半導體廠冰水主機及冰溫水全自動控制系統設計

1 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 BTU Table 控制理論，並依據此一 BTU Table 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 2002/8/9 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。 1.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1 涂明國2 1旺宏電子廠務處電力/空調部 2台灣洛克威爾國際股份有限公司 E-mail: lymantseng@mxic.com.tw, kmgtu@ra.rockwell.com 中華水電冷凍空調設備資訊網 http://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 2 計時的目標如下： (1)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。 (2)設備故障自動備載，系統控制穩定。 (3)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。 (1)核心控制原理:BTU Table (負載表)控制 理論。 (2)關鍵設備改善:熱回收三通閥控制穩定 改善。 (3)電力品質解決: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 2000 年初，工業乙 太網路解決方案(EtherNet IP)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 Remote I/O 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 BTU table 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 2000 年 10 月開始設計，2001 年 7 月開始施工至 2002 年 3 月試俥完成共計費時 18 個月，2002 年 12 月， 本系統以 EE--CCOONN 控制系統為名於 2002 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 EE--CCOONN 控制系統之成效。 2.傳統冰水系統之技術 EE--CCOONN 控制系統成功後即申請美國專 利，2004 本專利申請遭核駁，原因為 1984 年 James M. Bitondo 已申請核准之 “Multiple chiller control method” 專利，Bitondo 之專利內 容大要如下： (1)對個別之冰水主機在不同支負載下量 取其 COP(Coefficient Of Performance) ，整合 所有獨立 chiller 之 COP 經計算後建立一 DBO(Data Base and Optimizer) ，即事先建立整 個冰水系統最佳效率表。 (2)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。 (3)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，Thomas B. Hartman 之專 利 ”System for sequencing chillers in a loop cooling plant and other system that employ all variable-speed unit”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://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 3 制方式如示意圖 1 及說明如下： 圖 1 傳統冰水主機控制用溫度感測器位置 圖 1 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 De-couple 旁通之冰水流量之關係如下： (1)一次側冰水供應大於二次側冰水供應： X = (T5-T4) x (一次側流量) / (T5-T3) T1 = T2 = T3 X：一次側冰水供水經由 De-couple 旁 通至冰水回水側之流量比率 (2)一次側冰水供應小於二次側冰水供應： X = (T2-T1) x (一次側流量) / (T3-T2) T5 = T4 = T3 X：二次側冰水回水經由 De-couple 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： (1)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。 (2)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 2： ∆T1：冰水主機進出水溫設計溫差 ∆T2：加開冰水主機時機進出水溫差 圖 2 加開冰水主機時機 (3)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 3。 ∆T3 = ∆T1 x [ 1 - ( q /Q ) ] - ∆T ∆T3：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 T1 T2 T3 T5 T4 一次側冰水 二次側冰水 Chiller 1 Chiller 2 Chiller 3 Loading De-couple T1 時間 冰水供水溫度 T4 加開冰水主 機確認時間 ∆T1 ∆T2 中華水電冷凍空調設備資訊網 http://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 4 圖 3 減開冰水主機時機 (4)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 De-couple 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 De-couple 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。 3.冰溫水全自動控制系統之新技術 3-1.核心控制理論- BTU Table BTU Table 控制理論的起源於下列三段文字： (1)冰水主機加機時機：當所有正在運轉之 冰水主機 loading 超過 90% 10 分鐘時，加開 一組冰水機組。 (2)如冰水共管之出水溫度超過設定值 0.5 ℃時，啟動一組冰水主機。 (3)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 110% 10 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 100%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 1 時間 冰水供水溫度 T4 減開冰水主 機確認時間 ∆T1 ∆T3 T1 中華水電冷凍空調設備資訊網 http://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 5 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 1 為神來之筆，引發下列思考 模式： (1)如果以一工程師操作冰機系統，High limit 與 Low limit 間必定加上一緩衝區(Dead band)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, Low limit 即可達成，表一比起數學公式模式更明確 更可靠。 (2)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, Low limit 加上 delay time 形成一假負載或雜訊之確認時間， 表一將更合理，BTU Table 於是產生如表 2。 (3)由 BTU Table 表 2 之 High, Low limit 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。 (4)BTU Table 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 BTU Table 之控制 方法。 