台达中央空调恒温系统解决方案

1 引言

　　在楼宇或厂房的中央空调系统中，大部分架构是由冰水主机制造冰水后再流经各区域的送风箱而送出冷空气的。一般传统的控制是以变频器对送风箱马达实现变频(变转速)的控制，以控制出风量的大小。由于单独使用风量的调节是无法达到恒温要求的，只能适时地降低转速以减少冷房出力及减少马达本身电能的浪费。因此在进行恒温控制时，则必须同时把冰水阀门的开度一起纳入控制架构中，以适时调节冰水的流量，此时再配合温控器上的pid运算即可对马达转速及冰水阀的开度做相互配合而完成定温控制的目的。

2 控制系统功能

　　2.1 系统控制系统

　　图1是以单一区域(一个楼层或独立会议室)做恒温控制，并且使用最经济的台达产品架构即可达到人性化的操作接口。其工作流程如图1所示。

图1 单一区域恒温系统控制图

　　2.2 系统整合使用效益

　　在一般的传统控制系统中，因马达送风为恒定频率，会造成环境温度已到达设定温时，仍输出过多冷气，造成环境温度过低而导致人感觉不够舒适，也造成能源的浪费。配合台达hmi及温控器的使用，即可提供一个方便的使用接口来精确设定所要的室温(精确范围可达小数点后一位)，并且藉由温控器pid运算功能，适度开启阀门的开度及调节送风量达到恒温的要求，也可以减少冰水消耗，以节省冰水机的电力耗能。因此，藉由小额的工程及材料费用即可达到舒适环境及每日节能的效果。

　　2.3 系统改造的主要效果评估

　　在理论上，马达的转速和耗能为3次方关系，因此当马达的频率由60hz降为30hz时，耗能只相当于原来能耗的1/8。但由于空调环境中有人员产生co2的问题，因此经验上通常最低的运转频率为不低于30hz，以达到空气正常循环的要求。

　　而冰水阀的开度调整可适时调节冰水流量，若是系统中有多部冰水机供应冰水，此时也可利用plc程序判断是否要将部份冰水机卸载以减少多部冰水机连转所造成的能源浪费。

2.4 系统配置

系统整体如表1所示。

表1 设备上使用的台达机电产品

2.5 系统接线图

　　hmi接线图如图2所示，温控器接线图如图3所示。

图2 hmi接线图

图3 温控器接线图

3 程序及操作说明

　　由于此系统中未使用到plc，因此一些简易的判断程序，将利用hmi上的宏来实现，以下将说明画面架构及内部中所编写的宏程序，如图4所示，其中变频器站号为1，温控器站号为3。

图4 hmi界面

　　宏程序：宏一共分clock宏、按钮on/off宏及cycle宏3个部分。

3.1 clock 宏说明

　　计算出变频器的运转频率，并写至变频器中。见图5，说明如下：

图5 clock 宏示意图

　　(1)批注；

　　(2)把温控器h1000(pv值)读出放到$100中供画面显示用；

　　(3)把温控h1012(输出量)读出放到$102中；

　　(4)由于输出量$102为小数后一位，因此除10只取出整数部份$103供画面显示用；

　　(5)批注；

　　(6)当温控输出量$102小于60.0%时，跳到label1中，把$150设为3000(即变频器运转频率为30.00hz)；由于变频器最低运行为30hz，利用此行宏控制住；

　　(7)若温控输出量$102大于60.0%时，把输出量*5传到$150中(当温控输出量为60%～100%当中，送风频率变化30～50hz，因60hz风量太大，因此最大频率控制在50hz)；

