應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 案例名稱 台達產品應用於中央空調系統之恆溫控制架構 發行單位 應用服務技術中心 發行日期 Feb. 11 2009 適用機種 觸控式人機界面、溫度控制器、交流馬達驅動器 頁數 6 機器設備名稱: 中央空調系統之恆溫控制架構 機器設備本身的規格或特點: 於大樓或廠房的中央空調系統中，大部份的架構是由冰水主機製造冰水後再流經各區域的送風箱送出冷空氣。一般傳 統的控制上，是以變頻器對送風箱馬達做變頻(變轉速)的控制，以控制出風量的大小。而單使用風量的調節是無法達 到恆溫的要求，只能適時的減低轉速以減少冷房出力及降低馬達本身電能的浪費。因此恆溫控制上則必需同時把冰水 閥門的開度一起納入控制架構中以適時的調節冰水的流量，此時再配合溫控器上的 PID 運算即可對馬達轉速及冰水閥 的開度做相互配合而完成定溫控制的目地。 控制系統的功能說明或功能方塊圖: (冰水 冰水) 冰水 (回水 回水) 回水 (Sensor Input) (by (RS485) (3.8HMI) (DTC1000L 輸出 0~10V 控制閥 門開度(PID 運算) (三通冰水閥 三通冰水閥) 三通冰水閥 讀取溫控 PV 值及輸出量 設定溫控 SV 值 控制變頻器運轉頻率 控制變頻器啟動/停止 (PT100) 變頻器驅動送風量 (B type 變頻器) 變頻器 品質至上 信賴第一 追求卓越 (送風箱 送風箱) 送風箱 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 系統整合使用的效益說明 系統整合使用的效益說明: 於一般的傳統控制系統中，因馬達送風為定頻出力，會造成環溫已到達設定溫時，仍輸出過多冷房能力，造成環溫太 低以致人員的舒適度不佳，也造成能源的浪費。配合台達 HMI 及溫控器的使用，即可提供一個方便的使用介面來精確 設定所要的室溫(達小數下一位)，並且藉由溫控器 PID 運算功能，適度開啟閥門的開度及調節送風量達到恆溫的要求， 也可以減少冰水消耗以節省冰水機的電力耗能。因此藉由小額的工程及材料費用即可達到舒適環境及每日節能的效果。 系統改造的主要成果或改造效果評估: 於理論的學理上，馬達的轉速和耗能為 3 次方關係，因此當馬達的頻率由 60Hz 降為 30Hz 時，此時的耗能只需 1/8。 但由於空調環境中有人員產生 CO2 的問題，因此經驗上通常最低的運轉頻率為不低於 30Hz，以達到空氣正常循環的 要求。而冰水閥的開度調整可適時調節冰水流量，若是系統中有多部冰水機供應冰水，此時也可利用 PLC 程式判斷是 否要將部份冰水機卸載以減少多部冰水機連轉所造成的能源浪費。 設備上使用的台達機電產品: 型號 參數設定 3.8 吋 各系列皆可使用，而 3.8 吋最為經濟且已符合需求 HMI 1) 02-00 = 4 (頻率來源由通訊 RS485) 變頻器 2) 02-01 = 3 (運轉指令來源由通訊 RS485，Stop 鍵有效) B type 3) 通訊格式為 9600、7、E、1 即可 溫控器 DTC1000L 2)1) 設定為冷卻控制 選擇為 PID 控制(P=1、I=240、D=0) 配線圖: ( 3.8 吋 HMI 側) (3.8 吋 HMI 側) Switch 於上方時為 RS485 於下方時為 RS422 (至變頻器及溫控器 至變頻器及溫控器) 至變頻器及溫控器 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 (PIN 1、2、3 接 PT100 Sensor) (PIN 8、9 接至冰水閥門控制開度) 程式及操作說明: 由於此系統中未使用到 PLC，因此一些簡易的判斷程式，將利用 HMI 上的巨集來實現，以下將說明畫面架構及內部中 所編寫的巨集程式。(變頻器站號為 1，溫控器站號為 3) HMI 畫面: $100(溫度 PV 值，以柱狀圖方式表示) 3@H4701(直接輸入到溫控 SV 值中) $100(溫度 PV 值，以數值方式表示) $103(閥門開度，即溫控計算出的輸出量) $200(變頻器運轉頻率，由 HMI 巨集計算後取得) 品質至上 信賴第一 追求卓越 讀取 H2101.0(Run 燈狀態)的交替型按鈕 (底圖放上 8 狀態的狀態圖顯示元件$160) 配合畫面 Cycle 巨集，當變頻器於運轉時，改變狀態圖讓風扇產生轉 動的方式來加強示意。 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 巨集程式: 巨集一共分為 3 部份，(clock 巨集、按鈕 on/off 巨集及 cycle 巨集)。 巨集說明: 計算出變頻器的運轉頻率，並寫至變頻器中。 1) 註解 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) 由於輸出量$102 為小數下一位，因此除 10 只取出整數 部份$103 供畫面顯示用。 