Bài giảng Hệ thống quản lý toà nhà (BMS-Building Management System): Bài 3 - ĐHBK Hà Nội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 18
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hệ thống quản lý toà nhà (BMS-Building Management System) - Bài 3: Các nguyên tắc điều khiển hệ BMS. Những nội dung chính trong chương này gồm có: Tổng quan điều khiển tự động hệ BM, các phương pháp điều khiển, phần tử trong hệ điều khiển, bộ điều khiển trong hệ BMS, điều khiển hệ HVAC.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống quản lý toà nhà (BMS-Building Management System): Bài 3 - ĐHBK Hà Nội

III. CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN HỆ BMS 3.1. Tổng quan điều khiển tự động hệ BMS 3.2. Các phương pháp điều khiển 3.3. Phần tử trong hệ điều khiển 3.4. Bộ điều khiển trong hệ BMS 3.5. Điều khiển hệ HVAC
3.1 Tổng quan điều khiển tự động BMS Ø Một trong hệ thống điều khiển tự động vòng kín (vòng điều khiển) được mô tả tổng quát: NL Xđk Xđ Hiệu chỉnh Biến đổi Máy chấp (Regulator) NL hành Xph Đo lường (Sensor)
allows faster control response. Also called “three- Time constant: The time required for a dynamic component, mode” or “rate-reset” control. such as a sensor, or a control system to reach 63.2 percent of the total response to an instantaneous (or Reset Control: See Compensation control. “step”) change to its input. Typically used to judge the responsiveness of the component or system. Sensing element: A device or component that measures the 3.1 Tổng quan điều khiển tự động BMS value of a variable. Setpoint: The value at which the controller is set (e.g., the Two-position control: See on/off control. Zero energy band: An energy conservation technique that desired room temperature set on a thermostat). The allows temperatures to float between selected settings, desired control point. thereby preventing the consumption of heating or cooling energy while the temperature is in this range. Vòng ØShort điều cycling: See Cycling.khiển có thể đượcZoning: môThetả theo các phần tử và practice of dividing a building into sections for tín hiệu: heating and cooling control so that one controller is sufficient to determine the heating and cooling MEASURED RESET SCHEDULE ALGORITHM IN VARIABLE OUTDOOR CONTROLLER AIR 60 130 SETPOINT 30 160 OUTDOOR 0 190 AIR SETPOINT OA HW INPUT TEMPERATURE SETPOINT OUTPUT PERCENT CONTROLLED CONTROL OPEN 41 POINT FINAL CONTROL VARIABLE ELEMENT VALVE HOT WATER 159 SUPPLY STEAM CONTROLLED MEDIUM TEMPERATURE FLOW CONTROL AGENT HOT WATER MEASURED SUPPLY MANIPULATED VARIABLE VARIABLE 148 HOT WATER RETURN requirements for the section. AUTO M10510 3
3.1 Tổng quan điều khiển tự động BMS Ø Các khái niệm cơ bản: - Analog/Digital control: Điều khiển tương tự/số - Compensation control: Điều khiển bù khi các tác nhân, điều kiện thay đổi, thực chất là đặt lại giá trị điều khiển - Control agent: Điều khiển tác nhân vật lý ảnh hưởng trực tiếp đến thông số điều khiển - Control point: Điều khiển giá trị điểm thực thông số điều khiển, khi đó giá trị cài đặt (setpoint) thay đổi - Algorithm: Thuật toán điều khiển, liên quan đến phương pháp điều khiển cụ thể - Điều khiển PID: ĐK tỉ lệ – tích phân – vi phân 4
3.1 Tổng quan điều khiển tự động BMS Ø Hệ thống điều khiển gồm nhiều vòng điều khiển được chia thành hệ thống điều khiển trung tâm và các vòng điều khiển cục bộ hoặc khu vực. Ø Để điều khiển hiệu quả, các vòng điều khiển đều được liên kết với nhau để chia sẻ thông tin và có các lệnh điều khiển hệ thống qua hệ BMS. 5
3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một số định nghĩa trong vòng điều khiển: Ø Biến điều khiển: Một vòng điều khiển (ĐK tự động) cho một biến điều khiển có thể điều khiển trực tiếp biến này, hoặc thông qua các biến trung gian có ảnh hưởng trực tiếp đến biến điều khiển VD một hệ thống sưởi cho một căn phòng bằng hệ thống nước nóng, biến điều khiển là nhiệt độ không khí trong phòng. Biến trung gian là lưu lượng nước nóng đi vào dàn nóng qua van điều chỉnh tuỳ theo giá trị nhiệt độ đo trong phòng. 6
