Điều khiển thông minh sử dụng tài nguyên giúp giảm lãng phí thế nào?

Cơ chế cốt lõi có thể hình dung theo chuỗi: đo trạng thái → xác định nhu cầu → so sánh với mục tiêu → điều chỉnh đầu ra → đo lại kết quả. Nhờ vòng phản hồi này, điện, nước, nhiên liệu hoặc nguyên liệu chỉ được bổ sung khi hệ thống thực sự cần. Tuy nhiên, mức tiết kiệm không đến từ chữ “thông minh” hay việc lắp thêm cảm biến; nó phụ thuộc vào độ chính xác của dữ liệu, logic điều khiển, khả năng điều chỉnh của thiết bị và cách xác định ngưỡng vận hành.

Cảm biến biến nhu cầu thực tế thành tín hiệu điều khiển

Một hệ thống không thể cấp đúng lượng tài nguyên nếu không biết trạng thái thực tế của quá trình. Cảm biến đảm nhiệm việc chuyển các đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng, áp suất, mức chứa, nồng độ, tốc độ, tải thiết bị hoặc sự hiện diện của con người thành dữ liệu mà bộ điều khiển có thể xử lý.

Điểm khác biệt so với vận hành theo lịch cố định nằm ở chỗ nhu cầu được xác định từ trạng thái hiện tại. Chẳng hạn, hệ thống HVAC không nhất thiết phải làm lạnh toàn bộ khu vực ở cùng một mức khi một số phòng không có người. Hệ thống tưới cũng không cần mở van chỉ vì đã đến giờ nếu độ ẩm đất vẫn đủ cao. Trong dây chuyền định lượng, lưu lượng nguyên liệu có thể được hiệu chỉnh theo tốc độ sản xuất thay vì duy trì một mức cấp cố định.

Cảm biến vì vậy không trực tiếp tạo ra tiết kiệm. Giá trị của chúng xuất hiện khi dữ liệu đo được dùng để thay đổi quyết định vận hành. Một hệ thống chỉ thu thập dữ liệu nhưng thiết bị vẫn chạy như cũ chủ yếu tạo khả năng giám sát, chưa tạo ra cơ chế giảm lãng phí.

Điều khiển phản hồi làm lượng cấp bám sát đúng mức cần thiết

Sau khi có dữ liệu, bộ điều khiển so sánh trạng thái đo được với giá trị mục tiêu hoặc vùng vận hành cho phép. Sai lệch giữa hai giá trị quyết định hệ thống cần tăng, giảm hay giữ nguyên đầu ra.

Ví dụ, thay vì bật một bơm hoặc quạt ở 100% công suất trong toàn bộ thời gian hoạt động, hệ thống có thể thay đổi tốc độ theo lưu lượng, áp suất hoặc tải thực. Khi nhu cầu giảm, công suất cũng giảm. Khi thông số đạt vùng mục tiêu, hệ thống ngừng tăng đầu vào. Đây là nguyên tắc của điều khiển vòng kín: tác động điều khiển được kiểm tra bằng chính kết quả mà nó tạo ra.

Trong các tòa nhà thương mại, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết các chuỗi điều khiển hiệu suất cao có thể tạo mức tiết kiệm năng lượng HVAC trung bình khoảng 30% trên nhiều loại công trình. Một nghiên cứu của Pacific Northwest National Laboratory mô phỏng 34 biện pháp điều khiển trên 14 loại công trình và ước tính các hệ thống điều khiển hiện có, nếu được triển khai và hiệu chỉnh đúng, có thể giảm khoảng 29% mức tiêu thụ năng lượng của công trình thương mại.

Các con số này không có nghĩa mọi dự án điều khiển thông minh đều mặc nhiên tiết kiệm gần 30%. Mức thực tế phụ thuộc vào trạng thái ban đầu: một hệ thống vốn đã được vận hành gần tối ưu sẽ có ít dư địa tiết kiệm hơn một hệ thống thường xuyên chạy quá tải, sai lịch hoặc có setpoint không phù hợp.

