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)鍵詞：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(fèi)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(fèi)。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(qiáng)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(yáng)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(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(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(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(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(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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(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(yùn)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)。 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(yùn)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(yùn)行時，不改變原來的操作方式，在變頻方式下運(yùn)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(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。 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(yùn)行一星期，每天定時記錄電表讀數(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 　　 　　工頻運(yùn)行（每天上午9：00抄表） 　　變頻運(yùn)行（每天上午9：00抄表） 　　 　　日期 　　 電表讀數(shù)（度） 　　 用電量（度） 　　 日期 　　 電表讀數(shù)（度） 　　 用電量（度） 　　 　　2002年3月19日 　　 891 　　 / 　　 2002年4月1日 　　 4121 　　 / 　　 　　2002年3月20日 　　 1191 　　 300 　　 2002年4月2日 　　 4309 　　 188 　　 　　2002年3月21日 　　 1486 　　 295 　　 2002年4月3日 　　 4492 　　 183 　　 　　2002年3月22日 　　 1781 　　 295 　　 2002年4月4日 　　 4682 　　 190 　　 　　2002年3月23日 　　 2082 　　 301 　　 2002年4月5日 　　 4867 　　 185 　　 　　2002年3月24日 　　 2280 　　 298 　　 2002年4月6日 　　 5053 　　 186 　　 　　2002年3月25日 　　 2580 　　 300 　　 2002年4月7日 　　 5248 　　 195 　　 1、表1的數(shù)據(jù)分析：在工頻運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行時日用電量在350度左右。變頻運(yùn)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 　　 　　工頻運(yùn)行（每天上午9：00抄表） 　　變頻運(yùn)行（每天上午9：00抄表） 　　 　　日期 　　 電表讀數(shù)（度） 　　 用電量（度） 　　 日期 　　 電表讀數(shù)（度） 　　 用電量（度） 　　 　　2002年3月19日 　　 350 　　 / 　　 2002年4月1日 　　 3790 　　 / 　　 　　2002年3月20日 　　 698 　　 348 　　 2002年4月2日 　　 4006 　　 216 　　 　　2002年3月21日 　　 1048 　　 350 　　 2002年4月3日 　　 4226 　　 220 　　 　　2002年3月22日 　　 1395 　　 347 　　 2002年4月4日 　　 4444 　　 218 　　 　　2002年3月23日 　　 1741 　　 346 　　 2002年4月5日 　　 4660 　　 216 　　 　　2002年3月24日 　　 2089 　　 348 　　 2002年4月6日 　　 4877 　　 217 　　 　　2002年3月25日 　　 2036 　　 347 　　 2002年4月7日 　　 5097 　　 220 　　 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(qiáng)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WINDOWS95/WINDOWS98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(qiáng)，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(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(qiáng)和多站能力的優(yōu)點。 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(yùn)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(qiáng)制切換畫面。參數(shù)顯示畫面之一如圖四所示。 [/ALIGN]圖四 基因部中央空調(diào)風(fēng)機(jī)水泵1#監(jiān)控畫面[/ALIGN] 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。 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(yùn)行條件，減少水泵、風(fēng)機(jī)、閥門等的維護(hù)量。本變頻改造項目及監(jiān)控系統(tǒng)自2002年5月投運(yùn)以來，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，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。 　　 參考文獻(xiàn) 　　 1 毛朝輝 . 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