xử lý khí AHU
AHU là chữ viết tắt của (AIR handling unit) là một thiết bị trao đổi nhiệt thường được
dùng trong hệ thống HVAC, xưởng cơng nghiệp có yêu cầu cao về phòng sạch như trong
ngành dược phẩm, mỹ phẩm, thú y, vi điện tử… Hệ thống AHU còn đc sử dụng rất rộng
rãi trong tòa nhà thương mại, các tịa nhà lớn có hệ thống chiller trung tâm. Ngồi ra
AHU cịn được ứng dụng trong các khu hành lang, hội trường lớn...
AHU về môi chất dẫn dẫn nhiệt được chia làm 2 loại là AHU chạy nước và AHU loại gas
lạnh trực tiếp:
 AHU loại dùng nước (Water AHU) bao gồm dàn trao đổi nhiệt dùng trao đổi nhiệt
giữa nước lạnh đi qua các ống đồng và khơng khí thổi qua nó quạt ly tâm ,hệ thống
điều khiển gồm cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, van ba ngã actuator, chiller... 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).
 AHU loại dùng gas lạnh trực tiếp (DX AHU) bao gồm dàn trao đổi nhiệt dùng trao
đổi nhiệt giữa gas lạnh đi qua các ống đồng và khơng khí thổi qua nó nhờ lực hút
của quạt ly tâm.
Gió cấp trước khi cấp vào khu vực sử dụng thường được lọc qua bộ phận tiền lọc và lọc
túi. Khi cần độ sạch cao thì sử dụng cả lọc HEPA.
Quạt cấp của AHU thường dùng quạt ly tâm, với ứng dụng trong phòng sạch ngoại áp

suất tĩnh của quạt lên đến 1000Pa. Để hiệu chỉnh được chính xác lượng đúng theo thiết
17


kế, dùng các VSD (variable speed drive) cho các quạt công suất lớn. Qua việc điều khiển
valve nước lạnh, tốc độ quạt gió để điều khiển nhiệt độ khơng khí đầu ra.
Trên thế giới có rất nhiều hãng cung cấp giải pháp về AHU như:
 Trance/Mỹ
 Daikin/Nhật (Hình 1.1)
 Carrier/ Mỹ
 Johnson Controls/Mỹ
 Saiver/Italya
Ở Việt Nam hiện nay cũng đã có một số đơn vị cung cấp AHU như Bình Anvà ReeTech

Hình 1.1 Một AHU tiêu biểu của hãng DAIKIN.

18


1.3 Ảnh hưởng của bộ xử lý khí phịng sạch – AHU đến các tiêu chuẩn phòng sạch
1.3.1 Lựa chọn tiêu chuẩn phịng sạch
Các nhà máy sản xuất sẽ có cấp độ phòng sạch tùy theo yêu cầu sử dụng cụ thể mà trong
đó cần sự phối hợp của nhiều yếu tố để đạt được cấp độ bảo vệ phù hợp như :
 Đảm bảo yêu cầu liên quan giữa cấp độ sạch và quy trình sản xuất như ví dụ với
tiêu chuẩn WHO thể hiện ở bảng 1.3 dưới.
 Có các giới hạn hoạt động cho phép tại mỗi mức bảo vệ.
 Định nghĩa cấp độ phịng sạch (thơng số tham chiếu, vật liệu xây dựng, các yêu
cầu về phịng, hệ thống điều hịa khơng khí thơng gió).
 Các yêu cầu về nhân sự, nguyên vật liệu tại nhiều mức khác nhau (quần áo, đào
tạo).

 Yêu cầu về quy trình đầu vào của vật liệu và nhân sự.
Bảng 1.3 u cầu về tiêu chuẩn phịng sạch với quy trình sản xuất theo chuẩn WHO
Class phòng sạch

A

B

C

Tẩy rửa hộp chứa

D
x

Chuẩn bị cho tiệt trùng dụng cụ

x

Chuẩn bị cho vô khuẩn

x

Kháng khuẩn bình chứa

x

Thực hiện tiệt trùng

x

x
x

Thực hiện vơ khuẩn

x

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu chuẩn phịng sạch
Thơng thường một hệ thống xử lý khí AHU sẽ cung cấp khơng khí tiêu chuẩn nhằm kiểm
sốt các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu chuẩn phịng sạch. Tất cả các thơng số cần đạt được
một cách ổn định và đồng thời.
Hình 1.2 là sơ đồ khối mô tả ảnh hưởng của AHU đến tiêu chuẩn phòng sạch.
19


Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc ảnh hưởng của bộ xử lý khí AHU.
Các yếu tố ảnh hưởng chính như trong hình 1.3 gồm ảnh hưởng do bộ xử lý AHU và các
ảnh hưởng quy chuẩn khác. Với ảnh hưởng của AHU thì đó là:
•

Số hạt bụi trong khơng khí.

