Quy luật điều chỉnh hai vi trí (Two-Position Control)

Quy luật điều chỉnh hai vị trí so sánh giá trị của thông số tương tự (analog input) hoặc giá trị đo thông số biến đổi (variable input) với chương trình và tạo ra một tín hiệu đầu ra kỹ thuật số (kiểu hai vị trí – two-position). Các chương trình 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. Không 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 thông số mà tín hiệu ra output dựa vào đó mà đưa ra, kích hoạt hoặc là một tín hiệu đúng. Tín hiệu đầu ra trở lại 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 độ 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 không khí bên ngoài). Giá trị thông 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.

Thời gian cũng có thể là thông 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 không gian. Đây là một ví dụ về giá trị định trước là 70 F với độ chênh hai mức độ.

Quy luật điều chỉnh kiểu phao 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) 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, không 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 không tác động hoặc vùng trung lập, tín hiệu đầu ra không được kích hoạt và cơ quan điều chỉnh cũng không thay đổi – nó vẫn giữ nguyên 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 không hoạt động tốt ở nơi có độ trễ nhiệt động lực đáng kể trong vòng điều khiển. Vòng điều khiển nhanh phía không 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.

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 hoàn toàn không 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 hoàn toàn sang mở hoàn toàn được gọi là phạm vi điều chỉnh. Biến đo lường nằm trong phạm vi này vòng điều khiển sẽ kiểm soát, giả định rằng hệ thống này có khả năng đáp ứng các yêu cầu.

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.

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.

Quy luật điều chỉnh tỷ lệ – tích phân (Proportional plus Integral Control – PI Control)

Quy luật điều chỉnh PI bao gồm việc tính toán 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 mô 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 không hoạt động trên toàn bộ phạm vi điều chỉnh(hình 6).

Vòng 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.

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. Ngoài việc tính toán tỷ lệ và tích phân, vi phân hoặc độ dốc của cơ chế phản hồi sẽ được tính. Tính toán này sẽ có tác dụng làm giảm phản ứng điều chỉnh về lại điểm đặt quá nhanh đến nỗi nó sẽ vượt qua điểm đặt.

Bộ điều chỉnh PID là một cơ chế phản hồi điều chỉnh quá trình chính xác và không 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 lao động và ứng dụng của nó nên được chọn lọc.

Định nghĩa Điều chỉnh số trực tiếp (Direct Digital Control – DDC)

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 sử dụng được. Các cảm biến analog có thể là điện trở, máy tạo điện áp hoặc máy 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 cho 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. 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 công 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 mỗi lần cập nhật.

Lợi ích của DDC

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) nó cải thiện tính hiệu quả điều chỉnh và làm tăng hiệu quả điều chỉnh. Ba lợi ích trực tiếp chính của DDC là cải thiện tính hiệu quả, hiệu quả hoạt động được cải thiện và tăng hiệu quả năng lượng.

Tính hiệu quả được cải thiện

DDC làm cho việc điều chỉnh hệ thống HVAC hiệu quả hơn bằng cách cung cấp khả năng cảm nhận dữ liệu chính xác hơn. Cảm biến điện tử đo các thông số HVAC thông thường như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất vốn đã chính xác hơn các thiết bị vận hành bằng khí nén trước đây. Vì bây giờ người ta đưa logic của vòng điều khiển vào trong các phần mềm, logic này có thể dễ dàng được thay đổi. Trong ý nghĩa này, DDC linh hoạt hơn trong việc thay đổi lịch trình thiết lập lại, định trị và logic điều chỉnh tổng thể. Người dùng có khuynh hướng áp dụng chiến lược phức tạp hơn, thực hiện các tính năng tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa hiệu năng hệ thống của họ vì những thay đổi đó có chi phí thấp hơn so với khi logic điều chỉnh phân phối đến từng thiết bị riêng lẻ. Tất nhiên ta giả định rằng người dùng vận dụng kiến thức của mình để thực hiện các thay đổi.

Hệ thống DDC, bởi bản chất của chúng có thể tích hợp dễ dàng hơn vào các hệ thống khác trong máy vi tính. Hệ thống DDC có thể tích hợp vào các hệ thống kiểm soát hỏa hoạn, hệ thống kiểm soát truy cập/an ninh, hệ thống điều khiển ánh sáng và hệ thống quản lý bảo trì.

Hiệu quả vận hành được cải thiện

Các cải tiến trong vận hành cho thấy cơ hội lớn nhất để cải thiện hiệu quả trong điều khiển kỹ thuật số trực tiếp. Khả năng báo động mạnh mẽ và hầu hết các hệ thống có khả năng định vị báo động đến các địa điểm khác nhau trên một hệ thống mạng lưới kết nối. Các khả năng theo xu hướng (trending capability) cho phép một kỹ thuật viên hay kỹ sư chẩn đoán để khắc phục sự cố hệ thống và kiểm soát vấn đề. Chúng cũng cho phép dữ liệu được hiển thị trong định dạng khác nhau. Những dữ liệu này cũng có thể được lưu trữ và phân tích các xu hướng trong hiệu suất thiết bị theo thời gian.

Thời gian hoạt động các thiết bị khác nhau có thể được theo dõi và phát đi các báo động/thông điệp khi có một sự chuyển đổi sớm/trể pha xảy ra hoặc nếu nó là thời gian để tiến hành bảo dưỡng định kỳ.

Khả năng truy cập/trao đổi thông tin off-site (xảy ra bên ngoài nơi làm việc) cho phép chủ sở hữu/người vận hành truy cập vào hệ thống của họ từ xa. Nhiều bộ phận cũng có thể tham gia vào xử lý sự cố một vấn đề. Các nhà cung cấp hệ thống điều khiển, kỹ sư thiết kế và đơn vị ủy thác có thể sử dụng các tính năng này để chẩn đoán hiệu quả hơn và hình dung vấn đề.

Hiệu quả sử dụng năng lượng được tăng cao

Có rất nhiều chiến lược điều khiển tiết kiệm năng lượng sử dụng trong logic điều chỉnh nhờ khí nén có thể dễ dàng được sao chép lại trong logic DDC. Do việc bổ sung nhiều chức năng toán học phức tạp (dễ dàng đạt được trong phần mềm), có nhiều chương trình sử dụng hiệu quả năng lượng bổ sung có thể được sử dụng với DDC.

Các chiến lược như giám sát và hạn chế nhu cầu có thể được thực hiện dễ dàng hơn với các hệ thống DDC. Nhu cầu tổng thể cho một cơ sở có thể được theo dõi và kiểm soát bằng cách đặt lại điểm đặt của các hệ thống khác nhau dựa trên mức nhu cầu khác nhau. Nếu một hệ thống DDC được cài đặt ở cấp độ khu vực, điều này có thể được thực hiện bằng cách giảm nhu cầu làm mát trên cơ sở khu vực theo vùng.

Bằng việc lưu trữ các xu hướng, mô hình tiêu thụ năng lượng có thể được theo dõi. Thiết bị cũng có thể được tập trung lên kế hoạch bật hoặc tắt trong các ứng dụng mà lịch trình thường xuyên thay đổi.

Vui lòng xem thêm bài “Giới thiệu hệ thống điều khiển số trực tiếp DDC”