Dự báo giúp tránh cấp tài nguyên quá sớm hoặc quá muộn

Điều khiển phản hồi xử lý sai lệch sau khi nó xuất hiện. Các hệ thống nâng cao còn sử dụng dữ liệu lịch sử, dự báo tải, thời tiết, lịch sử dụng hoặc mô hình quá trình để ước lượng nhu cầu sắp tới và điều chỉnh trước.

Cách này đặc biệt hữu ích với những hệ thống có quán tính. Một tòa nhà cần thời gian để thay đổi nhiệt độ; bể chứa cần thời gian để nạp; quá trình sản xuất có thể cần thời gian để gia nhiệt hoặc ổn định lưu lượng. Nếu chỉ phản ứng khi sai lệch đã lớn, thiết bị có thể phải chạy mạnh hơn, tạo dao động hoặc cung cấp dư để bù.

Điều khiển dự báo có thể lựa chọn thời điểm khởi động và mức công suất vừa đủ để đạt mục tiêu đúng lúc. Nhờ đó, hệ thống tránh hai dạng lãng phí phổ biến: duy trì thiết bị hoạt động khi chưa cần và bù quá mức sau khi phản ứng quá muộn.

Khả năng dự báo không phải lúc nào cũng cần đến mô hình AI phức tạp. Với một quá trình ổn định, lịch sử tải, lịch sử dụng và các quy tắc điều khiển được hiệu chỉnh tốt có thể đã đủ. Mô hình phức tạp chỉ tạo thêm giá trị khi nó dự báo tốt hơn và kết quả dự báo thực sự được chuyển thành quyết định điều khiển đáng tin cậy.

Cùng một nguyên lý có thể giảm lãng phí điện, nước và nguyên liệu

Với năng lượng, hệ thống điều khiển có thể giảm thời gian chạy không tải, giảm công suất khi tải thấp và phối hợp nhiều thiết bị để tránh việc các hệ thống chống lại nhau, chẳng hạn vừa làm lạnh vừa gia nhiệt cùng một khu vực.

Với nước, logic tương tự là chỉ tưới hoặc cấp nước khi điều kiện thực tế yêu cầu. EPA WaterSense cho biết bộ điều khiển tưới đạt nhãn WaterSense sử dụng dữ liệu thời tiết hoặc độ ẩm đất để điều chỉnh lịch tưới; khi được lắp đặt và vận hành đúng, các bộ điều khiển này có thể giảm khoảng 15–30% lượng nước tưới. EPA cũng ước tính một hộ gia đình trung bình có hệ thống tưới tự động có thể tiết kiệm tới khoảng 15.000 gallon nước mỗi năm khi thay bộ hẹn giờ thông thường bằng bộ điều khiển WaterSense phù hợp.

Với nguyên liệu trong sản xuất, mục tiêu không nhất thiết là giảm lượng cấp xuống thấp nhất. Hệ thống phải giữ đúng tỷ lệ, lưu lượng hoặc điều kiện công nghệ để tránh hai phía của lãng phí: cấp dư trực tiếp và tạo sản phẩm lỗi do cấp thiếu hoặc sai tỷ lệ. Vì thế, điều khiển thông minh sử dụng tài nguyên hiệu quả phải tối ưu lượng tài nguyên trong giới hạn chất lượng và an toàn của quá trình, không đơn thuần giảm đầu vào.

Phát hiện bất thường ngăn lãng phí kéo dài mà người vận hành khó nhận thấy

Một phần đáng kể của lãng phí không xuất hiện dưới dạng sự cố lớn. Nó có thể là van không đóng hết, cảm biến bị lệch, áp suất đặt quá cao, thiết bị chạy ngoài giờ, bơm hoạt động khi không có lưu lượng hữu ích hoặc mức tiêu thụ tăng dần theo thời gian.