•

Số lượng vi sinh trong khơng khí hay bề mặt.

•

Số lần thay đổi khơng khí tại mỗi phịng.

•

Tốc độ gió.

•

Bố trí hướng gió (bố trí các miệng gió cấp và thốt).

•

Phin lọc (loại, vị trí).

•

Chênh áp giữa các phịng.

•

Nhiệt độ, độ ẩm.

20


Hình 1.3 Ảnh hưởng của các yếu tố đến tiêu chuẩn phịng sạch.
Ngồi ra các yếu tố bổ sung khác cũng rất quan trọng trong việc đảm bảo các tiêu chuẩn
của phịng sạch như là :
 Việc mặc áo chồng thích hợp, mà phải được làm sạch đầy đủ (quần áo lint-free
cho phòng sạch phòng C, B và A với phương pháp giặt đặc biệt và đóng gói trong
điều kiện sạch sẽ).

 Có tủ khóa cá nhân, có sự cách li giữa quần áo thông thường và quần áo làm việc,
thực hiện đầy đủ việc rửa và khử trùng.
 Thực hành vệ sinh môi trường và vệ sinh đúng cách (loại bỏ bụi, lau ướt, giẻ lau
sàn chuyên dụng cho các khu vực khác nhau, xoay các chất khử trùng, vv).
 Thủ tục chuyển nhượng cho vật liệu (các biện pháp khử độc, phòng cách li khử
trùng riêng biệt để nhập và hàng hóa đi, vv).
 Mặt bằng thích hợp.
Ta thấy được rằng AHU là cơng cụ chính quan trọng nhất để có thể đảm bảo các yếu
tố tiêu chuẩn trong phòng sạch.

21


1.4 Mục tiêu của hệ thống điều khiển bộ xử lý khí - AHU
Qua phần trên ta có thể thấy được hệ thống điều khiển AHU cho phòng sạch cần phải
giải quyết các vấn đề điều khiển chính là nhiệt độ (temperature), độ ẩm (humidity), áp
suất phòng (Room Pressurization), độ sạch (Cleanliness). Trong thiết kế điều hịa khơng
khí bình thường chỉ giải quyết hai vấn đề chính là nhiệt độ và độ ẩm, thực tế thì vấn đề độ
ẩm thường không đạt theo như yêu cầu thiết kế. Nhưng trong phịng sạch thì ngồi nhiệt
độ thì độ ẩm trong phịng yêu cầu điều khiển khắt khe hơn rất nhiều.
1. Nhiệt độ (Temperature)
Yêu cầu về điều khiển nhiệt độ đối với phịng sạch sẽ tùy theo u cầu cơng nghệ ứng
dụng của phịng sạch cụ thể. Ví dụ như đối với các phịng sản xuất thơng thường thì sẽ có
u cầu nhiệt độ điều chỉnh quanh điểm đặt khoảng ±2 với dải điểm đặt thông thường từ
20°C – 26°C với các phịng sản xuất có u cầu khắt khe hơn thì sẽ cần ±1 quanh điểm
đặt. Để có thể điều chỉnh nhiệt độ bộ xử lý khí AHU sẽ có đồng thời hệ thống làm nóng
và làm lạnh.
2. Độ ẩm (Humidity)
Độ ẩm là một trong những vấn đề quan trọng và phức tạp nhất trong quá trình điều chỉnh
của bộ xử lý khí.u cầu về độ ẩm với phịng sạch cũng giống nhiệt độ là sẽ tùy theo yêu

cầu cụ thể. Với các yêu cầu thống thường thì độ ẩm cần được kiểm sốt trong khoảng 60
±10%. Với các phịng có yêu cầu khắt khe hơn thì sẽ là 60 ±5%. Thơng thường với điều
khiện thời tiết của việt nam thì và ứng dụng thì nhiều khi có thể khơng có bộ phun ẩm
nhưng để đảm bảo việc kiểm sốt hồn tồn độ ẩm thì các bộ xử lý khí AHU sẽ được
trang bị bộ phun ẩm. Với việc sản xuất điện tử thì cần tránh độ ẩm quá thấp làm tăng hiệu
ứng tích điện.
3. Áp suất phịng (Room Pressurization)

22