潔凈FFU在潔凈室系統(tǒng)中的控制方法
2023-03-27 08:15:46 admin
FFU在潔凈室系統(tǒng)中的控制方法常見的有多檔開關控制（一般是三檔控制）、連續(xù)速度調(diào)節(jié)控制、計算機控制（群控）、遙控控制。
1.引言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。而生產(chǎn)技術和生產(chǎn)環(huán)境決定了產(chǎn)品質(zhì)量，這就迫使廠家追求更好的生產(chǎn)技術和更高的生產(chǎn)環(huán)境。特別是電子、制藥、食品、生物工程、醫(yī)療、實驗室等領域?qū)ιa(chǎn)環(huán)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(diào)、自動控制等多方面的技術。衡量這些行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量的主要技術指標有溫度、濕度、潔凈度、風量、室內(nèi)正壓等。因此，對生產(chǎn)環(huán)境的各個技術指標進行合理的控制，以滿足特殊生產(chǎn)工藝的要求，成為了現(xiàn)凈工程的研究熱點之一。FFU凈化單元作為一種凈化設備，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(jīng)開始出現(xiàn)FFU的應用了。
2.FFU 控制方式現(xiàn)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(xù)速度調(diào)節(jié)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(tǒng)只包括FFU 自帶的一個調(diào)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(nèi) 的各個位置，工作人員必須在現(xiàn)場通過撥擋開關來調(diào)節(jié) FFU，控制起來極不方便，而且 FFU 的風速可調(diào)范圍有限，僅 限于幾檔。我們曾經(jīng)做過一個項目，為了克服 FFU 控制操作不方便的因素，經(jīng)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(nèi)，實現(xiàn)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(yōu)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(diào)速、沒有反饋信號、不能實現(xiàn)靈活的組 群控制等。
2.2 連續(xù)速度調(diào)節(jié)控制
連續(xù)速度調(diào)節(jié)控制與多檔開關控制方式相比，多了一個連續(xù)速度調(diào)節(jié)器，使FFU 風機轉速連續(xù)可調(diào)，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(xiàn) FFU 的集中監(jiān)測和控制。
◆ 可方便的實現(xiàn) FFU 的單臺、多臺及分區(qū)控制。
◆ 智能化控制系統(tǒng)具有節(jié)能功能。
◆ 可采用可選的遙控方式進行監(jiān)測和控制。
◆ 控制系統(tǒng)預留通信接口，可與上位機或網(wǎng)絡進行通訊，從而實現(xiàn)遠程通信和管理功能。 控制直流電機的突出優(yōu)點在于：容易控制、調(diào)速范圍較寬。但該控制方式也有一些致命的缺陷：
◆ 由于潔凈廠房不允許 FFU 電機帶有電刷，因此，F(xiàn)FU 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(tǒng)的使用壽命也大大降低。
◆ 整套系統(tǒng)造價昂貴。
◆ 后期維護費用高。
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(yōu)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(diào)速性能很差，因此，調(diào)速方式一直被直流調(diào)速方式所占領。但隨著新型電力電子器件與大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，以及新的控制理論不斷的出現(xiàn)及應用，交流控制方式也逐漸發(fā)展起來，并將最終取代直流調(diào)速系統(tǒng)。
在FFU 交流控制方式中，又主要分為兩種控制方式：調(diào)壓控制方式和變頻控制方式。所謂調(diào)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(diào)整電動機的轉速。調(diào)壓方式的缺點是：調(diào)速時的效率較低，低速時，電機發(fā)熱嚴重、 調(diào)速范圍較窄等。但是，調(diào)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(yōu)點：
◆ 調(diào)速方案成熟，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠保證長時間無故障連續(xù)運行。
◆ 操作簡便，控制系統(tǒng)造價低。
◆ 由于 FFU 風機負載很輕，在低速時，電機發(fā)熱不是很嚴重。
◆ 調(diào)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(diào)速范圍可以做到很寬。 因此，在今后的一段時期內(nèi)，調(diào)壓方式還將是一種主要的調(diào)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(diào)速電動機的轉速，同時，按一定比例調(diào)整整電動機的輸入電壓。變頻 控制方式具有優(yōu)異的性能，調(diào)速范圍大，平滑性較高，調(diào)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(shù)高；
3）系統(tǒng)動態(tài)響應快；
4）輸出諧波少。
在目前的情況下，與調(diào)壓方式相比，變頻方式也有一些缺點，這主要體現(xiàn)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(diào)壓方式長。由于異步電動機屬于感性負載，功率因數(shù)不會等于 1.0，故在中間直流環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(fā)展，可以預料，一些簡單可靠、性能優(yōu)異、價格便宜的變頻調(diào)速系統(tǒng)將不斷出現(xiàn)，異步電動機的變頻調(diào)速方法的應用將日見廣泛，并將最終取代直流調(diào)速方式和調(diào)壓調(diào)速方式。
◆ 使用壽命不如調(diào)壓方式長。由于異步電動機屬于感性負載，功率因數(shù)不會等于 1.0，故在中間直流環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(fā)展，可以預料，一些簡單可靠、性能優(yōu)異、價格便宜的變頻調(diào)速系統(tǒng)將不斷出現(xiàn)，異步電動機的變頻調(diào)速方法的應用將日見廣泛，并將最終取代直流調(diào)速方式和調(diào)壓調(diào)速方式。
