潔凈室FFU（層流罩）控制系統

1、潔凈室FFU（層流罩）控制系統的由來　　

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，人們對產品質量的要求也越來越高。而生產技術和生產環境決定了產品質量，這就迫使廠家追求更好的生產技術和更高的生產環境。特別是電子、制藥、食品、生物工程、醫療、實驗室等領域對生產環境有著苛刻的要求，它綜合了工藝、建筑、裝飾、給排水、空氣凈化、暖通、空調、自動控制等多方面的技術。衡量這些行業生產環境質量的主要技術指標有溫度、濕度、潔凈度、風量、室內正壓等。因此，對生產環境的各個技術指標進行合理的控制，以滿足特殊生產工藝的要求，成為了現在潔凈工程的研究熱點之一。FFU作為一種凈化設備，目前在各種潔凈工程中得到廣泛應用。FFU的全稱叫Fan Filter Unit“風機過濾單元”，也就是風機和過濾器連接在一起，能自己提供動力的潔凈設備，早在二十世紀六十年代，世界上*個層流潔凈室的建立就已經開始出現FFU的應用了。 
 

2、潔凈室FFU（層流罩）控制方式現狀
　　目前FFU一般采用單相多速交流電機、三相多速交流電機和直流電機。電機的供電電壓大致有110V、220V、270V、380V四種。其控制方式主要分為以下幾種：
◆ 多檔開關控制
◆ 連續速度調節控制
◆ 計算機控制
◆ 遙控控制
下面對以上四種控制方式做一簡單分析與比較：
2.1多檔開關控制
　　多檔開關控制系統只包括FFU自帶的一個調速開關和一個電源開關。由于控制元件為FFU自帶，分布在潔凈室吊頂內的各個位置，工作人員必須在現場通過撥擋開關來調節FFU，控制起來極不方便，而且FFU的風速可調范圍有限，于幾檔。我們曾經做過一個項目，為了克服FFU控制操作不方便的因素，經過電氣線路的設計，把所有FFU的多檔開關集中起來，放到地面上一個柜子內，實現集中操作，但無論是從外觀還是功能上都存在其局限性。采用多檔開關控制方式優點是控制簡單、成本低，但存在許多缺陷：比如：能耗大、不能平滑調速、沒有反饋信號、不能實現靈活的組群控制等。 
2.2連續速度調節控制
　　連續速度調節控制與多檔開關控制方式相比，多了一個連續速度調節器，使FFU風機轉速連續可調，但同時也犧牲了電機效率，使其能耗比多檔開關控制方式還要高。
2.3計算機控制
計算機控制方式一般采用直流電機，與前面兩種方式相比，計算機控制方式具有以下先進的功能：
◆ 采用集散型控制方式，能夠很方便的實現FFU的集中監測和控制。
◆ 可方便的實現FFU的單臺、多臺及分區控制。
◆ 智能化控制系統具有節能功能。
◆ 可采用可選的遙控方式進行監測和控制。
◆ 控制系統預留通信接口，可與上位機或網絡進行通訊，從而實現遠程通信和管理功能。 
控制直流電機的突出優點在于：容易控制、調速范圍較寬。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電機帶有電刷，因此，FFU的電機均采用無刷直流電動機，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的使用壽命也大大降低。