3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một số định nghĩa CONTROL trong vòng điều khiển: FUNDAMENTALS Ø Vòng điều khiển: Hệ thống điều khiển vòng kín điển hình: SETPOINT Self-powered important type of FEEDBACK measured variab CONTROLLER SECONDARY INPUT For example, tem or volume chang CORRECTIVE SIGNAL or bellows in the FINAL CONTROL ELEMENT Many complet MANIPULATED above categories VARIABLE control system fo control of the fan PROCESS DISTURBANCES cooling coils. CONTROLLED SENSING VARIABLE Various contro ELEMENT sections of this m 7 C2072 — Pneumatic
3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một số định nghĩa trong vòng điều khiển: VD một hệ thống sưởi bằng nước nóng, bao gồm giá trị nhiệt độ đặt đầu vào (setpoint), biến điều khiển là nhiệt độ trong phòng (controlled variable). Phần tử cảm biến (sensing element) đo nhiệt độ khí trong phòng và gửi tín hiệu phản hồi đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển so sánh giá trị phản hồi với giá trị đặt à Hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển (corrective signal) đến biến trung gian là lưu lượng nước nóng bằng cách điều chỉnh độ đóng mở van nước. Phần tử cảm biến đo lường liên tục, bộ điều khiển sẽ hiệu chỉnh liên tục đảm bảo nhiệt độ đặt. 8
3.2 Các phương pháp điều khiển 1) Một số định nghĩa trong vòng điều khiển: - Hệ thống điều khiển tự động sử dụng thông tin phản hồi để giảm độ lệch nhiệt độ so với giá trị đặt và tạo ra sự ổn định của hệ thống. - Một đầu vào thứ cấp (secondary input), VD như đầu vào từ cảm biến bù không khí ngoài trời, cùng với thông tin về các nhiễu (disturbances) làm ảnh hưởng đến biến điều khiển. Hệ điều khiển bù kín cho phép bộ điều khiển dự báo và giảm tác động của nhiễu lên biến điều khiển. 9
3.2 Các phương pháp điều khiển 2) Các phương pháp điều khiển: Ø Hệ thống điều khiển tự động cho các cơ cấu chấp hành có thể được phân loại: - Theo năng lượng: điện/khí nén, điện+khí nén - Theo loại tín hiệu điều khiển: analog - digital Ø Hệ thống sử dụng năng lượng điện được điều khiển bằng cơ điện, điện tử hoặc vi xử lý Ø Hệ thống điều khiển khí nén được điều khiển bằng áp suất thông qua các bộ cảm biến, điều khiển các hệ thống thuỷ lực 10
3.2 Các phương pháp điều khiển 2) Các phương pháp điều khiển: Ø Hệ thống điều khiển khí nén, cơ điện và điện tử thực hiện các chức năng điều khiển hạn chế, thông thường là hệ 1 tín hiệu vào – 1 tín hiệu ra (hệ 1in/1out), theo hàm điều khiển được xác định trước. Ø Bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý sử dụng điều khiển kỹ thuật số cho nhiều chuỗi điều khiển khác nhau, hệ nhiều tín hiệu vào – nhiều tín hiệu ra (MI/MO) 11
3.2 Các phương pháp điều khiển 3) Chế độ điều khiển: a - Điều khiển hai vị trí (Two-position control) - Hai giá trị của biến điều khiển (on/off) xác định giá trị giới hạn của phần tử chấp hành. Giữa hai giá trị này là một khu vực bộ điều khiển không có một tín hiệu điều khiển nào cho phần tử chấp hành. - Khi biến điều khiển đạt đến một trong hai giá trị giới hạn, có tín hiệu đến bộ điều khiển để phần tử chấp hành tác động và duy trì chế độ làm việc cho đến khi biến điều khiển đạt đến giá trị kia sẽ tác động đến cơ cấu chấp hành làm việc ở chế độ ngược lại. 12
BASIC TWO-POSITION CONTROL DIGITAL CONTROL SIGNAL OPEN In basic two-position control, the controller and the fina control element interact without modification from a 3.2 Các phương pháp điều khiển FINAL CONTROL ELEMENT POSITION mechanical or thermal source. The result is cyclical operation of the controlled equipment and a condition in which th controlled variable cycles back and forth between two value (the on and off points) and is influenced by the lag in the system. The controller cannot change the position of the fina 3) Chế độ điều khiển: control element until the controlled variable reaches one o CLOSED the other of the two limits of the differential. For that reason a - Điều khiển hai vị trí (Two-position control) TIME C2080 the differential is the minimum possible swing of the controlled variable. Figure 21 shows a typical heating system cycling pattern. VD một hệ thống làm mát ig. 20. Comparison of Analog and Digital Control Signals. TEMPERATURE (!F) 75 không khí, hai giá trị giới hạn để CONTROL MODES 74 OVERSHOOT CONDTION mở van làm mát khi nhiệt độ 73 DIAL SETTING Control systems use different control modes to accomplish khôngControl eir purposes. khí modes đạt đến 720F applications in commercial và đóng OFF 72 DIFFERENTIAL clude two-position, step, and floating control; proportional, van khi nhiệt roportional-integral, độ giảm xuống and proportional-integral-derivative ON 71 ontrol; and0 adaptive control. 