摘 要：本文主要介紹臺達機電產(chǎn)品在中央空調(diào)恒溫系統(tǒng)上的整體解決方案。系統(tǒng)通過將冰水閥門的開度納入控制架構(gòu)中以適時的調(diào)節(jié)冰水的流量，配合溫控器上的PID 運算可對馬達轉(zhuǎn)速及冰水閥的開度做相互配合完成定溫控制的目的。系統(tǒng)運行證明：臺達產(chǎn)品安全穩(wěn)定，性價比高，值得業(yè)界推廣。
關(guān)鍵詞：中央空調(diào)  溫控器  PID  臺達HMI
Abstract: This paper mainly introduces the whole solution of Delta electromechanical products in central air-condition’s constant temperature system.The control system puts ice water valve’s opening in control frame to regulate ice water’s flux timly.At the same time the system can match the motor’s rotate speed and ice water valve’s opening so that it can fulfill the system’s constant temperature control based on temperature controller’s PID operation.The operation practice proves that Delta products can work with good performance and stability, so it’s worth being widely spread. 
Key words: Central air-condition; Temperature controller; PID; Delta HMI
      1 前言
      在大樓或廠房的中央空調(diào)系統(tǒng)中，大部份的架構(gòu)是由冰水主機制造冰水后再流經(jīng)各區(qū)域的送風(fēng)箱送出冷空氣。一般傳統(tǒng)的控制上，是以變頻器對送風(fēng)箱馬達做變頻(變轉(zhuǎn)速)的控制，以控制出風(fēng)量的大小。而單使用風(fēng)量的調(diào)節(jié)是無法達到恒溫的要求，只能適時的減低轉(zhuǎn)速以減少冷房出力及降低馬達本身電能的浪費。因此恒溫控制上，則必需同時把冰水閥門的開度一起納入控制架構(gòu)中以適時的調(diào)節(jié)冰水的流量，此時再配合溫控器上的PID 運算即可對馬達轉(zhuǎn)速及冰水閥的開度做相互配合而完成定溫控制的目地。
臺達機電至今已經(jīng)能為客戶提供PLC控制器、溫度控制器、計數(shù)器、人機界面、變頻驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品，可以向客戶提供完善可靠的機電一體化解決方案。本文基于臺達機電產(chǎn)品在中央空調(diào)恒溫系統(tǒng)上的應(yīng)用，實現(xiàn)了空調(diào)恒溫系統(tǒng)的良好控制，效果良好，得到業(yè)界同行認(rèn)可。
      2 控制系統(tǒng)
      2.1 系統(tǒng)框圖
      以下是以單一區(qū)域(一個樓層或獨立會議室)做恒溫控制，并且使用最經(jīng)濟的臺達產(chǎn)品架構(gòu)即可達到人性化的操作接口。系統(tǒng)框架圖如圖1所示：

 

圖1  系統(tǒng)控制框架圖

 

      系統(tǒng)通過上位臺達HMI進行控制系統(tǒng)的監(jiān)控，通過RS485協(xié)議連接臺達變頻器和溫控器；前者用于驅(qū)動送風(fēng)量，后者用于控制三通冰水閥；這樣通過送風(fēng)量和冰水閥的調(diào)節(jié)就可以實現(xiàn)對中央空調(diào)恒溫系統(tǒng)的有效控制。
      2.2 系統(tǒng)效益說明
      在一般的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，因馬達送風(fēng)為定頻出力，會造成環(huán)溫已到達設(shè)定溫時，仍輸出過多冷房能力，造成環(huán)溫太低以致人員的舒適度不佳，也造成能源的浪費。配合臺達HMI 及溫控器的使用，即可提供一個方便的使用接口來精確設(shè)定所要的室溫(達小數(shù)下一位)，并且藉由溫控器PID 運算功能，適度開啟閥門的開度及調(diào)節(jié)送風(fēng)量達到恒溫的要求，也可以減少冰水消耗以節(jié)省冰水機的電力耗能。因此藉由小額的工程及材料費用即可達到舒適環(huán)境及每日節(jié)能的效果。
      2.3 系統(tǒng)改造效果評估
      于理論的學(xué)理上，馬達的轉(zhuǎn)速和耗能為3 次方關(guān)系，因此當(dāng)馬達的頻率由60Hz 降為30Hz 時，此時的耗能只需1/8。但由于空調(diào)環(huán)境中有人員產(chǎn)生CO2 的問題，因此經(jīng)驗上通常最低的運轉(zhuǎn)頻率為不低于30Hz，以達到空氣正常循環(huán)的要求。而冰水閥的開度調(diào)整可適時調(diào)節(jié)冰水流量，若是系統(tǒng)中有多部冰水機供應(yīng)冰水，此時也可利用PLC 程序判斷是否要將部份冰水機卸載以減少多部冰水機連轉(zhuǎn)所造成的能源浪費。
      2.4 系統(tǒng)設(shè)備配置
      系統(tǒng)配置如表1所示。

