摘要

本文介紹了潔凈室FFU 控制的幾種方式，并列舉了其優(yōu)缺點(diǎn)及采用交流電機(jī)的智能化 FFU 控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)。 The advantages and disadvantages of several FFU control methods and characteristics of intelligent AC motor FFU control system.

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。而生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)環(huán)境決定了產(chǎn)品質(zhì)量，這就迫使廠家追求更好的生產(chǎn)技術(shù)和更高的生產(chǎn)環(huán)境。特別是電子、制藥、食品、生物工程、醫(yī)療、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域?qū)ιa(chǎn)環(huán)境有著苛刻的要求，它綜合了工藝、建筑、裝飾、給排水、空氣凈化、暖通、空調(diào)、自動(dòng)控制等多方面的技術(shù)。衡量這些行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)有溫度、濕度、潔凈度、風(fēng)量、室內(nèi)正壓等。因此，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的各個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理的控制，以滿足特殊生產(chǎn)工藝的要求，成為了現(xiàn)在潔凈工程的研究熱點(diǎn)之一。FFU 作為一種凈化設(shè)備，目 前在各種潔凈工程中得到廣泛應(yīng)用。FFU 的全稱叫 Fan Filter Unit“風(fēng)機(jī)過濾單元”，也就是風(fēng)機(jī)和過濾器連接在一起，能自己提供動(dòng)力的潔凈設(shè)備，早在二十世紀(jì)六十年代，世界上第一個(gè)層流潔凈室的建立就已經(jīng)開始出現(xiàn)FFU的應(yīng)用了。

2.FFU 控制方式現(xiàn)狀

目前FFU 一般采用單相多速交流電機(jī)、三相多速交流電機(jī)和直流電機(jī)。電機(jī)的供電電壓大致有 110V、220V、270V、 380V 四種。其控制方式主要分為以下幾種：

◆ 多檔開關(guān)控制

◆ 連續(xù)速度調(diào)節(jié)控制

◆ 計(jì)算機(jī)控制

◆ 遙控控制 下面對(duì)以上四種控制方式做一簡(jiǎn)單分析與比較：

2.1 多檔開關(guān)控制

多檔開關(guān)控制系統(tǒng)只包括FFU 自帶的一個(gè)調(diào)速開關(guān)和一個(gè)電源開關(guān)。由于控制元件為 FFU 自帶，分布在潔凈室吊頂內(nèi) 的各個(gè)位置，工作人員必須在現(xiàn)場(chǎng)通過撥擋開關(guān)來調(diào)節(jié) FFU，控制起來極不方便，而且 FFU 的風(fēng)速可調(diào)范圍有限，僅 限于幾檔。我們?cè)?jīng)做過一個(gè)項(xiàng)目，為了克服 FFU 控制操作不方便的因素，經(jīng)過電氣線路的設(shè)計(jì)，把所有 FFU 的多檔 開關(guān)集中起來，放到地面上一個(gè)柜子內(nèi)，實(shí)現(xiàn)集中操作，但無論是從外觀還是功能上都存在其局限性。采用多檔開關(guān)控 制方式優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、成本低，但存在許多缺陷：比如：能耗大、不能平滑調(diào)速、沒有反饋信號(hào)、不能實(shí)現(xiàn)靈活的組 群控制等。

2.2 連續(xù)速度調(diào)節(jié)控制

連續(xù)速度調(diào)節(jié)控制與多檔開關(guān)控制方式相比，多了一個(gè)連續(xù)速度調(diào)節(jié)器，使FFU 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，但同時(shí)也犧牲了 電機(jī)效率，使其能耗比多檔開關(guān)控制方式還要高。

2.3 計(jì)算機(jī)控制?計(jì)算機(jī)控制方式一般采用直流電機(jī)，與前面兩種方式相比，計(jì)算機(jī)控制方式具有以下先進(jìn)的功能：

◆ 采用集散型控制方式，能夠很方便的實(shí)現(xiàn) FFU 的集中監(jiān)測(cè)和控制。

◆ 可方便的實(shí)現(xiàn) FFU 的單臺(tái)、多臺(tái)及分區(qū)控制。

◆ 智能化控制系統(tǒng)具有節(jié)能功能。

◆ 可采用可選的遙控方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

◆ 控制系統(tǒng)預(yù)留通信接口，可與上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和管理功能。 控制直流電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)在于：容易控制、調(diào)速范圍較寬。但該控制方式也有一些致命的缺陷：

