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半導體廠冰水主機及冰溫水全自動控制系統設計.pdf

半導體廠冰水主機及冰溫水全自動控制系統設計

angelo
2013-07-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《半導體廠冰水主機及冰溫水全自動控制系統設計pdf》,可适用于经济金融领域

摘要傳統空調業界對於冰溫水控制系統的核心理論大約可分為二種思維一種是以節能為目標經由各種參數的量測及計算決定冰水機之最佳運轉組合模式另一種思維是直接量取冰水溫度來決定最佳之冰水機運轉組合模式此二種思維下所假定出來的系統於不同期刊上有所討論但於實際運轉中理論與實際之差異如何克服並未說明其自動控制之功能難窺其奧妙。本文針對現今空調業界使用之冰溫水及冰水主機控制系統提出第三種思維總結所有工程師操作冰溫水系統之經驗濃縮成六個參數之BTUTable控制理論並依據此一BTUTable理論自行發展一套冰水主機及冰溫水控制系統應用於半導體晶圓廠的冰溫水控制此一系統整合冰水主機及相關PUMP之加減機負載控制、改良熱回收三通閥控制及電力壓降緊急自動復機程序設計做到全自動化並兼顧穩定與節能的冰溫水控制。此一控制快速與穩定之結果可以由台電壓降事故中得到驗證此一系統運轉至今超過三年經歷各種電力異常之狀況均能安然渡過提供穩定之冰溫水供應。本文分為五小節前言為介紹發展這套控制系統的緣由傳統冰水控制理論之回顧第三節介紹本控制系統核心思想第四節介紹本系統之控制系統架構並說明基本PLC程式語言之撰寫設定注意事項第五節介紹本系統實際使用之成效與經驗並提出總結與建議希望藉由本文能提升國內系統設計之技術與信心。前言半導體廠的空調負載均由大型冰水主機產生冰溫水經由PUMP輸送至各負載處加以調節。由於半導體生產環境為潔淨室需要精確的溫濕度控制而製程設備也需穩定的冰水供應作為冷卻之用因此冰溫水供應系統的控制尤為重要。傳統空調業界的冰溫水控制系統或由冰水主機廠商發展或由控制元件製造商發展此類的控制系統均偏向於作商業性大樓的控制或僅作到設備單體區域控制而系統整合控制的功能並不完善。加上半導體工廠所需求的冰溫水控制為穩定且不間斷在台灣電力供應品質不佳常造成冰溫水系統因電力異常而中斷的狀況下國外發展之傳統冰溫水控制系統運用在半導體廠時常因無法達到使用者之要求而變為半自動控制或手動控制原有控制之功能無法發揮。基於實際的使用經驗於半導體廠建廠時深知如果採用現有之冰溫水控制系統必將無法解決過往的問題因此經過研究後提出一套全新的控制系統加以克服控制系統設半導體廠冰水主機及冰溫水全自動控制系統設計曾錦鍊涂明國旺宏電子廠務處電力空調部台灣洛克威爾國際股份有限公司Email:lymantsengmxiccomtw,kmgturarockwellcom中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月計時的目標如下:()控制系統依負載變化自動啟停設備在穩定運轉之條件下作最佳效率運轉。()設備故障自動備載系統控制穩定。()台電壓降斷電時系統自動最快復機。為了達成此目標此一系統必須具備一個與傳統不同之控制系統思維改善現有系統不完備之部分同時在硬體方面的選定必須在最新技術與可靠技術間取得平衡才能以最小的風險發展最成功、最可靠之控制系統此一冰溫水控制系統導致下列三項控制新技術及一控制系統架構產生。()核心控制原理:BTUTable(負載表)控制理論。()關鍵設備改善:熱回收三通閥控制穩定改善。()電力品質解決方案:電力供應異常系統自動緊急處理程序。控制系統網路架構於年初工業乙太網路解決方案(EtherNetIP)已經成熟因此在HMI採相對成熟之I’fix建立FMCS系統本文不介紹此一部分於設備側考慮不同子系統整合及保有原來子系統功能之條件下採用由PLC、ControlNet及RemoteIO構成之不完全分散式系統此一系統架構規劃之做法實為配合BTUtable控制理論產生相當特別將於本文第四節說明。此一冰溫水全自動控制系統於年月開始設計年月開始施工至年月試俥完成共計費時個月年月本系統以EECCOONN控制系統為名於年半導體廠物技術研討會將部份新技術做詳細之說明並由實例驗證EECCOONN控制系統之成效。