暖通设计 | FFU控制系统设计

摘要：FFU是FAN FILTER UNIT的缩写，中文称作“风机过滤器单元”，也就是将风机和过滤器组合在一起构成自身能提供动力的末端净化设备。

FFU是FAN FILTER UNIT的缩写，中文称作“风机过滤器单元”，也就是将风机和过滤器组合在一起构成自身能提供动力的末端净化设备。

FFU由以下部件组成：1、预过滤器；2、外壳；3、风管连接部件；4、电机；5、叶轮；6、气流均衡装置；7、过滤器；8、金属防护网；9、刀缘；10、控制单元。

按风机类型分：可分为：

AC（AC-Alternating Current）采用交流风机，细分为单项、三项。

DC（DC-Direct Current）采用DC风机，直流系统。

AC FFU控制：AC FFU不进行调速控制，一般按群组，对每个回路进行状态监视及控制，主要包括以下状态：

1）M/A(MANUAL/AUTO)手动/自动；

2）RS(RUNNING STATUS)运行状态；

3）FAULT故障；

4）ON/OFF 启动/停止。

注：按群组监视不能判断到每台FFU。

AC FFU控制：FFU监控点取自FFU及配电箱MS，通常M/A、RS取自MS，FAULT取自每台FFU，ON/OFF控制配电使每个FFU回路启动/停止。现场FFU FAULT监视主要有三种配线方式：串联方式；并联方式；矩阵方式。

串联方式：

FFU GROUP按串联方式连成回路，接线需接FFU常闭触点，正常情况下，每个回路呈通路，当发生故障时，呈现断路现象，从而判断出现故障。

并联方式：

FFU GROUP按并联方式连成回路，接线需接FFU常开触点，正常情况下，每个回路呈断路，当发生故障时，呈现通路，从而判断出现故障回路。

矩阵方式：

FFU GROUP按矩阵方式连成下图，通过PLC，用一DO&DI作位置的侦询，纵列为接PLC DI模块，横向接PLC DO模块，DO定时送出信号，进行扫描，从而判断出现故障回路。

DC FFU控制：

FFU内设一个连续速度调节器，使FFU风机转速连续可调。系统以计算机为中心，对每台FFU通过线路连接起来，实现FFU的集中监测及控制。其主要功能如下：

1、采集每台FFU的实时运行；

2、实现FFU的单台、多台及分区控制。也就是说，能够同时控制任意台数的FFU；

3、能够对任意一台FFU的风速值进行监测；

4、当有故障FFU报警时，能实时的显示故障FFU。

在FFU直流控制方式中，又主要分为两种控制方式：调压控制方式和变频控制方式。

1、调压控制方式：通过直接改变电动机定子电压的大小来调整电动机的转速。

2、变频控制方式：通过改变电源频率f的方式来调速电动机的转速，同时，按一定比例调整整电动机的输入电压。

DC FFU控制方式比较：

变频控制方式就是通过改变电源频率f的方式来调速电动机的转速，同时，按一定比例调整整电动机的输入电压。变频控制方式具有优异的性能，调速范围大，平滑性较高，调速效率高等。变频一般采用较先进的SPWM控制方式，并采用单片机生成SPWM波形。

SPWM变频方式同其它变频方式相比具有以下特点：1）结构简单，控制方便；2）输入功率因数高；3）系统动态响应快；4）输出谐波少。在目前的情况下，与调压方式相比，变频方式也有一些缺点，这主要体现在以下两个方面：

变频方式造价比较高：为了使变频器的输出谐波尽可能的减少，逆变器的功率开关器件的开关频率要尽可能的高。因此，一般采用GTR、GTO、PMOSFET作为开关器件。上述这些器件本身造价较高。因此，变频控制方式整体造价也比较高。使用寿命不如调压方式长。由于异步电动机属于感性负载，功率因数不会等于1.0，故在中间直流环节与电动机之间总存在无功功率的交换。由于逆变器中的电力电子开关无法储能，所以无功能量只能靠直流环节中的储能元件（电容器）来缓冲。电容器的寿命限制了变频器的使用寿命。

