摘要：本文介紹了采用臺達變頻器結(jié)合PLC與人機界面在中央空調(diào)水泵風機上應用過程，對中央空調(diào)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(diào)水泵風機的變頻改造原理圖、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(diào)節(jié)是靠風門、節(jié)流閥的手動調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)水泵風機設(shè)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(shù)、計算機技術(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(shè)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(diào)水泵風機變頻改造方案

　　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(diào)機房空調(diào)設(shè)備情況

　�、僦评渲鳈C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(diào)機房空調(diào)設(shè)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(diào)風柜。①基因部空調(diào)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(diào)風柜3臺，其中15KW風機電機2臺,生產(chǎn)負壓風機，11KW風機電機1臺。③質(zhì)檢部空調(diào)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(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)動一臺水泵電機運轉(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)機房及分包裝空調(diào)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(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(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�擬量反饋給變頻器，當溫差小于等于設(shè)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(zhuǎn)速減慢；當溫差大于設(shè)定值5℃時，這時變頻器VVVF2升頻運行，電機轉(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。

　　（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(zhuǎn)換開關(guān)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(diào)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(diào)節(jié)時，是由冷風出風閥來調(diào)節(jié)風量。如果生產(chǎn)車間負壓風機房間內(nèi)的溫度偏高，則風閥開大，加大冷風量，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(nèi)部的風量是可調(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)負荷很輕，對空調(diào)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(diào)節(jié)。

　　中央空調(diào)風機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VFD-P系列變頻器驅(qū)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(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下運行（其運行的頻率可根據(jù)需要來設(shè)定），以改變風機的轉(zhuǎn)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(diào)風機變頻改造原理圖

　　三、中央空調(diào)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,廠房負壓風機，故其用電量比較穩(wěn)定�？梢钥闯�，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(diào)水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　1、 系統(tǒng)硬件組成

　　中央空調(diào)水泵風機變頻監(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(nèi)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(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)境中應用，可代替普通或工控計算機。其主要特點有：畫面容量大，可達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，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；人機界面上的觸摸按鍵可產(chǎn)生相應的開關(guān)信號，或輸入數(shù)值、字符給PLC進行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應的動作控制設(shè)備的運行；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、抗干擾能力強和多站能力的優(yōu)點。

圖三 變頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　2、人機界面畫面設(shè)計

　　本系統(tǒng)人機界面所有畫面均由ADP3全中文軟件進行設(shè)計，有主畫面、參數(shù)設(shè)定、運轉(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界面即可使用。人機界面與PLC之間通過RS232通訊電纜以主從方式進行連接。由PLC對人機界面的狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進行讀寫達到兩者之間的信息交互。PLC讀人機界面狀態(tài)通知區(qū)中的數(shù)據(jù)，得到當前畫面號，而通過寫人機界面狀態(tài)控制區(qū)的數(shù)據(jù)，強制切換畫面。參數(shù)顯示畫面之一如圖四所示。

圖四 基因部中央空調(diào)風機水泵1#監(jiān)控畫面

　　用戶需要監(jiān)視19臺水泵風機的電壓、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回復其工作狀態(tài)，經(jīng)PLC處理后送人機界面，這樣人機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、距離較遠的19臺變頻器實施遠程監(jiān)控，能在中央監(jiān)控室的人機界面上自動/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)水泵風機電機實際工作電壓、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的二個頻率值，現(xiàn)使用時段值一：7：30對應頻率一 45HZ，時段值二：23：00對應頻率二 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)的遠程監(jiān)控，還可通過打印機實現(xiàn)報表的打印。

　　控制系統(tǒng)作為風電機組中最關(guān)鍵的核心零部件，目前仍是國內(nèi)風電設(shè)備制造業(yè)中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)目前唯一沒有實現(xiàn)批量國產(chǎn)化的部件。