5) 註解 6) 當溫控輸出量$102 小於 60.0%時，跳到 LABEL1 中，把 $150 設為 3000(即變頻器運轉頻率為 30.00Hz)。由於變 頻器最低運行為 30Hz，利用此行巨集控制住。 7) 若溫控輸出量$102 大於 60.0%時，把輸出量*5 傳到$150 中。(當溫控輸出量為 60%~100%當中，送風頻率變化 30 ~50Hz，因 60Hz 風量太大，因此最大頻率控制在 50Hz) 8) 跳至第 11 行。 9) LABEL1 位置。 10) 當溫控輸出量$102 小於 60.0%時，變頻器運轉頻率$150 固定為 30.00Hz。 11) LABEL2 位置。 12) 把巨集程式算出的運轉頻率$150 傳送給變頻器 H2001(頻率命令)暫存器來改變設定值。 13) 由於變頻器的頻率設定值$150 為小數下 2 位，因此除 100 取出整數部份至$200 中，供畫面顯示用。 Clock 按鈕 on/off 巨集說明: 按下啟動/停止鈕後，啟動/停止變頻器。 按鈕型式為交替型，當按鈕為 ON 時，啟動 ”編輯 ON 巨集” ，把變頻器中 H2000(對驅動器的命令)設為 2，此時變頻器即啟動 運轉。 2) 按鈕型式為交替型，當按鈕為 OFF 時，啟動 ”編輯 OFF 巨集” ，把變頻器中 H2000(對驅動器的命令)設為 1，此時變頻器即停止 運轉。 1) 品質至上 信賴第一 追求卓越 (啟動按鈕) QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 Cycle 巨集說明: 當變頻器於 Run 狀態時，讓風扇產生轉動的動畫來呈現。 讀取變頻器 H2101.0(LED Run 燈狀態)，當 Run 燈 為 ON 時，開始改變風扇的 8 張動畫狀態圖。 2) 移至第 9 行。 3) LABEL1 位置 4) 當動畫已顯示到第 8 張時，跳至 LABEL10 位置 把$160=0，以切回第 1 張。 5) 還未到第 8 張時，$160 的值加 1，以顯示下一張。 6) 移至第 9 行。 7) LABEL10 位置 8) 當上方程式已顯示到第 8 張時，程式跳到此處 把$160=0 以切回第一張。 9) LABEL2 位置 1) (狀態圖動畫表現) 其他: 溫控器 PID 設定原理 上述的內容中，我們有提到溫控器中的 PID 參數分別為 P=1，I=240，D=0 對冰水閥執行控制後即可達到恆溫的目 的。原因在於空調的環境相對於工業的設備是屬於溫度變化很緩慢的系統，因此我們並不需要以執行 AutoTurning 的 動作來取得 PID 值，而直接透由以下慨念性的 PID 觀念即可手動設定出我們實際的需要。 於溫控器中的輸出量總合，是由 P 量 + I 量 + D 量 + Iof 來取得，而當中的 D 量是外亂因素的反應及 Iof 是預設 的基礎輸出量，這兩者因素對於空調的系統中，我們並不需使用因此皆設為 0，只需以下面的 P 量及 I 量及可達成。 量: 1) 由於空調系統是以冷氣空調為例，因此溫控器 的控制模式要選為冷卻控制(Ctrl=Cool)。 2) 假設要求溫度為 26 度，因此 SV 值為 26。 3) 由右圖中得知，若 P 值設為 1 時(即當 26+1=27) 度時輸出的 P 量即為 100%(閥門全開)。 4) 當溫度到達 26 度時，輸出 P 量為 0%(閥門全關) ，因此 27 度~26 度的過程中，是以線性的比例來 對應每一過程中的輸出 P 量。 5) 若是在冷房能力是足夠的情形下，溫度是不易超過 27 度的，因為 P 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT 應用案例 台達電子工業股份有限公司 機電事業部 會產生 100%的冷房輸出把溫度壓下來。 6) 但當溫度已到達 26 度時，由圖中的輸出 P 量可得知為 0%(閥門全關)，以全關的狀態要保持住恆溫是不可能的， 因此我們需再配合 I 量的計算，來補足恆溫所需的基本輸出量。 量: 1) 結合上述 P 量觀念，當只有 P 量的控制時，溫 度的控制只能達到右圖中(1)的狀態，和設定溫 (2) 產生一段的誤差而難以達到恆溫的要求。 因此配合 I 量的計算輸出，把 P 量再加上適當的 (1) I 量，如右圖(2)所示，即可達到所需的目的。 2) 由於我們知道 I 值是對某單位時間做積分，因此 當 I 值愈小時，表示於很短時間即做一次積分， 此時很容易造成 I 輸出量過大，而產生振盪現象。 3) 台達溫控器對於 I 值的出廠預設值為 240，這是屬於徧大的 I 值，而由於空調系統並不需要很快速的反應，因此 直接套用此值即可。而如果用於其他需要快速反應的環境時，我們也可以適度的減少 I 值，以加快系統的反應， 但當然可要以不發生振盪情形為基礎的條件下。 I 品質至上 信賴第一 追求卓越 QUALITY RELIABLITY EXCELLENT