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洁净室FFU控制系统
编辑:深圳市鹏腾净化设备有限公司   时间:2019-05-24

1、引言

       随着经济的发展和人们生活水平的提高,人们对产品质量的要求也越来越高。而生产技术和生产环境决定了产品质量,这就迫使厂家追求更好的生产技术和更高的生产环境。特别是电子、制药、食品、生物工程、医疗、实验室等领域对生产环境有着苛刻的要求,它综合了工艺、建筑、装饰、给排水、空气净化、暖通、空调、自动控制等多方面的技术。衡量这些行业生产环境质量的主要技术指标有温度、湿度、洁净度、风量、室内正压等。因此,对生产环境的各个技术指标进行合理的控制,以满足特殊生产工艺的要求,成为了现在洁净工程的研究热点之一。FFU作为一种净化设备,目前在各种洁净工程中得到广泛应用。FFU的全称叫Fan Filter Unit“风机过滤单元”,也就是风机和过滤器连接在一起,能自己提供动力的洁净设备,早在二十世纪六十年代,世界上头一个层流洁净室的建立就已经开始出现FFU的应用了。

2.FFU控制方式现状

目前FFU一般采用单相多速交流电机、三相多速交流电机和直流电机。电机的供电电压大致有110V、220V、270V、380V四种。其控制方式主要分为以下几种:

 

◆ 多档开关控制 ◆ 连续速度调节控制 ◆ 计算机控制 ◆ 遥控控制

 

下面对以上四种控制方式做一简单分析与比较:

 

2.1多档开关控制

       多档开关控制系统只包括FFU自带的一个调速开关和一个电源开关。由于控制元件为FFU自带,分布在洁净室吊顶内的各个位置,工作人员必须在现场通过拨挡开关来调节FFU,控制起来极不方便,而且FFU的风速可调范围有限,仅限于几档。我们曾经做过一个项目,为了克服FFU控制操作不方便的因素,经过电气线路的设计,把所有FFU的多档开关集中起来,放到地面上一个柜子内,实现集中操作,但无论是从外观还是功能上都存在其局限性。采用多档开关控制方式优点是控制简单、成本低,但存在许多缺陷:比如:能耗大、不能平滑调速、没有反馈信号、不能实现灵活的组群控制等。

2.2连续速度调节控制

        连续速度调节控制与多档开关控制方式相比,多了一个连续速度调节器,使FFU风机转速连续可调,但同时也牺牲了电机效率,使其能耗比多档开关控制方式还要高。

2.3计算机控制

计算机控制方式一般采用直流电机,与前面两种方式相比,计算机控制方式具有以下先进的功能:

◆ 采用集散型控制方式,能够很方便的实现FFU的集中监测和控制。

◆ 可方便的实现FFU的单台、多台及分区控制。

◆ 智能化控制系统具有节能功能。

◆ 可采用可选的遥控方式进行监测和控制。

◆ 控制系统预留通信接口,可与上位机或网络进行通讯,从而实现远程通信和管理功能。 控制直流电机的突出优点在于:容易控制、调速范围较宽。但该控制方式也有一些致命的缺陷:

◆ 由于洁净厂房不允许FFU电机带有电刷,因此,FFU的电机均采用无刷直流电动机,换相问题则由电子换相器解决,而电子换相器的寿命短使整控制系统的使用寿命也大大降低。

2.4遥控控制方式

遥控控制方式作为计算机控制方式的一种补充,可使用遥控器对每台FFU

进行控制,与计算机控制方式相辅相成。

综上所述:前两种控制方式能耗高、控制不方便;后两种控制方式寿命短、成本高。那有没有一种控制方式既能做到能耗低、控制方便,又能保证使用寿命、成本不高呢?有,那就是采用交流电机的计算机控制方式。

交流电动机同直流电动机相比较,具有结构简单、体积小、制造方便、运行可靠、价格低谦等一系列的优点,由于其不存在换相问题,其使用寿命远远超过直流电机。长期以来由于其调速性能很差,因此,调速方式一直被直流调速方式所占领。但随着新型电力电子器件与大规模集成电路的出现和发展,以及新的控制理论不断的出现及应用,交流控制方式也逐渐发展起来,并将取代直流调速系统。

