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。

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(gè)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?yàn)榧竟?jié)的變化，晝夜的變化，這樣生產(chǎn)車間的各個(gè)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(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)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(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(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(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

　?。?）、基因部空調(diào)設(shè)備情況

　?、僦评渲鳈C(jī)為日立機(jī)組，共三臺。②冷凍泵：11KW，2極 全壓啟動(dòng)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(dòng) 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

　?、僦评渲鳈C(jī)為日立機(jī)組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動(dòng)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(dòng) 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。

　?。?）、分包裝空調(diào)機(jī)房空調(diào)設(shè)備情況

　?、僦评渲鳈C(jī)為日立機(jī)組，共兩臺。②冷凍泵：15KW，2極 全壓啟動(dòng)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(dòng) 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。

　?。?）、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?yàn)槔鋬霰煤屠鋮s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(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臺冷凍水泵和3臺冷卻水泵輪流切換工作（但同一時(shí)刻一臺變頻器只能驅(qū)動(dòng)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(shí)、適量的自動(dòng)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(shí)施一拖三驅(qū)動(dòng)，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：

　?。?）、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(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(shí)時(shí)需要，提供合適的流量，不會造成電能的浪費(fèi)。

　?。?）、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)電位器來改變冷凍水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢。

　?。?）、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?yàn)樗酗L(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(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(gè)變頻控制柜，采用13臺臺達(dá)VFD-P系列變頻器驅(qū)動(dòng)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(shí)，不改變原來的操作方式，在變頻方式下運(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)需要來設(shè)定），以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)13臺變頻器與中央監(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(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。可以看出，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，對分布在不同部門的19臺變頻器實(shí)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(diǎn)。②、PLC作為控制單元，是整個(gè)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(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(dòng)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(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，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、趨勢圖、簡易報(bào)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(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。

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(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)啟動(dòng)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(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)要求對分布在不同部門、距離較遠(yuǎn)的19臺變頻器實(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變頻器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測到中央空調(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(gè)實(shí)時(shí)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(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)段值和對應(yīng)的二個(gè)頻率值，現(xiàn)使用時(shí)段值一：7：30對應(yīng)頻率一 45HZ，時(shí)段值二：23：00對應(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，還可通過打印機(jī)實(shí)現(xiàn)報(bào)表的打印。