71 F. Sự khác biệt giữa hai nhiệt 70 WO-POSITION CONTROL 69 độ là 2 độ F. Biến điều khiển tác 68 ENERAL động để đóng/mở (on/off) van UNDERSHOOT CONDTION ne ofvà nhiệtpositions độ làm exceptmátfor the nằm trong In two-position control, the final control element occupies TIME C2088 two possible brief period when Fig. 21. Typical Operation of Basic Two-Position Control Chuyển đổi đơn vị nhiệt độ: F = C*1,8 + 32 13 usedhai giá HVAC trị nhiệt systems độ này is passing from one position to the other. Two-position control 0 0 in simple to start and stop electric otors on unit heaters, fan coil units, and refrigeration The overshoot and undershoot conditions shown in Figure
p with fluctuations in temperature, overshoot and TEMPERATURE (!F) oot enable the temperature to vary, sometimes 73 DIAL SETTING rably. Certain industrial processes and auxiliary 72 OFF s in air conditioning have small system lags and can DIFFERENTIAL position control satisfactorily. ON 3.2 Các phương pháp điều khiển 71 THERMOSTAT 70 FURNACE 69 3) Chế độ điều khiển: SOLENOID GAS VALVE 68 UNDERSHOOT CONDITION b - Điều khiển theo thời gian hai vị trí C2715 TIME (TimedControl Fig. 22. Basic Two-Position two-position Loop. control) 75 TIMED TWO-POSITION CONTROL - Biến điều khiển sẽ thay đổi 74 TWO-POSITION CONTROL theo giá trị trung bình. TEMPERATURE (!F) 73 L - Sự khác biệt giá trị lớn nhất OFF 72 CONTROL POINT eal method of controlling the temperature in a space ON 71 lace lost và heat thấp nhất or displace sẽheat gained được giảm in exactly the 70 needed. With basic two-position control, such exact hoặcbecause n is impossible loạithebỏ doortính heating coolingchất systemdự 69 full on or full off and the delivery at any specific instant too much đoán và chu or too little. Timedkỳ on/offcontrol, two-position sẽ 68 , anticipates requirements and delivers measured nhanh s of heating hơn or cooling à Biếnon-time on a percentage điều basis khiển sẽ tiệm cận với giá trị Fig. 23. Comparison of Basic Two-Position and Timed control point fluctuations. The timing is accomplished TIME C2089 at anticipator in electric controls and by a timer in đặtcontrols. c and digital mong muốn. Two-Position Control. 14 ed two-position control, the basic interaction between
dition, the on time increases to 7.5 minutes, the off reases to 2.5 minutes, and the opposite cycle ratio STEP CONTROL 25 percent load. All load conditions maintain the -minute 10 total cycle. Step controllers operate switches or relays in sequence t CTED 7.5 3.2 Các phương pháp điều khiển ON OFF enable or disable multiple outputs, or stages, of two-positio devices such as electric heaters or reciprocating refrigeratio TIME 5 compressors. Step control uses an analog signal to attempt t TES) obtain an analog output from equipment that is typically eithe 2.5 3) Chế độ điều khiển: on or off. Figures 26 and 27 show that the stages may b 0 arranged to operate with or without overlap of the operatin c - Điều khiển bước (Step control) 100 75 50 LOAD (%) 25 0 C2090 (on/off) differentials. In either case, the typical two-positio differentials still exist but the total output is proportioned. Fig. Bộ điều khiển bước vận - 24. Time Proportioning Control. THROTTLING RANGE hànhresponds se the controller theo nguyên tắc on/off to average temperature or DIFFERENTIAL nhiều đầu ra theo các giai , it does not wait for a cyclic change in the controlled OFF ON before signaling corrective action. Thus control system 5 đoạneffect. vận hành của các thiết OFF ON e no significant 4 STAGES OFF ON bịcontrol in heating chấpis ahành loweringbằng các point of the control phần 3 ad on the system increases. In cooling control, droop OFF ON ng of thetử nhưpoint. control công tắc control In digital tơ, rơle. systems, 2 OFF ON adjustable and can be set as low as one degree or even 1 ure 25 Cácthebước - shows điều relationship khiển of droop nằm to load. 74 SPACE TEMPERATURE (!F) 72 trong phạm vi điều tiết của 0% LOAD 100% thông số điều khiển C2092 Fig. 26. Electric Heat Stages. 15