◆ 整套系統造價昂貴。
◆ 后期維護費用高。
2.4遙控控制方式
　　遙控控制方式作為計算機控制方式的一種補充，可使用遙控器對每臺FFU進行控制，與計算機控制方式相輔相成。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的計算機控制方式。交流電動機同直流電動機相比較，具有結構簡單、體積小、制造方便、運行可*、價格低謙等一系列的優點，由于其不存在換相問題，其使用壽命遠遠超過直流電機。長期以來由于其調速性能很差，因此，調速方式一直被直流調速方式所占領。但隨著新型電力電子器件與大規模集成電路的出現和發展，以及新的控制理論不斷的出現及應用，交流控制方式也逐漸發展起來，并將zui終取代直流調速系統。
　　在FFU交流控制方式中，又主要分為兩種控制方式：調壓控制方式和變頻控制方式。所謂調壓控制方式，就是通過直接改變電動機定子電壓的大小來調整電動機的轉速。調壓方式的缺點是：調速時的效率較低，低速時，電機發熱嚴重、調速范圍較窄等。但是，調壓方式對于FFU風機負載來說，其缺陷不是很明顯，并且在目前的情況下還有一些優點：
◆ 調速方案成熟，調速系統穩定，能夠保證長時間*連續運行。
◆ 操作簡便，控制系統造價低。
◆ 由于FFU風機負載很輕，在低速時，電機發熱不是很嚴重。
◆ 調壓方式特別適合于風機負載，由于FFU風機負責曲線為*的阻尼曲線，因此，調速范圍可以做到很寬。
　　因此，在今后的一段時期內，調壓方式還將是一種主要的調速方式。變頻控制方式就是通過改變電源頻率f的方式來調速電動機的轉速，同時，按一定比例調整整電動機的輸入電壓。變頻控制方式具有優異的性能，調速范圍大，平滑性較高，調*率高等。變頻一般采用較先進的SPWM控制方式，并采用單片機生成SPWM波形。SPWM變頻方式同其它變頻方式相比具有以下特點：1）結構簡單，控制方便；2）輸入功率因數高；3）系統動態響應快；4）輸出諧波少。在目前的情況下，與調壓方式相比，變頻方式也有一些缺點，這主要體現在以下兩個方面：
◆ 變頻方式造價比較高。為了使變頻器的輸出諧波盡可能的減少，逆變器的功率開關器件的開關頻率要盡可能的高。因此，一般采用GTR、GTO、PMOSFET作為開關器件。上述這些器件本身造價較高。因此，變頻控制方式整體造價也比較高。
◆ 使用壽命不如調壓方式長。由于異步電動機屬于感性負載，功率因數不會等于1.0，故在中間直流環節與電動機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無法儲能，所以無功能量只能*直流環節中的儲能元件（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。即使是的變頻器廠商，其變頻器壽命也受此限制。
　　隨著半導體技術的不斷發展，可以預料，一些簡單可*、性能優異、價格便宜的變頻調速系統將不斷出現，異步電動機的變頻調速方法的應用將日見廣泛，并將zui終取代直流調速方式和調壓調速方式。
  