◆ 由于潔凈廠房不允許 FFU 電機(jī)帶有電刷，因此，F(xiàn)FU 的電機(jī)均采用無刷直流電動(dòng)機(jī)，換相問題則由電子換相器解 決，而電子換相器的壽命短使整控制系統(tǒng)的使用壽命也大大降低。

◆ 整套系統(tǒng)造價(jià)昂貴。

◆ 后期維護(hù)費(fèi)用高。

2.4 遙控控制方式

遙控控制方式作為計(jì)算機(jī)控制方式的一種補(bǔ)充，可使用遙控器對(duì)每臺(tái)FFU 進(jìn)行控制，與計(jì)算機(jī)控制方式相輔相成。

綜上所述：前兩種控制方式能耗高、控制不方便；后兩種控制方式壽命短、成本高。那有沒有一種控制方式既能做到能耗低、控制方便，又能保證使用壽命、成本不高呢？有，那就是采用交流電機(jī)的計(jì)算機(jī)控制方式。交流電動(dòng)機(jī)同直流電動(dòng)機(jī)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低謙等一系列的優(yōu)點(diǎn)，由于其不存在換相問題，其使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直流電機(jī)。長(zhǎng)期以來由于其調(diào)速性能很差，因此，調(diào)速方式一直被直流調(diào)速方式所占領(lǐng)。但隨著新型電力電子器件與大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，以及新的控制理論不斷的出現(xiàn)及應(yīng)用，交流控制方式也逐漸發(fā)展起來，并將最終取代直流調(diào)速系統(tǒng)。

在FFU 交流控制方式中，又主要分為兩種控制方式：調(diào)壓控制方式和變頻控制方式。所謂調(diào)壓控制方式，就是通過直 接改變電動(dòng)機(jī)定子電壓的大小來調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)壓方式的缺點(diǎn)是：調(diào)速時(shí)的效率較低，低速時(shí)，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重、 調(diào)速范圍較窄等。但是，調(diào)壓方式對(duì)于 FFU 風(fēng)機(jī)負(fù)載來說，其缺陷不是很明顯，并且在目前的情況下還有一些優(yōu)點(diǎn)：

◆ 調(diào)速方案成熟，調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間無故障連續(xù)運(yùn)行。

◆ 操作簡(jiǎn)便，控制系統(tǒng)造價(jià)低。

◆ 由于 FFU 風(fēng)機(jī)負(fù)載很輕，在低速時(shí)，電機(jī)發(fā)熱不是很嚴(yán)重。

◆ 調(diào)壓方式特別適合于風(fēng)機(jī)負(fù)載，由于 FFU 風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)曲線為獨(dú)特的阻尼曲線，因此，調(diào)速范圍可以做到很寬。 因此，在今后的一段時(shí)期內(nèi)，調(diào)壓方式還將是一種主要的調(diào)速方式。

變頻控制方式就是通過改變電源頻率f 的方式來調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)，按一定比例調(diào)整整電動(dòng)機(jī)的輸入電壓。變頻 控制方式具有優(yōu)異的性能，調(diào)速范圍大，平滑性較高，調(diào)速效率高等。變頻一般采用較先進(jìn)的 SPWM 控制方式，并采 用單片機(jī)生成 SPWM 波形。

SPWM 變頻方式同其它變頻方式相比具有以下特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；

2）輸入 功率因數(shù)高；

3）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；

4）輸出諧波少。

在目前的情況下，與調(diào)壓方式相比，變頻方式也有一些缺點(diǎn)，這主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

◆ 變頻方式造價(jià)比較高。為了使變頻器的輸出諧波盡可能的減少，逆變器的功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率要盡可能的高。 因此，一般采用 GTR、GTO、PMOSFET 作為開關(guān)器件。上述這些器件本身造價(jià)較高。因此，變頻控制方式整體造價(jià) 也比較高。

