臺達變頻器結合PLC與人機界面在中央空調上的應用
2005/6/9 15:41:00
摘要 本文介紹了采用臺達變頻器結合PLC與人機界面在中央空調水泵風機上應用過程，對中央空調水泵風機的變頻改造方案、變頻改造節(jié)能效果和變頻監(jiān)控系統(tǒng)作了詳細的描述，并給出了中央空調水泵風機的變頻改造原理圖、變頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構圖、人機界面畫面圖、系統(tǒng)控制方法和程序流程圖。
關鍵字 變頻器 PLC 人機界面 RS-485串行通訊 中央空調
一、前言
我公司是一家主要生產(chǎn)乙肝疫苗的制藥公司,由凈化中央空調設備提供生產(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量具有很明顯的需求變化，而水泵風機的風量、水流量的調節(jié)是靠風門、節(jié)流閥的手動調節(jié)。當風量、水流量的需求減少時，風門、閥的開度減少；當風量、水流量的需求增加時，風門、閥的開度增大。這種調節(jié)方式雖然簡單易行，已成習慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費大量能源在風門、閥上作為代價的。而且該中央空調在正常工作時，大多數(shù)風門及閥的開度都在50%-60%，這說明現(xiàn)有中央空調水泵風機設計的容量要比實際需要高出很多，嚴重存在“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、計算機技術的迅速發(fā)展，變頻調速技術越來越成熟，因此我們對公司的中央空調水泵風機加裝19臺變頻器進行了節(jié)能改造。又由于水泵風機分散性較大，為了減少值班人員的巡視工作強度，便于及時掌握水泵風機的工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障，我們通過PLC及人機界面與變頻器的通訊應用，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界面上直接設定頻率值與啟停各臺變頻器，能實時監(jiān)控水泵風機電機實際工作電流、電壓、頻率的大小，并具有報警等功能。
二、中央空調水泵風機變頻改造方案
1、改造前設備情況
（1）、基因部空調設備情況
①制冷主機為日立機組，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）、老二樓空調機房空調設備情況
①制冷主機為日立機組，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）、分包裝空調機房空調設備情況
①制冷主機為日立機組，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臺空調風柜。①基因部空調風柜7臺，其中22KW風機電機3臺，11KW風機電機2臺，15KW和18.5KW風機電機各1臺。②老二樓空調風柜3臺，其中15KW風機電機2臺，11KW風機電機1臺。③質檢部空調風柜3臺，其中11KW風機電機2臺，7.5KW風機電機1臺。
2、水泵變頻改造方案
因為冷凍泵和冷卻泵進出水溫差都小于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VFD-P11KW變頻器和一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅動（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動一臺水泵電機運轉），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。同樣對老二樓空調機房及分包裝空調機房的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)也各使用一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅動，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：先將中央空調水泵系統(tǒng)所有的風閥門完全打開，在保證冷凍機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（調試時確定為35HZ），將其設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調節(jié)將溫差量變?yōu)槟M量反饋給變頻器，當溫差小于等于設定值5℃時，冷凍水流量可適當減少，這時變頻器VVVF2降頻運行，電機轉速減慢；當溫差大于設定值5℃時，這時變頻器VVVF2升頻運行，電機轉速加快，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
將控制屏上的轉換開關撥至開環(huán)位置，順時針旋動電位器來改變冷凍水泵電機的轉速快慢。
（3）、工頻/變頻切換工作
在系統(tǒng)自動工作狀態(tài)下，當變頻器發(fā)生故障時，由PLC1控制另一臺備用水泵電機投入工頻運行，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/自動轉換開關撥至手動位置，按下相應的起動按鈕來啟動相應的水泵電機。
圖一 中央空調水泵變頻改造原理圖
3、風機變頻改造方案