3.FFU智能化控制系統
　　目前，在FFU的應用領域內，其控制系統的應用率還是比較低的，而且在市場上流行的FFU智能化控制系統中，一般只針對配備無刷直流電機的FFU。特別是在能源越趨緊張的今天，控制系統的節能效益越來越被人所重視。每個潔凈室根據產品的生產工藝，決定相應的風速，同時又不得不考慮能耗問題。而一般的控制系統所能調節的風速范圍有限，不能根據具體的要求提供的風速，特別是在8小時之外的休息時間，仍然保持較高的風速，這無疑帶來了能源上的巨大浪費。針對這種現狀，zui近推出了能夠數字化調節風速的HH-F系列FFU智能化控制系統。該系統操作簡單，界面友好，特別是可根據潔凈室的具體風速要求（例如0.37m/s,0.28m/s），數字化設定。HH-F系列FFU控制系統是一套集散型控制系統，能夠方便的實現現場分散控制和集中統一管理功能。可靈活控制潔凈室每臺風機的起停和風速，該控制系統利用中繼器技術，解決了485驅動能力有限的問題，可控制無限臺風機。本控制系統包括以下四部分內容：
◆ 現場智能控制器 
◆ 有線集中控制方式
◆ 遙控控制方式
◆ 系統綜合功能
控制系統如下： 
3.1現場智能控制模塊
　　現場智能控制模塊以單片機為核心處理器來實現控制功能。一臺智能模塊控制一臺FFU。現場智能控制模塊分為調壓模塊和變頻模塊，兩種智能控制模塊能夠實現以下控制功能：
1）智能模塊具有很強的開放性，通過可選的手操器（可插拔式）可實現現場控制：通過預留的RS485接口可實現遠程集中控制和故障診斷與設定：通過可選的遙控組件（可插拔式）可實現遙控控制。
2）通過可插拔的手操器能夠實現FFU的啟停和準確的無級調速，能夠顯示FFU出口風速值。 
3）該智能模塊使FFU具有節能功能。
4）具有過載和短路保護功能：過載時，提示報警單元報警；短路時，提示報警單元報警并自動切斷FFU電源。
3.2有線控制方式
　　有線控制方式為可選控制方式，它通過現場智能模塊預留的RS485接口來實現。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，控制盤操作簡便，但顯示不太直觀，實現功能有限；觸摸屏成本操作方便，顯示畫面豐富，功能強大。
　　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）人機界面單元；3）報警控制單元。
1）中央控制單元，采用PLC控制器。能夠實現以下控制功能：
◆ 與現場智能控制模塊采用RS485總線制聯結方式，對采集到的現場數據進行分析、處理；實現對現場設備的控制功能。從而實現對現場所有FFU的集中監測和控制。
◆ 與報警控制單元進行通訊。
◆ 與人機界面單元進行通訊。
2）人機界面單元，采用觸摸屏實現遠距離對FFU的監控和調節。能夠實現以下控制功能：
◆ 能夠方便的實現FFU的單臺、多臺及分區控制。也就是說，能夠同時控制任意臺數的FFU。
◆ 能夠實現任意臺數FFU的啟停和調速功能，調速功能能夠實現數字化，即直接輸入預期的風速值（如：0.25、0.31等），以達到調速的目的。
◆ 能夠對任意一臺FFU的風速值進行監測。
◆ 當有故障FFU報警時，能實時的顯示故障FFU。
3）報警控制單元，采用聲光報警裝置，通過與中央處理單元的通訊，當有任何一臺或多臺FFU發生故障時，該控制單元實時發出聲光報警，并與人機界面單元進行配合，迅速確定故障FFU，確保監控人員及時處理故障。
控制盤控制方式：根據實際系統的需要，中繼器有相應數量的485通訊插座，每個插座對應一組FFU控制器。通過控制盤可對每個控制器進行控制。控制功能如下：
1）對整個潔凈室某一組風機起停進行控制，可對某一組風機的風速進行統一設置。
2）對整個潔凈室的某一臺風機起停進行控制，可對某一臺風機的風速進行設置。
3）可對某一組風機數量進行設置。（系統規定每組風機數量zui多位16臺）。
4）對整個潔凈室的某一臺風機運行狀態進行查詢，如風機的起停狀態，風機的運行風速。
5）短路保護功能：當發生短路時，能夠自動切斷FFU的電源以保護設備。
3.3遙控控制方式
　　遙控控制方式為可選控制方式。它通過現場智能模塊預留接口，通過可插拔的通訊模塊來實現遙控控制方式。具體功能由手操器實現，采用一對多的控制方式進行控制。手操器能實現以下控制功能：
1）能夠方便的實現每臺FFU的啟停和調速功能。調速功能能夠實現數字化，即直接輸入預期的風速值，以達到調速的目的。 
2）能夠對每一臺FFU的風速值進行監測。
3.4系統綜合功能
控制系統還能夠實現如下功能：
1）交流調壓方式控制系統能夠保證正常使用條件下長時間*連續運行，正常使用條件下能保證8萬小時以上。
2）整套控制系統布局合理、接線簡單。
3）在滿足潔凈要求的前提下，可根據實際情況設定風速轉速，zui大限度降低風機功耗，達到節能目的。
4）對風機轉速進行時序控制，在非工作時間內，自動降低風機轉速維持室內潔凈要求，達到節能目的。
 
4、結論
　　綜上所述，不難看出隨著高科技產業的飛速發展，大規模應用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計人員和業主們必須關注的問題。