实验室通风机组控制系统的设计与实现.pdf

应用 低压电器 2 0 1 4 N o ． 2 实验室通风机组控制系统的设计与实现 万力 ， 袁世 东 1 ． 合肥工业大学 建筑设计研究院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 9； 2 ． 合肥工业大学 电气与 自动化工程 学院，安徽 合肥2 3 0 0 0 9 摘 要 通过 P L C与变频器相结合的方式实现了对高校实验室通风机组的自动化 控制。该系统不仅满足了高校实验室对化学实验通风工艺的要求， 同时便捷地实现了 控制的智能化及能源的节约化。 关键词 实验室通风 系统 ； 控 制系统 ； P L C；变频调速 ； 节能 中图分类号 T M 6 4 5 文献标志码B 文章编号 1 0 0 1 - 5 5 3 1 2 0 1 4 0 2 - 0 0 5 9 - 0 4 万 力 1 9 6 7 一 ， 男， 教授级高级工程 师， 研究方向为智能 建筑与数字城市。 De s i g n a n d I mpl e me nt a t i o n o f Co nt r o l S y s t e m f o r La b o r a t o r y Ve nt i l a t i o n Uni t WAN Li ． YU AN S h i d o n g 1 ． A r c h i t e c t u r a l D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 0 0 9， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d A u t o m a t i o n E n g i n e e ri n g ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H e f e i 2 3 X 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e me t h o d o f c o mb i n i n g P L C wi t h i n v e r t e r r e a l i z e s t h e a u t o ma t i c c o n t r o l o f v e n t i l a t i o n i n t h e c a mp u s l a b o r a t o r y ． T h e s y s t e m n o t o n l y s a t i s f i e s t h e d e ma n d o f v e n t i l a t i o n c r a f t o f c h e mi c M e x p e r i me n t s ， b u t a l s o r e a l i z e s i n t e l l i g e n t c o nt r o l a n d e ne r g y s a v i n g e a s i l y． Ke y wo r d s v e n t i l a tio n s y s t e m f o r l a b o r a t o r y； c o n t r o l s y s t e m ； P LC ；s p e e d - r e g u l a tio n b y i n v e r t e r； e ne r gy - s a v i ng 0 引 言 实验室内不同程度地存在着许多不利于实验 人员身体健康的污染源 ， 而传统 的通风系统在设 计 中很少考虑对气体流动方 向的合理组织和通风 量的按需供给。当前大多数高校实验室的实际情 况是 ， 实验室 内污染气体的流向无序 ， 极易扩散 ； 即使只使用单 台实验装置 ， 排风机必须全功率运 行 ， 造成了能源损耗和无法忍受的噪声 。基于此 ， 本文介绍一种 P L C与变频器相结合 的方案 实施 对通风系统的改造 ， 在满足实验室空气洁净度工 艺要求的同时实现节能降噪的目的。 1 实验室通风系统的工艺要求 1 ． 1 项 目的基本概况 本文介绍的高校基础实验楼共 5层 ， 实验 室 集中分布在 2～ 5层 ， 涉及热力学 、 分析化学 、 生物 学等多个学科 。全楼有通风需求的实验工位点接 近 1 6 0个 ， 通风系统设计范围包括排风机选 型、 主 管道和室 内管道排布及房间送风系统。 1 ． 2 通风 系统的工艺要求 1 实验室的通风换气次数取 8 ～ 1 6 次／ h ； 2 支管内风速取 6～9 m ／ s ， 干管 内风速取 8～1 2 m／s； 3 通风系统终端噪声 ≤6 0 d B； 4 实 验操作 台面风速 要求 保持 在 0 ． 4 0 ． 1 m ／ s 的标准范围内 ， 表面风速过大 ， 既增加 了 排风机 的电耗 ， 又影响了实验的正常进行 ； 相反 ， 如果表面风速过小 ， 则根本无法排出污染源 ， 甚至 危及设备及实验人员的安全 J 。 1 ． 3 通风 系统的设计方案 在综合考虑实验室实际需求 ， 以及设备选型 、 经济性 、 施工难度、 噪声 等多种 因素后 ， 最终确定 布置多套小型集中排风机进行试验工位点局部通 袁世东 1 9 8 3 一 ， 男， 硕士研究生， 研究方向为 自动控制与控制智能化。 