基于變頻器結(jié)合PLC與人機(jī)界面的中央空調(diào)上設(shè)計(jì)應(yīng)用

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基于變頻器結(jié)合PLC與人機(jī)界面的中央空調(diào)上設(shè)計(jì)應(yīng)用   

    關(guān)鍵字：變頻器 PLC 人機(jī)界面 中央空調(diào)

    一、前言

    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(gè)房間的溫度、濕度和壓差等均能達(dá)到國(guó)家GMP規(guī)定的要求。因季節(jié)的變化，晝夜的變化，這樣生產(chǎn)車間的各個(gè)房間對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求減少時(shí)，風(fēng)門、閥的開度減少；當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求增加時(shí)，風(fēng)門、閥的開度增大。這種調(diào)節(jié)辦法雖然簡(jiǎn)單易行，已成習(xí)慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費(fèi)大量能源在風(fēng)門、閥上作為代價(jià)的。而且該中央空調(diào)在正常工作時(shí)，大多數(shù)風(fēng)門及閥的開度都在50%-60%，這說(shuō)明現(xiàn)有中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的容量要比實(shí)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(fèi)。近年來(lái)隨著電力、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)越來(lái)越成熟，因此我們對(duì)公司的中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)加裝19臺(tái)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(qiáng)度，便于及時(shí)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(guò)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(tái)變頻器，能實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵風(fēng)機(jī)電機(jī)實(shí)際工作電流、電壓、頻率的大小，并具有報(bào)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(tái)。②冷凍泵：11KW，2極 全壓?jiǎn)��?dòng)4臺(tái)，揚(yáng)程30m，出水溫度6℃,回水溫度為10℃，出水壓力為0.35Mpa，每臺(tái)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(tái)備二臺(tái)。③冷卻泵:15KW，2極 全壓?jiǎn)��?dòng)4臺(tái)，揚(yáng)程30m，出水溫度32.5℃,回水溫度為28.2℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺(tái)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(tái)備二臺(tái)。

    （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(tái)。②冷凍泵：15KW，2極 全壓?jiǎn)��?dòng)3臺(tái)，揚(yáng)程30m，出水溫度6.1℃,回水溫度為9.8℃，出水壓力為0.36Mpa，每臺(tái)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(tái)備二臺(tái)。③冷卻泵:15KW，2極 全壓?jiǎn)��?dòng)3臺(tái)，揚(yáng)程30m，出水溫度31.8℃,回水溫度為27.7℃，出水壓力為0.41Mpa，每臺(tái)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(tái)備二臺(tái)。

    （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(tái)。②冷凍泵：15KW，2極 全壓?jiǎn)��?dòng)3臺(tái)，揚(yáng)程30m，出水溫度5.8℃,回水溫度為9.3℃，出水壓力為0.38Mpa，每臺(tái)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(tái)備一臺(tái)。③冷卻泵:15KW，2極 全壓?jiǎn)��?dòng)3臺(tái)，揚(yáng)程30m，出水溫度31.6℃,回水溫度為27.3℃，出水壓力為0.40Mpa，每臺(tái)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(tái)備一臺(tái)。

    （4）、公司共有13臺(tái)空調(diào)風(fēng)柜。①基因部空調(diào)風(fēng)柜7臺(tái)，其中22KW風(fēng)機(jī)電機(jī)3臺(tái)，11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺(tái)，15KW和18.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)各1臺(tái)。②老二樓空調(diào)風(fēng)柜3臺(tái)，其中15KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺(tái)，11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺(tái)。③質(zhì)檢部空調(diào)風(fēng)柜3臺(tái)，其中11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺(tái)，7.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺(tái)。

     2、水泵變頻改造方案

    因冷凍泵和冷卻泵進(jìn)出水溫差都小于5℃，這說(shuō)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(duì)基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)各自使用一臺(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P11KW變頻器和一臺(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實(shí)施一拖三驅(qū)動(dòng)（如圖一所示）。根據(jù)需要由PLC1分別控制3臺(tái)冷凍水泵和3臺(tái)冷卻水泵輪流切換工作（但同一時(shí)刻一臺(tái)變頻器只能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)），使冷凍水量和冷卻水量得到靈活、方便、適時(shí)、適量的自動(dòng)控制，以滿足生產(chǎn)工藝的需求。同樣對(duì)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(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實(shí)施一拖三驅(qū)動(dòng)，其控制辦法與基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)控制辦法相同。下面以基因部冷凍水系統(tǒng)加以說(shuō)明：

