摘要 本文介紹了采用臺達(dá)變頻器結(jié)合PLC與人機(jī)界面在中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)上應(yīng)用過程，對中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)的變頻改造方案、變頻改造節(jié)能效果和變頻監(jiān)控系統(tǒng)作了詳細(xì)的描述，并給出了中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)的變頻改造原理圖、變頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖、人機(jī)界面畫面圖、系統(tǒng)控制方法和程序流程圖。
關(guān)鍵字 變頻器 PLC 人機(jī)界面 RS-485串行通訊 中央空調(diào)
一、前言
我公司是一家主要生產(chǎn)乙肝疫苗的制藥公司,由凈化中央空調(diào)設(shè)備提供生產(chǎn)車間的潔凈環(huán)境,使生產(chǎn)車間各個房間的溫度、濕度和壓差等均能達(dá)到國家GMP規(guī)定的要求。因為季節(jié)的變化，晝夜的變化，這樣生產(chǎn)車間的各個房間對風(fēng)量具有很明顯的需求變化，而水泵風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、水流量的調(diào)節(jié)是靠風(fēng)門、節(jié)流閥的手動調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求減少時，風(fēng)門、閥的開度減少；當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求增加時，風(fēng)門、閥的開度增大。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡單易行，已成習(xí)慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費大量能源在風(fēng)門、閥上作為代價的。而且該中央空調(diào)在正常工作時，大多數(shù)風(fēng)門及閥的開度都在50%-60%，這說明現(xiàn)有中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)設(shè)計的容量要比實際需要高出很多，嚴(yán)重存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。近年來隨著電力、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)越來越成熟，因此我們對公司的中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)加裝19臺變頻器進(jìn)行了節(jié)能改造。又由于水泵風(fēng)機(jī)分散性較大，為了減少值班人員的巡視工作強度，便于及時掌握水泵風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障，我們通過PLC及人機(jī)界面與變頻器的通訊應(yīng)用，在中央監(jiān)控室增裝變頻監(jiān)控系統(tǒng)，這樣值班人員就可在人機(jī)界面上直接設(shè)定頻率值與啟停各臺變頻器，能實時監(jiān)控水泵風(fēng)機(jī)電機(jī)實際工作電流、電壓、頻率的大小，并具有報警等功能。
二、中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)變頻改造方案
1、改造前設(shè)備情況
（1）、基因部空調(diào)設(shè)備情況
①制冷主機(jī)為日立機(jī)組，共三臺。②冷凍泵：11KW，2極 全壓啟動4臺，揚程30m，出水溫度6℃,回水溫度為10℃，出水壓力為0.35Mpa，每臺電機(jī)額定電流為21.8A，正常工作電流為16.6A。一般情況下,開二臺備二臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 4臺，揚程30m，出水溫度32.5℃,回水溫度為28.2℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺電機(jī)額定電流為29.9A，正常工作電流為18.0A。一般情況下,開二臺備二臺。
（2）、老二樓空調(diào)機(jī)房空調(diào)設(shè)備情況
①制冷主機(jī)為日立機(jī)組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動3臺，揚程30m，出水溫度6.1℃,回水溫度為9.8℃，出水壓力為0.36Mpa，每臺電機(jī)額定電流為29.9A，正常工作電流為21A。一般情況下,開一臺備二臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 3臺，揚程30m，出水溫度31.8℃,回水溫度為27.7℃，出水壓力為0.41Mpa，每臺電機(jī)額定電流為29.9A，正常工作電流為20.6A。一般情況下,開一臺備二臺。
（3）、分包裝空調(diào)機(jī)房空調(diào)設(shè)備情況
①制冷主機(jī)為日立機(jī)組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動3臺，揚程30m，出水溫度5.8℃,回水溫度為9.3℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺電機(jī)額定電流為29.9A，正常工作電流為20.2A。一般情況下,開二臺備一臺。③冷卻泵:15KW，2極 全壓啟動 3臺，揚程30m，出水溫度31.6℃,回水溫度為27.3℃，出水壓力為0.40Mpa，每臺電機(jī)額定電流為29.9A，正常工作電流為21.2A。一般情況下,開二臺備一臺。