 

	型號	參數(shù)設(shè)定
HMI	3.8寸	各系列皆可使用，而3.8寸最為經(jīng)濟且已符合要求
變頻器	VFD-B	1) 02-00 = 4 (頻率來源由通訊RS485) 2) 02-01 = 3 (運轉(zhuǎn)指令來源由通訊RS485，Stop 鍵有效) 3) 通訊格式為9600、7、E、1 即可
溫控器	DTC1000L	1) 設(shè)定為冷卻控制 2) 選擇為PID 控制(P=1、I=240、D=0)

 

表1 系統(tǒng)設(shè)備配置

 

      2.5 系統(tǒng)配線圖

 

      系統(tǒng)接線圖如圖2和圖3所示。

 

 
圖2  HMI接線圖
 
圖3 溫控器接線圖

 

      3  程序及操作說明
      由于此系統(tǒng)中未使用到PLC，因此一些簡易的判斷程序，將利用HMI 上的宏來實現(xiàn)，以下將說明畫面架構(gòu)及內(nèi)部中所編寫的宏程序。
(變頻器站號為1，溫控器站號為3)
HMI 畫面如圖4所示:

 

圖4 HMI畫面及說明

 

宏程序:
宏一共分為3 部份，(clock 宏、按鈕on/off 宏及cycle 宏)。
Clock 宏說明: 計算出變頻器的運轉(zhuǎn)頻率，并寫至變頻器中。
1) 批注
2) 把溫控器H1000(PV 值)讀出放到$100 中供畫面顯示用)
3) 把溫控H1012(輸出量)讀出放到$102 中。
4) 由于輸出量$102 為小數(shù)下一位，因此除10只取出整數(shù)部份$103 供畫面顯示用。
5) 批注
6) 當(dāng)溫控輸出量$102 小于60.0%時，跳到LABEL1 中，把$150 設(shè)為3000(即變頻器運轉(zhuǎn)頻率為30.00Hz)。由于變頻器最低運行為30Hz，利用此行宏控制住。
7) 若溫控輸出量$102 大于60.0%時，把輸出量*5 傳到$150
中。(當(dāng)溫控輸出量為60%~100%當(dāng)中，送風(fēng)率變化30
~50Hz，因60Hz 風(fēng)量太大，因此最大頻率控制在50Hz)
8) 跳至第11 行。
9) LABEL1 位置。相關(guān)宏程序如圖5所示。

 

圖5  宏程序示意圖

 

10) 當(dāng)溫控輸出量$102 小于60.0%時，變頻器運轉(zhuǎn)頻率$150 固定為30.00Hz。
11) LABEL2 位置。
12) 把宏程序算出的運轉(zhuǎn)頻率$150 傳送給變頻器H2001(頻率命令)緩存器來改變設(shè)定值。
13) 由于變頻器的頻率設(shè)定值$150 為小數(shù)下2 位，因此除100 取出整數(shù)部份至$200 中，供畫面顯示用。
按鈕on/off 宏說明: 按下啟動/停止鈕后，啟動/停止變頻器。啟動畫面如圖6所示。

 

圖6  啟動畫面

 

1) 按鈕型式為交替型，當(dāng)按鈕為ON 時，啟動 ”編輯

ON 宏”   ，把變頻器中H2000(對驅(qū)動器的命令)設(shè)為2，此時變頻器即啟動運轉(zhuǎn)。
2) 按鈕型式為交替型，當(dāng)按鈕為OFF 時，啟動 ”編輯OFF 宏”   ，把變頻器中H2000(對驅(qū)動器的命令)設(shè)為1，此時變頻器即停止運轉(zhuǎn)。
Cycle 宏說明: 當(dāng)變頻器于Run 狀態(tài)時，讓風(fēng)扇產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的動畫來呈現(xiàn)。狀態(tài)圖畫面如圖7所示。

 

 
圖7 狀態(tài)圖畫面

 