一 5 9 低压电器 2 0 1 4 N o ． 2 应用 风换气 ， 尽量采用垂直管路系统与工位点互联 ； 同 时采用 V A V通风柜和主风机变频调速 ， 避免集 中 型排风机 的全速常开现象。 由以上工艺要求及设计方案设计 的通风系统 示例如图 1 所示。 图 1 典型的实验室通风系统 1 ． 4 风机的选型 考虑小型集 中排风方式的管道阻力和传动损 耗 ， 同时满足流量及承压需求 ， 最终选取低全压高 流量的 F 4 - 7 2 ． 1 0 C ． 1 5 k W 型离心风机 2台 。 2 控制 系统设计 2 ． 1 控制系统的硬件结构 在综合考量实 际应用 中系统的可靠性 、 维护 便利性及成本的要求之后 ， 项 目选取 的基本配置 为 7 - 2 2 4 X P型 P L C作为风机变频调速系统 的控 制核心 ， T P ． 1 7 7 B型触摸屏作 为 HMI ， MM- 4 4 0系 列变频器作为动力调节执行元件 。 1 该型 P L C具备 的特点有 ① S i e me n s的 本体拥有两个 R S一4 8 5通信端 口， 在保证与 H MI 通信 的同时 ， 提供建筑智能化接 口可实现与上位 机的数据指令交换 ， 满足建筑智能化 的需求 ； ② 本体拥有可形 成闭环 P I D的模拟量输 入输 出端 口， 并可通过内部总线外接扩展模块 ， 方便操作人 员远程改变通风柜 的运行数量和方式 ， 提高设备 对复杂多变环境的适应性 。 2 变频器按照 P L C的4～ 2 0 m A输 出指令 执行离心风机的转速调节 ， 从而达到动态运行、 节 能降噪的效果。 3 H MI 选用触摸屏 ， 可实 时监控系统的运 行状态和各种参数 ， 同时实现控制模式 的转换 、 离 心风机 P I D参数设定及各通风柜的起／ 停 。 一 6 0 一 4 上位机的作用与 HMI 相近 ， 不具备全时 监控功能 ， 却是建筑设备管理 系统的必要配置 。 根据要求设 计 的电气 系统原理 图如 图 2所 示。核心控制设备结合压力传感器 、 变频 电机 、 电 气线路和原有的电路附属设备构成了完整的闭环 风机变频调速系统 。 2 ． 2 P LC软件实现 2 ． 2 ． 1 P L C所要 实现 的功 能 1 采集通风系统各通风柜人 口、 排风管路 总出口和实验室内等位置的压力信号并经 A ／ D 转换为电信号， 采集各通风柜使用状态。 2 控制离心风机 1 1 5 k W 工频运行 ， 控制 离心风机 2 1 5 k W 变频运行 ； 调节监控通风柜 及其附件的使用数量 。 3 转换系统运行模式 。系统分为手动运行 及 自动运行两种模式； 自调节模式可通过用户设 置的P I D参数自动调节风机运行频率， 保证系统 稳定运 行 ， 同时将 实时运 行状 态及 参数 呈现在 HMI上 。 4 处理系统运行 过程 中相关 的报 警与故 障。发生轻故障如单个通风柜无法使用时系统报 警 ； 发生严重故障如风机发生过载或者变频器故 障时， 系统故障停机并报警。 5 处理本体与触摸屏及建筑设备管理主机 的通信 。 应用 低压电器 2 0 1 4 No ． 2 l传 送器 及变 送器 l 变频 系统 l 控制 器 P L C 通 风柜单 元 。 ． ． 日 驯 默 』 『 L L2L3N f 。 ．{ l l 1 执 行 器 电 源 执 1 、 ‘ 『 I 、 、 、 ． 月 断 跆 器 风 阀 风 管 擀 j 一 抽 行 一 ／ l I l l 电 源 i 执行器 器 l l l l 信 号 线 耵 』 i 』 散 热 风 扇 R S T 疆 旺 r 净 化 设 备 l 用 P1 J管 连 接 冈 I管 变 频 器 lo 一起 停 _ _ 日 li ． - 一 0 日 一 信 号 r - q K M l { 芒 照明设备 压 差 f f f J J l R S 一 4 8 5 l 囝囝 传感器 ’ ] ， 口 u ’ l睁 M _] M_ 频 率 控 制 4 20 m A 】 翕 出 l。 离 心 风 机 1离 心 风 机 2 压 差 信 号 2 O m A 输 出 上 位 机 l J 0 0 l 触摸控制面板 每个P L c 一 变频调速系统可连接多个通风柜单元 图2 变频通风系统电气原理图 2 ． 2 ． 2 P L C程序 设计 实验室通风 系统 的 P L c程序流程 图如图 3 所示 ， 自动模式下起动机组时要对多种故障进行 检测。若发现故障做停机处理 ； 若无故障机组 自 动进入 P I D 自调节模式运行 。 具体 的调节方式为 ① 通过压力传感器来检 测出 口风压 ， 与设定值进行 比较 ， 当用户较少 时， 需减小离心风机的转速 ； 当用户较多时， 需加大离 心风机的转速 。② 离心风机 2持续 高频运行 1 O m j n仍不能满足用户 的需求时 ， 则将 离心风机 l 投入运行并重新调整离心风机 2的运行频率以提 供足够的管道风压 ； 同理 ， 离心风机 1 开启离心风 机 2持续低频运行 1 0 mi n仍存在管道风压过 高 的情况时， 将离心风机 1停止运行并重新调整离 心风机 2的运行频率 ； 直至风压在稳定区间以内。 