本文之 E-CON 系統，使用全新的 BTU Table 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，BTU Table 取代傳統控制系統依空調負載 變化決定加減機之模式，BTU Table 內容如表 2 所示： 表 2 BTU Table 應啟動冰水機台數 1 2 3 4 冰水主機最大容量 1250 2500 3750 5000 加開冰水主機時機 1150 2200 3300 5000 加開冰水主機確認時間 900 900 900 減開冰主機時機 900 1900 3000 減開冰水主機確認時間 900 900 900 BTU Table 的內容包含 6 項事先依據系統 容量設定之控制參數，此 6 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 6 項參數均不需經由數學運算即可設 定，BTU Table 控制方法之優點如下： Ⅰ.BTU Table 之控制方法為，依實際空調 負載去比對 BTU Table 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，BTU Tale 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 0 1250 37502500 5000 中華水電冷凍空調設備資訊網 http://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 6 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 Dead band 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 BTU Table 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，E-CON 系統發展出冰水主機與相關設備運轉台數對 照表，如表 3，其運作方式為先由 BTU Table 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 3 設備運轉台數對照表 冰水主機運轉台數 0 1 2 3 8 二次 Pump 運轉台數 1 1 1 2 4 冷卻水塔運轉台數 1 1 2 2 4 表 3 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，E-CON 系統藉由 BTU Table 及表 3 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。 3-2.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://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 7 控制閥，其流量特性曲線如圖 4。 圖 4 為一碟型閥之流量特性曲線，經實際 測量，閥開度 0~28 % 可控制流量為閥全開時 流量之 10%，閥開度 28~75 % 可控制流量為閥 全開時流量之 80%，,閥開度 75~100 % 可控制 流量為閥全開時流量之 10%。此一流量特性曲 線之控制閥適用於 ON/OFF Control ，此類控 制閥用於 PID 比例式控制將導致之問題有(1) 控制不穩定，hunting 問題嚴重；(2)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 4 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 A， B，C 三區，B 區為可穩定控制(B 區: 28~75%， 可設定 )，A&C 區則否，因此必須保持 A&C 區為快速 ON/OFF Control ，B 區可變更為 PID 比例式控制，此一做法優點有二 ：(1)B 區可 控制流量達總流量之 80 %，與傳統之比例式控 制閥性能相近；(2)A&C 區維持快速 ON/OFF Control 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： (1)採用雙組 PID 參數運用於比例式控 制，A&C 區之 PID 參數取大值，造成 A&C 區 對偏差值反應靈敏而形成 ON/OFF Control，B 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。 (2)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 5。 圖 5 碟型閥體控制閥流量調整 (A)控制閥開度 75 % 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 28 % 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 : 40℃ - 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 = P E + I∫Edt + D dE/dt E：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 hunting ，E-CON 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 100% 流量 開度 A B C 100% 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://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 8 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 6： 圖 6 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。 3-3.E-CON 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 0803B-EP228-GCB-E11 、 0803B-EP228-GCB-E31 、 0803B-EP228-SWG-E12 及 0803B-EP228-SWG- E32， 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，5℃、9℃冰機共 11 台，此 一冰水系統啟動方式如須開啟所有冰水機大 約須時 33 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，5℃、9℃冰機共 11 台，此 一冰水系統啟動方式如須開啟所有冰水機大 約須時 16 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，5℃、9℃冰機共 11 台，此 一冰水系統啟動方式如須開啟所有冰水機大 約須時 16 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 4 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 0803B-EP228-GCB-E11、0803B-EP228-GCB-E31 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 0803B-EP228-SWC-E12、0803B-EP228-SWG-E32 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。E-CON 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://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 9 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，E-CON 系 統設計目標如下： 1.此一方法起動 11 台冰機於歲修停機之 條件下，須時約 22 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 11 台冰機須時約 15 分鐘。 2.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 5 分鐘後冰水系統依負載自動啟停。 3.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 5℃系統優先開啟至電源壓降前冰機相同數 量，再開啟 9℃系統至電源壓降前冰機相同數 量，保持 5 分鐘後冰水系統依負載自動啟停。 4.台電跳電時間在 3 分鐘(可設定)內即復 電，系統視此條件為台電壓降。 5.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。 E-CON 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。 4.控制系統架構之建立 4-1.