摘 要：本文主要介紹臺達機電產品在中央空調恒溫系統上的整體解決方案。系統通過將冰水閥門的開度納入控制架構中以適時的調節冰水的流量，配合溫控器上的PID 運算可對馬達轉速及冰水閥的開度做相互配合完成定溫控制的目的。系統運行證明：臺達產品安全穩定，性價比高，值得業界推廣。
關鍵詞：中央空調  溫控器  PID  臺達HMI
Abstract: This paper mainly introduces the whole solution of Delta electromechanical products in central air-condition’s constant temperature system.The control system puts ice water valve’s opening in control frame to regulate ice water’s flux timly.At the same time the system can match the motor’s rotate speed and ice water valve’s opening so that it can fulfill the system’s constant temperature control based on temperature controller’s PID operation.The operation practice proves that Delta products can work with good performance and stability, so it’s worth being widely spread. 
Key words: Central air-condition; Temperature controller; PID; Delta HMI
      1 前言
      在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制造冰水后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恒溫的要求，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。因此恒溫控制上，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。
臺達機電至今已經能為客戶提供PLC控制器、溫度控制器、計數器、人機界面、變頻驅動器、伺服驅動器、數控系統等一系列產品，可以向客戶提供完善可靠的機電一體化解決方案。本文基于臺達機電產品在中央空調恒溫系統上的應用，實現了空調恒溫系統的良好控制，效果良好，得到業界同行認可。
      2 控制系統
      2.1 系統框圖
      以下是以單一區域(一個樓層或獨立會議室)做恒溫控制，并且使用最經濟的臺達產品架構即可達到人性化的操作接口。系統框架圖如圖1所示：

 

圖1  系統控制框架圖

 

      系統通過上位臺達HMI進行控制系統的監控，通過RS485協議連接臺達變頻器和溫控器；前者用于驅動送風量，后者用于控制三通冰水閥；這樣通過送風量和冰水閥的調節就可以實現對中央空調恒溫系統的有效控制。
      2.2 系統效益說明
      在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。配合臺達HMI 及溫控器的使用，即可提供一個方便的使用接口來精確設定所要的室溫(達小數下一位)，并且藉由溫控器PID 運算功能，適度開啟閥門的開度及調節送風量達到恒溫的要求，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。
      2.3 系統改造效果評估
      于理論的學理上，馬達的轉速和耗能為3 次方關系，因此當馬達的頻率由60Hz 降為30Hz 時，此時的耗能只需1/8。但由于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于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 程序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。
      2.4 系統設備配置
      系統配置如表1所示。

 

	型號	參數設定
HMI	3.8寸	各系列皆可使用，而3.8寸最為經濟且已符合要求
變頻器	VFD-B	1) 02-00 = 4 (頻率來源由通訊RS485) 2) 02-01 = 3 (運轉指令來源由通訊RS485，Stop 鍵有效) 3) 通訊格式為9600、7、E、1 即可
溫控器	DTC1000L	1) 設定為冷卻控制 2) 選擇為PID 控制(P=1、I=240、D=0)

 

表1 系統設備配置

 

      2.5 系統配線圖

 

      系統接線圖如圖2和圖3所示。

 

 
圖2  HMI接線圖
 
圖3 溫控器接線圖

 

      3  程序及操作說明
      由于此系統中未使用到PLC，因此一些簡易的判斷程序，將利用HMI 上的宏來實現，以下將說明畫面架構及內部中所編寫的宏程序。
(變頻器站號為1，溫控器站號為3)
HMI 畫面如圖4所示:

 

圖4 HMI畫面及說明

 

宏程序:
宏一共分為3 部份，(clock 宏、按鈕on/off 宏及cycle 宏)。
Clock 宏說明: 計算出變頻器的運轉頻率，并寫至變頻器中。
1) 批注
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) 由于輸出量$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) 批注
6) 當溫控輸出量$102 小于60.0%時，跳到LABEL1 中，把$150 設為3000(即變頻器運轉頻率為30.00Hz)。由于變頻器最低運行為30Hz，利用此行宏控制住。
7) 若溫控輸出量$102 大于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。相關宏程序如圖5所示。

 

圖5  宏程序示意圖

 

10) 當溫控輸出量$102 小于60.0%時，變頻器運轉頻率$150 固定為30.00Hz。
11) LABEL2 位置。
12) 把宏程序算出的運轉頻率$150 傳送給變頻器H2001(頻率命令)緩存器來改變設定值。
13) 由于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。
按鈕on/off 宏說明: 按下啟動/停止鈕后，啟動/停止變頻器。啟動畫面如圖6所示。

 

圖6  啟動畫面

 

1) 按鈕型式為交替型，當按鈕為ON 時，啟動 ”編輯

ON 宏”   ，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 宏”   ，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。
Cycle 宏說明: 當變頻器于Run 狀態時，讓風扇產生轉動的動畫來呈現。狀態圖畫面如圖7所示。

 

 
圖7 狀態圖畫面

 

1) 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，程序跳到此處
把$160=0 以切回第一張。
9) LABEL2 位置
      4  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 對冰水閥執行控制后即可達到恒溫的目的。原因在于空調的環境相對于工業的設備是屬于溫度變化很緩慢的系統，因此我們并不需要以執行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。
      于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，這兩者因素對于空調的系統中，我們并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。
       4.1 P 量:
1) 由于空調系統是以冷氣空調為例， 輸出量與溫度關系圖如圖8所示。

 

圖8   輸出量與溫度關系圖

 

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
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恒溫是不可能的，因此我們需再配合I 量的計算，來補足恒溫所需的基本輸出量。
      4.2  I 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，和設定溫產生一段的誤差而難以達到恒溫的要求。因此配合I 量的計算輸出，把P 量再加上適當的I 量，如右圖(2)所示，即可達到所需的目的。如圖9所示。

 

圖9  溫度與時間關系圖

 

2) 由于我們知道I 值是對某單位時間做積分，因此當I 值愈小時，表示于很短時間即做一次積分，此時很容易造成I 輸出量過大，而產生振蕩現象。
3) 臺達溫控器對于I 值的出廠默認值為240，這是屬于徧大的I 值，而由于空調系統并不需要很快速的反應，因此直接套用此值即可。而如果用于其它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蕩情形為基礎的條件
下。
      5 結語
      上述方案經過長期實際應用驗證，不僅能使中央空調系統達到良好的恒溫功能，而且節能效果非常明顯；在類似系統整合控制場合，臺達機電產品均能憑借優越的性能為客戶帶來最大的收益。

 

【參考文獻】
【1】臺達DOP-B人機界面應用技術手冊，臺達內部資料  2007
【2】臺達VFD-EL變頻器技術手冊，臺達內部資料  2007
【3】變頻器在工業中的選擇與應用 劉繼黨等 科技信息    2009年第23期
【4】臺達DTA系列溫控表技術手冊，臺達內部資料  2006

 

作者簡介
施炳彰  臺達機電事業部技術專家，現從事臺達自動化產品技術整合應用與研究。