OPEN DAMPER 3.2 Các phương pháp điều khiển POSITION CLOSED T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 C2094 3) Chế độ điều khiển: Fig. 30. Floating Control. TIME dPROPORTIONAL - Điều khiển tỉ lệ (Proportional CONTROL control) In proportional control, the final control element moves to a position proportional to the deviation of the value of the GENERAL controlled variable from the setpoint. The position of the final control element is a linear function of the value of the controlled - Điều khiển tỉ lệ theo khả năng đầu Proportional control proportions the output capacity of the variable (Fig. 32). ra equipment của thiết bị. (e.g., the Ví percent dụ a valve tỉ is lệ open orvan closed) to match the heating or cooling load on the building, unlike two-position 100% POSITION OF FINAL CONTROL ELEMENT đóng/mở để thephù hợp với phụ is eithertải OPEN control in which mechanical equipment full on or full off. In this way, proportional control achieves the desired nhiệt trong tòa nhà à kiểm soát heat replacement or displacement rate. ACTUATOR POSITION 50% OPEN mức thay thay đổi nhiệt độ mong In a chilled water cooling system, for example (Fig. 31), the sensor is placed in the discharge air. The sensor measures the muốn. air temperature and sends a signal to the controller. If a CLOSED correction is required, the controller calculates the change and sends a new signal to the valve actuator. The actuator - Phần tử điều repositions the valvekhiển dịch to change the water chuyển flow in the coil,đến and 73 74 75 CONTROL POINT (!F) 76 77 thus the discharge temperature. vị trí ti lệ với độ lệch giá trị của biến THROTTLING RANGE C2095 CONTROLLER điều khiển so với điểm đặt. Vị trí Fig. 32. Final Control Element Position as a Function of VALVE the Control Point (Cooling System). của phần tử điều khiển là hàm tuyến CHILLED WATER SENSOR The final control element is seldom in the middle of its range tính với giá trị biến điều khiển RETURN DISCHARGE 16of the because of the linear relationship between the position AIR AIR final control element and the value of the controlled variable. In proportional control systems, the setpoint is typically the
is 50 percent, the controller is in the middle of its throttling range, the properly sized coil valve is half-open, and there is no offset. As the outdoor temperature increases, the room temperature rises and more cooling is required to maintain the space temperature. The coil valve must open wider to deliver 3.2 Các phương pháp điều khiển the required cooling and remain in that position as long as the increased requirement exists. Because the position of the final control element is proportional to the amount of deviation, the temperature must deviate from the setpoint and sustain that deviation to open the coil valve as far as required. 3) Chế độ điều khiển: Figure 33 shows that when proportional control is used in a e- Điều khiển tỉ lệ (Proportional control) heating application, as the load condition increases from 50 percent, offset increases toward cooler. As the load condition decreases, offset increases toward warmer. The opposite occurs - Trong các hệ thống điều khiển tỷ lệ, in a cooling application. điểm đặt thường ở giữa phạm vi WARMER điều tiết, có một khoảng bù giữa CONTROL POINT điểm điều khiển và điểm đặt. SETPOINT OFFSET 0% OFFSET 100% 50% LOAD LOAD - VD điều khiển tỷ lệ được sử dụng LOAD trong ứng dụng sưởi ấm, khi điều COOLER C2096 kiện tải tăng từ 50 phần trăm, phần Hàm ĐK P: Fig. 33. Relationship of Offset to Load bù tăng dần về phía làm mát. Khi (Heating Application). điều kiện tải giảm, bù tăng về phíaThe throttling V: Tín hiệu ra range is the amount of change in the controlled K: Hệ số KĐ variable required for the controller to move the controlled ấm hơn. E: Sai lệch điểm đặt device through its full operating range. The amount of change is expressedM:inTín hiệu ra Fahrenheit degrees khi E = 0 for temperature, in percentages for relative humidity, and in pounds per square inch or inches of water for pressure. For some controllers,