1) 讀取變頻器H2101.0(LED Run 燈狀態(tài))，當(dāng)Run 燈
為ON 時，開始改變風(fēng)扇的8 張動畫狀態(tài)圖。
2) 移至第9 行。
3) LABEL1 位置
4) 當(dāng)動畫已顯示到第8 張時，跳至LABEL10 位置
把$160=0，以切回第1 張。
5) 還未到第8 張時，$160 的值加1，以顯示下一張。
6) 移至第9 行。
7) LABEL10 位置
8) 當(dāng)上方程式已顯示到第8 張時，程序跳到此處
把$160=0 以切回第一張。
9) LABEL2 位置
      4  溫控器PID 設(shè)定原理
      上述的內(nèi)容中，我們有提到溫控器中的PID 參數(shù)分別為P=1，I=240，D=0 對冰水閥執(zhí)行控制后即可達到恒溫的目的。原因在于空調(diào)的環(huán)境相對于工業(yè)的設(shè)備是屬于溫度變化很緩慢的系統(tǒng)，因此我們并不需要以執(zhí)行AutoTurning 的動作來取得PID 值，而直接透由以下慨念性的PID 觀念即可手動設(shè)定出我們實際的需要。
      于溫控器中的輸出量總合，是由P 量 + I 量 + D 量 + IOF來取得，而當(dāng)中的D 量是外亂因素的反應(yīng)及IOF是預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)輸出量，這兩者因素對于空調(diào)的系統(tǒng)中，我們并不需使用因此皆設(shè)為0，只需以下面的P 量及I 量及可達成。
       4.1 P 量:
1) 由于空調(diào)系統(tǒng)是以冷氣空調(diào)為例， 輸出量與溫度關(guān)系圖如圖8所示。

 

圖8   輸出量與溫度關(guān)系圖

 

因此溫控器的控制模式要選為冷卻控制(Ctrl=Cool)。
2) 假設(shè)要求溫度為26 度，因此SV 值為26。
3) 由右圖中得知，若P 值設(shè)為1 時(即當(dāng)26+1=27)度時輸出的P 量即為100%(閥門全開)。
4) 當(dāng)溫度到達26 度時，輸出P 量為0%(閥門全關(guān))，因此27 度~26 度的過程中，是以線性的比例來
對應(yīng)每一過程中的輸出P 量。
5) 若是在冷房能力是足夠的情形下，溫度是不易超過27 度的，因為
會產(chǎn)生100%的冷房輸出把溫度壓下來。
6) 但當(dāng)溫度已到達26 度時，由圖中的輸出P 量可得知為0%(閥門全關(guān))，以全關(guān)的狀態(tài)要保持住恒溫是不可能的，因此我們需再配合I 量的計算，來補足恒溫所需的基本輸出量。
      4.2  I 量:
1) 結(jié)合上述P 量觀念，當(dāng)只有P 量的控制時，溫度的控制只能達到右圖中(1)的狀態(tài)，和設(shè)定溫產(chǎn)生一段的誤差而難以達到恒溫的要求。因此配合I 量的計算輸出，把P 量再加上適當(dāng)?shù)腎 量，如右圖(2)所示，即可達到所需的目的。如圖9所示。

 

圖9  溫度與時間關(guān)系圖

 

2) 由于我們知道I 值是對某單位時間做積分，因此當(dāng)I 值愈小時，表示于很短時間即做一次積分，此時很容易造成I 輸出量過大，而產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。
3) 臺達溫控器對于I 值的出廠默認(rèn)值為240，這是屬于徧大的I 值，而由于空調(diào)系統(tǒng)并不需要很快速的反應(yīng)，因此直接套用此值即可。而如果用于其它需要快速反應(yīng)的環(huán)境時，我們也可以適度的減少I 值，以加快系統(tǒng)的反應(yīng)，但當(dāng)然可要以不發(fā)生振蕩情形為基礎(chǔ)的條件
下。
      5 結(jié)語
      上述方案經(jīng)過長期實際應(yīng)用驗證，不僅能使中央空調(diào)系統(tǒng)達到良好的恒溫功能，而且節(jié)能效果非常明顯；在類似系統(tǒng)整合控制場合，臺達機電產(chǎn)品均能憑借優(yōu)越的性能為客戶帶來最大的收益。

 

【參考文獻】
【1】臺達DOP-B人機界面應(yīng)用技術(shù)手冊，臺達內(nèi)部資料  2007
【2】臺達VFD-EL變頻器技術(shù)手冊，臺達內(nèi)部資料  2007
【3】變頻器在工業(yè)中的選擇與應(yīng)用 劉繼黨等 科技信息    2009年第23期
【4】臺達DTA系列溫控表技術(shù)手冊，臺達內(nèi)部資料  2006

 

作者簡介
施炳彰  臺達機電事業(yè)部技術(shù)專家，現(xiàn)從事臺達自動化產(chǎn)品技術(shù)整合應(yīng)用與研究。