在樓宇或廠房的中央空調(diào)系統(tǒng)中，大部份架構(gòu)是由冰水主機(jī)制造冰水后再流經(jīng)各區(qū)域的送風(fēng)箱而送出冷空氣的。一般傳統(tǒng)的控制是以變頻器對(duì)送風(fēng)箱馬達(dá)做變頻(變轉(zhuǎn)速)的控制，以控制出風(fēng)量的大小。由于單獨(dú)使用風(fēng)量的調(diào)節(jié)是無法達(dá)到恒溫要求的，只能適時(shí)地降低轉(zhuǎn)速以減少冷房出力及減少馬達(dá)本身電能的浪費(fèi)。因此在做恒溫控制時(shí)，則必需同時(shí)把冰水閥門的開度一起納入控制架構(gòu)中，以適時(shí)調(diào)節(jié)冰水的流量，此時(shí)再配合溫控器上的PID 運(yùn)算即可對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速及冰水閥的開度做相互配合而完成定溫控制的目的。
控制系統(tǒng)功能說明
1.系統(tǒng)控制系統(tǒng)
圖1是以單一區(qū)域(一個(gè)樓層或獨(dú)立會(huì)議室)做恒溫控制，并且使用最經(jīng)濟(jì)的臺(tái)達(dá)產(chǎn)品架構(gòu)即可達(dá)到人性化的操作接口。
圖1 單一區(qū)域恒溫系統(tǒng)控制圖
2.系統(tǒng)整合使用效益
在一般的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，因馬達(dá)送風(fēng)為恒定頻率，會(huì)造成環(huán)境溫度已到達(dá)設(shè)定溫時(shí)，仍輸出過多冷氣，造成環(huán)境溫度過低而導(dǎo)致人感覺不夠舒適，也造成能源的浪費(fèi)。配合臺(tái)達(dá)HMI及溫控器的使用，即可提供一個(gè)方便的使用接口來精確設(shè)定所要的室溫(精確范圍可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后一位)，并且藉由溫控器PID 運(yùn)算功能，適度開啟閥門的開度及調(diào)節(jié)送風(fēng)量達(dá)到恒溫的要求，也可以減少冰水消耗以節(jié)省冰水機(jī)的電力耗能。因此藉由小額的工程及材料費(fèi)用即可達(dá)到舒適環(huán)境及每日節(jié)能的效果。
3.系統(tǒng)改造的主要效果評(píng)估
在理論上，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和耗能為3次方關(guān)系，因此當(dāng)馬達(dá)的頻率由60Hz降為30Hz時(shí)，耗能只相當(dāng)于原來能耗的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(yàn)上通常最低的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為不低于30Hz，以達(dá)到空氣正常循環(huán)的要求。
而冰水閥的開度調(diào)整可適時(shí)調(diào)節(jié)冰水流量，若是系統(tǒng)中有多部冰水機(jī)供應(yīng)冰水，此時(shí)也可利用PLC 程序判斷是否要將部份冰水機(jī)卸載以減少多部冰水機(jī)連轉(zhuǎn)所造成的能源浪費(fèi)。
4.系統(tǒng)配置
系統(tǒng)整體如表1所示。
表1 設(shè)備上使用的臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品
型號(hào) 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(jì)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(yùn)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)
5.系統(tǒng)接線圖
HMI接線圖如圖2所示，溫控器接線圖如圖3所示。
圖2 HMI接線圖
圖3 溫控器接線圖
程序及操作說明
由于此系統(tǒng)中未使用到PLC，因此一些簡(jiǎn)易的判斷程序，將利用HMI上的宏來實(shí)現(xiàn)，以下將說明畫面架構(gòu)及內(nèi)部中所編寫的宏程序，如圖4(變頻器站號(hào)為1，溫控器站號(hào)為3)。
圖4 HMI畫面
宏程序:宏一共分clock 宏、按鈕on/off 宏及cycle 宏3個(gè)部分。
1.Clock 宏說明: 計(jì)算出變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，并寫至變頻器中。見圖5。
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)后一位，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(shí)，跳到LABEL1 中，把$150設(shè)為3000(即變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為30.00Hz)；由于變頻器最低運(yùn)行為30Hz，利用此行宏控制住；
7) 若溫控輸出量$102 大于60.0%時(shí)，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)頻率變化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；