　　(8)跳至第11行；

　　(9)label1位置；

　　(10)当温控输出量$102小于60.0%时，变频器运转频率$150固定为30.00hz；

　　(11)label2位置；

　　(12)把宏程序算出的运转频率$150传送给变频器h2001(频率命令)缓存器来改变设定值；

　　(13)由于变频器的频率设定值$150为小数下2位，因此除100取出整数部份至$200中，供画面显示用。

　　3.2 按钮on/off 宏说明

　　按下启动/停止钮后，启动/停止变频器，见图6、图7。说明如下：

图6 启动画面

图7 状态图画面

　　(1)按钮型式为交替型，当按钮为on时，启动“编辑on宏”，把变频器中h2000(对驱动器的命令)设为2，此时变频器即启动运转。

　　(2)按钮型式为交替型，当按钮为off时，启动“编辑off 宏” ，把变频器中h2000(对驱动器的命令)设为1，此时变频器即停止运转。

3.3 cycle 宏说明

　　当变频器于run状态时，让风扇产生转动的动画来呈现，见图8。说明如下：

图8 cycle图示意图

　　(1)读取变频器h2101.0(led run灯状态)，当run灯为on时，开始改变风扇的8张动画状态图；

　　(2)移至第9行；

　　(3)label1位置；

　　(4)当动画已显示到第8张时，跳至label10位置把$160=0，以切回第1张；

　　(5)还未到第8 张时，$160的值加1，以显示下一张；

　　(6)移至第9行；

　　(7)label10位置；

　　(8)当上方程式已显示到第8张时，程序跳到此处把$160=0以切回第一张；

　　(9)label2位置。

4 温控器pid 设定原理

　　上述的内容中，温控器中的pid参数分别为p=1、i=240、d=0，对冰水阀执行控制后即可达到恒温的目的。原因在于空调的环境相对于工业的设备是属于温度变化很缓慢的系统，因此我们并不需要以执行autoturning的动作来取得pid值，而直接由慨念性的pid观念即可手动设定出我们实际的需要。

　　温控器中的输出量总和，是由p量+i量+d量+iof来取得，而当中的d量是外乱因素的反应及iof是预设的基础输出量，这两者因素对于空调的系统中，我们并不需使用，因此皆设为0，只需考虑参数p和i。

图9 输出量与温度关系图

　　4.1 p量

　　(1)由于空调系统是以冷气空调为例，因此温控器的控制模式要选为冷却控制(ctrl=cool)；

　　(2)假设要求温度为26℃，因此sv值为26；

　　(3)图9为输出量与温度的关系曲线，可看出，若p的值设为1时(即当26+1=27)，输出p量即为100%(阀门全开)；

　　(4)当温度到达26℃时，输出p量为0%(阀门全关)，因此由26℃到27℃的过程中，是以线性的比例来对应每一过程中的输出p量的；

　　(5)若是在冷房能力是足够的情形下，温度是不易超过27℃的，因为会产生100%的冷房输出把温度压下来；

　　(6)但当温度已到达26℃时，由图中的输出p量可得知为0%(阀门全关)，以全关的状态要保持住恒温是不可能的，因此我们需再配合i量的计算，来补足恒温所需的基本输出量。

4.2 i量

　　(1)如上所述，当只用p量进行控制时，温度的控制只能达到图10中(1)的状态，与设定温有一定的误差，而难以达到恒温的要求。因此配合i量的计算和输出，即进行pi调节，如图10中(2)所示，即可达到所需的目的；

图10 温度与时间关系图

　　(2)由于我们知道i值是对某单位时间做积分，因此当i 值愈小时，表示于很短时间即做一 次积分，此时很容易造成i输出量过大，而产生振荡现象；

　　(3)台达温控器对于i 值的出厂默认值为240，这是属于徧大的i值，而由于空调系统并不需要很快速的反应，因此直接套用此值即可。而如果用于其它需要快速反应的环境时，我们也可以适度的减少i值，以加快系统的反应，但当然可要以不发生振荡情形为基础的条件下。

5 结束语

　　台达中央空调恒温系统使用了友好的人机界面及宏程序的编写，在温度控制中采用了pi算法，从而获得高精度的恒温控制效果。