因為所有風柜的風機均處于全開、正常負荷運行狀態(tài)，恒溫調節(jié)時，是由冷風出風閥來調節(jié)風量。如果生產(chǎn)車間房間內的溫度偏高，則風閥開大，加大冷風量，使生產(chǎn)車間房間內的溫度降低。如果生產(chǎn)車間房間內的溫度偏低，則需關閉一部分風閥開度，減少冷風量，來維持生產(chǎn)車間房間的冷熱平衡。 因此，送入生產(chǎn)車間內部的風量是可調節(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)負荷很輕，對空調冷量的要求也大大降低，只需少量的冷風量就能維持生產(chǎn)車間房間的正壓與冷量的需求了，故對13臺風機全部進行了變頻節(jié)能改造，利用變頻器來對風量進行調節(jié)。
中央空調風機變頻改造原理圖如圖二所示，在原有工頻控制的基礎上，增加7個變頻控制柜，采用13臺臺達VFD-P系列變頻器驅動13臺風機電機，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的程序控制，在周一至周五的7：30-23：00設定變頻器在45HZ下運行，在周一至周五的23：00后至第二天的7：30及周六、周日設定變頻器在35HZ下運行（其運行的頻率可根據(jù)需要來設定），以改變風機的轉速，同時13臺變頻器與中央監(jiān)控室的人機界面和PLC實行聯(lián)機通訊，可以實現(xiàn)遠程人機監(jiān)控。
圖二 中央空調風機變頻改造原理圖
三、中央空調水泵風機變頻節(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#日立機組冷卻水泵14#（15KW）和K4風柜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：由于風機每天的負荷變化不大，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風柜電機的節(jié)電率為：（350-220）/350 = 37%
由上述計算可知：水泵和風機變頻改造后平均節(jié)能率為35%，在實際使用中，節(jié)電效果會更好。
表2：K4風柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計
四、中央空調水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)
1、系統(tǒng)硬件組成
中央空調水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構圖如圖三所示，它由公司自來水恒壓泵、分包裝部二樓冷凍泵、質檢部老二樓空調機房水泵風機和基因部水泵風機四個子系統(tǒng)組成，對分布在不同部門的19臺變頻器實施遠程監(jiān)控。各部分說明如下：①、變頻器選用臺達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，保護功能完善，內建功能強大的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而設計的互動式工作站，具備與各品牌
關鍵字 變頻器 PLC 人機界面 RS-485串行通訊 中央空調
一、前言
我公司是一家主要生產(chǎn)乙肝疫苗的制藥公司,由凈化中央空調設備提供生產(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量具有很明顯的需求變化，而水泵風機的風量、水流量的調節(jié)是靠風門、節(jié)流閥的手動調節(jié)。當風量、水流量的需求減少時，風門、閥的開度減少；當風量、水流量的需求增加時，風門、閥的開度增大。這種調節(jié)方式雖然簡單易行，已成習慣，但它是以增加管網(wǎng)損耗，耗費大量能源在風門、閥上作為代價的。而且該中央空調在正常工作時，大多數(shù)風門及閥的開度都在50%-60%，這說明現(xiàn)有中央空調水泵風機設計的容量要比實際需要高出很多，嚴重存在“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、計算機技術的迅速發(fā)展，變頻調速技術越來越成熟，因此我們對公司的中央空調水泵風機加裝19臺變頻器進行了節(jié)能改造。又由于水泵風機分散性較大，為了減少值班人員的巡視工作強度，便于及時掌握水泵風機的工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障，我們通過PLC及人機界面與變頻器的通訊應用，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界面上直接設定頻率值與啟停各臺變頻器，能實時監(jiān)控水泵風機電機實際工作電流、電壓、頻率的大小，并具有報警等功能。
二、中央空調水泵風機變頻改造方案
1、改造前設備情況
（1）、基因部空調設備情況
①制冷主機為日立機組，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）、老二樓空調機房空調設備情況
①制冷主機為日立機組，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）、分包裝空調機房空調設備情況
①制冷主機為日立機組，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臺空調風柜。①基因部空調風柜7臺，其中22KW風機電機3臺，11KW風機電機2臺，15KW和18.5KW風機電機各1臺。②老二樓空調風柜3臺，其中15KW風機電機2臺，11KW風機電機1臺。③質檢部空調風柜3臺，其中11KW風機電機2臺，7.5KW風機電機1臺。
