摘 要：本文主要介紹臺(tái)達(dá)機(jī)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(guò)將冰水閥門的開度納入控制架構(gòu)中以適時(shí)的調(diào)節(jié)冰水的流量，配合溫控器上的PID 運(yùn)算可對(duì)馬達(dá)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(yùn)行證明：臺(tái)達(dá)產(chǎn)品安全穩(wěn)定，性價(jià)比高，值得業(yè)界推廣。

    關(guān)鍵詞：中央空調(diào) 溫控器 PID 臺(tái)達(dá)HMI 

    Abstract: This paper mainly introduces the whole solution of Delta electromechanical 

products in central air-condition’s constant temperature system.Thecontrol 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(jī)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(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。而單使用風(fēng)量的調(diào)節(jié)是無(wú)法達(dá)到恒溫的要求，只能適時(shí)的減低轉(zhuǎn)速以減少冷房出力及降低馬達(dá)本身電能的浪費(fèi)。因此恒溫控制上，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)的調(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地。

    臺(tái)達(dá)機(jī)電至今已經(jīng)能為客戶提供PLC控制器、溫度控制器、計(jì)數(shù)器、人機(jī)界面、變頻驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)電一體化解決方案。本文基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品在中央空調(diào)恒溫系統(tǒng)上的應(yīng)用，實(shí)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(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。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(guò)上位臺(tái)達(dá)HMI進(jìn)行控制系統(tǒng)的監(jiān)控，通過(guò)RS485協(xié)議連接臺(tái)達(dá)變頻器和溫控器；前者用于驅(qū)動(dòng)送風(fēng)量，后者用于控制三通冰水閥；這樣通過(guò)送風(fēng)量和冰水閥的調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)恒溫系統(tǒng)的有效控制。

    2.2 系統(tǒng)效益說(shuō)明

    在一般的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，因馬達(dá)送風(fēng)為定頻出力，會(huì)造成環(huán)溫已到達(dá)設(shè)定溫時(shí)，仍輸出過(guò)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(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(lái)精確設(shè)定所要的室溫(達(dá)小數(shù)下一位)，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。

    2.3 系統(tǒng)改造效果評(píng)估

    于理論的學(xué)理上，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)，此時(shí)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(wèn)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)。

    2.4 系統(tǒng)設(shè)備配置

    系統(tǒng)配置如表1所示。

    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(shuō)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(lái)實(shí)現(xiàn)，以下將說(shuō)明畫面架構(gòu)及內(nèi)部中所編寫的宏程序。

    (變頻器站號(hào)為1，溫控器站號(hào)為3)

    HMI 畫面如圖4所示:

    圖4 HMI畫面及說(shuō)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(shuō)明: 計(jì)算出變頻器的運(yùn)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(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)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(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(lái)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。

    按鈕on/off 宏說(shuō)明: 按下啟動(dòng)/停止鈕后，啟動(dòng)/停止變頻器。啟動(dòng)畫面如圖6所示。

    圖6 啟動(dòng)畫面

    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)。

    Cycle 宏說(shuō)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(lái)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(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

    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(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(lái)取得PID 值，而直接透由以下慨念性的

    PID 觀念即可手動(dòng)設(shè)定出我們實(shí)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(lái)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。

    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(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 度時(shí)，輸出P 量為0%(閥門全關(guān))，因此27 度~26 度的過(guò)程中，是以線性的比例來(lái)對(duì)應(yīng)每一過(guò)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(guò)27 度的，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生100%的冷房輸出把溫度壓下來(lái)。

    6) 但當(dāng)溫度已到達(dá)26 度時(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(lái)補(bǔ)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(shí)，溫度的控制只能達(dá)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(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，如右圖(2)所示，即可達(dá)到所需的目的。如圖9所示。

    圖9 溫度與時(shí)間關(guān)系圖

    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(guò)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。

    5 結(jié)語(yǔ)

    上述方案經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，不僅能使中央空調(diào)系統(tǒng)達(dá)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(chǎng)合，臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品均能憑借優(yōu)越的性能為客戶帶來(lái)最大的收益。

    【參考文獻(xiàn)】

    【1】臺(tái)達(dá)DOP-B人機(jī)界面應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)，臺(tái)達(dá)內(nèi)部資料 2007

    【2】臺(tái)達(dá)VFD-EL變頻器技術(shù)手冊(cè)，臺(tái)達(dá)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(tái)達(dá)DTA系列溫控表技術(shù)手冊(cè)，臺(tái)達(dá)內(nèi)部資料 2006

    作者簡(jiǎn)介

    施炳彰 臺(tái)達(dá)機(jī)電事業(yè)部技術(shù)專家，現(xiàn)從事臺(tái)達(dá)自動(dòng)化產(chǎn)品技術(shù)整合應(yīng)用與研究。■