（4）、公司共有13臺空調(diào)風(fēng)柜。①基因部空調(diào)風(fēng)柜7臺，其中22KW風(fēng)機(jī)電機(jī)3臺，11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺，15KW和18.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)各1臺。②老二樓空調(diào)風(fēng)柜3臺，其中15KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺，11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺。③質(zhì)檢部空調(diào)風(fēng)柜3臺，其中11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺，7.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺。
2、水泵變頻改造方案
因為冷凍泵和冷卻泵進(jìn)出水溫差都小于5℃，這說明冷凍水流量和冷卻水流量還有余量，再加之，電機(jī)正常工作電流小于額定電流(5-12A)，明顯存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。因此，我們對基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)各自使用一臺臺達(dá)VFD-P11KW變頻器和一臺臺達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅(qū)動（如圖一所示）。根據(jù)需要由PLC1分別控制3臺冷凍水泵和3臺冷卻水泵輪流切換工作（但同一時刻一臺變頻器只能驅(qū)動一臺水泵電機(jī)運轉(zhuǎn)），使冷凍水量和冷卻水量得到靈活、方便、適時、適量的自動控制，以滿足生產(chǎn)工藝的需求。同樣對老二樓空調(diào)機(jī)房及分包裝空調(diào)機(jī)房的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)也各使用一臺臺達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅(qū)動，其控制方式與基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)控制方式相同。下面以基因部冷凍水系統(tǒng)加以說明：
（1）、閉環(huán)控制
基因部冷凍水系統(tǒng)采用全閉環(huán)自動溫差控制。采用一臺11KW變頻器實施一拖三。具體方法是：先將中央空調(diào)水泵系統(tǒng)所有的風(fēng)閥門完全打開，在保證冷凍機(jī)組冷凍水量和壓力所需前提下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最低工作頻率（調(diào)試時確定為35HZ），將其設(shè)定為下限頻率并鎖定。用兩支溫度傳感器采集冷凍水主管道上的出水溫度和回水溫度，傳送兩者的溫差信號至溫差控制器，通過PID2調(diào)節(jié)將溫差量變?yōu)槟M量反饋給變頻器，當(dāng)溫差小于等于設(shè)定值5℃時，冷凍水流量可適當(dāng)減少，這時變頻器VVVF2降頻運行，電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢；當(dāng)溫差大于設(shè)定值5℃時，這時變頻器VVVF2升頻運行，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，水流量增加。冷凍泵的工作臺數(shù)和增減由PLC1控制。這樣就能夠根據(jù)系統(tǒng)實時需要，提供合適的流量，不會造成電能的浪費。
（2）、開環(huán)控制
將控制屏上的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至開環(huán)位置，順時針旋動電位器來改變冷凍水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢。
（3）、工頻變頻切換工作
在系統(tǒng)自動工作狀態(tài)下，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，由PLC1控制另一臺備用水泵電機(jī)投入工頻運行，同時發(fā)出聲光報警，提醒值班人員及時發(fā)現(xiàn)和處理故障。也可將控制柜面板上的手動自動轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至手動位置，按下相應(yīng)的起動按鈕來啟動相應(yīng)的水泵電機(jī)。
圖一 中央空調(diào)水泵變頻改造原理圖
3、風(fēng)機(jī)變頻改造方案
