Đồ án Hệ thống giám sát nhiệt độ các phòng thí nghiệm của Khoa điện – điện tử

ng công suất, hãng chế tạo có thể nối song song, nối tiếp nhiều cụm (module) với nhau. Một số thiết bị trong hệ thống lạnh: Máy nén lạnh: Trong hệ thống lạnh dùng máy nén hơi, máy nén hơi là bộ phận quan trọng nhất và được ví như con tim của hệ thống lạnh. Máy nén hơi nằm giữa bộ bốc hơi và bộ ngưng tụ nhằm mục đích nén môi chất từ áp suất thấp (nhiệt độ thấp) lên áp suất cao (nhiệt độ cao) duy trì sự tuần hòan của môi chất để lấy nhiệt của sản phẩm (bộ bốc hơi) và thải nhiệt ra môi trường làm mát (bộ ngưng tụ). Máy nén gồm nhiều bộ phận di chuyển, độ tin cậy và chất lựợng của hệ thống lạnh phụ thuộc rất nhiều vào máy nén. Trong kĩ thuật lạnh, người ta sử dụng hầu hết các kiểu, lọai máy nén. Sau đây là một số lọai máy nén trong thực tế. Phân lọai máy nén theo hình dáng gồm có: Máy nén hở Máy nén nửa kín Máy nén kín Phân lọai theo nguyên lý làm việc gồm có: Máy nén píttông thẳng (reciprocating compressor) Máy nén rôto (roto compressor) Máy nén trục vít (screw compressor) Thiết bị trao đổi nhiệt: Dựa theo chức năng, thiết bị trao đổi nhiệt được chia ra làm hai lọai: Thiết bị chính là thiết bị bắt buộc phải có trong hệ thống lạnh. Đó là thiết bị ngưng tụ (dàn nóng) và thiết bị bốc hơi (dàn lạnh). Thiết bị phụ là các thiết bị trao đổi nhiệt còn lại trong hệ thống lạnh. Mặc dù giúp tăng them độ tin cậy, giảm tiêu hao năng lượng nhưng các thiết bị này không phải là bắt buộc cho nên gọi là thiết bị phụ (bình hồi nhiệt, quá lạnh) Các thiết bị truyền nhiệt giữ vai trò quyết định đối với chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật của hệ thống lạnh. Riêng thiết bị ngưng tụ và thiết bị bốc hơi thường chiếm đến 2/3 trọng lượng và 1/2 giá thành của cụm máy. Sự làm việc của các thiết bị ngưng tụ và bốc hơi ảnh hưởng rất lớn đến năng lượng tiêu hao. Các nghiên cứu cho thấy nếu nhiệt độ bốc hơi giảm 1°C thì năng lượng tổn hao tăng them 3 ÷ 4% và năng suất lạnh giảm 4 ÷ 5%. Vì vậy, tăng cường khả năng trao đổi nhiệt và giữ sạch bề mặt trao đổi có ý nghĩa quan trọng khi vận hành hệ thống lạnh. Thiết bị ngưng tụ (condenser): Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để biến hơi môi chất lạnh có áp suất cao, nhiệt độ cao sau quá trình nén thành môi chất lỏng do quá trình ngưng tụ. Đôi khi môi chất còn được quá lạnh một phần trong thiết bị ngưng tụ. Các phương pháp giải nhiệt thường gặp nhất trong thiết bị ngưng tụ là: Giải nhiệt bằng nước Giải nhiệt bằng nước kết hợp với không khí Giải nhiệt bằng không khí Giải nhiệt bằng môi chất bốc hơi (chu trình Cascade) Thiết bị bốc hơi (Evaporator): Đây là thiết bị trao đổi nhiệt dùng để nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh bằng quá trình bốc hơi của môi chất. Quá trình sôi xảy ra ở áp suất và nhiệt đô tương ứng, nhiệt lượng lấy ra từ sản phẩm là do sự bốc hơi của môi chất. Thiết bị bốc hơi có thể phân làm nhiều lọai: Theo môi trường cần làm lạnh: làm lạnh không khí (tự nhiên và cưỡng bức), làm lạnh chất tải lạnh lỏng (nước, dung dịch muối, dung dịch Glycol), làm lạnh trực tiếp (tiếp xúc). Theo độ chóan chỗ của môi chất lỏng trong thiết bị bốc hơi: kiểu ngập (môi chất lỏng bao phủ bề mặt trao đổi nhiệt) và kiểu không ngập (phần cuối của bề mặt trao đổi nhiệt dùng làm quá nhiệt môi chất). Phần lớn các thiết bị bốc hơi có kết cấu gần giống với thiết bị ngưng tụ. Thiết bị tiết lưu: Áp suất bộ bốc hơi thấp ứng với nhiệt độ bốc hơi mong muốn. Áp suất môi chất lỏng ở bộ ngưng tụ lại cao ứng với nhiệt độ ngưng tụ. Muốn tạo được hai vùng áp suất trên, ta phải kiểm sóat, hạn chế lượng môi chất phun vào bộ bốc hơi. Tiết lưu là tiết chế sự di chuyển của môi chất để tạo hai vùng áp suất chênh lệch ứng với chế độ làm việc của hệ thống lạnh. Có sáu lọai chính để điều chỉnh, kiểm sóat dòng môi chất: Van điều áp bộ bốc hơi (AEV) Van tiết lưu nhiệt (TEV) Van tiết lưu điện tử (EXV) Van phao áp suất thấp (LSP) Van phao áp suất cao (HSP) Ống mao dẫn (Cap tube) Các thiết bị tiết lưu trên họat động dựa vào các phương pháp sau: Kiểm sóat dựa trên sự thay đổi áp suất Kiểm sóat dựa trên sự thay đổi nhiệt độ Kiểm sóat dựa trên sự thay đổi thể tích hay khối lượng môi chất Kết hợp giữa các phương pháp trên. Các thiết bị phụ trong hệ thống lạnh: Trong hệ thống lạnh nén hơi, bao giờ cũng phải có máy nén, bộ ngưng tụ, tiết lưu và bộ bốc hơi. Bốn thiết bị này là thiết bị chính. Ngoài bốn thiết bị trên, tùy theo môi chất, theo ứng dụng, độ tin cậy, độ an tòan, sự thuận tiện trong vận hành và sửa chữa hệ thống lạnh còn có nhiều thiết bị khác như máy nén, bình tách dầu, bộ ngưng tụ, phin lọc Những thiết bị này gọi là thiết bị phụ vì chúng có thể có hoặc không. Sơ đồ khối hệ thống lạnh (hình 4): mô tả một số thiết bị phụ thường dùng, và vị trí của nó trong hệ thống lạnh (nếu có) Trong đó: 1 – Máy nén 2 – bình tách dầu 3 – Bộ ngưng tụ 4 – Bình chứa cao áp 5 – Phin lọc 6 – Kính lỏng 7 – Van điện từ 8 – Tiết lưu 9 – Bộ bốc hơi 10 – Bầu tách lỏng AB kẹp CD – bộ hồi nhiệt Một số thiết bị điện thường dùng trong hệ thống lạnh: Kỹ thuật điều khiển không thể thiếu trong các hệ thống lạnh. Thực tế cho thấy, hệ thống lạnh càng có nhiều thông số điều khiển thì làm việc càng tin cậy, chính xác. Lịch sử điều khiển học phát triển những bước rất dài từ tự động kiểu cơ khí chuyển sang cơ – điện và ngày nay, cơ – điện tử đã tạo nên những bước nhảy vọt trong lĩnh vực điều khiển. Tự động hóa kiểu cơ - điện có ưu thế là đơn giản, dễ sửa chữa và làm việc tin cậy. Vì vậy, tự động kiểu cơ điện vẫn được sử dụng khá phổ biến trong các máy lạnh. Thiết bị cơ bản của phương pháp điều khiển này là các rơle (relay), rơle nhận tín hiệu trực tiếp từ thiết bị lạnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành. Sau đây là một số các thiết bị thường dùng trong hệ thống lạnh: Áptômát (Circuit breaker): Áptômát là thiết bị điện dùng để tự động đóng ngắt điện khi xảy ra sự cố như quá tải, ngắn mạch, chạm đất, sụt áp, công suất ngược Các thông số cần lưu ý của Áptômát là: Chế độ làm việc của Áptômát phải là chế độ dài hạ, mặt khác tiếp điểm của áptômát phải chịu được dòng điện lớn (dòng ngắn mạch). Áptômát phải ngắt được dòng ngắn mạch quy định, thông số biểu thị là khả năng cắt (breaking capacity) thường tính bằng kA (kiloamperes) Điện áp