傳統冰水系統之技術EECCOONN控制系統成功後即申請美國專利本專利申請遭核駁原因為年JamesMBitondo已申請核准之“Multiplechillercontrolmethod”專利Bitondo之專利內容大要如下:()對個別之冰水主機在不同支負載下量取其COP(CoefficientOfPerformance)整合所有獨立chiller之COP經計算後建立一DBO(DataBaseandOptimizer)即事先建立整個冰水系統最佳效率表。()加開冰水主機時機為負載大於現有正在運轉之冰水主機總負載或DBO發現加開一組冰水機後COPSYSTEM更佳時啟動一組冰水主機。()減開冰水主機時機為停止一組冰水主機運轉後運轉中之冰水主機總容量大於負載需求且於DBO發現減開一組冰水機後COPSYSTEM更佳時停止一組冰水主機。Bitondo之後ThomasBHartman之專利”Systemforsequencingchillersinaloopcoolingplantandothersystemthatemployallvariablespeedunit”同樣採取最佳效率運轉為核心理論之方法Bitondo與Hartman之專利所面臨的問題也是其它以最佳效率運轉為核心理論為基礎之控制系統所必需面臨的共同問題是多組冰機並聯運轉之冰水系統中冰水組機之最佳效率與最大容量會隨冷卻水溫度、冰主機之狀態如冷煤填充量、不同冰水機搭配運轉造成之冰水流量重分配而變化因此實際之冰溫水系統之最佳效率點與實際允許之系統最大容量是變動的以最佳效率運轉為核心理論的方法所設計出之系統無法得知他們如何在理論與實際系統間之差異取得平衡。另一種冰機系統控制的理論為各項數學模式的推導計算冰水溫度流量之需求後再推算冰機之開關機時機做加減機控制其順序控中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月制方式如示意圖及說明如下:圖傳統冰水主機控制用溫度感測器位置圖所顯示之溫度感測器之插管位置其目的在於監視冰水溫度變化及藉由溫度變化導出一次側冰水流量與二次側冰水流量及經由Decouple旁通之冰水流量之關係如下:()一次側冰水供應大於二次側冰水供應:X=(TT)x(一次側流量)(TT)T=T=TX:一次側冰水供水經由Decouple旁通至冰水回水側之流量比率()一次側冰水供應小於二次側冰水供應:X=(TT)x(一次側流量)(TT)T=T=TX:二次側冰水回水經由Decouple旁通至冰水供水側之流量比率傳統之冰水主機順序控制步驟如下:()當系統決定要啟動主機時A第一台主機之冰水泵先啟動並確認通過之冰水流量已建立。B啟動冷卻水泵浦運轉建立冷卻水流量。C冰水流量及冷卻水流量均經確任建立後啟動冰水主機。()加開冰水主機時機:控制程式持續監視冰水主機之冰水進出水溫度當其進出水溫差高於設定值超過一設定時間後啟動第二台冰水主機說明如圖:∆T:冰水主機進出水溫設計溫差∆T:加開冰水主機時機進出水溫差圖加開冰水主機時機()減開冰水主機時機:控制程式持續監視冰水主機冰水進出水溫度當其進出水溫差低於設定值超過一設定時間後關閉一台冰水主機說明如圖。∆T=∆Tx(qQ)∆T∆T:減開冰水主機時機進出水溫差q:單一冰水主機額定容量Q:運轉中冰水主機總容量∆T:減開冰水主機進出水溫設計溫差調整值TTTTT一次側冰水二次側冰水ChillerChillerChillerLoadingDecoupleT時間冰水供水溫度T加開冰水主機確認時間∆T∆T中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月圖減開冰水主機時機()傳統冰水系統控制系統之加減機之控制程式除了以冰水進出水溫差為依據之外通常輔助以通過Decouple之冰水流量X為參考如冰水主機進出水溫差已達減開冰水主機時機但通過Decouple之冰水流量X仍小於單一冰水主機之額定流量則減開冰水主機之條件不成立。綜合前述二種冰水系統控制理論模式均採用大量之數學運算此二種模式必須分別克服下列五個問題:A影響冰水進出水溫度因素為冰水負載、冰水主機性能及冰水系統之流量平衡傳統之冰水控制系統經由冰水溫度變化作為加減機之參考系統必須能判斷造成冰水溫度異常因素為冰水主機負載變化造成或流量平衡異常造成。B依冰水流量及冰水溫度及冰水主機負載率綜合判斷作為加減機之依據於多台冰水主機運轉時容易流於定義不清甚至造成加開冰水主機時機與減開冰水主機時機互相衝突。C過於依賴數學公式運算值作為設定控制參數之依據這些數學計算理論與實際之差異如何克服且設定之參數對系統之影響為間接的操作人員調整不易。