CONTROL POINT COMPENSATION CONTROL OFFSET SETPOINT 0% 50% OFFSET 100% LOAD LOAD GENERAL LOAD 3.2 Các phương pháp điều khiển Compensation is a control technique available in proportional COOLER C2096 control in which a secondary, or compensation, sensor resets the setpoint of the primary sensor. An example of compensation Fig. 33. Relationship of Offset to Load would be the outdoor temperature resetting the discharge (Heating Application). temperature of a fan system so that the discharge temperature 3)TheChế độ điều khiển: throttling range is the amount of change in the controlled increases as the outdoor temperature decreases. The sample reset schedule in Table 2 is shown graphically in Figure 34. variable required for the controller to move the controlled Figure 35 shows a control diagram for the sample reset system. devicefthrough - Điều khiển its full operating bù range. The (Compensation amount of change Control) is expressed in degrees Fahrenheit for temperature, in Table 2. Sample Reset Schedule. percentages for relative humidity, and in pounds per square Fig. 34. Typical Reset Schedule for Discharge Air - Điều khiển bù tích hợp trong inch or inches of water for pressure. For some controllers, throttling range is referred to as “proportional band”. Outdoor Air Discharge Air Temperature Temperature các hệ thống điều khiển tỷ lệ Proportional band is throttling range expressed as a percentage of the controller sensor span: Condition (F) (F) Outdoor design 0 100 với 1 sensor phụ có tín hiệu gửi Proportional Band = Throttling Range x 100 temperature Sensor Span đến sensor chính nhằm đặt lại Light load 70 70 giá “Gain” trị cho is a term thông often số ĐK used in industrial control systems for the change in the controlled variable. Gain is the reciprocal of TEMPERATURE SETPOINT (!F) 100 proportional band: - VD sensor đo nhiệt độ ngoài DISCHARGE AIR (FULL RESET) 100 trời sẽ đặt lạiGain = nhiệtBand Proportional độ xả của hệ thống The quạt output of trongis proportional the controller toà nhàto the deviation of the control point from setpoint. A proportional controller 70 can be mathematically described by: 0 70 (FULL (RESET V = KE + M RESET) START) OUTDOOR AIR TEMPERATURE (!F) 18 C2719 Control.
CONTROL FUNDAMENTALS 3.2 Các phương pháp điều khiển The reset action of the integral component shifts the proportional band as necessary around the setpoint as the load R of th on the system changes. The graph in Figure 36 shows the shift from of the proportional band of a PI controller controlling a ban 3) Chế độ điều khiển: normally open heating valve. The shifting of the proportional band keeps the control point at setpoint by making further is a accu corrections in the control signal. Because offset is eliminated, the g - Điều khiển tỉ lệ-tích phân (PI Control) the proportional band is usually set fairly wide to ensure system stability under all operating conditions. W con con Sự khác biệt chính giữa điều khiển HEATING PROPORTIONAL BAND VALVE FOR SEPARATE LOAD POSITION CONDITIONS ban the tỷ lệ P và điều khiển PI: Điều CLOSED time poin khiển P chỉ có một vị trí điều 50% OPEN show khiển duy nhất cho mỗi giá trị của 0% LOAD 50% LOAD 100% LOAD P algo biến được điều khiển. Điều khiển 100% OPEN PI thay đổi vị trí điều khiển để điều chỉnh sự thay đổi của tải 90 95 100 SETPOINT (!F) 105 110 Wh trong khi vẫn giữ điểm điều khiển = CONTROL POINT THROTTLING RANGE = 10 DEGREES F C2097-1 ở gần điểm đặt. Fig. 36. Proportional Band Shift Due to Offset. Hàm ĐK PI: VD ĐK vị trí van cho hệ thống Reset of the control point is not instantaneous. Whenever the load changes, the controlled variable changes, producing sưởi sử dụng PI control an offset. The proportional control makes an immediate correction, which usually still leaves an offset. The integral function of the controller then makes control corrections over
3.2 Các phương pháp điều khiển 3) Chế độ điều khiển: h - Điều khiển tỉ lệ-tích phân-vi phân (PID Control) - Ý nghĩa của hàm vi phân D: Hàm D sẽ bổ sung cho ĐK PI, có tác dụng chống lại mọi sự thay đổi E Hàm ĐK PID: và tỉ lệ với tốc độ thay đổi của E. - Khi giá trị ĐK ra khỏi điểm đặt, hàm D sẽ đưa ra tín hiệu hiệu chỉnh để giá trị ĐK quay về giá trị đặt nhanh nhất thông qua khối I. Khi giá trị ĐK đang trở về điểm đặt thì hàm D làm chậm lại quá trình làm giảm độ quá điều chỉnh