định mức: là điện áp tối đa cho phép sử dụng của tiếp điểm chính. Vậy điện áp sử dụng nhỏ hơn hoặc bằng điện áp định mức của áptômát Cũng cần lưu ý, núm gạt của Áptômát thường có ba vị trí, ngòai vị trí đóng - cắt (ON-OFF), còn có vị trí bảo vệ (TRIP) để báo áptômát đang tác động bảo vệ. Từ vị trí này, nếu muốn đóng (ON) thì phải Reset bằng cách kéo núm gạt về vị trí (OFF) để cài lại móc bảo vệ trong Áptômát. Áptômát cỡ nhỏ (miniature circuit breaker, MCB): Đây là áptômát dùng bảo vệ ngắn mạch hoặc ngắn mạch và quá tải, thường có dòng điện định mức nhỏ hơn 100A, có khả năng cắt bé ( < 9kA) nên dùng để bảo vệ mạch cuối, mạng điện gia đình, Áptômát vỏ đúc (moulded case circuit breaker, MCCB): Về kết cấu, áptômát vỏ đúc cũng giống MCB nhưng khả năng cắt lớn . MCCB được chế tạo với dòng điện định mức có thể lên đến 3000A ngòai móc bảo vệ ngắn mạch và quá tải, áptômát vỏ đúc còn có thể thêm các móc bảo vệ khác như bảo vệ sụt áp, các tiếp điểm phụ MCCB thường được sử dụng để bảo vệ đầu nguồn vì khả năng cắt lớn. Ưu điểm về sử dụng Áptômát là làm việc tin cậy và không cần phải bảo trì thường xuyên. Áptômát bảo vệ dòng điện rò (earth leakage circuit breaker, ELCB): ELCB được sử dụng để bảo vệ người sử dụng và thiết bị trong trường hợp thiết bị bị rò rỉ điện (cách điện với vỏ máy không tốt). Chúng ta cũng gặp cụm phát hiện dòng điện rò (residual current device, RCD) đi kèm với MCB, MCCB để thêm chức năng bảo vệ dòng rò. Khi sử dụng ELCB cần phân biệt dòng rò tự nhiên và dòng rò sự cố: không nên sử dụng một ELCB cho nhiều phụ tải cùng lúc. Ngưỡng bảo vệ dòng rò thường gặp 20, 30, 50, 100, 300, 500mA. Trong hệ thống lạnh, nên sử dụng ELCB cho các thiết bị trong các môi trường ẩm ướt, dễ rò điện như bơm nước, điện trở sưởi cửa phòng trữ đông Côngtắctơ và khởi động từ: Côngtắctơ (contactor): Là thiết bị điện dùng để đóng cắt tự động hoặc bằng nút nhấn các mạch điện động lực. Các thông số cần lưu ý của côngtắctơ: Điện áp định mức: là điện áp tối đa cho phép sử dụng đối với hệ thống tiếp điểm chính. Như vậy điện áp sử dụng nhỏ hơn hoặc bằng điện áp định mức của côngtắctơ. Tần số thao tác: là số lần đóng cắt tối đa của côngtắctơ trong một giờ. Dòng điện định mức: thay đổi tùy theo phụ tải sử dụng. Khi chọn côngtắctơ cần phải lưu ý đến đặc tính của phụ tải. Công tắctơ xoay chiều thường được ký hiệu là AC đến AC và côngtắctơ một chiều được kí hiệu từ DCđến DC. Khởi động từ: Để bảo vệ quá tải cho phụ tải (nhất là động cơ), người ta lắp kèm với côngtắctơ bộ rơle nhiệt. Tổ hợp côngtắctơ và rơle nhiệt được gọi là khởi động từ. Đối với khởi động từ xoay chiều ba pha, rơle nhiệt có thể lắp trên hai hoặc ba pha. Các thiết bị điện đặc biệt cho hệ thống lạnh: Để phục vụ cho các yêu cầu điều khiển và bảo vệ hệ thống lạnh, ngòai các thiết bị thường gặp như áptômát, côngtắctơ, rơle trung gian Hệ thống lạnh còn sử dụng nhiều rơle ”chuyên dùng”. Rơle bảo vệ áp suất cao (high pressure switch, HPS): Rơle này sẽ cắt máy nén tự động khi áp suất đầu đẩy máy nén tăng cao. Áp suất đẩy cao có thể do: thiếu nước giải nhiệt, bộ ngưng tụ dơ, khí không ngưng Rơle áp suất thấp (low pressure switch, LPS): Rơle này dùng để điều khiển hoặc bảo vệ khi áp suất hút của máy nén thấp. Thông thường Rơle áp suất thấp không có nút Reset và được dùng vào các mục đích: Bảo vệ máy nén: khi hệ thống rò rỉ môi chất, nghẹt bộ lọc, tuyết bám đầy ở dàn bốc hơi làm áp suất hút xuống thấp. Giảm tải máy nén: áp suất hút xuống thấp báo hiệu nhiệt độ cần làm lạnh đã xuống thấp. Lúc này, rơle cấp tín hiệu để giảm tải máy nén. Rơle nhiệt: Rơle nhiệt được sử dụng rộng rãi trong hệ thống lạnh. Rơle này gồm hai lọai chính: Rơle nhiệt bảo vệ quá tải. Bảo vệ quá nhiệt các bộ phận. Trong hệ thống lạnh, các bộ phận được bảo vệ quá nhiệt độ bao gồm: Quá nhiệt độ đầu nén: rơle nhiệt kẹp sát ống đẩy để cảm nhận nhiệt độ cuối tầm nén. Quá nhiệt độ cuộn dây động cơ quạt, máy nénĐối với động cơ công suất nhỏ, rơle nhiệt đặt trong cuộn dây có thể thay thế rơle nhiệt bảo vệ quá tải. Quá nhiệt độ dầu trong cácte Quá nhiệt độ bốc hơi (trong chu trình xả đá) Nguyên lý làm việc của bảo vệ quá nhiệt độ như sau: Trong ống thép hoặc thủy tinh kín có chứa tiếp điểm tác động bởi thanh lưỡng kim. Khi nhiệt độ tăng, thanh lưỡng kim cong để mở tiếp điểm và khi nhiệt độ thấp, tiếp điểm tự đóng lại. Đối với cuộn dây động cơ máy nén, tiếp điểm mở khi nhiệt độ tăng đến 93°C (200°F) và tự đóng lại ở 66°C (150°F). Cần lưu ý, đối với máy nén kín, cuộn dây động cơ vẫn có thể quá nhiệt độ dù không phải quá tải, do đó lọai rơle này đặt trong cuộn dây bảo vệ động cơ máy nén rất tốt. Công tắc phao (float switch) Rơle thời gian xả tuyết(defrost timer): Đối với hệ thống lạnh dùng bộ bốc hơi để làm lạnh không khí, khi nhiệt độ bốc hơi dưới 0°C thì tuyết bám trên bề mặt truyền nhiệt làm giảm hiệu quả truyền nhiệt và cản trở không khí. Do đó, những hệ thống lạnh này thường được trang bị hệ thống xả tuyết tự động, làm việc định kỳ theo thời gian định trước. Về kết cấu, đây là rơle chuyên dùng bao gồm hai chức năng chính: - Xác định thời điểm xả tuyết: thường dùng rơle thời gian “kiểu động cơ đồng bộ” hoặc rơle thời gian liểu điện từ. Thời điểm có thể điểu chỉnh từ 1 ÷ 24 giờ/lần. - Xác định thời gian xả tuyết: điều chỉnh thời gian từ lúc bắt đầu đến lúc kết thúc chu trình xả tuyết cho phù hợp. Thường thời gian này có thể điều chỉnh từ 0 ÷ 60 phút. Bộ điều chỉnh nhiệt độ (thermostat): Các nhiệt kế có trang bị tiếp điểm hoặc cơ cấu lấy tín hiệu điện thì chúng ta có thể sử dụng tiếp điểm đó để điều khiển nhiệt độ của đối tượng như mong muốn. Lúc bấy giờ nhiệt kế trở thành bộ điều chỉnh nhiệt độ. Hiện nay, bộ điều chỉnh nhiệt độ có thể được chế tạo với nhiều cấp điều khiển khác nhau như giảm tải, tắt máy Rơle bảo vệ ngược pha (reverse phase relay): Một số máy nén chỉ cho phép quay theo một chiều nhất định (máy nén xoắn ốc, xoay tròn, trục vít, ly tâm). Trường hợp này, nếu lắp không đúng thứ tự pha thì sẽ gây hư hỏng khi máy chạy. Vì vậy, nhà sản xuất lắp sẵn rơle bảo vệ ngược pha trong mạch điều khiển máy nén (phù hợp với dây đấu vào động cơ). Nếu lắp nguồn sai thứ tự quy định thì mạch điều khiển không làm việc. Phải đặc biệt cẩn thận khi mở các đầu dây vào động cơ, vào rơle này (đánh dấu) để lắp vào cho đúng. Rơle dòng nước (flow