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潔凈室FFU控制系統

   日期:2019-07-01     來源:現代實驗室裝備網    瀏覽:739    
核心提示:FFU的全稱叫Fan Filter Unit“風機過濾單元”,也就是風機和過濾器連接在一起,能自己提供動力的潔凈設備
 1.引言

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高,人們對產品質量的要求也越來越高。而生產技術和生產環境決定了產品質量,這就迫使廠家追求更好的生產技術和更高的生產環境。特別是電子、制藥、食品、生物工程、醫療、實驗室等領域對生產環境有著苛刻的要求,它綜合了工藝、建筑、裝飾、給排水、空氣凈化、暖通、空調、自動控制等多方面的技術。衡量這些行業生產環境質量的主要技術指標有溫度、濕度、潔凈度、風量、室內正壓等。因此,對生產環境的各個技術指標進行合理的控制,以滿足特殊生產工藝的要求,成為了現在潔凈工程的研究熱點之一。FFU作為一種凈化設備,目前在各種潔凈工程中得到廣泛應用。FFU的全稱叫Fan Filter Unit“風機過濾單元”,也就是風機和過濾器連接在一起,能自己提供動力的潔凈設備,早在二十世紀六十年代,世界上第一個層流潔凈室的建立就已經開始出現FFU的應用了。

2.FFU控制方式現狀

目前FFU一般采用單相多速交流電機、三相多速交流電機和直流電機。電機的供電電壓大致有110V、220V、270V、380V四種。其控制方式主要分為以下幾種:

 ◆ 多檔開關控制  ◆ 連續速度調節控制  ◆ 計算機控制  ◆ 遙控控制

下面對以上四種控制方式做一簡單分析與比較:

2.1多檔開關控制

多檔開關控制系統只包括FFU自帶的一個調速開關和一個電源開關。由于控制元件為FFU自帶,分布在潔凈室吊頂內的各個位置,工作人員必須在現場通過撥擋開關來調節FFU,控制起來極不方便,而且FFU的風速可調范圍有限,僅限于幾檔。我們曾經做過一個項目,為了克服FFU控制操作不方便的因素,經過電氣線路的設計,把所有FFU的多檔開關集中起來,放到地面上一個柜子內,實現集中操作,但無論是從外觀還是功能上都存在其局限性。采用多檔開關控制方式優點是控制簡單、成本低,但存在許多缺陷:比如:能耗大、不能平滑調速、沒有反饋信號、不能實現靈活的組群控制等。

2.2連續速度調節控制

連續速度調節控制與多檔開關控制方式相比,多了一個連續速度調節器,使FFU風機轉速連續可調,但同時也犧牲了電機效率,使其能耗比多檔開關控制方式還要高。

2.3計算機控制

?計算機控制方式一般采用直流電機,與前面兩種方式相比,計算機控制方式具有以下先進的功能:

 ◆ 采用集散型控制方式,能夠很方便的實現FFU的集中監測和控制。

 ◆ 可方便的實現FFU的單臺、多臺及分區控制。

 ◆ 智能化控制系統具有節能功能。

 ◆ 可采用可選的遙控方式進行監測和控制。

 ◆ 控制系統預留通信接口,可與上位機或網絡進行通訊,從而實現遠程通信和管理功能。控制直流電機的突出優點在于:容易控制、調速范圍較寬。

 ◆ 由于潔凈廠房不允許FFU電機帶有電刷,因此,FFU的電機均采用無刷直流電動機,換相問題則由電子換相器解決,而電子換相器的壽命短使整控制系統的使用壽命也大大降低。

2.4遙控控制方式

遙控控制方式作為計算機控制方式的一種補充,可使用遙控器對每臺FFU進行控制,與計算機控制方式相輔相成。


綜上所述:前兩種控制方式能耗高、控制不方便;后兩種控制方式壽命短、成本高。那有沒有一種控制方式既能做到能耗低、控制方便,又能保證使用壽命、成本不高呢?有,那就是采用交流電機的計算機控制方式。