因為所有風(fēng)柜的風(fēng)機(jī)均處于全開、正常負(fù)荷運行狀態(tài)，恒溫調(diào)節(jié)時，是由冷風(fēng)出風(fēng)閥來調(diào)節(jié)風(fēng)量。如果生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度偏高，則風(fēng)閥開大，加大冷風(fēng)量，使生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度降低。如果生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度偏低，則需關(guān)閉一部分風(fēng)閥開度，減少冷風(fēng)量，來維持生產(chǎn)車間房間的冷熱平衡。 因此，送入生產(chǎn)車間內(nèi)部的風(fēng)量是可調(diào)節(jié)的、變化的。特別是到了夜班時，人員很少，且很少出入、走動等活動，系統(tǒng)負(fù)荷很輕，對空調(diào)冷量的要求也大大降低，只需少量的冷風(fēng)量就能維持生產(chǎn)車間房間的正壓與冷量的需求了，故對13臺風(fēng)機(jī)全部進(jìn)行了變頻節(jié)能改造，利用變頻器來對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
中央空調(diào)風(fēng)機(jī)變頻改造原理圖如圖二所示，在原有工頻控制的基礎(chǔ)上，增加7個變頻控制柜，采用13臺臺達(dá)VFD-P系列變頻器驅(qū)動13臺風(fēng)機(jī)電機(jī)，變頻工頻可以相互切換。在工頻方式下運行時，不改變原來的操作方式，在變頻方式下運行時，變頻器在不同的時間段自動輸出不同的頻率。即13臺變頻器受時控開關(guān)的程序控制，在周一至周五的7：30-23：00設(shè)定變頻器在45HZ下運行，在周一至周五的23：00后至第二天的7：30及周六、周日設(shè)定變頻器在35HZ下運行（其運行的頻率可根據(jù)需要來設(shè)定），以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時13臺變頻器與中央監(jiān)控室的人機(jī)界面和PLC實行聯(lián)機(jī)通訊，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)監(jiān)控。
圖二 中央空調(diào)風(fēng)機(jī)變頻改造原理圖
三、中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造效果
為了能直觀體現(xiàn)變頻改造后的節(jié)能效果，我們做了如下的測試：以1#日立機(jī)組冷卻水泵14#（15KW）和K4風(fēng)柜4#（22KW）為對象，在它們各自的主回路上加裝電度表，先工頻運行一星期，每天定時記錄電表讀數(shù)，再變頻運行一星期，進(jìn)行同樣的工作，其數(shù)據(jù)如表1和表2所示。
表1：1#日立機(jī)組冷卻水泵節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計
1、表1的數(shù)據(jù)分析：在工頻運行時，水泵的負(fù)荷變化不是很大，其日用電量在298度左右。變頻運行時，由于受外界的環(huán)境溫度影響較大，故每天的用電量差別較大，但可以看出，變頻運行時的日用電量明顯要小于工頻時的數(shù)值。我們以一個星期的總用電量來計算，工頻時為2580-891=1689，變頻時為5248-4121=1127，則1#日立機(jī)組冷卻水泵的節(jié)電率為：（1689-1127）1689=33%
2、表2的數(shù)據(jù)分析：由于風(fēng)機(jī)每天的負(fù)荷變化不大，故其用電量比較穩(wěn)定。可以看出，工頻運行時日用電量在350度左右。變頻運行時，日用電量在220度左右。以350和220來計算，則K4風(fēng)柜電機(jī)的節(jié)電率為：（350-220）350 = 37%
由上述計算可知：水泵和風(fēng)機(jī)變頻改造后平均節(jié)能率為35%，在實際使用中，節(jié)電效果會更好。
表2：K4風(fēng)柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計
四、中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)控系統(tǒng)
1、系統(tǒng)硬件組成
中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)變頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖三所示，它由公司自來水恒壓泵、分包裝部二樓冷凍泵、質(zhì)檢部老二樓空調(diào)機(jī)房水泵風(fēng)機(jī)和基因部水泵風(fēng)機(jī)四個子系統(tǒng)組成，對分布在不同部門的19臺變頻器實施遠(yuǎn)程監(jiān)控。各部分說明如下：①、變頻器選用臺達(dá)VFD-P系列變頻器，該系列變頻器具有高可靠性，低噪聲，高節(jié)能，保護(hù)功能完善，內(nèi)建功能強大的RS-485串行通訊接口，且RS-485串行通訊協(xié)議對用戶公開等特點。②、PLC作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制核心，選用臺達(dá)DVP24ES01R。利用其通訊指令編好程序，下載到PLC，然后將它與變頻器的RS-485串行通訊接口相連接，就可實現(xiàn)與變頻器的實時通訊。③、人機(jī)界面采用Hitech公司的PWS-3760，彩色10.4寸。它是新一代高科技可編程終端，專為PLC而設(shè)計的互動式工作站，具備與各品牌PLC連線監(jiān)控能力，適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，可代替普通或工控計算機(jī)。其主要特點有：畫面容量大，可達(dá)255個畫面，畫面規(guī)劃簡單；使用ADP3全中文操作軟件，適用于WINDOWS95WINDOWS98環(huán)境，巨集指令豐富，編程簡單；具有交互性好，抗干擾能力強，通訊可靠性高；自動化程度高，操作簡單方便，故障率低，壽命長，維修量少。其主要功能有：設(shè)計者可依需要編輯出各種畫面，實時顯示設(shè)備狀態(tài)或系統(tǒng)的操作指示信息；人機(jī)界面上的觸摸按鍵可產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，或輸入數(shù)值、字符給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應(yīng)的動作控制設(shè)備的運行；可多幅畫面重疊或切換顯示，顯示文字、數(shù)字、圖形、字符串、警報信息、動作流程、統(tǒng)計資料、歷史記錄、趨勢圖、簡易報表等。④、RS-485串行通訊方式：RS-485采用平衡發(fā)送接收方式，它具有傳輸距離長、抗干擾能力強和多站能力的優(yōu)點。