switch): Được dùng để kiểm tra lưu lượng nước hoặc chất tải lạnh lỏng. Trong nhiều trường hợp, dù động cơ bơm vẫn làm việc nhưng lưu chất không di chuyển. (Ví dụ: van đóng, nghẹt ống, hư cánh bơm) sẽ gây nguy hiểm cho hệ thống lạnh. Để tránh tình trạng trên, người ta dùng rơle dòng nước như là điều kiện cần để khởi động máy nén. Nguyên lý làm việc của rơle này là khi lưu chất di chuyển làm nâng miếng kim lọai chắn dòng, miếng kim lọai này sẽ điều khiển tiếp điểm. Trong trường hợp nhiều máy lạnh dùng chung một tháp nhiệt thì rơle dòng nước được dùng làm “rơle điều kiện” để chạy cụm máy tương ứng. Đối với hệ thống nhỏ, rơle dòng nuớc có thể được thay bằng rơle áp suất. Nguyên tắc đảm bảo nhiệt độ: Để đảm bảo nhiệt độ trong hệ thống làm lạnh thông qua bộ điều chỉnh nhiệt độ (thermostat) có các dạng điều khiển thường gặp: Đóng cắt máy nén: cắt máy nén khi nhiệt độ đạt giá trị định trước và tự động khởi động lại khi nhiệt độ tăng. Phương pháp này dùng cho máy lạnh cỡ nhỏ như tủ lạnh, máy điều hòa không khí cửa sổ (window type), điều hòa không khí hai phần tử Đóng cắt tuần tự số máy nén: nếu cụm máy lạnh được trang bị nhiều máy nén thì ổn định nhiệt độ bằng cách cắt, đóng tuần tự số máy nén bằng thermostat nhiều cần tiếp điểm. Giảm tải máy nén: trong trường hợp máy nén công suất lớn, ổn định nhiệt độ bằng cách giảm tải (máy nén vẫn chạy) phương pháp giảm tải tùy theo lọai máy nén giảm số píttông làm việc đối với máy nén trục vít, thay đổi độ mở của van hút đối với máy nén tuabin Một số dạng máy lạnh dùng trong việc điều hòa không khí: Việt Nam là xứ nhiệt đới, ngoài nhiệm vụ phục vụ cho các quy trình công nghệ, điều tiết không khí còn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo môi trường thỏai mái cho con người. Nhiều người lầm tưởng rằng điều hòa không khí là tạo ra nhiệt độ thích hợp mà không chú ý đến các thông số khác. Thật ra, điều hòa không khí là tạo ra và duy trì môi trường không khí phù hợp với quy trình công nghệ sản xuất, chế biến hoặc sự thỏai mái của con người. Như vậy, chúng ta có thể phân biệt điều hòa không khí công nghệ và điều hòa không khí tiện nghi. Các đại lượng cần lưu ý trong điều hòa không khí: Nhiệt độ Độ ẩm Tuần hòan của không khí và không khí tươi (fresh air) Lọc bụi, vi khuẩn và các chất độc hại có trong không khí. Độ ồn Trường tĩnh điện Tùy theo mục đích của điều hòa không khí, tính chất của từng thông số trên được chú ý với các mức độ khác nhau. Máy điều hòa không khí kiểu cửa sổ (window type): Thường được gọi là máy lạnh một cục, được sử dụng cho các không gian nhỏ, yêu cầu kĩ thuật không cao. Về cấu tạo, máy có dạng khối chữ nhật với đầy đủ các bộ phận. Do đó, khi lắp đặt chỉ cần tạo lỗ chữ nhật trên tường và lắp vào. Nói chung lọai máy này có ưu điểm là rẻ tiền, dễ lắp đặt có cửa lấy gió tươi. Tuy nhiên máy còn nhiều nhược điểm. Vì dàn ngưng tụ và bốc hơi nằm gần nhau nên việc chọn chỗ phải thích hợp cả bên trong lẫn bên ngòai phòng (khó chọn chỗ thích hợp). Máy nén sẽ tăng độ ồn trong phòng sau một thời gian sử dụng. Tính mỹ quan kém, nhất là khi phải lắp nhiều máy cho khỏang không gian lớn. Máy điều hòa không khí hai mảng (slit type): Do nhược điểm của lọai cửa sổ là khó chọn chỗ lắp đặt, độ ồn lớn nên người ta chế tạo ra lọai máy điều hòa không khí hai mảng. Máy được cấu tạo thành hai mảng riêng biệt: Cụm lắp bên trong phòng (fan coil unit, indoor unit) gồm dàn bốc hơi và quạt. Cụm lắp bên ngòai phòng (outdoor unit) bao gồm máy nén, dàn ngưng và cả tiết lưu. Vì máy được chế tạo hai mảng riêng biệt nên có những ưu điểm sau: Chọn vị trí lắp đặt máy hai mảng dễ dàng hơn, có thể sử dụng ở địa hình phức tạp. Tuy nhiên cần lưu ý không nên lắp hai mảng với khỏang cách xa và chênh lệch độ cao quá quy định của nhà chế tạo. Độ ồn trong không gian điều hòa giảm thấp vì máy nén và máy tiết lưu nằm bên ngòai. Cũng cần lưu ý là nên cách nhiệt riêng biệt hai ống nối từ cụm bên ngòai vào cụm bên trong. Tính thẩm mỹ khá tốt do có thể chọn vị trí dễ dàng hơn máy cửa sổ. Với những ưu điểm như trên, máy điều hòa không khí hai mảng thường được sử dụng cho các công trình nhỏ. Tuy nhiên, máy cũng có các nhược điểm sau: Giá thành đắt (khỏang 1,5 lần so với máy cửa sổ cùng công suất). Cần thợ chuên môn để lắp đặt. Lưu ý: khi lắp đặt máy hai mảng là đã chạm đến đường ống dẫn môi chất. Do đó, nếu không cẩn thận sẽ dễ để “khí không ngưng” vào hệ thống hoặc xì môi chất. Lúc này máy làm việc kém hiệu quả và giảm tuổi thọ. Máy hai mảng không có bộ phận lấy gió tươi (fresh air). Do đó, đối với không gian có mật độ người nhiều thì cần phải tạo các khe hở thích hợp hoặc lắp thêm quạt gío để đưa không khí từ bên ngòai vào không gian điều hòa (thông gió). Ngày nay, người ta đã chế tạo nhiều cụm indoor kết hợp với một cụm outdoor (multi system) để vẻ mỹ quan bên ngòai được tốt hơn. Để đảm bảo vẻ mỹ quan bên trong phòng, cụm indoor được chế tạo dưới nhiều dạng: lắp trên nền (floor mounted), lắp trên tường (wall mounted), treo trên trần (ceiling suspended), dấu trong trần (ceiling mounted casstte). Máy điều hòa không khí kiểu cụm (packaged unit): Trong trường hợp không gian điều hòa lớn, ta có thể sử dụng máy điều hòa không khí kiểu cụm để không khí trong không gian được đều hơn. Về nguyên lý làm việc, máy này cũng giống máy cửa sổ hoặc máy hai mảng. Máy cụm giải nhiệt bằng nước được chế tạo nguyên cụm, tòan bộ thiết bị lạnh nằm trong “cụm”. Như vậy, việc lắp đặt máy rất dễ dàng. Khi lắp đặt chúng ta cần lắp đặt hệ thống giải nhiệt (ống nước nối với bơm và tháp giải nhiệt). Máy cụm giải nhiệt bằng không khí được chế tạo thành hai cụm rời nhau (giống máy hai mảng). Ưu nhược điểm của hai dạng này cũng giống như máy điều hòa không khí cửa sổ và hai mảng. Khi không gian điều hòa không quá rộng, ta có thể dùng máy cụm lọai thổi gió trực tiếp vào không gian điều hòa hoặc dùng đọan ống dẫn không khí ngắn. Nếu khảong không gian điều hòa rộng, thổi gió trực tiếp sẽ gây độ ồn lớn và không khí trong không gian điều hòa sẽ không đều. Lúc này, cần phải dùng ống dẫn không khí kết hợp với các miệng gió để phân bố không khí trong không gian điều hòa được tốt hơn. Máy điều hòa không khí kiểu cụm gặp nhiều khó khăn trong các trường hợp sau: Khi cần điều hòa không khí nhiều không gian làm việc không đồng thời. Khi có nhiều không gian điều hòa cách xa nhau hoặc ở quá xa cụm máy. Trong trường hợp này, chúng ta có thể sử dụng các phương án: máy làm lạnh nước (water chiller), hệ thống lạnh thay đổi lưu lượng môi chất (variable refrigerant volume system, VRV system) hoặc các phương án khác. Điều hòa không khí dùng máy làm lạnh nước: Nhược điểm của không khí là nhiệt dung riêng nhỏ, do kích thước ống dẫn khí lớn. Như vậy, khi ống dẫn không khí quá dài sẽ dẫn đến tăng gía thành của công trình. Hơn nữa, ống dẫn khí chiếm nhiều không gian trên trần làm giảm chiều cao sử dụng. Vì vậy có thể thay chất tải lạnh không khí bằng chất tải lạnh là nước thì dễ thi công, ít chiếm mặt bằng. Hơn nữa hệ thống này cho phép bố trí các không gian điều hòa làm việc không đồng thời. Ngày nay, với sự phát triển của kĩ thuật điều khiển, nhiều sơ đồ hệ thống kết hợp với kỹ thuật điều khiển cho phép tăng tiện nghi, giảm năng lượng sử dụng. Hệ thống làm lạnh nước còn được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp (công nghiệp nhựa, hóa chất, thực phẩm) Khi muốn hạ nhiệt độ chất tải lạnh lỏng dưới 5°C, người tat hay nước bằng dung dịch đông đặc ở nhiệt độ thấp. Chất tải lạnh thường dùng là dung dịch etylen glycol (EG). Hệ thống lạnh thay đổi lưu lượng môi chất: (Variable refrigerant volume system, VRV system) Hệ thống điều hòa không khí dùng máy làm lạnh nước cũng còn nhược điểm là tiêu thụ nhiều năng lượng (do làm lạnh gián tiếp). Vào thập niên 1990, hãng DAIKIN ứng dụng kĩ thuật mới, công nghệ cao để phát triển lọai máy điều hòa không khí dùng cho các tòa nhà với phương châm tiết kiệm năng lượng. Hệ thống VRV có những đặc điểm sau: Cụm máy nén và dàn ngưng có thể đặt trên sân thượng. Chiều dài làm việc của đường ống môi chất đến 100m. Với kĩ thuật hồi dầu mới, cụm máy nén, dàn ngưng có thể đặt cao hơn các bộ bốc hơi đến 50m. Năng suất lạnh của cụm máy được điều chỉnh vô cấp bằng kĩ thuật thay đổi tần số (biến tần). Với hệ thống điều khiển thông minh, hệ thống VRV giúp tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, hiện giá máy còn khá đắt. Việc lắp đặt máy phải hết sức cẩn thận, các mối nối ống dẫn môi chất phải thật chắc chắn vì nếu bị rò rỉ môi chất thì ảnh hưởng đến tòan hệ thống. Tổ chức quản lí hệ thống làm lạnh : Do có nhiều yếu tố khác nhau, ảnh hưởng đến việc triển khai sử dụng các hệ thống lạnh như vấn đề cơ sở hạ tầng, vấn đề kinh phí lẫn kĩ thuật nên cũng có nhiều mô hình ứng dụng các hệ thống lạnh khác nhau. Cũng vì thế mà cũng phát sinh những mô hình tổ chức quản lí các hệ thống lạnh khác nhau. Dựa theo hình thức tổ chức có thể chia ra làm 2 lọai: Phân tán : Mô hình phân tán có thể hiểu như việc ứng dụng các hệ thống lạnh riêng biệt với quy mô nhỏ cho từng khu vực riêng. Trong mô hình này, các hệ thống lạnh với các chỉ tiêu như công suất nhỏ, chi phí lắp đặt thấp Người sử dụng từng khu vực chịu trách nhiệm quản lí và giám sát thiết bị mà họ sử dụng. Tập trung : Trong mô hình tập trung, có thể ứng dụng 1 hệ thống lạnh với kết cấu lớn để sử dụng cho tòan bộ công trình hoặc cũng sử dụng từng hệ thống lạnh cho mỗi khu vực riêng nhưng việc tổ chức quản lí được tập trung lại tại một trung tâm giám sát chung. Trong mô hình này, các thiết bị lạnh được giám sát và điều khiển trực tiếp từ một bộ điều khiển chung tại trung tâm. Những ưu khuyết điểm: Với việc ứng dụng từng mô hình khác nhau mà tùy từng mô hình có những ưu và nhược điểm khác nhau. Cụ thể: Ưu điểm: Mô hình phân tán: Việc áp dụng mô hình phân tán có những ưu điểm: Người sử dụng trực tiếp là người giám sát và quản lí hệ thống lạnh nên công tác quản lí trở nên linh động. Người sử dụng có thể trực tiếp điều khiển thiết bị làm lạnh để phù hợp với nhu cầu thích ứng của mình. Chỉ khu vực nào có người thì khu vực đó mới sử dụng đến hệ thống lạnh và do đó giúp tiết kiệm về các khỏan cho tổ chức. Mô hình tập trung: Đối với mô hình tập trung, ưu điểm lớn nhất trong mô hình này là việc duy trì nhiệt độ trong tòan bộ công trình luôn được đảm bảo tại mọi khu vực. Ngòai ra, việc quản lí được tập trung nên việc phát hiện các sự cố xảy ra đối với hệ thống được giám sát và kịp thời xử lí một cách triệt để. Khuyết điểm: Mô hình phân tán: Việc áp dụng mô hình này nảy sinh những vấn đề như sau: Ảnh hưởng giữa các khu vực kế cận có độ chênh lệch nhiệt độ cao nên buộc thiết bị làm lạnh họat động liên tục để duy trì sự ổn định của nhiệt độ tại từng khu vực mà nó họat động. Áp dụng phương thức tự quản trong mô hình này làm cho việc sử dụng thiết bị đôi khi không đáp ứng được các chỉ tiêu về đảm bảo nhiệt độ do các yếu tố chủ quan như: nhiệt độ yêu cầu không phù hợp với khả năng thích ứng của từng thành viên nên người sử dụng hệ thống thay đổi nhiệt độ theo cảm giác Vì việc thay đổi nhiệt độ tùy theo người sử dụng nên không tránh khỏi việc hệ thống lạnh phải tiêu tốn nhiều điện năng cho việc đáp ứng kịp thời với nhu cầu của người sử dụng. Mô hình tập trung: Khuyết điểm của mô hình tập trung là: Việc không thỏa mãn nhu cầu của từng cá thể trong tổ chức vì khả năng thích ứng của từng cá thể khác nhau. Phải có một bộ phận nhân viên thực hiện nhiệm vụ giám sát hệ thống nên lãng phí về nhân lực. Đồng thời, việc phải giám sát một hệ thống với số lượng thiết bị làm lạnh tương đối cao trở nên khó khăn trong trường hợp tòan bộ kiến trúc không sử dụng một hệ thống làm lạnh duy nhất. Phải xây dựng thêm một mạng lưới các thiết bị giám sát để đưa dữ liệu về trung tâm xử lí. Chương II : Xây dựng Trung tâm quản lí nhiệt độ các phòng thí nghiệm của Khoa điện – điện tử Yêu cầu công tác quản lí: Vấn đề đầu tiên khi xây dựng mô hình trung tâm là yêu cầu phải có một bộ phận nhân viên của khoa chuyên trách thực hiện việc giám sát tòan bộ hệ thống lạnh mà trung tâm quản lí. Việc giám sát của trung tâm phải luôn luôn được thực hiện trước tiên trước khi các bộ phận nhân viên của khoa có thể sử dụng hệ thống làm lạnh tại từng khu vực riêng và kết thúc nhiệm vụ khi các nhân viên ở từng khu vực kết thúc công việc của mình. Khâu tổ chức bảo đảm nhiệt độ các phòng thí nghiệm : Trước khi sử dụng hệ thống lạnh, các bộ phận nhân viên tại những khu vực kế cận phải thực hiện việc thống nhất nhiệt độ sử dụng tại các khu vực đó. Trung tâm phải thực hiện nhiệm vụ điều khiển trực tiếp các thiết bị làm lạnh tránh sự can thiệp của nhân viên vào thiết