D傳統空調業界的冰溫水控制系統或由冰水主機廠商發展或由控制元件製造商發展此類的控制系統較為封閉當考慮此系統與周邊系統整合時因各系統相容性問題或商業機密之考慮導致整合之工作事倍而功半。E傳統的冰溫水控制系統均偏向於作商業性大樓空調的控制其對電力異常之反應速度之要求不如工業界嚴格且系統大部分由歐美先進國家所設計其系統對電力異常狀況之處理程序著墨不多對於冰溫水供應品質要求嚴格之產業需要配合更多之人力操作來處理電力異常之狀況以達產業之需求。冰溫水全自動控制系統之新技術核心控制理論BTUTableBTUTable控制理論的起源於下列三段文字:()冰水主機加機時機:當所有正在運轉之冰水主機loading超過分鐘時加開一組冰水機組。()如冰水共管之出水溫度超過設定值℃時啟動一組冰水主機。()冰水機組減機時機:當所有正在運轉之冰水主機loading減少超過一組冰水主機額定容量分鐘時減開一組冰水機組。本控制系統發展之初即嘗試以一數學模式達成自動化之效果上述三段文字於工程公司完成設計交給業主時無任何爭議冰溫水自動控制系統開始交由業主自行發展為慎重起見當時假設由工程師取代自動控制系統執行上述加減機時機得到下表之結果:表時間冰水供水溫度T減開冰水主機確認時間∆T∆TT中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月結果顯示如果依照原來的控制邏輯控制系統於加開冰水主機與減開冰水主機間將產生矛盾此一系統無法達成最初之設計目標結果同時顯示表為神來之筆引發下列思考模式:()如果以一工程師操作冰機系統Highlimit與Lowlimit間必定加上一緩衝區(Deadband)防止加開冰水主機後必須立即減開冰水主機之矛盾顯然表一只要修改High,Lowlimit即可達成表一比起數學公式模式更明確更可靠。()為防止瞬間之假負載或控制訊號雜訊造成冰水系統加減機於High,Lowlimit加上delaytime形成一假負載或雜訊之確認時間表一將更合理BTUTable於是產生如表。()由BTUTable表之High,Lowlimit之設定得知多台冰水機組並聯運轉系統最佳系統效率與穩定運轉於加減機時機是衝突的如果冰溫水控制系統採最佳效率運專模式控制系統無法達成穩定之自動加減機控制。()BTUTable並未處理冰水出水溫度異常之問題然深入研究冰水出水溫度異常可分為三種狀況解法不同第一種狀況負載端設備匹配不當形成低冷凍需求高冰水循環量之現象引起冰水系統混水造成出水溫度異常此一狀況應以現場設備調整為主冰水機加減機為輔來改善第二種狀況實際負載增加造成二次冰水循環量增加因一次側冰水為定流量系統當二次側冰水流量大於一次側冰水流量時冰水出水發生混水造成冰水出水溫度異常此一狀況以加開冰水主機即可這也是控制系統必須具備之功能第三種狀況冰水主機發生異常造成冰水出水溫度異常此一狀況之解法應以排除冰水主機異常為主系統自動備載為輔基於上述三種狀況本文介紹之自創冰溫水控制系統採用不完全分散式控制系統架構配合BTUTable之控制方法。本文之ECON系統使用全新的BTUTable表作為冰水主機加減載依據其特色為系統依實際空調負載決定應啟動之冰水主機台數當實際運轉台數與應運轉台數比較後本系統具備自動加減機及故障自動備載之功能BTUTable取代傳統控制系統依空調負載變化決定加減機之模式BTUTable內容如表所示:表BTUTable應啟動冰水機台數冰水主機最大容量加開冰水主機時機加開冰水主機確認時間減開冰主機時機減開冰水主機確認時間BTUTable的內容包含項事先依據系統容量設定之控制參數此項參數為並聯運轉之應起動冰水主機台數、系統冰水機最大容量、加開冰水主機時機、加開冰水主機確認時間、減開冰水主機時機及減開冰水主機確認時間此項參數均不需經由數學運算即可設定BTUTable控制方法之優點如下:ⅠBTUTable之控制方法為依實際空調負載去比對BTUTable內應啟動之冰水主機台數決定應啟動幾台冰水主機當負載增加超過加開冰水主機時機且時間超過加開冰水主機確認時間系統將啟動另組冰水機組反之停止一組冰水機組當冰水主機跳機時空調負載不變BTUTale顯示應啟動冰水機組台數不變因此冰溫水控制系統自動啟動備載實際空調負載中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月冰水主機冰水主機故障自動備載之功能於控制上很穩定可靠。Ⅱ經由加開冰水主機時機及減開冰水主機時機定義清楚不產生混淆冰溫水系統可依設備之運轉穩定度及效率事先規劃系統運轉區經由參數之設定達系統穩定度及最佳效率運轉。