10) 當(dāng)溫控輸出量$102 小于60.0%時(shí)，變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率$150 固定為30.00Hz；
11) LABEL2 位置；
12) 把宏程序算出的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率$150 傳送給變頻器H2001(頻率命令)緩存器來改變?cè)O(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。
圖5 Clock 宏示意圖
2.按鈕on/off 宏說明: 按下啟動(dòng)/停止鈕后，啟動(dòng)/停止變頻器。見圖6、圖7。
1) 按鈕型式為交替型，當(dāng)按鈕為ON 時(shí)，啟動(dòng) "編輯ON 宏" ，把變頻器中H2000(對(duì)驅(qū)動(dòng)器的命令)設(shè)為2，此時(shí)變頻器即啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
2) 按鈕型式為交替型，當(dāng)按鈕為OFF 時(shí)，啟動(dòng)"編輯OFF 宏" ，把變頻器中H2000(對(duì)驅(qū)動(dòng)器的命令)設(shè)為1，此時(shí)變頻器即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖6 啟動(dòng)畫面
圖7 狀態(tài)圖畫面
3.Cycle 宏說明: 當(dāng)變頻器于Run 狀態(tài)時(shí)，讓風(fēng)扇產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)畫來呈現(xiàn)。見圖8。
1) 讀取變頻器H2101.0(LED Run 燈狀態(tài))，當(dāng)Run 燈為ON時(shí)，開始改變風(fēng)扇的8 張動(dòng)畫狀態(tài)圖；
2) 移至第9 行；
3) LABEL1 位置；
4) 當(dāng)動(dòng)畫已顯示到第8張時(shí)，跳至LABEL10位置把$160=0，以切回第1張；
5) 還未到第8 張時(shí)，$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(shí)，程序跳到此處把$160=0以切回第一張；
9) LABEL2 位置。
圖8 Cycle圖示意圖
溫控器PID 設(shè)定原理
上述的內(nèi)容中，溫控器中的PID 參數(shù)分別為P=1、I=240、D=0，對(duì)冰水閥執(zhí)行控制后即可達(dá)到恒溫的目的。原因在于空調(diào)的環(huán)境相對(duì)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(dòng)作來取得PID 值，而直接由慨念性的PID觀念即可手動(dòng)設(shè)定出我們實(shí)際的需要。
溫控器中的輸出量總和，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(duì)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(dá)成。
1.P量:
1) 由于空調(diào)系統(tǒng)是以冷氣空調(diào)為例，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℃，因此SV值為26；
3) 由9圖中得知，若P 值設(shè)為1 時(shí)(即當(dāng)26+1=27)度時(shí)輸出的P 量即為100%(閥門全開)；
4) 當(dāng)溫度到達(dá)26℃時(shí)，輸出P 量為0%(閥門全關(guān))，因此由26℃到27℃的過程中，是以線性的比例來對(duì)應(yīng)每一過程中的輸出P量的；
5) 若是在冷房能力是足夠的情形下，溫度是不易超過27℃的，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生100%的冷房輸出把溫度壓下來；
6) 但當(dāng)溫度已到達(dá)26℃時(shí)，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(jì)算，來補(bǔ)足恒溫所需的基本輸出量。
圖9 輸出量與溫度關(guān)系圖
2.I量:
1) 結(jié)合上述P 量觀念，當(dāng)只有P量的控制時(shí)，溫度的控制只能達(dá)到圖10中(1)的狀態(tài)，和設(shè)定溫產(chǎn)生一段的誤差而難以達(dá)到恒溫的要求。因此配合I 量的計(jì)算輸出，把P 量再加上適當(dāng)?shù)腎 量，如圖10中(2)所示，即可達(dá)到所需的目的；
2) 由于我們知道I值是對(duì)某單位時(shí)間做積分，因此當(dāng)I 值愈小時(shí)，表示于很短時(shí)間即做一次積分，此時(shí)很容易造成I 輸出量過大，而產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；
3) 臺(tái)達(dá)溫控器對(duì)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(shí)，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。
圖10 溫度與時(shí)間關(guān)系圖