在FFU交流控制方式中,又主要分为两种控制方式:调压控制方式和变频控制方式。所谓调压控制方式,就是通过直接改变电动机定子电压的大小来调整电动机的转速。调压方式的缺点是:调速时的效率较低,低速时,电机发热严重、调速范围较窄等。但是,调压方式对于FFU风机负载来说,其缺陷不是很明显,并且在目前的情况下还有一些优点:

◆ 调速方案成熟,调速系统稳定,能够保证长时间无故障连续运行。

◆ 操作简便,控制系统造价低。

◆ 由于FFU风机负载很轻,在低速时,电机发热不是很严重。

◆ 调压方式特别适合于风机负载,由于FFU风机负责曲线为独特的阻尼曲线,因此,调速范围可以做到很宽。 因此,在今后的一段时期内,调压方式还将是一种主要的调速方式。

变频控制方式就是通过改变电源频率f的方式来调速电动机的转速,同时,按一定比例调整整电动机的输入电压。变频控制方式具有优异的性能,调速范围大,平滑性较高,调速效率高等。

变频一般采用较先进的SPWM控制方式,并采用单片机生成SPWM波形。SPWM变频方式同其它变频方式相比具有以下特点:1)结构简单,控制方便;2)输入功率因数高;3)系统动态响应快;4)输出谐波少。在目前的情况下,与调压方式相比,变频方式也有一些缺点,这主要体现在以下两个方面:

◆ 变频方式造价比较高。为了使变频器的输出谐波尽可能的减少,逆变器

的功率开关器件的开关频率要尽可能的高。因此,一般采用GTR、GTO、PMOSFET作为开关器件。上述这些器件本身造价较高。因此,变频控制方式整体造价也比较高。

◆ 使用寿命不如调压方式长。由于异步电动机属于感性负载,功率因数不会等于1.0,故在中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关无法储能,所以无功能量只能靠直流环节中的储能元件(电容器)来缓冲。电容器的寿命大大限制了变频器的使用寿命。即使是比较先进的变频器厂商,其变频器寿命也受此限制。 随着半导体技术的不断发展,可以预料,一些简单可靠、性能优异、价格便宜的变频调速系统将不断出现,异步电动机的变频调速方法的应用将日见广泛,并将取代直流调速方式和调压调速方式。

3.FFU智能化控制系统

目前,在FFU的应用领域内,其控制系统的应用率还是比较低的,而且在国际市场上流行的FFU智能化控制系统中,一般只针对配备无刷直流电机的FFU。特别是在全球能源越趋紧张的今天,控制系统的节能效益越来越被人所重视。每个洁净室根据产品的生产工艺,决定相应的风速,同时又不得不考虑能耗问题。而一般的控制系统所能调节的风速范围有限,不能根据具体的要求提供精确的风速,特别是在8小时之外的休息时间,仍然保持较高的风速,这无疑带来了能源上的巨大浪费。针对这种现状,近期推出了能够数字化调节风速的HH-F系列FFU智能化控制系统。该系统操作简单,界面友好,特别是可根据洁净室的具体风速要求(例如0.37m/s,0.28m/s),数字化设定。

HH-F系列FFU控制系统是一套集散型控制系统,能够方便的实现现场分散控制和集中统一管理功能。可灵活控制洁净室每台风机的起停和风速,该控制系统利用中继器技术,解决了485驱动能力有限的问题,可控制无限台风机。本控制系统包括以下四部分内容:

◆ 现场智能控制器 ◆ 有线集中控制方式 ◆ 遥控控制方式 ◆ 系统综合功能 控制系统拓扑图如下图:

3.1现场智能控制模块

       现场智能控制模块以单片机为核心处理器来实现控制功能。一台智能模块控制一台FFU。现场智能控制模块分为调压模块和变频模块,两种智能控制模块能够实现以下控制功能:

1)智能模块具有很强的开放性,通过可选的手操器(可插拔式)可实现现场控制:通过预留的RS485接口可实现远程集中控制和故障诊断与设定:通过可选的遥控组件(可插拔式)可实现遥控控制。

2)通过可插拔的手操器能够实现FFU的启停和准确的无级调速,能够显示FFU出口风速值。

3)该智能模块使FFU具有节能功能。

4)具有过载和短路保护功能:过载时,提示报警单元报警;短路时,提示报警单元报警并自动切断FFU电源。

3.2有线控制方式

       有线控制方式为可选控制方式,它通过现场智能模块预留的RS485接口来实现。为了满足不同用户的需求我们采用控制盘和触摸屏两种控制方式,控制盘操作简便,但显示不太直观,实现功能有限;触摸屏成本操作方便,显示画面丰富,功能强大。

触摸屏控制方式主要由以下三部分组成:

1)中央控制单元;

2)人机界面单元;

3)报警控制单元。

1)中央控制单元,采用PLC控制器。能够实现以下控制功能:

◆ 与现场智能控制模块采用RS485总线制联结方式,对采集到的现场数据进行分析、处理;实现对现场设备的控制功能。从而实现对现场所有FFU的集中监测和控制。

◆ 与报警控制单元进行通讯。

◆ 与人机界面单元进行通讯。

2)人机界面单元,采用触摸屏实现远距离对FFU的监控和调节。能够实现以下控制功能:

◆ 能够方便的实现FFU的单台、多台及分区控制。也就是说,能够同时控制任意台数的FFU。

◆ 能够实现任意台数FFU的启停和调速功能,调速功能能够实现数字化,即直接输入预期的风速值(如:0.25、0.31等),以达到调速的目的。

◆ 能够对任意一台FFU的风速值进行监测。

◆ 当有故障FFU报警时,能实时的显示故障FFU。

3)报警控制单元,采用声光报警装置,通过与中央处理单元的通讯,当有任何一台或多台FFU发生故障时,该控制单元实时发出声光报警,并与人机界面单元进行配合,迅速确定故障FFU,确保监控人员及时处理故障。

控制盘控制方式:根据实际系统的需要,中继器有相应数量的485通讯插座,每个插座对应一组FFU控制器。通过控制盘可对每个控制器进行控制。控制功能如下:

1)对整个洁净室某一组风机起停进行控制,可对某一组风机的风速进行统一设置。

2)对整个洁净室的某一台风机起停进行控制,可对某一台风机的风速进行设置。

3)可对某一组风机数量进行设置。(系统规定每组风机数量比较多位16台)。 4)对整个洁净室的某一台风机运行状态进行查询,如风机的起停状态,风机的运行风速。

5)短路保护功能:当发生短路时,能够自动切断FFU的电源以保护设备。

3.3遥控控制方式

遥控控制方式为可选控制方式。它通过现场智能模块预留接口,通过可插拔的通讯模块来实现遥控控制方式。具体功能由手操器实现,采用一对多的控制方式进行控制。手操器能实现以下控制功能:

1)能够方便的实现每台FFU的启停和调速功能。调速功能能够实现数字化,即直接输入预期的风速值,以达到调速的目的。

2)能够对每一台FFU的风速值进行监测。

3.4系统综合功能

控制系统还能够实现如下功能:

1)交流调压方式控制系统能够保证正常使用条件下长时间无故障连续运行,正常使用条件下能保证8万小时以上。

2)整套控制系统布局合理、接线简单。

3)在满足洁净要求的前提下,可根据实际情况设定风速转速,更大限度降低风机功耗,达到节能目的。

4)对风机转速进行时序控制,在非工作时间内,自动降低风机转速维持室内洁净要求,达到节能目的。

4.结论

        综上所述,不难看出随着高科技产业的飞速发展,大规模应用FFU的洁净室也将越来越多。洁净室中FFU的集中控制也将是设计人员和业主们必须关注的问题。

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