Ⅲ加開冰水主機時機與減開冰水主機時機間經由Deadband之設計可使冰水主機運轉切換更穩定加減機確認時間更短系統反應更快。冰溫水系統必須有效整合二次冰水泵浦系統、冷卻水塔系統才能達到自動化之效果傳統冰溫水控制系統對於二次冰水泵浦系統控制方法採負載端壓差控制即二次冰水Pump變頻器負載達一定上限時如果負載端冰水進回水壓差不足時自動加開一組二次冰水泵浦系統二次冰水Pump變頻器降載至一下限時自動減開一組二次冰水泵浦系統此一方法在實際運轉時將發生類似表一所顯示之類似問題即加減機時機有時會互相衝突造成必須放棄自動加減機之功能於冷卻水塔系統控制方面控制系統採冷卻水溫為增減機之依據然考慮冷卻水塔覆水率及冰水機冷卻水流量建立之問題此一方法亦不利於作自動化之控制傳統之控制方法自動加減機之功能不彰最終只能達到冷卻水溫控制而達不到自動加減機之功能。基於上述之經驗及為了配合BTUTable之控制方法在整合二次冰水泵浦系統、冷卻水塔系統時本文之中心思想有二:其一二次冰水泵浦系統必須先考慮冰水一次側與二次側之流量平衡再考慮冰水進回水之壓差如此才可兼顧冰水供水溫度避免混水及負載需求其二冷卻水塔之冷卻水覆蓋率必須先滿足才能發揮最大之散熱效果因此本控制系統控制原則採二次冰水PUMP加減機必須配合冰機啟動數量先滿足一次及二次之流量平衡當二次冰水PUMP決定後冰水進回水壓差由二次冰水PUMP變頻器控制如果冰水進回水壓差無法建立必須優先考慮假性負載所造成之一次及二次之流量無法平衡應以負載側設備調整為原則冷卻水塔之控制必須考慮由冷卻水塔之冷卻水覆水率來決定冷卻水塔應啟動台數當應啟動台數決定後冷卻水溫由風車變頻器之輸出來控制依此二觀點ECON系統發展出冰水主機與相關設備運轉台數對照表如表其運作方式為先由BTUTable決定冰水主機應運轉台數後經由相關設備運轉台數對照表與冰水主機相關的PUMP冷卻水塔依設定順序啟動。表設備運轉台數對照表冰水主機運轉台數二次Pump運轉台數冷卻水塔運轉台數表是依據各系統之容量來設定其中最特別的是冰水主機無運轉時相對之冷卻水塔及二次冰水泵浦各啟動一台其目的在於冰水主機啟動前先建立冰水及冷卻水流量且於電力異常時維持一台二次冰水泵浦運轉可利用冰水管線內儲存之冰水減緩潔淨室溫溼度之變化速度ECON系統藉由BTUTable及表達到二次冰水泵浦及冷卻水塔到達最佳化效率的運轉、自動加減機及故障自動備載之功能。熱回收三通控制閥的控制的改善目前用於熱回收主機之三通閥基於成本之考量或空間之限制大部分採用碟型閥體之中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月控制閥其流量特性曲線如圖。圖為一碟型閥之流量特性曲線經實際測量閥開度~可控制流量為閥全開時流量之閥開度~可控制流量為閥全開時流量之,閥開度~可控制流量為閥全開時流量之。此一流量特性曲線之控制閥適用於ONOFFControl此類控制閥用於PID比例式控制將導致之問題有()控制不穩定hunting問題嚴重()閥片振動嚴重導致閥片鬆脫如將此類控制閥用於熱回收主機結果造成熱回收主機無法作全自動控制及溫水出水溫度控制不穩。圖傳統的熱回收三通閥特性曲線本冰溫水控制系統的解決方式是將碟型閥之流量特性曲線分割成三段近似直線之ABC三區B區為可穩定控制(B區:~可設定)AC區則否因此必須保持AC區為快速ONOFFControlB區可變更為PID比例式控制此一做法優點有二:()B區可控制流量達總流量之與傳統之比例式控制閥性能相近()AC區維持快速ONOFFControl可防止碟型閥體閥片之振動可延長控制閥之壽命採用的方式如下:()採用雙組PID參數運用於比例式控制AC區之PID參數取大值造成AC區對偏差值反應靈敏而形成ONOFFControlB區依實際需求按比例式控制閥PID參數之設定方式設定確實做到比例式控制。()控制點穩定落於B:控制點要穩定落於B區之方法如採用限制控制閥桿衝程之方法將造成控制之死角須避免使用須採用下列方式如圖。圖碟型閥體控制閥流量調整(A)控制閥開度時(可設定)可滿足最大負載如控制閥無法滿足時請調整流量平衡閥。(B)控制閥開度時(可設定)可滿足最小負載如控制閥無法滿足時請調整流量平衡閥。