2、水泵變頻改造方案
因為冷凍泵和冷卻泵進出水溫差都小于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VFD-P11KW變頻器和一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅動（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動一臺水泵電機運轉），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。同樣對老二樓空調機房及分包裝空調機房的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)也各使用一臺臺達VFD-P15KW 變頻器分別實施一拖三驅動，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：先將中央空調水泵系統(tǒng)所有的風閥門完全打開，在保證冷凍機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（調試時確定為35HZ），將其設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調節(jié)將溫差量變?yōu)槟M量反饋給變頻器，當溫差小于等于設定值5℃時，冷凍水流量可適當減少，這時變頻器VVVF2降頻運行，電機轉速減慢；當溫差大于設定值5℃時，這時變頻器VVVF2升頻運行，電機轉速加快，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
將控制屏上的轉換開關撥至開環(huán)位置，順時針旋動電位器來改變冷凍水泵電機的轉速快慢。
（3）、工頻/變頻切換工作
在系統(tǒng)自動工作狀態(tài)下，當變頻器發(fā)生故障時，由PLC1控制另一臺備用水泵電機投入工頻運行，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/自動轉換開關撥至手動位置，按下相應的起動按鈕來啟動相應的水泵電機。
圖一 中央空調水泵變頻改造原理圖
3、風機變頻改造方案
因為所有風柜的風機均處于全開、正常負荷運行狀態(tài)，恒溫調節(jié)時，是由冷風出風閥來調節(jié)風量。如果生產(chǎn)車間房間內的溫度偏高，則風閥開大，加大冷風量，使生產(chǎn)車間房間內的溫度降低。如果生產(chǎn)車間房間內的溫度偏低，則需關閉一部分風閥開度，減少冷風量，來維持生產(chǎn)車間房間的冷熱平衡。 因此，送入生產(chǎn)車間內部的風量是可調節(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)負荷很輕，對空調冷量的要求也大大降低，只需少量的冷風量就能維持生產(chǎn)車間房間的正壓與冷量的需求了，故對13臺風機全部進行了變頻節(jié)能改造，利用變頻器來對風量進行調節(jié)。
中央空調風機變頻改造原理圖如圖二所示，在原有工頻控制的基礎上，增加7個變頻控制柜，采用13臺臺達VFD-P系列變頻器驅動13臺風機電機，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的程序控制，在周一至周五的7：30-23：00設定變頻器在45HZ下運行，在周一至周五的23：00后至第二天的7：30及周六、周日設定變頻器在35HZ下運行（其運行的頻率可根據(jù)需要來設定），以改變風機的轉速，同時13臺變頻器與中央監(jiān)控室的人機界面和PLC實行聯(lián)機通訊，可以實現(xiàn)遠程人機監(jiān)控。
圖二 中央空調風機變頻改造原理圖
三、中央空調水泵風機變頻節(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#日立機組冷卻水泵14#（15KW）和K4風柜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：由于風機每天的負荷變化不大，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風柜電機的節(jié)電率為：（350-220）/350 = 37%
由上述計算可知：水泵和風機變頻改造后平均節(jié)能率為35%，在實際使用中，節(jié)電效果會更好。
表2：K4風柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計
四、中央空調水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)
1、系統(tǒng)硬件組成
中央空調水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構圖如圖三所示，它由公司自來水恒壓泵、分包裝部二樓冷凍泵、質檢部老二樓空調機房水泵風機和基因部水泵風機四個子系統(tǒng)組成，對分布在不同部門的19臺變頻器實施遠程監(jiān)控。各部分說明如下：①、變頻器選用臺達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，保護功能完善，內建功能強大的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而設計的互動式工作站，具備與各品牌
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