3.FFU 智能化控制系統(tǒng)
目前，在FFU 的應用領域內(nèi)，其控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的節(jié)能效益越來越被人所重視。 每個潔凈室根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)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(tǒng)所能調(diào)節(jié)的風速范 圍有限，不能根據(jù)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(xiàn)狀，最近推出了能夠數(shù)字化調(diào)節(jié)風速的 HH-F 系列 FFU 智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作 簡單，界面友好，特別是可根據(jù)潔凈室的具體風速要求（例如 0.37m/s,0.28m/s），數(shù)字化設定。
FFU 控制系統(tǒng)是一套集散型控制系統(tǒng)，能夠方便的實現(xiàn)現(xiàn)場分散控制和集中統(tǒng)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(tǒng)利用中繼器技術，解決了 485 驅(qū)動能力有限的問題，可控制無限臺風機。本控 制系統(tǒng)包括以下四部分內(nèi)容：
◆ 現(xiàn)場智能控制器
◆ 有線集中控制方式
◆ 遙控控制方式
◆ 系統(tǒng)綜合功能 控制系統(tǒng)拓撲圖如下圖：
3.1 現(xiàn)場智能控制模塊
現(xiàn)場智能控制模塊以單片機為核心處理器來實現(xiàn)控制功能。一臺智能模塊控制一臺FFU?，F(xiàn)場智能控制模塊分為調(diào)壓 模塊和變頻模塊，
兩種智能控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)現(xiàn)場控制：通過預留的 RS485 接口可實現(xiàn)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(xiàn)遙控控制。
2）通過可插拔的手操器能夠?qū)崿F(xiàn) FFU 的啟停和準確的無級調(diào)速，能夠顯示FFU出口風速值。
3）該智能模塊使 FFU 具有節(jié)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(xiàn)場智能模塊預留的RS485 接口來實現(xiàn)。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(xiàn)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；
2）人機界面單元；
3）報警控制單元。
1）中央控制單元，采用 PLC 控制器。能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制功能：
◆ 與現(xiàn)場智能控制模塊采用 RS485 總線制聯(lián)結方式，對采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析、處理；實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制功 能。從而實現(xiàn)對現(xiàn)場所有 FFU 的集中監(jiān)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(xiàn)遠距離對 FFU 的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制功能：
◆ 能夠方便的實現(xiàn) FFU 的單臺、多臺及分區(qū)控制。也就是說，能夠同時控制任意臺數(shù)的 FFU。
◆ 能夠?qū)崿F(xiàn)任意臺數(shù) FFU 的啟停和調(diào)速功能，調(diào)速功能能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，即直接輸入預期的風速值（如：0.25、0.31 等），以達到調(diào)速的目的。
◆ 能夠?qū)θ我庖慌_ FFU 的風速值進行監(jiān)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(fā)生故障時，該控制單 元實時發(fā)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(jiān)控人員及時處理故障。
控制盤控制方式：根據(jù)實際系統(tǒng)的需要，中繼器有相應數(shù)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(tǒng)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(shù)量進行設置。（系統(tǒng)規(guī)定每組風機數(shù)量最多位 16 臺）。
4）對整個潔凈室的某一臺風機運行狀態(tài)進行查詢，如風機的起停狀態(tài)，風機的運行風速。
5）短路保護功能：當發(fā)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(xiàn)場智能模塊預留接口，通過可插拔的通訊模塊來實現(xiàn)遙控控制方式。具體功能由手操器實現(xiàn)，采用一對多的控制方式進行控制。手操器能實現(xiàn)以下控制功能：
1）能夠方便的實現(xiàn)每臺 FFU 的啟停和調(diào)速功能。調(diào)速功能能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，即直接輸入預期的風速值，以達到調(diào)速的 目的。
2）能夠?qū)γ恳慌_ FFU 的風速值進行監(jiān)測。
3.4 系統(tǒng)綜合功能 控制系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：
1）交流調(diào)壓方式控制系統(tǒng)能夠保證正常使用條件下長時間無故障連續(xù)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(tǒng)布局合理、接線簡單。
3）在滿足潔凈要求的前提下，可根據(jù)實際情況設定風速轉速，最大限度降低風機功耗，達到節(jié)能目的。
4）對風機轉速進行時序控制，在非工作時間內(nèi)，自動降低風機轉速維持室內(nèi)潔凈要求，達到節(jié)能目的。
4.結論
綜上所述，不難看出隨著高科技產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，大規(guī)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(yè)主們必須關注的問題。
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