(C)如為熱回收三通閥可簡化為下列公式:出水溫度設定:℃溫水溫度≧溫水溫度冷卻水溫度降低偏差值影響:比例式控制閥之輸出如下公式:輸出=PEI∫EdtDdEdtE:偏差值=實際值–設定值當變更設定值時如果設定值與實際值之差太大控制閥輸出瞬間變化過大將導致控制閥huntingECON系統對此一問題其解法為自動漸進設定方法此一方法之觀念為設定值改變之大小必須小於一定之臨界值範圍內此一臨界值範圍以不引起控制閥hunting流量開度ABC碟型閥之流量特性負載碟型控制閥流量平衡閥中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月為原則如新的設定值與實際值之差大於此一範圍則由原設計值至新的設定值之間必須劃分成數個暫時之設定值以自動漸進之方式改變設定值至新的設定值說明如圖:圖自動漸進設定方法此一方法之優點為對任一新的設定值經由漸進之方式改變得到一快速穩定之輸出此邏輯概念可由PLC或其他任何程式語言書寫。ECON系統電力品質解決方案半導體廠建廠Chillers及相關泵浦動力電源線配線之規劃在操作上所追求的是冰水系統如何在最短的時間、以最可靠的方式將冰水系統啟動依據現有冰機動力電源線配線圖冰機動力來源分成四個迴路其動力線代號為BEPGCBE、BEPGCBE、BEPSWGE及BEPSWGE故冰水系統的啟動之方式建議可分為三種:Ⅰ一台冰機及相關PUMP接一台冰機及相關PUMP啟動℃、℃冰機共台此一冰水系統啟動方式如須開啟所有冰水機大約須時分鐘如在電源壓降跳機重新啟動的條件下啟動時間較短。Ⅱ二台冰機及相關PUMP接二台冰機及相關PUMP啟動℃、℃冰機共台此一冰水系統啟動方式如須開啟所有冰水機大約須時分鐘如在電源壓降跳機重新啟動的條件下啟動時間較短。Ⅲ四台冰機及相關PUMP接四台冰機及相關PUMP啟動℃、℃冰機共台此一冰水系統啟動方式如須開啟所有冰水機大約須時分鐘如在電源壓降跳機重新啟動的條件下啟動時間較短。四台冰機接四台冰機系統啟動方式面臨起動電流過大可能影響全廠電力系統供應於電力系統可靠度上顧慮較多且亦無人力同時一次啟動組冰水主機因此不建議此一冰水系統啟動方式本文建議以第二種方式即二台冰機接二台冰機啟動。冰水系統動力電源線配線為配合第二種方式啟動冰溫水系統如無事先作動力線規劃其所面臨的問題是如採二台冰機接二台冰機啟動方式則冰機相關Pump有可能在同一Pump配電盤上同時啟兩台Pump冰機可能面臨Pump配電盤跳脫而無法開啟冰水系統自動啟停系統因此必須改為手動啟停。此一部份本文中提出解決方法為利用冰溫水系統之電力規劃整合所有冰水主機及相關之泵浦動力配線將冰機電源BEPGCBE、BEPGCBE設為一組其配屬冰機相關PUMP電力來源均自同一組之動力饋線冰機電源BEPSWCE、BEPSWGE設為另一組其配屬冰機相關PUMP電力來源均自同一組之動力饋線。自主變電站起分為二個電力迴路當其之一組動力饋線異常時另一組動力饋線自動備載。ECON系統依此電力規劃同一電力迴路不得同時啟動二台以上之冰水機組不同之電力迴路則無此限制此二組冰水系統電力迴路起停順序各依組內冰機運轉時數及電源狀態排優先順序一控制點原設定值新設定值時間暫時設定值中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月台、一台啟停則總冰水系統則二台、二台起停而不虞同一PUMP配電盤有二台PUMP同時起動的問題於電力異常之條件下ECON系統設計目標如下:此一方法起動台冰機於歲修停機之條件下須時約分鐘如於台電瞬間壓降或短期間跳電須系統再啟動的條件下起動台冰機須時約分鐘。台電壓降導致跳機時冰水系統自動依電力系統分兩組同時開啟至電源壓降前冰機相同數量保持分鐘後冰水系統依負載自動啟停。台電跳電導致冰水系統跳機系統電源改由緊急發電機供電時冰水系統一台接一台依℃系統優先開啟至電源壓降前冰機相同數量再開啟℃系統至電源壓降前冰機相同數量保持分鐘後冰水系統依負載自動啟停。台電跳電時間在分鐘(可設定)內即復電系統視此條件為台電壓降。台電跳電導致冰水系統跳機系統電源改由緊急發電機供電時經人工確認供電正常後再自動啟動冰水系統。ECON系統對於電力供應狀態持續監視於二組電力供應饋線中各設二組監視點共四組當電力供應異常時以此四組監視點同時測得之異常為確定之電力供應異常訊號如其中一組恢復即代表電力已正常供應。