◆ 使用壽命不如調(diào)壓方式長(zhǎng)。由于異步電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)載，功率因數(shù)不會(huì)等于 1.0，故在中間直流環(huán)節(jié)與電動(dòng)機(jī)之 間總存在無功功率的交換。由于逆變器中的電力電子開關(guān)無法儲(chǔ)能，所以無功能量只能靠直流環(huán)節(jié)中的儲(chǔ)能元件（電容 器）來緩沖。電容器的壽命大大限制了變頻器的使用壽命。即使是最先進(jìn)的變頻器廠商，其變頻器壽命也受此限制。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)料，一些簡(jiǎn)單可靠、性能優(yōu)異、價(jià)格便宜的變頻調(diào)速系統(tǒng)將不斷出現(xiàn)，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方法的應(yīng)用將日見廣泛，并將最終取代直流調(diào)速方式和調(diào)壓調(diào)速方式。

3.FFU 智能化控制系統(tǒng)

目前，在FFU?的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，其控制系統(tǒng)的應(yīng)用率還是比較低的，而且在國(guó)際市場(chǎng)上流行的 FFU 智能化控制系統(tǒng)中， 一般只針對(duì)配備無刷直流電機(jī)的 FFU。特別是在全球能源越趨緊張的今天，控制系統(tǒng)的節(jié)能效益越來越被人所重視。 每個(gè)潔凈室根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，決定相應(yīng)的風(fēng)速，同時(shí)又不得不考慮能耗問題。而一般的控制系統(tǒng)所能調(diào)節(jié)的風(fēng)速范 圍有限，不能根據(jù)具體的要求提供精確的風(fēng)速，特別是在 8 小時(shí)之外的休息時(shí)間，仍然保持較高的風(fēng)速，這無疑帶來了 能源上的巨大浪費(fèi)。針對(duì)這種現(xiàn)狀，最近推出了能夠數(shù)字化調(diào)節(jié)風(fēng)速的 HH-F 系列 FFU 智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作 簡(jiǎn)單，界面友好，特別是可根據(jù)潔凈室的具體風(fēng)速要求（例如 0.37m/s,0.28m/s），數(shù)字化設(shè)定。

FFU 控制系統(tǒng)是一套集散型控制系統(tǒng)，能夠方便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)分散控制和集中統(tǒng)一管理功能?？伸`活控制潔凈 室每臺(tái)風(fēng)機(jī)的起停和風(fēng)速，該控制系統(tǒng)利用中繼器技術(shù)，解決了 485 驅(qū)動(dòng)能力有限的問題，可控制無限臺(tái)風(fēng)機(jī)。本控 制系統(tǒng)包括以下四部分內(nèi)容：

◆ 現(xiàn)場(chǎng)智能控制器

◆ 有線集中控制方式

◆ 遙控控制方式

◆ 系統(tǒng)綜合功能 控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下圖：

3.1 現(xiàn)場(chǎng)智能控制模塊

現(xiàn)場(chǎng)智能控制模塊以單片機(jī)為核心處理器來實(shí)現(xiàn)控制功能。一臺(tái)智能模塊控制一臺(tái)FFU?，F(xiàn)場(chǎng)智能控制模塊分為調(diào)壓 模塊和變頻模塊，兩種智能控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制功能：

1）智能模塊具有很強(qiáng)的開放性，通過可選的手操器（可插拔式）可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制：通過預(yù)留的 RS485 接口可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程集中控制和故障診斷與設(shè)定：通過可選的遙控組件（可插拔式）可實(shí)現(xiàn)遙控控制。

2）通過可插拔的手操器能夠?qū)崿F(xiàn) FFU 的啟停和準(zhǔn)確的無級(jí)調(diào)速，能夠顯示 FFU 出口風(fēng)速值。

3）該智能模塊使 FFU 具有節(jié)能功能。

4）具有過載和短路保護(hù)功能：過載時(shí)，提示報(bào)警單元報(bào)警；短路時(shí)，提示報(bào)警單元報(bào)警并自動(dòng)切斷 FFU 電源。

3.2 有線控制方式

有線控制方式為可選控制方式，它通過現(xiàn)場(chǎng)智能模塊預(yù)留的RS485 接口來實(shí)現(xiàn)。為了滿足不同用戶的需求我們采用控 制盤和觸摸屏兩種控制方式，控制盤操作簡(jiǎn)便，但顯示不太直觀，實(shí)現(xiàn)功能有限；觸摸屏成本操作方便，顯示畫面豐富，功能強(qiáng)大。觸摸屏控制方式主要由以下三部分組成：