控制系统硬件：

单相ACIM的变压变频调速系统电路结构如图1所示。

图1FFU控制系统结构图

单相FFU的风机采用单相交流电机(ACIM)，对FFU的控制主要是实现对FFU变频速度的控制。本设计采用基于DSPTMS320LF2402为核心的变频调速FFU控制器作为下位机。该电路包括主电路和控制电路这两部分。主电路部分为单相交流输入，经AC/DC整流输出直流后，再将直流电压变换成频率和幅值可调的变频变压交流为ACIM供电，实现对ACIM的变频调速；控制电路主要实现对主电路的控制、保护和完成通信等功能。

主电路的单相不控整流电路选用D10XB60整流模块，滤波电容选用400V/470μF的电解电容，两相三桥臂逆变电路选用三菱的PS21564模块，电机为普通单相电机，去掉运转电容，用软件实现副绕组的电流超前主绕组90°。与传统的带电容运转调速控制相比较，其具有调速范围宽和利用率高的优点。

控制电路部分以TI公司生产的DSPTMS320LF2402为控制核心，其控制电源采用开关电源，可提供15V/5V/3.3V的工作电源；采集输入输出的电压电流信号经信号调理后送入DSP的ADC转换模块；DSP的SPWM控制信号经光耦隔离后驱动逆变模块；RS-485通信电路采用SN75LBC184芯片，电路如图2所示。由于TMS320LF2402采用3.3V工作，芯片电压为5V，因此，在芯片和DSP之间要进行电平转换，本设计采用TI公司提供的典型电平匹配电路和电平转换芯片SN74LVC4245进行电平转换匹配。控制部分中的其他电路还包括信号检测采集电路、按键扫描电路、显示电路和保护电路等。

图2RS-485通信接口电路

EC FFU网络结构示意图：

系统组成：电脑；交换机；主网关；次网关；FFU控制器。

系统特点：

1、主网关和次网关通过TCP/IP协议与以太网上的服务器连接；

2、每个次网关具备8个通信接口，最多可以同时管理248（8×31＝248）台FFU；

3、次网关之间可以依次串接起来，最多可以接32个次网关；

4、一个主网关所能控制的最多FFU就是7936台。（248×32＝7936）。

EC FFU网络结构示意图：

系统特点：

1、系统采用RS485的通讯模式。

2、单独监控并控制最多7905台FFU。

3、所有FFU最多可分为255组，即最多可设置255个REPEATER。

4、每一组中最多可有31台FFU，即每个REPEATER可带31台FFU。

DC FFU LONWORK网络结构示意图：

系统组成：电脑；一级REPEATER；二级REPEATER；FFU CONTROLLER；通讯线路：五类或六类双绞线。

系统特点：

1、系统采用TP/FT通讯模式；

2、系统可分63个一级REPEATER；

3、每个一级REPEATER可带63个二级REPEATER；

4、REPEATER可分为2口和3口；

5、每个二级REPEATER可带60台FFU。

软件设计：

软件设计分为下位机控制软件和上位机监控软件的开发。

1.下位机控制软件设计

1.1控制算法

单相ACIM是一种非线性时变的复杂系统，很难建立精确的数学模型，且存在一些不确定的扰动因素；

同时采用传统的经典控制理论很难取得高性能和高精度的控制效果。系统采用智能模糊闭环速度控制来实现对单相交流FFU风机的精确控制，给定转速和实际反馈转速的差值为智能模糊控制器的输入，模糊控制的输出控制二相三桥臂的SPWM信号的周期和占空比，从而有效实现单相交流FFU风机的调速控制。

1.2控制软件开发

基于TIDSP集成开发环境(CCS)，采用C语言编程下位机FFU控制软件。软件结构如图3所示。软件设计采用模块化设计，主要包括主程序模块、数据采集处理模块、模糊转速控制模块、人机接口处理模块及故障处理和串行通信模块等。

主程序模块是系统程序的调度执行部分，包括系统初始化、寄存器配置、子模块调用、看门狗复位等功能；模糊转速控制模块是主要功能模块，其根据速度反馈和输入参考值调用模糊控制算法，输出SPWM控制信号，完成对FFU电机的变压变频调速；显示模块主要完成电机工作状态的显示和故障显示等；串行通信模块主要完成与监控上位机PC的RS-485通信。

图3控制软件结构图

下位机通信采用中断方式，主要包括数据接收、处理和发送等功能。下位机通信程序流程如图4所示。