控制系統架構之建立控制系統架構簡介本控制系統分成冰水之Pumpsystem、Chillerssystem、Coolingtowersystem、HotWarmwatersystem此一架構下所有子系統經controlnet將訊息送至MasterPLC處理MasterPLC經Ethernet將訊息送至LocalSCADA網路架構如圖所示MasterPLC由二組ABPLC組成此二組PLC互為Redundant平常運轉之情況下主系統由其中一組PLC控制當此一組PLC故障時系統自動將控制權切換至RedundantPLCMasterPLC工作內容如圖所示SLC為LocalPLC其工作內容如圖所示為接受MasterPLCOnOff指令後順序開起或關閉單一冰機及相關之Controlvalve、冷卻水Pump及一次側冰水Pump訊號回傳至MasterPLC其他如Chillers狀態如進出水溫度、電流、運轉時數、油溫、、、等經closeloop之RS傳送至BCUBCU訊號經Gateway(modbus)克服相容性問題後傳至MasterPLC。此一架構即本文所稱之不完全分散控制系統架構此一架構是基於列考慮:()整個冰溫水系統控制內容的劃分可分成共同事項及各子系統單獨事項共同事項如減機時機及表個子系統應啟動之數量此一工作應由masterPLC統合處理子系統如冰水主機及相關之PUMP控制閥之之作動亦可交由MasterPLC處理但此一做法在網路通訊異常、通訊干擾或MasterPLC故障或程式有缺陷時易導致整個冰溫水控制系統失效因此在考慮到可靠度冰水主機及相關之PUMP控制閥之之作動交由一LocalPLC控制此一LocalPLC僅接受MasterPLC之起停冰水主機訊號並回受子系統狀態即可這種設計一方面可降低主程式之複雜度提高本控制系統成功之機會另一方面當MasterPLC或網路系統發生異常時不會潑及下游之冰機系統同時在異常處理或擴建上由LocalPLC手也比較容易。()整個冰溫水控制系統除了自行設計之部分外尚包括承商提供之次係統如TRANE冰機系統包含UCPⅡ及BCU此一部分承商中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月不會開放但如冰水主機所有運轉參數其提供因此必須建立RS通訊網路來獲取這些資料然通訊網路越複雜可靠度越低因此這些參數儘量作為監視用途即可。HVACPLC(AB)CHPUMPCHPUMPCHPUMPCHPUMPCHPUMPCHPUMPCHPUMPCHPUMPHVACPLC(AB)LocalSCADAModbusGatewayChillerControllerChillerControllerModbusGatewayLocalSCADAControlcenterFMCSmonitorBackupBackupRedundantEthernetRSRSSLCSLCSLCSLCSLCSLCSLCSLCCTxControlnet(cableredundant)FlexIOx控制系統硬體架構FlexIOxFlexIOxFlexIOxSCPWWPSCP圖控制系統硬體架構MasterPLCofwaterside(PLC)Systemstatusmonitoring、ChillerrankingandOnOff、systemremotecontrol、SOO、Voltagedropandpowertripoperationprocedure、BTUcalculation、CTrankingandcontrolling、Secondchillwaterpumprankingandcontrolling、WarmHotwaterpumprankingandcontrolling、………………PowerstatusCoolingwatertemperatureBTUPowermeterOutdoorairWebtemperaturePDTofpipesystemChillerstatusPumpstatusCTstatusDevicestatus(controlvalves,VFD,……Controlnetsystemstatus℃ChillersystemOnOffCTcontrolSecondarychillwaterpumpcontrolWarmHotwatersystemcontrolWatertreatmentsystemcontrolCoolingtowerfiltrationsystemcontrolCoolingloadmanagementsystemSensors℃ChillersystemOnOffPlumbingsystemmonitoring圖主PLC之工作內容中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月ChillerSystemstartCoolingwatercontrolvalveONChillwatercontrolvalveONControlvalvehavebeopenforsecTurnonCHPandturnonCWPsecondlaterPLCSLCYesNoSignalfeedbacktoPLCIfcontrolvalvefailStoptheSTARTprocedureandSystemisoffSOOALARMautomaticallyInthecaseofpowertriporvoltagedropTurnonCHPifitisstopandturnonCWPsecondlaterSignalfeedbacktoPLCIfthepumpfail,stoptheSTARTprocedureandthesystemisoffSOOautomaticallyIfthepumpisstopbecauseofthepowertriporvoltagedrop,thesystemwillrepeattheSTARTprocedureautomaticallyasthepowerisreadyandmasterPLChadsentthestartcommandNoChillerONYesSignalfeedbacktoPLCIfthechillerdonotruninminuteorfail,stoptheSTARTprocedureandthesystemisswitchedintomanualautomaticallyIfthechillerisrunning,startanothersystemMasterPLC(ONOFF……)NoYesOnOffRunningstatus圖LocalPLC之功能PLC之選擇與Controlnet之建立PLC之選擇必須考慮下列三項條件:A產品功能:當決定一系統時就必須考慮選擇合適產品配合功能過於強大之產品無助於系統之效能只會增加系統之設立成本功能太小之產品無法達到原系統之設計目標因此PLC之選用須考慮其綜合功能包括硬體配備如內部之處理器、浮點運算能力、內建記憶體容量可支援之IO點數及網路規劃能力等再訂定之。B產品之開放性:大部分之控制系統均可找到不同品牌之PLC系統與之匹配但只有一二種品牌在市面上比較流通因此為考慮將來控制系統之維修性選擇PLC產品應選擇該項產品係統越開放能配合支援維修之承商越多者為佳。CPLC之功能與可靠性之間必須做一平衡:越新的產品功能越強大但熟悉該產品的人越少產品之實際使用經驗越少因此選用PLC系統時必須做一取捨。本廠於建廠時考慮過去之使用經驗採用洛克威爾AllenBradley(以下簡稱為AB)之自動控制解決方案AB的PLC從早期的PLC、PLC到近年的PLC、SLC及最新的ControlLogix控制器皆是經過驗證為可靠的PLC。通訊網路也由早期的點對點通訊DH遠端IO控制網路RIO一直到現在的NetLinx三層網路架構–EthernetIP(資訊網路及IO控制)、ControlNet(控制層網路含點對點及IO控制共用同一個網路)及DeviceNet(設備層網路)也都是優良的通訊網路。:本系統當初採用PLC來作為主控制器是因為PLC為一經過時間證明為一可靠的控制器且同時提供Ethernet對FMCS及ControlNet對IO及SLC通訊網路對於系統的控制及協調相當適合。其程式的撰寫方式為階梯圖為業界最常使用之程式語言簡單易中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月冰機復機時間(min冰機台數)FAB(TracerControl)FAB(ECONControl)懂且PLC的內部暫存器並沒有特別的限制因此對程式的運用上相當的方便且PLC支援間接位址索引對於Table的應用非常恰當。雖然ControlLogix問世好幾年且功能強大但因為在系統規劃之時ControlLogix尚未支援硬體備援所以不採用。ControlNet為一個Deterministic網路可確保所有通訊的可靠度。且因為ControlNet採用ProducerConsumer通訊技術可以使用RSNetwork指定通訊的更新時間對於冰機需及時性的互通及協調上有相當大的可靠性ControlNet採用RSNetwork來規劃整個網路之參數與建立網路上之各節點(Node)的排程(Schedule)在未設定前各ControlNet介面的Status燈號綠燈閃爍設定完成後恆亮。在PLC的程式編輯上因為AB的PLC有下列幾項特色因此在程式書寫及維護保養皆相當便利。PLC的內部資料如計時器、計數器、整數、浮點數及步林等基本上沒有數量上的限制完全決定於記憶體的大小。