交流電動機同直流電動機相比較,具有結構簡單、體積小、制造方便、運行可靠、價格低謙等一系列的優點,由于其不存在換相問題,其使用壽命遠遠超過直流電機。長期以來由于其調速性能很差,因此,調速方式一直被直流調速方式所占領。但隨著新型電力電子器件與大規模集成電路的出現和發展,以及新的控制理論不斷的出現及應用,交流控制方式也逐漸發展起來,并將最終取代直流調速系統。


在FFU交流控制方式中,又主要分為兩種控制方式:調壓控制方式和變頻控制方式。所謂調壓控制方式,就是通過直接改變電動機定子電壓的大小來調整電動機的轉速。調壓方式的缺點是:調速時的效率較低,低速時,電機發熱嚴重、調速范圍較窄等。但是,調壓方式對于FFU風機負載來說,其缺陷不是很明顯,并且在目前的情況下還有一些優點:

◆ 調速方案成熟,調速系統穩定,能夠保證長時間無故障連續運行。

◆ 操作簡便,控制系統造價低。

◆ 由于FFU風機負載很輕,在低速時,電機發熱不是很嚴重。

◆ 調壓方式特別適合于風機負載,由于FFU風機負責曲線為獨特的阻尼曲線,因此,調速范圍可以做到很寬。因此,在今后的一段時期內,調壓方式還將是一種主要的調速方式。


變頻控制方式就是通過改變電源頻率f的方式來調速電動機的轉速,同時,按一定比例調整整電動機的輸入電壓。變頻控制方式具有優異的性能,調速范圍大,平滑性較高,調速效率高等。


變頻一般采用較先進的SPWM控制方式,并采用單片機生成SPWM波形。SPWM變頻方式同其它變頻方式相比具有以下特點:1)結構簡單,控制方便;2)輸入功率因數高;3)系統動態響應快;4)輸出諧波少。在目前的情況下,與調壓方式相比,變頻方式也有一些缺點,這主要體現在以下兩個方面:

◆ 變頻方式造價比較高。為了使變頻器的輸出諧波盡可能的減少,逆變器的功率開關器件的開關頻率要盡可能的高。因此,一般采用GTR、GTO、PMOSFET作為開關器件。上述這些器件本身造價較高。因此,變頻控制方式整體造價也比較高。

◆ 使用壽命不如調壓方式長。由于異步電動機屬于感性負載,功率因數不會等于1.0,故在中間直流環節與電動機之間總存在無功功率的交換。由于逆變器中的電力電子開關無法儲能,所以無功能量只能靠直流環節中的儲能元件(電容器)來緩沖。電容器的壽命大大限制了變頻器的使用壽命。即使是最先進的變頻器廠商,其變頻器壽命也受此限制。 隨著半導體技術的不斷發展,可以預料,一些簡單可靠、性能優異、價格便宜的變頻調速系統將不斷出現,異步電動機的變頻調速方法的應用將日見廣泛,并將最終取代直流調速方式和調壓調速方式。

3.FFU智能化控制系統

目前,在FFU的應用領域內,其控制系統的應用率還是比較低的,而且在國際市場上流行的FFU智能化控制系統中,一般只針對配備無刷直流電機的FFU。特別是在全球能源越趨緊張的今天,控制系統的節能效益越來越被人所重視。每個潔凈室根據產品的生產工藝,決定相應的風速,同時又不得不考慮能耗問題。而一般的控制系統所能調節的風速范圍有限,不能根據具體的要求提供精確的風速,特別是在8小時之外的休息時間,仍然保持較高的風速,這無疑帶來了能源上的巨大浪費。針對這種現狀,最近推出了能夠數字化調節風速的HH-F系列FFU智能化控制系統。該系統操作簡單,界面友好,特別是可根據潔凈室的具體風速要求(例如0.37m/s,0.28m/s),數字化設定。


HH-F系列FFU控制系統是一套集散型控制系統,能夠方便的實現現場分散控制和集中統一管理功能。可靈活控制潔凈室每臺風機的起停和風速,該控制系統利用中繼器技術,解決了485驅動能力有限的問題,可控制無限臺風機。本控制系統包括以下四部分內容:

◆ 現場智能控制器

◆ 有線集中控制方式

◆ 遙控控制方式

◆ 系統綜合功能

控制系統拓撲圖如下圖:


3.1現場智能控制模塊

現場智能控制模塊以單片機為核心處理器來實現控制功能。一臺智能模塊控制一臺FFU。現場智能控制模塊分為調壓模塊和變頻模塊,兩種智能控制模塊能夠實現以下控制功能:

1)智能模塊具有很強的開放性,通過可選的手操器(可插拔式)可實現現場控制:通過預留的RS485接口可實現遠程集中控制和故障診斷與設定:通過可選的遙控組件(可插拔式)可實現遙控控制。

2)通過可插拔的手操器能夠實現FFU的啟停和準確的無級調速,能夠顯示FFU出口風速值。

3)該智能模塊使FFU具有節能功能。

4)具有過載和短路保護功能:過載時,提示報警單元報警;短路時,提示報警單元報警并自動切斷FFU電源。

3.2有線控制方式

有線控制方式為可選控制方式,它通過現場智能模塊預留的RS485接口來實現。為了滿足不同用戶的需求我們采用控制盤和觸摸屏兩種控制方式,控制盤操作簡便,但顯示不太直觀,實現功能有限;觸摸屏成本操作方便,顯示畫面豐富,功能強大。

觸摸屏控制方式主要由以下三部分組成:

1)中央控制單元,采用PLC控制器。能夠實現以下控制功能:

◆ 與現場智能控制模塊采用RS485總線制聯結方式,對采集到的現場數據進行分析、處理;實現對現場設備的控制功能。從而實現對現場所有FFU的集中監測和控制。

◆ 與報警控制單元進行通訊。

◆ 與人機界面單元進行通訊。


2)人機界面單元,采用觸摸屏實現遠距離對FFU的監控和調節。能夠實現以下控制功能:

◆ 能夠方便的實現FFU的單臺、多臺及分區控制。也就是說,能夠同時控制任意臺數的FFU。

◆ 能夠實現任意臺數FFU的啟停和調速功能,調速功能能夠實現數字化,即直接輸入預期的風速值(如:0.25、0.31等),以達到調速的目的。

◆ 能夠對任意一臺FFU的風速值進行監測。

◆ 當有故障FFU報警時,能實時的顯示故障FFU。


3)報警控制單元,采用聲光報警裝置,通過與中央處理單元的通訊,當有任何一臺或多臺FFU發生故障時,該控制單元實時發出聲光報警,并與人機界面單元進行配合,迅速確定故障FFU,確保監控人員及時處理故障。


控制盤控制方式:根據實際系統的需要,中繼器有相應數量的485通訊插座,每個插座對應一組FFU控制器。通過控制盤可對每個控制器進行控制。控制功能如下:

1)對整個潔凈室某一組風機起停進行控制,可對某一組風機的風速進行統一設置。

2)對整個潔凈室的某一臺風機起停進行控制,可對某一臺風機的風速進行設置。

3)可對某一組風機數量進行設置。(系統規定每組風機數量最多位16臺)。

4)對整個潔凈室的某一臺風機運行狀態進行查詢,如風機的起停狀態,風機的運行風速。

5)短路保護功能:當發生短路時,能夠自動切斷FFU的電源以保護設備。

3.3遙控控制方式

?遙控控制方式為可選控制方式。它通過現場智能模塊預留接口,通過可插拔的通訊模塊來實現遙控控制方式。具體功能由手操器實現,采用一對多的控制方式進行控制。手操器能實現以下控制功能:

1)能夠方便的實現每臺FFU的啟停和調速功能。調速功能能夠實現數字化,即直接輸入預期的風速值,以達到調速的目的。

2)能夠對每一臺FFU的風速值進行監測。

3.4系統綜合功能

控制系統還能夠實現如下功能:

1)交流調壓方式控制系統能夠保證正常使用條件下長時間無故障連續運行,正常使用條件下能保證8萬小時以上。

2)整套控制系統布局合理、接線簡單。

3)在滿足潔凈要求的前提下,可根據實際情況設定風速轉速,最大限度降低風機功耗,達到節能目的。

4)對風機轉速進行時序控制,在非工作時間內,自動降低風機轉速維持室內潔凈要求,達到節能目的。

4.結論

綜上所述,不難看出隨著高科技產業的飛速發展,大規模應用FFU的潔凈室也將越來越多。潔凈室中FFU的集中控制也將是設計人員和業主們必須關注的問題。

 
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