bị, để có thể duy trì nhiệt độ tại các khu vực thí nghiệm một cách đảm bảo với đáp ứng về nhiệt độ của người sử dụng lẫn các thiết bị thí nghiệm vốn nhạy cảm về vấn đề nhiệt độ. Các chỉ tiêu kĩ thuật của trung tâm phải luôn được đảm bảo để duy trì họat động của trung tâm sao cho đáp ứng được các chỉ tiêu về tần suất họat động, độ chính xác trong quá trình trung tâm thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin từ các thiết bị lạnh cũng như việc điều khiển thiết bị lạnh Ưu khuyết điểm: Với mô hình Trung tâm giám sát nhiệt độ các phòng thí nghiệm của khoa điện – điện tử nảy sinh những những vấn đề, trong đó có cả những ưu lẫn khuyết điểm: Ưu điểm: Việc áp dụng mô hình sẽ thực hiện được chỉ tiêu về đảm bảo nhiệt độ cho hệ thống các phòng thí nghiệm của khoa nơi mà các thiết bị thí nghiệm đòi hỏi nhiệt độ môi trường phải đảm bảo cho sự họat động chính xác và lâu dài của nó. Nhân viên giám sát của trung tâm có thể theo dõi và kịp thời đưa ra các phương án xử lí khi thiết bị làm lạnh nào đó bị sự cố. Trung tâm có thể giám sát việc sử dụng hệ thống lạnh, các chỉ tiêu về đảm bảo nhiệt độ các phòng thí nghiệm của khoa cũng như các vấn đề nảy sinh khác trong suốt quá trình từ khi trung tâm được đưa vào sử dụng cho đến khi kết thúc nhiệm vụ của nó. Khuyết điểm: Trung tâm giám sát nhiệt độ các phòng thí nghiệm của khoa điện – điện tử chắc chắn sẽ có những khuyết điểm mà mô hình tập trung ở trên gặp phải. Phương án khắc phục: Để khắc phục những khuyết điểm mà trung tâm gặp phải thì phải thực hiện một số biện pháp nhằm phần nào hạn chế những khuyết điểm đó như sau: Để tránh vấn đề hao phí về nhân lực thì phải xây dựng khâu tự động tòan bộ quá trình giám sát và điều khiển của trung tâm. Trung tâm phải thực hiện lưu trữ lại tòan bộ những thông tin thu thập được trong suốt quá trình vận hành trung tâm. Phải thực hiện điều phối nhiệt độ phù hợp với nhu cầu của người sử dụng lẫn đáp ứng cho các thiết bị thí nghiệm. Chương III : Thiết kế Trung tâm quản lí nhiệt độ các phòng thí nghiệm khoa Điện – điện tử Tổng quan thiết kế hệ thống: Phương án thiết kế: Dựa trên những phân tích ở trên thì việc áp dụng mô hình trung tâm Quản lí nhiệt độ các phòng thí nghiệm của khoa Điện – điện tử có thể thực hiện như sau: Các thiết bị điều hoà nhiệt độ tại các phòng thí nghiệm của khoa được giám sát và điều khiển trực tiếp từ thiết bị trung tâm được ưu tiên đặt tại Văn phòng khoa Điện – điện tử theo mô hình phân tán để phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện tại. Tại mỗi thiết bị làm lạnh được gắn một thiết bị giao tiếp thực hiện truyền thông với thiết bị trung tâm theo mô hình Chủ - tớ (Master - Slave). Nhiệm vụ chính của các thiết bị giao tiếp này là lấy mẫu nhiệt độ tại từng phòng một để gửi về trung tâm, đồng thời nhận thông điệp từ trung tâm và trực tiếp điều khiển các máy điều hoà nhiệt độ này. Việc truyền thông giữa các thiết bị giao tiếp và thiết bị tại trung tâm làm nảy sinh một số phương án như sau: Phương án thứ nhất: thực hiện xây dựng một mô hình mạng truyền thông mới giữa các thiết bị với nhau bằng môi trường hữu tuyến với cự li truyền thông tương đối như RS485 với cự li truyền thông tối đa lên tới 1200m. Phương án thứ hai: tận dụng các đường truyền thông hữu tuyến đã được xây dựng sẵn như mạng điện thoại hay mạng LAN nội bộ của trường đã được áp dụng tại khoa Điện – điện tử. Phương án thứ ba: việc truyền thông được thực hiện bằng môi trường vô tuyến giữa các thiết bị với nhau. Lựa chọn phương án: Với các phương án nêu trên thì mỗi phương án có những ưu khuyết điểm riêng như: Phương án thứ nhất có ưu điểm là mạng truyền thông giữa các thiết bị riêng biệt không bị các quá trình truyền thông khác xen vào. Nhược điểm của phương án này là việc phải xây dựng mới một một mạng truyền thông dùng dây với việc lắp đặt cho mạng khó khăn khi phải thực hiện đi dây từ phòng thí nghiệm này sang phòng thí nghiệm khác Phương án thứ hai có ưu điểm là tận dụng lại được cơ sở hạ tầng mà khoa đã được trường trang bị vì hầu như tại mỗi phòng thí nghiệm đều được trang bị máy điện thoại và đường cáp nối với mạng LAN của trường. Tuy nhiên phương án này cũng gặp phải khó khăn là việc truyền thông giám sát của trung tâm với các thiết bị giao tiếp bị các quá trình thông tin khác xen vào như: nếu dùng mạng điện thoại thì khi có người đang liên lạc thì trung tâm không thể truyền thông với các thiết bị được hoặc ngược lại khi trung tâm đang thực hiện truyền thông thì không thể dùng điện thoại để liên lạc được nữa. Nếu dùng mạng LAN thì đồng nghĩa với việc phải luôn luôn có một máy tính tại mỗi phòng thí nghiệm phải mở cho dù có thể cán bộ của khoa không có nhu cầu sử dụng chúng dẫn đến lãng phí Phương án thứ ba có ưu điểm là với vô tuyến thì việc đặt trung tâm tại bất kì vị trí nào cũng không gặp trở ngại, tuy nhiên phương án này lại gặp phải một trở ngại lớn là việc sử dụng các trang thiết bị vô tuyến đều phải đăng kí (tần số vô tuyến thuộc về sự quản lí của quốc gia), hơn nữa sử dụng truyền thông vô tuyến có thể bị can nhiễu bởi nhiều nguồn từ bên ngoài đòi hỏi thiết bị vô tuyến phải có kết cấu phức tạp, giá thành cao mới đáp ứng được. Dựa vào các phân tích nêu trên, phương án mà em lựa chọn đó là: Trung tâm Giám sát được đặt tại Văn phòng khoa Điện - điện tử và việc truyền thông của hệ thống sử dụng đường truyền hữu tuyến trên cơ sở mạng truyền thông RS-485 là tương đối khả thi do nó có những ưu điểm hơn hẳn những phương án khác (ít bị can nhiễu từ bên ngoài, việc truyền thông riêng biệt, giá thành lắp đặt lại rẻ) và việc khắc phục nhược điểm của nó lại dễ dàng đạt được. Sơ đồ của hệ thống giám sát nhiệt độ : Nguyên lý họat động của hệ thống giám sát nhiệt độ : Hệ thống giám sát nhiệt độ được thực hiện theo mô hình Chủ - tớ với nguyên lý họat động như sau: Tại mỗi máy điều hoà nhiệt độ được gắn một module giao tiếp (Slave Device), module này thực hiện nhiệm vụ lấy dữ liệu về nhiệt độ để gửi về trung tâm. Module cũng thực hiện việc nhận lệnh điều khiển từ trung tâm và dựa vào dữ liệu điều khiển này để thực hiện điều khiển thiết bị làm lạnh sao cho đảm bảo được nhiệt độ đã được quy định cho từng phòng thí nghiệm tại trung tâm. Thiết bị Master Device chính là máy tính đặt tại Văn phòng khoa. Phần mềm điều khiển trên máy tính tại trung tâm có