1）中央控制單元；

2）人機(jī)界面單元；

3）報(bào)警控制單元。

1）中央控制單元，采用 PLC 控制器。能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制功能：

◆ 與現(xiàn)場(chǎng)智能控制模塊采用 RS485 總線制聯(lián)結(jié)方式，對(duì)采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理；實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制功 能。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有 FFU 的集中監(jiān)測(cè)和控制。

◆ 與報(bào)警控制單元進(jìn)行通訊。

◆ 與人機(jī)界面單元進(jìn)行通訊。

2）人機(jī)界面單元，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì) FFU 的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制功能：

◆ 能夠方便的實(shí)現(xiàn) FFU 的單臺(tái)、多臺(tái)及分區(qū)控制。也就是說，能夠同時(shí)控制任意臺(tái)數(shù)的 FFU。

◆ 能夠?qū)崿F(xiàn)任意臺(tái)數(shù) FFU 的啟停和調(diào)速功能，調(diào)速功能能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，即直接輸入預(yù)期的風(fēng)速值（如：0.25、0.31 等），以達(dá)到調(diào)速的目的。

◆ 能夠?qū)θ我庖慌_(tái) FFU 的風(fēng)速值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

◆ 當(dāng)有故障 FFU 報(bào)警時(shí)，能實(shí)時(shí)的顯示故障 FFU。

3）報(bào)警控制單元，采用聲光報(bào)警裝置，通過與中央處理單元的通訊，當(dāng)有任何一臺(tái)或多臺(tái) FFU 發(fā)生故障時(shí)，該控制單 元實(shí)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并與人機(jī)界面單元進(jìn)行配合，迅速確定故障 FFU，確保監(jiān)控人員及時(shí)處理故障。

控制盤控制方式：根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要，中繼器有相應(yīng)數(shù)量的485 通訊插座，每個(gè)插座對(duì)應(yīng)一組 FFU 控制器。通過控 制盤可對(duì)每個(gè)控制器進(jìn)行控制。控制功能如下：

1）對(duì)整個(gè)潔凈室某一組風(fēng)機(jī)起停進(jìn)行控制，可對(duì)某一組風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置。

2）對(duì)整個(gè)潔凈室的某一臺(tái)風(fēng)機(jī)起停進(jìn)行控制，可對(duì)某一臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)行設(shè)置。

3）可對(duì)某一組風(fēng)機(jī)數(shù)量進(jìn)行設(shè)置。（系統(tǒng)規(guī)定每組風(fēng)機(jī)數(shù)量最多位 16 臺(tái)）。

4）對(duì)整個(gè)潔凈室的某一臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢，如風(fēng)機(jī)的起停狀態(tài)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行風(fēng)速。

5）短路保護(hù)功能：當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，能夠自動(dòng)切斷 FFU 的電源以保護(hù)設(shè)備。

3.3 遙控控制方式

遙控控制方式為可選控制方式。它通過現(xiàn)場(chǎng)智能模塊預(yù)留接口，通過可插拔的通訊模塊來實(shí)現(xiàn)遙控控制方式。具體功能由手操器實(shí)現(xiàn)，采用一對(duì)多的控制方式進(jìn)行控制。手操器能實(shí)現(xiàn)以下控制功能：

1）能夠方便的實(shí)現(xiàn)每臺(tái) FFU 的啟停和調(diào)速功能。調(diào)速功能能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，即直接輸入預(yù)期的風(fēng)速值，以達(dá)到調(diào)速的 目的。

2）能夠?qū)γ恳慌_(tái) FFU 的風(fēng)速值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.4 系統(tǒng)綜合功能 控制系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

1）交流調(diào)壓方式控制系統(tǒng)能夠保證正常使用條件下長(zhǎng)時(shí)間無故障連續(xù)運(yùn)行，正常使用條件下能保證 8 萬小時(shí)以上。

2）整套控制系統(tǒng)布局合理、接線簡(jiǎn)單。

3）在滿足潔凈要求的前提下，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定風(fēng)速轉(zhuǎn)速，最大限度降低風(fēng)機(jī)功耗，達(dá)到節(jié)能目的。

4）對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行時(shí)序控制，在非工作時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持室內(nèi)潔凈要求，達(dá)到節(jié)能目的。

4.結(jié)論

綜上所述，不難看出隨著高科技產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，大規(guī)模應(yīng)用FFU 的潔凈室也將越來越多。潔凈室中 FFU 的集中控制 也將是設(shè)計(jì)人員和業(yè)主們必須關(guān)注的問題。

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