3 节能机理与应用效果数据分析 3 ． 1 风机变频节能机理 风机 的工作点是由风机工作特性曲线和管网 特性 曲线共同决定的。现以实验室通风用离心风 机为例来分析风机的实际工作点。 风机节能机理原理如图 4所示。实验课开课 时 ， 必须使用通风系统中的大部分通风柜， 设其工 图3 变频通风系统程序流程框图 一 61 低压电器 2 0 1 4 No ． 2 应用 ． H3 N2 N N 图4风机节能机理原理 图 作为 Ⅳ 点 ； 而在进行单独课题研究时 ， 往往仅使 用其 中一 台或者几台通风柜 ， 传统方法使用通风 柜阀门开闭控制风量 ， 则 当较少通风柜使用时管 网特性由曲线 1 变到了曲线 2， 风压从 上升至 ，流量则从 Q 减小 到 Q ， 风机 的工作 点从 J 7v 点移到 Ⅳ 2 点。 用变频调速控制时 ， 则可以直接改变风机 的 转速， 并保持管网特性 曲线不变。风机的工作特 性取决于转速， 转速降低时， 风机特性 曲线由 3变 为 4， 风机工作特性点将从 Ⅳ 点转移到 ， v 3 点 ， 风 压从 下降到 ， 流量则从 Q 下降到 Q 。 两种调节方式均 可把 流量从 Q 调至 Q ， 但 却得到两个不同的工作状态 Ⅳ 2 和 ， 对应着 两 个不同的工作 压力 和 ， 其 压差值 为 ／ 4 2一 H a ， 这对 用户来说是多余 的压 力。即用 阀门控 制时有 △ P的功率被浪费掉了， 而用变频 调速控 制时 ， 根据风机风量 、 风压及功率 的比例关系， 改 变风机 的转速 r t ， 可使风机的流量 Q、 风压 H和功 率 P都随之产生相应的改变 ， 其关系式为 Q ／ Q n ／ n 1 H ／ Hl n ／ n 2 P ／ P 。 n ／ n 1 3 式中 n 、 Q 、 H 、 P 条件改变后的风机变量。 由式 3 可知 ， 风机消耗 的功率是按 照三次 方下降的， 因此采用变频调速法能很好地实现节 能降噪与稳定风速的 目的 。 3 ． 2应用效果数据分析 使用变频调速控 制系统 ， 可实 现根据需求提 供电能 ； 根据实验室的工作时间安排 ， 在中央控制 系统 中设定了 自动开机关机 时间表 ， 统一控制所 有的子系统。为 了满足实验室的特殊工作要求 ， 一 62 一 每个子系统在有实验进行的情况下不会关 闭通风 系统。控制系统改造前后的电能消耗量对比如表 1 、 表 2所示。由表 1 可知 ， 改造前总耗 电量 4 5 7 8 k Wh ， 平均耗 电量 4 5 7 ． 8 k Wh ； 改造后总耗 电量 3 7 3 9 k Wh ， 平均耗电量 3 7 3 ． 9 k Wh 。 表 1 通风 系统 改造前 1 0月 中旬耗 电量 日期 耗 电量／ k Wh 日期 耗电量／ k Wh 1 0．1 1 45 2 1 0． 1 6 4 4 6 1 0． 1 2 46 0 1 0． 1 7 44 7 1 0．1 3 43 3 1 0． 1 8 4 63 1 0．1 4 481 1 0． 1 9 4 55 1 0．1 5 47 2 1 O． 2 0 4 69 表 2 通风 系统改造后 1 0月下旬 耗电量 日期 耗 电量／ k Wh 日期 耗电量／ k Wh 1 0． 21 3 7 6 1 0． 2 6 3 56 1 0． 22 3 71 1 0． 2 7 38 0 1 0． 23 41 2 1 0． 2 8 3 46 1 0． 24 3 65 1 0． 2 9 3 5 9 1 0． 25 3 91 1 0． 3 O 38 3 为了体现控制系统 的有效性 ， 本 次对 比选取 了实验任务最为繁忙的学期 中期和气候相对变化 较小的 1 0月中旬及下旬 ， 实验时间以 8 h ／ d计。 4 结 语 本文介绍的基于 P L C的变频调 速通风控制 系统 已在该高校实验室投入运行 1年多。结果表 明， 该控制系统 自动化程度高 ， 运行平稳 ， 便于操 作及维护。同时 由于变频控制系统的引入 ， 系统 运行效率提高了近 2 0 ％ ， 实现节能降噪的目的， 具有较好的推广价值 。 【 参 考 文 献】 [ 1 ] 孙一坚． 简明通风设计手册[ M] ． 北京 中国建筑工 业 出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 商景泰． 通风机实用技术手册 [ M] ． 第 2版． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 1 ． [ 3 ] 齐振邦． 风机变频调速应用现状及节能原理[ J ] ． 风 机技术， 2 0 0 0 3 3 9 - 4 1 ． [ 4 ] G N A C I N S K I P ． E n e r g y s a v i n g w o r k f r e q u e n c y c o n t r o l l e d i n d u c t i o n e a g e m a c h i n e[ J] ．E n e r gy C o n v e r s i o n a n d Man a ge me n t 2 O 0 7，4 8 91 9- 9 2 6． 收稿 日期 2 0 1 31 02 1