Hệ thống điều khiển có dữ liệu liên tục có thể so sánh trạng thái hiện tại với ngưỡng, mô hình vận hành hoặc đường cơ sở. Khi cùng một mức tải nhưng điện năng, nước hoặc nguyên liệu tiêu thụ cao bất thường, hệ thống có thể phát cảnh báo, chuyển sang chế độ an toàn hoặc thực hiện một số điều chỉnh đã được cho phép.

Giá trị ở đây không chỉ nằm ở việc phát hiện lỗi nhanh hơn. Quan trọng hơn, hệ thống rút ngắn thời gian mà một sai lệch tồn tại. Một bất thường nhỏ nếu kéo dài hàng tuần có thể tạo tổng lượng lãng phí lớn dù tại từng thời điểm nó không đủ nghiêm trọng để người vận hành nhận ra.

Tuy vậy, cảnh báo quá nhạy cũng có chi phí. Nếu ngưỡng được đặt không phù hợp, hệ thống tạo quá nhiều báo động giả và người vận hành có xu hướng bỏ qua chúng. Vì thế, phát hiện bất thường phải gắn với đường cơ sở đáng tin cậy, mức ưu tiên và tiêu chí hành động cụ thể.

Muốn giảm lãng phí thực sự, toàn bộ vòng điều khiển phải đáng tin cậy

Hiệu quả không được quyết định bởi riêng thuật toán. Một vòng điều khiển chỉ hoạt động tốt khi cảm biến đo đúng, dữ liệu đến đúng thời điểm, bộ điều khiển có mục tiêu phù hợp và thiết bị chấp hành thực sự thay đổi được đầu ra.

Nếu cảm biến nhiệt độ đọc thấp hơn thực tế, hệ thống có thể tiếp tục gia nhiệt dù không cần. Nếu lưu lượng kế bị sai, bộ điều khiển có thể bù bằng cách tăng bơm. Nếu setpoint được đặt quá chặt, thiết bị có thể đóng–mở liên tục và tiêu thụ nhiều hơn. Một thuật toán tối ưu cũng không thể tạo tiết kiệm nếu động cơ chỉ có hai trạng thái bật/tắt trong khi quá trình cần điều chỉnh công suất liên tục.

Vì vậy, triển khai thực tế nên tập trung vào bốn điều kiện: xác định đúng biến cần đo, đặt mục tiêu và vùng cho phép phù hợp, bảo đảm thiết bị có khả năng điều chỉnh tương ứng và đo lại mức tiêu thụ sau khi áp dụng. Đường cơ sở trước khi triển khai đặc biệt quan trọng vì nó cho biết lượng điện, nước hoặc nguyên liệu giảm xuống là do hệ thống điều khiển hay chỉ do tải sản xuất, thời tiết hoặc thời gian sử dụng thay đổi.

Mục tiêu cuối cùng không phải làm thiết bị hoạt động ít nhất có thể, mà là dùng lượng tài nguyên thấp nhất vẫn đáp ứng yêu cầu vận hành, chất lượng, an toàn và tiện nghi. Khi điều kiện đó được duy trì bằng dữ liệu và phản hồi liên tục, việc giảm lãng phí trở thành kết quả đo được của quá trình điều khiển chứ không chỉ là kỳ vọng của một hệ thống được gắn nhãn “thông minh”.

Hệ thống điều khiển thông minh giảm lãng phí chủ yếu bằng cách thay mô hình “cấp tài nguyên theo giả định” bằng “cấp tài nguyên theo trạng thái và nhu cầu đo được”. Cảm biến cho biết quá trình đang ở đâu, bộ điều khiển xác định mức cần thiết, thiết bị chấp hành thay đổi đầu ra và vòng phản hồi kiểm tra kết quả. Dự báo và phát hiện bất thường có thể mở rộng cơ chế này bằng cách ngăn lãng phí trước khi nó xảy ra hoặc trước khi nó kéo dài. Hiệu quả cao nhất đạt được khi dữ liệu, setpoint, thuật toán và thiết bị vật lý đều được hiệu chỉnh đúng, đồng thời mức tiết kiệm được xác nhận bằng số liệu vận hành thực tế.