圖三 變頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
2、人機(jī)界面畫面設(shè)計
本系統(tǒng)人機(jī)界面所有畫面均由ADP3全中文軟件進(jìn)行設(shè)計，有主畫面、參數(shù)設(shè)定、運轉(zhuǎn)設(shè)定、參數(shù)顯示、狀態(tài)信息、報警信息和幫助等畫面，經(jīng)ADP3軟件編譯無誤后，從個人電腦中下載到人機(jī)界面即可使用。人機(jī)界面與PLC之間通過RS232通訊電纜以主從方式進(jìn)行連接。由PLC對人機(jī)界面的狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進(jìn)行讀寫達(dá)到兩者之間的信息交互。PLC讀人機(jī)界面狀態(tài)通知區(qū)中的數(shù)據(jù)，得到當(dāng)前畫面號，而通過寫人機(jī)界面狀態(tài)控制區(qū)的數(shù)據(jù)，強制切換畫面。參數(shù)顯示畫面之一如圖四所示。
圖四 基因部中央空調(diào)風(fēng)機(jī)水泵1#監(jiān)控畫面
用戶需要監(jiān)視19臺水泵風(fēng)機(jī)的電壓、電流以及頻率的大小。因此為它們分別設(shè)置三組數(shù)值顯示區(qū)，分別顯示電壓、電流與頻率值，這是利用元件中的數(shù)值顯示功能實現(xiàn)的。系統(tǒng)啟動后，19臺變頻器周期性地向PLC回復(fù)其工作狀態(tài)，經(jīng)PLC處理后送人機(jī)界面，這樣人機(jī)界面就可以實時顯示這三組數(shù)值。數(shù)值的格式、位數(shù)和精度等根據(jù)實際情況在數(shù)值顯示的屬性框中設(shè)置。
3、系統(tǒng)控制方法
本系統(tǒng)要求對分布在不同部門、距離較遠(yuǎn)的19臺變頻器實施遠(yuǎn)程監(jiān)控，能在中央監(jiān)控室的人機(jī)界面上自動手動設(shè)定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器，可實時監(jiān)測到中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)電機(jī)實際工作電壓、電流、頻率的大小，并具有聲光報警等功能。具體控制方法是：采用一臺DVP-PLC、一臺人機(jī)界面PWS-3760和19臺VFD-P系列變頻器通過RS-485串行通訊方式組成一個實時通信網(wǎng)絡(luò)（如圖三所示）,在現(xiàn)場設(shè)定好19臺變頻器的通信參數(shù)，如控制方式為RS-485通訊指令，通訊地址：1-19，波特率為9600，通訊資料格式等；設(shè)計系統(tǒng)PLC程序，程序流程圖如圖五所示。要求手動控制有即時設(shè)定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器等功能，自動控制采用二個時段控制，可以隨時設(shè)定二個時段值和對應(yīng)的二個頻率值，現(xiàn)使用時段值一：7：30對應(yīng)頻率一 45HZ，時段值二：23：00對應(yīng)頻率二 35HZ。程序設(shè)計參照VFD-P變頻器通訊協(xié)議，采用PLC與變頻器間的一些RS-485通訊指令實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可通過打印機(jī)實現(xiàn)報表的打印。
圖五 系統(tǒng)程序流程圖
五、結(jié)束語
采用交流變頻調(diào)速器對中央空調(diào)系統(tǒng)的水泵、風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，不但操作簡單方便、節(jié)約電能降低生產(chǎn)成本，而且大大地改善水泵風(fēng)機(jī)的運行條件，減少水泵、風(fēng)機(jī)、閥門等的維護(hù)量。本變頻改造項目及監(jiān)控系統(tǒng)自2002年5月投運以來，已連續(xù)運行二年多，系統(tǒng)運行可靠平穩(wěn)，通訊數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時，使設(shè)備管理規(guī)范化，提高了工作效率，需要在線改變的量為時段與頻率的設(shè)定值，采用人機(jī)界面作為人機(jī)交互工具，簡單直觀，便于操作。PLC作為中央處理單元，兩者在變頻監(jiān)控系統(tǒng)中結(jié)合使用，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、手動即時變頻和自動分時段變頻等功能，在實際使用中取得良好的效果，值得推廣到其他行業(yè)應(yīng)用。
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