khả năng giám sát tòan bộ những thiết bị điều hoà nhiệt độ mà nó quản lí thông qua việc truyền thông với các module xử lí trên. Từ trung tâm sẽ phát đi những tín hiệu điều khiển đến các Module và nhận về các dữ liệu thu thập được để hiện thị trên giao diện người sử dụng. Việc truyền thông giữa các module và trung tâm được thực hiện một cách liên tục để trung tâm có thể liên tục cập nhật được các thông tin về nhiệt độ tại từng khu vực và kịp thời đưa ra các tín hiệu điều khiển tới các module để các module thực hiện khống chế nhiệt độ một cách chính xác. Phần mềm thực hiện nhiệm vụ của trung tâm : Có thể nói phần mềm giám sát tại trung tâm đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với sự hoạt động của trung tâm bởi nó phải đảm nhiệm được mọi yêu cầu đối với quá trình tự động hóa quá trình giám sát của một trung tâm. Phần mềm này phải thực hiện được quá trình truyền thông với các module một cách liên tục và hiển thị được trạng thái kết nối của nó với từng Module một. Phần mềm phải thực hiện việc thu thập dữ liệu từ các module và hiển thị trên giao diện người sử dụng để nhân viên giám sát có thể nhận biết được quá trình giám sát, điều khiển như thế nào. Phần mềm phải thực hiện việc so sánh giữa giá trị về nhiệt độ thu thập được và giá trị đặt ra ban đầu để có thể phát hiện được sự thay đổi về nhiệt độ do các yếu tố tác động không mong muốn. Đồng thời, dựa vào quá trình so sánh đó, phần mềm phải kịp thời đưa ra tín hiệu điều khiển để các module có thể điều khiển thiết bị lạnh một cách chính xác sao cho duy trì được sự ổn định về nhiệt độ như mong muốn. Chương IV : Mô phỏng trung tâm giám sát nhiệt độ Do trung tâm được lựa chọn thiết kế theo mô hình Master – Slave và các Module Slave cùng thực hiện chức năng như nhau do đó phần thiết kế hệ thống được chia làm 2 phần chính: Thiết bị phía trung tâm: Sơ đồ khối: Sơ đồ chức năng: Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu từ PC gửi xuống qua cổng COM là chuẩn RS-232 phải được chuyển qua tín hiệu TTL nhờ IC-Max 232. Sau đó, tín hiệu TTL này lại được chuyển qua chuẩn RS-485 thông qua IC2 (Max485) và truyền lên bus 485 để thực hiện truyền thông với các Module Slave. Đồng thời tín hiệu từ các Module Slave gửi về trung tâm qua bus 485 được nhận bởi IC3 (Max 485), tín hiệu tại ngõ ra IC này là TTL và lại được IC-Max 232 chuyển thành chuẩn RS232 để gửi lên PC thông qua giao tiếp COM (RS 232). Phần mạch nguồn cung cấp nguồn nuôi cho các IC – Max 232 và Max 485. Module Slave: Sơ đồ khối: Nguyên lý hoạt động: Khối cảm biến nhiệt độ: thực hiện nhiệm vụ chuyển giá trị nhiệt độ thành tín hiệu điện đưa vào khối chuyển đổi ADC. Khối chuyển đổi ADC thực hiện quá trình chuyển tín hiệu điện từ Analog sang tín hiệu Digital thông qua sự điều khiển của MCU. Khối xử lí và điều khiển MCU có vai trò quan trọng, nó thực hiện đọc giá trị nhiệt độ được chuyển đổi sang Digital từ ADC và gửi về trung tâm. Đồng thời nó cũng nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm gửi tới để xử lí và điều khiển trực tiếp thiết bị làm lạnh. Khối giao tiếp RS-485 thực hiện biến đổi tín hiệu TTL từ MCU sang RS 485 để truyền lên BUS 485 và ngược lại để cho phép Module truyền thông với trung tâm. Khối đệm và giao tiếp thiết bị làm lạnh thực hiện chuyển tín hiệu điều khiển từ MCU (TTL) sang tín hiệu điện thích hợp để điều khiển thiết bị làm lạnh. Sơ đồ chức năng: Thiết kế Module Slave: Khối cảm biến nhiệt độ: Khối cảm biến nhiệt độ chỉ gồm IC đo nhiệt độ tích hợp LM35 có độ tuyến tính giữa nhiệt độ và điện áp tương đối cao với độ phân giải 0,5°C. Giá trị nhiệt độ và điện áp ngõ ra tương ứng theo bảng sau: Nhiệt độ (°C) Điện áp ngõ ra (mV) 0 0 1 10 10 100 100 1000 Khối chuyển đổi ADC: IC ADC 0804 thực hiện việc chuyển đổi giá trị điện tương tự sang số. Ngõ vào tương tự của IC này là ngõ vào vi sai dựa trên giá trị điện áp sai lệch giữa V+ và V-. Do giá trị điện áp nhận được từ cảm biến là tín hiệu DC so với GND nên ngõ vào V- của ADC0804 cũng được nối với mass (GND). Nguồn xung cấp cho ADC 0804 hoạt động dựa vào mạch dao động RC nối với chân 19 và 4 của IC này. Giá trị của mạch dao động RC này được tính như sau: (Hz) Ta chọn: R = 10kΩ, C = 150pF à = 606,06 (kHz) Chân CS (Chip Select) là chân chọn chip, cho phép ADC hoạt động hay không với đầu vào tích cực mức thức thấp thì ADC mới hoạt động. ADC chuyển đổi tương tự sang số và giữ nó ở một thanh ghi bên trong . Chân /RD (Read) ngõ vào tích cực mức thấp là chân cho phép chốt dữ liệu từ thanh ghi nội của ADC ra port data để vi điều khiển có thể đọc được nó. Chân /WR (Write) với ngõ vào tích cực mức thấp là chân báo cho ADC bắt đầu quá trình chuyển đổi từ tương tự sang số. Chân /INTR (Interrupt) là chân ngõ ra tích cực mức thấp báo hiệu quá trình chuyển đổi đã hoàn tất. Chân Vref/2 (chân 9) là chân nhận điện áp tham chiếu, khi nối chân này với nguồn áp bên ngoài thì áp tham chiếu bên trong gấp đôi điện áp bên ngoài đặt vào nó. Mỗi quá trình biến đổi của ADC được bắt đầu bằng một xung mức thấp ngắn hạn ở ngõ vào chân /WR và điều kiện cần có là một mức logic thấp của tín hiệu /CS. Sau thời gian biến đổi khoảng 100μs, lối ra /INTR chuyển sang mức thấp để báo hiệu kết thúc quá trình biến đổi. Sau một mức thấp ở lối vào /RD có thể đọc ra được các bit dữ liệu. Việc đọc dữ liệu này làm cho tín hiệu /INTR chuyển lại mức cao. Theo như thiết kế thì /RD được nối thẳng xuống GND thì lối ra /INTR chuyển sang mức thấp sau quá trình biến đổi kéo dài 8 chu kỳ giữ nhịp của bộ giữ nhịp bên trong. Phần tạo điện áp so sánh: IC LM366 có tác dụng như một diode Zener với điện áp ổn áp là 2,5V và dòng qua IC này nhỏ, khoảng ≈ 1mA. Bộ khuyếch đại thuật toán TL082 được mắc theo dạng lặp điện áp để phối hợp trở kháng với ngõ vào điện áp so sánh (chân 9) của ADC0804 do ngõ vào của chân này nhỏ, cỡ 1,1kΩ. Vì dòng ngõ vào của bộ khuyếch đại thuật toán TL082 ≈ 0 nên ta chọn dòng qua LM336 và biến trở bằng 1mA. Do đó, điện trở phân cực: R = = = 2,5(kΩ) chọn R = 2,2kΩ. Khối xử lí và điều khiển MCU: Để thực hiện được các công việc này đòi hỏi linh kiện phải có sự linh động trong mọi hoạt động do đó lựa chọn đầu tiên phải kể đến là các bộ vi điều khiển Micro Controller mà thông dụng nhất vẫn là họ vi điều khiển của Atmel AT89Cxx. Trong thiết kế này em sử dụng MCU-AT89C51 do dễ sử