PLC支援間接位址索引功能對於陣列及配方的應用非常方便。PLC可以有很多個副程式因此可以將程式分散到不同的副程式對於程式的結構化及可讀性大大的提升。PLC與Local控制的SLC通訊採用ControlNet的排程通訊因此不需額外的通訊指令即可讓PLC與SLC的通訊按照指定的時間更新。編輯軟體的程式書寫方式完全跟Windows一樣有快速鍵也可以用拖放的方式來編輯程式的指令。本控制系統採用大量之通訊網路網路遍布全廠然此一網路系統亦受電磁波干擾因此在PLCProgramming時對於pulse型態之控制訊號需要一確認時間已避免雜訊干擾正常之控制行為。成效說明與建議以年月日台電接近停電壓降幅度之電力異常事件我們從圖及圖的比較可知ECON系統發揮了極大的功效對於半導體廠在電力異常時搶救生產及提供生產環境穩定度而言ECON系統均較傳統之控制系統佳ECON控制系統為空調控制的革新發明平時依據BTUTable做冰機系統最佳效率的自動加減機及設備故障自動備載運轉配合熱回收三通閥控制改進技術做到穩定的冰溫水供應當台電電力異常時則迅速穩定的自動完成各系統復機將電力異常的影響降低至最小。傳統空調控制系統的缺點均能在ECON控制系統上找到最佳的解決方案。圖台電壓降二三廠冰水主機復機時間比較::::::::::::::::::::時間(Date:)濕度(%)台電壓降開始時間:(壓降幅度達%時間持續秒)FABSPECLIMIT±FAB(TracerControl)FAB(EConControl)中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月ણ҂͛ᚥ!Anonymous,“EngineeringmanualofAUTOMATICCONTROLforcommercialbuildings,”HoneywellINC,“Chiller,BoilerandDistributionSystemControlApplications()”,pp,OctoberTraneTaiwan雷芳信,“冰水主機的排列與控制”,台北:中國冷凍空調雜誌,年月號,vol#,pp,JuneCarrierAirConditioningCompany,“HANDBOOKOFAIRCONDITIONINGSYSTEMDESIGN”,pp–JamesMBitondo,USPatent,,,“Multiplechillercontrolmethod”,Nov,ThomasBHartman,USPatent,,B,“Systemforsequencingchillersinaloopcoolingplantandothersystemsthatemployallvariablespeedunits”,Feb,,曾錦鍊,中華民國專利“以能量表為基礎之冰水機自動控制系統”,ChinLienTseng,USPatent,,B,“Methodforcontrollingabutterflyvalve”,Mar,ү۰ᖎ็!曾錦鍊年於交通大學獲得機械工程碩士學位目前任職於旺宏電子廠務處電力空調部經理涂明國目前任職於台灣洛克威爾國際股份有限公司ACIG產品經理圖台電壓降二三廠潔淨室濕度穩定度比較然此一系統未整合冰水主機內含之控制系統冰水主機內部控制系統將故障訊號分成MMR與MAR兩種MMR為控制器接收到冰水主機運轉異常訊號時控制系統判定為此一訊號必須由工程師至現場確認異常之狀況再決定此一冰水主機是否適合運轉因此冰水主機MMR之訊號ECON控制系統無法處理導致過去三年多之運轉紀錄有二次台電壓降系統自動復機失敗須以人工方式復機另一種冰水主機異常訊號為MAR當冰水主機出現MAR訊號時控制系統判定為此一訊號不影響正常運轉當電力恢復後係通自動復歸ECON控制系統可進行自動復機之工作。對於MMR及MAR導致兩種完全不同之控制結果我門是否要再花心思去整合冰水主機內部控制功能本文之建議依對象不同有完全相反之建議:A如果讀者是廠務人員無須將心思放再MMR問題上依據過去三年半之運轉經驗ECON控制系統讓廠務人員沒事做發生MMR時工程師容易驚慌失措所以不知道如何處理。B如果讀者是系統設計廠商與MMR相類似之問題隨處可見克服了MMR之問題往後類似之問題均可輕鬆解決。中華水電冷凍空調設備資訊網http:wwwtpetubecomtw中華水電冷凍空調月刊年月

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