　　我國風電行業(yè)目前的形勢
　　
　　2005 年以來，我國風電總裝機容量的 10% 左右，這是一個相當驚人的增長。目前，從裝機容量來看，我國已成為亞洲第一、世界第四、風電風電裝機以年均 100% 的速度快速發(fā)展，到 2008 年底，我國風電總裝機容量達到了 1215 萬 KW，占世界裝機容量超 1000 萬 KW 的風電大國。排在前三位的依次是美國、德國和西班牙，其裝機容量分別為 2517 萬、2390 萬和 1675 萬 KW。
　　
　　需求的快速增長也帶動了我國風電設(shè)備制造業(yè)的快速發(fā)展。
　　
　　2004 年，我國風電制造業(yè)技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模的提高。憂的是這 70 余家風機風電市場上占據(jù)絕對主導地位。至于這些整機制造廠家?guī)�動的零部件生產(chǎn)企業(yè)究竟有多少，更是一個無法準確統(tǒng)計的數(shù)字。這些風機風機整機制造的前期準備工作，呈現(xiàn)出“你未唱罷我登場，百家風企競風流”這樣一個喜憂參半的格局。喜的是經(jīng)過這些年的發(fā)展，內(nèi)資和合資企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大、技術(shù)能力不斷增強、市場占有率上升很快。2004 年，內(nèi)（合）資企業(yè)和外資企業(yè)占當年風電風機整機制造企業(yè)僅 6 家，目前明確進入風機整機制造的企業(yè)已超過 70 家，另外還有一些公司正在開展進入新增裝機的比例分別為 25% 和 75%，而到 2008 年這一比例正好顛倒了過來，內(nèi)（合）資企業(yè)已經(jīng)在整機制造企業(yè)及零部件企業(yè)的發(fā)展壯大，有力地促進了我國企業(yè)的技術(shù)水平、生產(chǎn)規(guī)模、服務能力參差不齊，真正形成規(guī)模、比較有競爭能力的還只有寥寥幾家，大多數(shù)企業(yè)對于未來面臨的巨大風險都估計不足，這是我國目前風電設(shè)備制造業(yè)存在的一個突出問題。
　　
　　從未來的發(fā)展形勢來看，風電裝機容量將達到 1.4 億 KW 這樣的水平，這是十分可觀的數(shù)字。這表明，從宏觀形勢來看，風電風電裝機容量占我國電力風電產(chǎn)業(yè)至少將有十多年的黃金發(fā)展期。從世界范圍來看，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家為解決能源短缺和環(huán)境污染問題，都將大規(guī)模發(fā)展風力發(fā)電作為主要解決方案。在我國，情況也是如此。2008 年底，1215 萬 KW 的總裝機容量的比例還僅為 1.5%，預計到 2020 年這一比例將達到 10% 左右，即到 2020 年行業(yè)大發(fā)展的高潮確實已經(jīng)到來。

　　風機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　風機的控制系統(tǒng)是風機的重要組成部分，它承擔著風機監(jiān)控、自動調(diào)節(jié)、實現(xiàn)最大風能捕獲以及保證良好的電網(wǎng)兼容性等重要任務，它主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器）幾部分組成。各部分的主要功能如下： 監(jiān)控系統(tǒng)（ SCADA）：監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全風場風機狀況的監(jiān)視與啟、停操作，它包括大型監(jiān)控軟件及完善的通訊網(wǎng)絡(luò)。 主控系統(tǒng)：主控系統(tǒng)是風機控制系統(tǒng)的主體，它實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。它對外的三個主要接口系統(tǒng)就是監(jiān)控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)（變頻器），它與監(jiān)控系統(tǒng)接口完成風機實時數(shù)據(jù)及統(tǒng)計數(shù)據(jù)的交換，與變槳控制系統(tǒng)接口完成對葉片的控制，實現(xiàn)最大風能捕獲以及恒速運行，與變頻系統(tǒng)（變頻器）接口實現(xiàn)對有功功率以及無功功率的自動調(diào)節(jié)。
　　
　　變槳控制系統(tǒng)：與主控系統(tǒng)配合，通過對葉片節(jié)距角的控制，實現(xiàn)最大風能捕獲以及恒速運行，提高了風力發(fā)電機組的運行靈活性。目前來看，變槳控制系統(tǒng)的葉片驅(qū)動有液壓和電氣兩種方式，電氣驅(qū)動方式中又有采用交流電機和直流電機兩種不同方案。究竟采用何種方式主要取決于制造廠家多年來形成的技術(shù)路線及傳統(tǒng)。
　　
　　變頻系統(tǒng)（變頻）器：與主控制系統(tǒng)接口，和發(fā)電機、電網(wǎng)連接，直接承擔著保證供電品質(zhì)、提高功率因素，滿足電網(wǎng)兼容性標準等重要作用。