dụng, đáp ứng được đầy đủ yêu cầu mong muốn và giá thành rẻ. Port 1 của MCU nối với ngõ ra dữ liệu số của ADC0804. Các chân INT1, INT0 được nối với chân INTR và chân WR của ADC0804, để điều khiển quá trình lấy mẫu nhiệt độ và nhận biết giá trị nhiệt độ đã được ADC0804 chuyển đổi sang dạng số hoàn tất để đọc về. Các chân P0.0, từ P0.5 à P0.7 dùng để nối với khối giao tiếp và điều khiển máy lạnh. Các chân từ P2.3 à P2.7 của Port 2 được nối với các LED để báo trạng thái hoạt động và điều khiển của Module. Các chân TXD, RXD được nối với khối chuyển đổi TTL – RS485 để thực hiện được quá trình truyền thông với trung tâm. Khối đệm và giao tiếp thiết bị làm lạnh: Khi module nhận được tín hiệu điều khiển từ Trung tâm, MCU thực hiện xử lí data và điều khiển thiết bị làm lạnh theo yêu cầu. Do trong thiết kế lựa chọn phương án trực tiếp điều khiển phần làm lạnh của máy điều hoà mà bỏ qua quá trình hoạt động của board điều khiển của máy lạnh do đó MCU phải thông qua khối đệm và giao tiếp mới điều khiển được phần làm lạnh của máy điều hoà vì phần làm lạnh sử dụng chủ yếu là điện áp xoay chiều 220V. Quá trình điều khiển ở đây được thực hiện chủ yếu dựa trên việc điều khiển động cơ máy nén và động cơ quạt là hai bộ phận chính trong quá trình làm lạnh của máy điều hoà nhiệt độ. Vì quá trình điều khiển máy điều hoà phức tạp nên em chọn hai chế độ thông dụng nhất để điều khiển máy lạnh, đó là chế độ Auto và chế độ quạt (Fan). Ở chế độ Auto, khi nhiệt độ phòng lớn hơn nhiệt độ đặt thì động cơ máy nén và động cơ quạt được cấp điện để chạy. Khi nhiệt độ phòng đã đạt bằng nhiệt độ đặt thì động cơ máy nén ngưng hoạt động và chỉ còn động cơ quạt chạy. Ở chế độ quạt (Fan) thì chỉ có động cơ quạt chạy còn động cơ máy nén ngưng, tuỳ theo yêu cầu mà động cơ quạt chạy ở tốc độ cao, trung bình hay thấp. Sơ đồ nguyên lý của khối đệm và điều khiển máy lạnh như sau: Phần mạch gồm Relay LS2, LS3, Q2 và Q4 thực hiện việc điều khiển động cơ máy nén. Vì động cơ máy nén chỉ hoạt động ở 2 trạng thái đóng ngắt nên thiết kế ở đây chỉ dùng Rơle là có thể đảm bảo được quá trình điều khiển Transistor Q2 nhận tín hiệu từ MCU kích relay LS2 hút tiếp điểm để cắt quá trình điều khiển của board máy lạnh và chuyển sang chế độ điều khiển theo yêu cầu từ trung tâm. Q4 dùng đóng ngắt relay LS3 để thực hiện đóng, ngắt nguồn cấp điện cho động cơ máy nén hoạt động theo tín hiệu điều khiển của MCU để đảm bảo được nhiệt độ trong phòng. Phần mạch gồm Relay LS1, opto OC1, Q1 và Q3 thực hiện việc điều khiển động cơ quạt. Đối với động cơ quạt thì do có nhiều trạng thái hoạt động nên phải dùng đến linh kiện xoay chiều Triac mới có thể thực hiện tốt quá trình điều khiển. Relay LS1 và Q1 cũng để cắt sự điều khiển của board máy lạnh và chuyển sang quá trình điều khiển từ trung tâm. Do phải cách li giữa MCU và phần mạch xoay chiều nên Opto MOC2030 được dùng đến. Dựa trên tín hiệu điều khiển từ MCU mà động cơ quạt có thể thực hiện được các trạng thái khác nhau tuỳ theo từng chế độ khác nhau. Opto MOC2030 nhận xung kích từ MCU và kích cho Triac dẫn điện. Dòng qua Led phát của MOC2030 là 15mA với điện áp trên Led này là 1,5V à chọn R = 220Ω Dòng kích cho Triac BTA41 hoạt động: Chọn dòng kích cho Triac = 600mA à R = 0,364kΩ chọn R = 370Ω Để kích cho Rơle hoạt động, các transistor ở đây hoạt động ở chế độ khoá đóng mở Chọn dòng qua cực B transistor là 1mA à chọn 4,7kΩ. Các diode dùng để cắt xung điện áp cao đánh hỏng transistor. Khối giao tiếp RS-485: Các IC Max485 thực hiện chuyển tín hiệu TTL từ MCU sang tín hiệu RS485 và ngược lại để cho phép các Module Slave truyền thông với Trung tâm giám sát. Theo nhà sản xuất thì ngõ vào ra 485 của các IC này phải phối hợp trở kháng bằng điện trở 120Ω tại thiết bị đầu cuối của mạng RS485. Phần mềm mô phỏng : Chương trình cho vi điều khiển: Phần mềm trên máy tính: Phần mềm mô phỏng được em xây dựng trên cơ sở ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6. Chương: Khảo sát hệ thống điều hoà nhiệt độ các phòng thí nghiệm khoa Điện – điện tử Khảo sát tổ chức hệ thống điều hoà nhiệt độ các phòng TN của khoa Điện – điện tử: Hệ thống các phòng thí nghiệm của khoa điện – điện tử được hình thành nhằm mục đích giúp sinh viên tiếp cận với hình thức vừa học lí thuyết vừa được thực hành trên các thiết bị thí nghiệm, để quá trình học có hiệu quả hơn. Hệ thống các phòng thí nghiệm này được bố trí như sau: Phòng thí nghiệm Hệ thống viễn thông, Điện tử tương tự, Xung – Số, Truyền số liệu nằm tại khu vực lầu 6 của trường. Phòng thí nghiệm Điện công nghiệp, Viễn thông, Vi Vi xử lí và vi điều khiển nằm tại lầu 7. Các phòng thí nghiệm này được xây dựng và bố trí tương đối tập trung nhằm thuận tiện cho việc quản lí của khoa. Các phòng thí nghiệm này được thiết kế với cửa kính và nhôm tạo độ kín cao, nhằm giảm sự thất thoát nhiệt từ bên trong ra môi trường bên ngoài cũng như ngăn sự tác động về nhiệt từ bên ngoài vào trong phòng. Hiện tại, toàn bộ hệ thống các phòng thí nghiệm của khoa Điện – điện tử được trang bị hệ thống làm lạnh hai mảng để đáp ứng nhu cầu điều hoà nhiệt độ. Mỗi phòng đuợc trang bị 2 mảng indoor và outdoor, việc sử dụng và quản lí các thiết bị điều hoà nhiệt độ này hoàn toàn do các cán bộ của khoa đảm trách và được tổ chức theo mô hình phân tán, máy điều hoà chỉ hoạt động khi có người trong phòng. Thông thường số lượng số lượng sinh viên vào thí nghiệm khoảng 30 – 40 người/ 1 lần đòi hỏi máy lạnh phải hoạt động ở mức cao trong thời gian ngắn. Việc thí nghiệm của các sinh viên không được tiến hành suốt quá trình học nên việc sử dụng các thiết bị điều hoà nhiệt độ trên có tần suất khác nhau và không đều giữa các ngày trong một học kỳ và giữa các phòng thí nghiệm của các bộ môn khác nhau. Do chưa có sự giám sát và quản lí triệt để nên các thiết bị làm lạnh trên được sử dụng nhiều khi còn tuỳ tiện như sinh viên sử dụng máy điều hoà mà chưa có sự đồng ý của cán bộ quản lí dẫn đến việc nhiệt độ của các phòng thí nghiệm không được đảm bảo theo yêu cầu. Chính vì thế mà mô hình Trung tâm giám sát và điều khiển nhiệt độ các phòng thí nghiệm của khoa điện – điện tử trở nên cần thiết. Yêu cầu đặt ra đối với trung tâm là trung tâm giám sát phải có khả năng quản lí được toàn bộ nhiệt độ của các phòng thí nghiệm. Việc giám sát phải được thực hiện một cách