    （1）、閉環(huán)控制

    基因部冷凍水系統(tǒng)采用全閉環(huán)自動(dòng)溫差控制。采用一臺(tái)11KW變頻器實(shí)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(gè)冷凍泵變頻器工作的最低工作頻率（調(diào)試時(shí)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(hào)至溫差控制器，通過(guò)PID2調(diào)節(jié)將溫差量變?yōu)槟�擬量反饋給變頻器，當(dāng)溫差小于等于設(shè)定值5℃時(shí)，冷凍水流量可適當(dāng)減少，這時(shí)變頻器VVVF2降頻運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢；當(dāng)溫差大于設(shè)定值5℃時(shí)，這時(shí)變頻器VVVF2升頻運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)展，水流量增加。冷凍泵的工作臺(tái)數(shù)和增減由PLC1控制。這樣就能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)需要，提供合適的流量，不會(huì)造成電能的浪費(fèi)。

    （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(shí)針旋動(dòng)電位器來(lái)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(dòng)工作狀態(tài)下，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，由PLC1控制另一臺(tái)備用水泵電機(jī)投入工頻運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障。也可將控制柜面板上的手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至手動(dòng)位置，按下相應(yīng)的起動(dòng)按鈕來(lái)啟動(dòng)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

    因所有風(fēng)柜的風(fēng)機(jī)均處于全開、正常負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，恒溫調(diào)節(jié)時(shí)，是由冷風(fēng)出風(fēng)閥來(lái)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(lái)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(shí)，人員很少，且很少出入、走動(dòng)等活動(dòng)，系統(tǒng)負(fù)荷很輕，對(duì)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(duì)13臺(tái)風(fēng)機(jī)全部進(jìn)行了變頻節(jié)能改造，運(yùn)用變頻器來(lái)對(duì)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(gè)變頻控制柜，采用13臺(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P系列變頻器驅(qū)動(dòng)13臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)，變頻/工頻可以相互切換。在工頻辦法下運(yùn)行時(shí)，不改變?cè)瓉?lái)的操作辦法，在變頻辦法下運(yùn)行時(shí)，變頻器在不同的時(shí)間段自動(dòng)輸出不同的頻率。即13臺(tái)變頻器受時(shí)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(yùn)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(yùn)行（其運(yùn)行的頻率可根據(jù)需要來(lái)設(shè)定），以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)13臺(tái)變頻器與中央監(jiān)控室的人機(jī)界面和PLC實(shí)行聯(lián)機(jī)通訊，可以實(shí)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(cè)試：以1#日立機(jī)組冷卻水泵14#（15KW）和K4風(fēng)柜4#（22KW）為對(duì)象，在它們各自的主回路上加裝電度表，先工頻運(yùn)行一星期，每天定時(shí)記錄電表讀數(shù)，再變頻運(yùn)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(jì)

     1、表1的數(shù)據(jù)分析：在工頻運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)的日用電量明顯要小于工頻時(shí)的數(shù)值。我們以一個(gè)星期的總用電量來(lái)計(jì)算，工頻時(shí)為2580-891=1689，變頻時(shí)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�？梢钥闯�，工頻運(yùn)行時(shí)日用電量在350度左右。變頻運(yùn)行時(shí)，日用電量在220度左右。以350和220來(lái)計(jì)算，則K4風(fēng)柜電機(jī)的節(jié)電率為：（350-220）/350 = 37%

    由上述計(jì)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(shí)際使用中，節(jié)電效果會(huì)更好。

    表2：K4風(fēng)柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

　　