tập trung, tức là thiết bị giám sát chính phải đảm bảo được việc giám sát toàn bộ hệ thống máy điều hoà nhiệt độ của khoa từ trung tâm giám sát. Đồng thời việc điều khiển các thiết bị làm lạnh này từ trung tâm cũng phải được thực hiện một cách triệt để, nhằm ngăn tình trạng sử dụng các thiết bị làm lạnh một cách tuỳ tiện. Do các phòng thí nghiệm được xây dựng tập trung nên việc quản lí các thiết bị làm lạnh này phải được hình thành trên cơ sở xây dựng một mạng truyền thông với kích thước nhỏ nhằm phục vụ cho quá trình giám sát và điều khiển của trung tâm được thuận tiện. Khảo sát cấu trúc của các thiết bị làm lạnh: Hệ thống các phòng thí nghiệm khoa điện - điện tử được trang bị hệ thống điều hoà nhiệt độ của Toshiba với hầu hết các máy có Serial là RAS-13YKX. Mỗi phòng có hai máy lạnh với hai cục lạnh bên trong và hai cục nóng được gắn bên ngoài, ở phía sau mỗi phòng. Sau đây là một số đặc tính kĩ thuật của máy điều hoà nhiệt độ Toshiba RAS-13YKX: Máy lạnh Toshiba RAS-13YKX cấu tạo gồm 2 khối chính: indoor và outdoor Với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, mạch điều khiển của máy hai phần tử Toshiba RAS-13YKX phần lớn là vi mạch và vi điều khiển với nhiều chức năng điều khiển để thoả mãn nhu cầu của con người, tiết kiệm điện năng Với kết cấu bộ điều khiển từ xa kiểu có dây và không dây (remote), máy nén được đóng ngắt qua công tắc tơ. Board điều khiển đóng vai trò rất quan trọng đối với toàn bộ thiết bị làm lạnh bởi quá trình điều khiển của nó có chính xác và đa năng mới có thể đảm bảo cho toàn bộ máy hoạt động ổn định và bền bỉ, tránh được nhiều sự cố tự bản thân máy phát sinh trong quá trìng sử dụng hay do tác động của môi trường bên ngoài. Ngày nay, đa phần các board điều khiển của máy lạnh hai mảng được thiết kế theo kiểu đơn board với việc tích hợp mật độ cao của các linh kiện. Quá trình điều khiển được lập trình sẵn dựa vào các chip vi điều khiển có độ linh hoạt cao, giao tiếp ngoại vi rộng và đáp ứng được các quá trình điều khiển phức tạp mà khó có thể thực hiện trên các vi mạch số tích hợp. Sau đây là sơ đồ khối của hai cụm: indoor và outdoor, dây nối liên kết giữa hai khối qua trạm nối dây. Trong đó: 1 – Động cơ quạt 2 – Động cơ cánh hướng gió 3 – Cụm nhận tín hiệu từ Remote 4 – Cảm biến nhiệt độ 5 – Công tắc tơ 6 – Trạm nối dây 7 – Biến áp cho vi mạch FC – Động cơ quạt bộ ngưng tụ COM – Động cơ máy nén RL – Rơle nhiệt bảo vệ máy nén + Các thông số kĩ thuật: Điện áp sử dụng 220 – 240V Chế độ làm lạnh và chế độ nhiệt công suất tải: 560W – 760W, dòng tải 2,6 – 3,6A Dòng cực đại 3,8 – 5 A, dòng khởi động 16 – 18A Máy nén công suất 725W, dòng trung bìng 3,4A Động cơ quạt indoor: công suất 36,5W Luồng gió indoor đạt 320-380m/h Động cơ quạt Outdoor: công suất 70W Luồng gió outdoor đạt 1400 m/h Nhiệt độ hoạt động 17°C -30°C Nhiệt độ môi trường hoạt động từ -7°C à 45°C + Chức năng của khối indoor (bên trong): Hoạt động đóng /ngắt bới bộ điều khiển từ xa (remote) bằng hồng ngoại. Cảm biến nhiệt độ phòng (nhiệt độ phòng và nhiệt độ đường ống) Điều khiển nhiệt độ phòng (duy trì nhiệt độ phòng phù hợp với nhiệt độ đã đặt trước). Điều khiển nhiệt độ bắt đầu (quạt indoor được delay 5 giây khi bắt đầu). Điều khiển thời gian delay chính xác (khời động lại chính xác trong 3 phút). Điều khiển tốc độ quạt indoor (cao, trung bình, thấp và gió nhẹ). Quá trình hoạt động được báo hiệu bằng đèn (LED hoặc LCD) – đèn thay đổi cho mỗi chế độ hoạt động. Điều khiển trực tiếp hai van gió. Điều khiển tự động chế độ Sleep Không phụ thuộc vào độ hong khô Điều khiển trực tiếp luồng gió Chế độ tự động Chức năng chống lạnh và bù nhiệt Chức năng tự động Restart Kết nối dây một cách mềm dẻo Dễ dàng làm sạch bề mặt + Chức năng của khối outdoor (bên ngoài): Điều khiển relay nguồn (delay 3 phút cho các lần ON/OFF liên tiếp nhau) Ít bị ảnh hưởng bởi bên ngoài (khối này có thể hoạt động ở chế độ lạnh trong điều kiện nhiệt độ môi trường bên ngoài thấp). Hệ thống tạo luồng gió ít gây tiếng ồn Cạnh nhôm có khả năng hút nước (tăng hiệu năng nhiệt tuỳ theo chế độ hoạt động) Điều khiển van theo 4 hướng (chỉ hoạt động ở chế độ nhiệt ngoại trừ hoạt động xả đông). Bảo vệ nhiệt độ ống xả Van bảo vệ chống hiện tượng rò rỉ nước. + Các điều khiển cơ bản: Chức năng hiển thị: sáng lên khi máy bắt đầu hoạt động và khi hoạt động định thời được chọn. Chức năng điều chỉnh nhiệt độ: ở chế độ này tần suất hoạt động của khối outdoor (ngoài trời) được quyết định bởi nhiệt độ bên trong phòng và nhiệt độ được đặt trước. Trong khi điều chỉnh tốc độ quay, quạt bên trong phòng PI được điều chỉnh như một phần của việc điều chỉnh nhiệt độ. Tắt máy nén: máy nén được tắt khi nhiệt độ phòng lớn hơn nhiệt độ đặt 1°C (chế độ nhiệt)/thấp hơn nhiệt độ đặt 1°C (chế độ làm lạnh). Mở máy nén: máy nén được mở khi nhiệt độ phòng nhỏ hơn nhiệt độ đặt 0,67°C (chế độ nhiệt) và lớn hơn 0,67°C (chế độ làm lạnh). Hoạt động điều khiển từ xa: khi điều khiển từ xa, nếu nhiệt độ thay đổi làm cho quạt PI hoạt động sau 2s. Nếu có sự thay đổi về nhiệt độ đặt, máy nén sẽ tắt khi nó bị lỗi trong dải nhiệt độ tắt máy nén. - Ở chế độ làm lạnh tự động: nhiệt độ trong dải điều khiển từ 16-30°C với nhiệt độ sai biệt ±1°C. Trong 2 phút đầu sau khi máy nén được khới động, nó không chiụ sự điều khiển dưới tác động của cảm biến nhiệt độ. +Điều khiển đặc trưng: khi nhiệt độ phòng lớn hơn nhiệt độ đặt, máy nébn và quạt ngoài được mở và quạt indoor hoạt động tại tốc độ đã đặt. Khi nhiệt độ phòng nhỏ hơn nhiệt độ đặt, máy nén và quạt ngoài tắt và quạt trong nhà hoạt động tại tốc độ đặt. Khi nhiệt độ phòng và nhiệt độ đặt bằng nhau, hệ thống duy trì trạng thái hoạt động hiện tại. + Điều khiển tốc độ gió: (nhiệt độ sai khác 1°C) Tự động: khi nhiệt độ phòng lớn hơn nhiệt độ đặt + 3°C, gió lớn. Khi nhiệt độ phòng lớn hơn nhiệt độ đặt + 1°C, gió trung bình. Khi nhiệt độ phòng nhỏ hơn nhiệt độ đặt + 1°C, gió nhẹ. Cảm biến nhiệt tắt và quạt gió chạy tốc độ gió nhẹ. Thủ công: cao, trung bình, nhẹ và gió tự động cần thiết có thể được đặt khi máy hoạt động ( máy sẽ tác động 5s sau khi nhận tín hiệu từ Remote). + Điều khiển máy nén: máy nén không chịu sự điều khiển dưới tác động của cảm biến nhiệt độ trong 2 phút đầu tiên sau khi nó khởi động và nó chỉ hoạt động lại ít nhất là 3 phút sau khi nó được ngắt điện.