    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(lái)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(gè)子系統(tǒng)組成，對(duì)分布在不同部門的19臺(tái)變頻器實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。各部分說(shuō)明如下：①、變頻器選用臺(tái)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)功能健全，內(nèi)建功能強(qiáng)大的RS-485串行通訊接口，且RS-485串行通訊協(xié)議對(duì)用戶公開等特點(diǎn)。②、PLC作為控制單元，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，選用臺(tái)達(dá)DVP24ES01R。運(yùn)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(shí)現(xiàn)與變頻器的實(shí)時(shí)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(jì)的互動(dòng)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(jì)算機(jī)。其主要特點(diǎn)有：畫面容量大，可達(dá)255個(gè)畫面，畫面規(guī)劃簡(jiǎn)單；使用ADP3全中文操作軟件，適用于WINDOWS95/WINDOWS98環(huán)境，巨集指令豐富，編程簡(jiǎn)單；具有交互性好，抗干擾能力強(qiáng)，通訊可靠性高；自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單方便，故障率低，壽命長(zhǎng)，維修量少。其主要功能有：設(shè)計(jì)者可依需要編輯出各種畫面，實(shí)時(shí)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(hào)，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(dòng)作控制設(shè)備的運(yùn)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(bào)信息、動(dòng)作流程、統(tǒng)計(jì)資料、歷史記錄、趨勢(shì)圖、簡(jiǎn)易報(bào)表等。④、RS-485串行通訊辦法：RS-485采用平衡發(fā)送接收辦法，它具有傳輸距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)和多站能力的優(yōu)點(diǎn)。

    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(jì)

    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(jì)，有主畫面、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定、參數(shù)顯示、狀態(tài)信息、報(bào)警信息和幫助等畫面，經(jīng)ADP3軟件編譯無(wú)誤后，從個(gè)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(guò)RS232通訊電纜以主從辦法進(jìn)行連接。由PLC對(duì)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(hào)，而通過(guò)寫人機(jī)界面狀態(tài)控制區(qū)的數(shù)據(jù)，強(qiáng)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(tái)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，這是運(yùn)用元件中的數(shù)值顯示功能實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)啟動(dòng)后，19臺(tái)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(shí)時(shí)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(shí)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(duì)分布在不同部門、距離較遠(yuǎn)的19臺(tái)變頻器實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，能在中央監(jiān)控室的人機(jī)界面上自動(dòng)/手動(dòng)設(shè)定、修改和寫入頻率值與啟停各臺(tái)變頻器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)電機(jī)實(shí)際工作電壓、電流、頻率的大小，并具有聲光報(bào)警等功能。具體控制方法是：采用一臺(tái)DVP-PLC、一臺(tái)人機(jī)界面PWS-3760和19臺(tái)VFD-P系列變頻器通過(guò)RS-485串行通訊辦法組成一個(gè)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)（如圖三所示）,在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定好19臺(tái)變頻器的通信參數(shù)，如控制辦法為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(jì)系統(tǒng)PLC程序，程序流程圖如圖五所示。要求手動(dòng)控制有即時(shí)設(shè)定、修改和寫入頻率值與啟停各臺(tái)變頻器等功能，自動(dòng)控制采用二個(gè)時(shí)段控制，可以隨時(shí)設(shè)定二個(gè)時(shí)段值和對(duì)應(yīng)的二個(gè)頻率值，現(xiàn)使用時(shí)段值一：7：30對(duì)應(yīng)頻率一45HZ，時(shí)段值二：23：00對(duì)應(yīng)頻率二35HZ。程序設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可通過(guò)打印機(jī)實(shí)現(xiàn)報(bào)表的打印。

　　圖五 系統(tǒng)程序流程圖

    五、結(jié)束語(yǔ)

    采用交流變頻調(diào)速器對(duì)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(jiǎn)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(yùn)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(xiàng)目及監(jiān)控系統(tǒng)自2002年5月投運(yùn)以來(lái)，已連續(xù)運(yùn)行二年多，系統(tǒng)運(yùn)行可靠平穩(wěn)，通訊數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)，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(shí)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、手動(dòng)即時(shí)變頻和自動(dòng)分時(shí)段變頻等功能，在實(shí)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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