控制系統架構簡介 本控制系統分成冰水之 Pump system、 Chillers system 、 Cooling tower system 、 Hot/Warm water system，此一架構下所有子系 統經 control net 將訊息送至 Master PLC 處 理，Master PLC 經 Ethernet 將訊息送至 Local SCADA，網路架構如圖 7 所示，Master PLC 由 二組 AB PLC 5 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 Redundant PLC，Master PLC 工作內容如圖 8 所示，SLC 505 為 Local PLC 其工作內容如圖 9 所示，為接受 Master PLC On/Off 指令後順序開起或關閉單一冰機 及相關之 Control valve、冷卻水 Pump 及一次 側冰水 Pump 訊號回傳至 Master PLC，其他如 Chillers 狀態如進出水溫度、電流、運轉時數、 油溫、、、等經 close loop 之 RS-485 傳送至 BCU，BCU 訊號經 Gate way(modbus)克服相容 性問題後傳至 Master PLC。 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： (1)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 3 個子系統應啟動之數量此一 工作應由 master PLC 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 Master PLC 處理，但此一做法在網路通訊異 常、通訊干擾或 Master PLC 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 Local PLC 控制，此 一 Local PLC 僅接受 Master PLC 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 Master PLC 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 Local PLC 手也比較容易。 (2)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://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 10 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-485 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。 HVAC PLC (AB) CH1 & PUMP CH2 & PUMP CH3 & PUMP CH4 & PUMP CH7 & PUMP CH6 & PUMP CH8 & PUMP CH5 & PUMP HVAC PLC (AB) Local SCADA Modbus Gateway Chiller Controller Chiller Controller Modbus Gateway Local SCADA Control center FMCS monitor Back up / 0 Back up Redundant Ethernet RS- 48 5 RS- 48 5 SLC 50 3 SLC 50 3 SLC 50 3 SLC 50 3 SLC 50 3 SLC 50 3 SLC 50 3 SLC 50 3 C / T x 6 Control net(cable redundant) Flex I/O x 6 控制系統硬體架構 Flex I/O x 6 Flex I/O x 6 Flex I/O x 6 5 SCP 35 WWP 9 SCP 圖 7 控制系統硬體架構 Master PLC of waterside (PLC 5) System status monitoring、Chiller ranking and On/Off、system remote control、SOO.、Voltage drop and power trip operation procedure、BTU calculation、C/T ranking and controlling 、Second chill water pump ranking and controlling、Warm/Hot water pump ranking and controlling、 ………………. Power status Cooling water temperature BTU & Power meter Out door air Web temperature PDT of pipe system Chiller status Pump status C/T status Device status (control valves, VFD ,…… Control net system status 5℃Chiller system On/Off C/T control Secondary chill water pump control Warm / Hot water system control Water treatment system control Cooling tower filtration system control Cooling load management system Sensors 9℃Chiller system On/Off Plumbing system monitoring 圖 8 主 PLC 之工作內容 中華水電冷凍空調設備資訊網 http://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 11 Chiller System start Cooling water control valve ON. Chill water control valve ON Control valve have be open for 20 sec. Turn on CHP and turn on CWP 10 second later PLC SLC 505 Yes No Signal feed back to PLC. If control valve fail. Stop the START procedure and System is off SOO. ALARM automatically. In the case of power trip or voltage drop Turn on CHP if it is stop and turn on CWP 10 second later Signal feed back to PLC . If the pump fail , stop the START procedure and the system is off SOO automatically. If the pump is stop because of the power trip or voltage drop, the system will repeat the START procedure automatically as the power is ready and master PLC had sent the start command. No Chiller ON Yes Signal feed back to PLC . If the chiller do not run in 3 minute or fail , stop the START procedure and the system is switched into manual automatically. If the chiller is running , start another system. Master PLC ( ON/OFF ……) No Yes On/Off Running status 圖 9 Local PLC 之功能 4-2.PLC 之選擇與 Control net 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 I/O 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。 C.PLC 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 Allen-Bradley (以下簡稱為 AB)之自 動控制解決方案，AB 的 PLC 從早期的 PLC2、 PLC3 到近 20 年的 PLC5、SLC500 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–Ethernet/IP (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 PLC5 來作為主控制器是 因為 PLC5 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://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 12 3.93 0.75 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0冰 機 復 機 時 間 (m in/冰 機 台 數 ) FAB2(Tracer Control) FAB3(E-CON Control) 懂，且 PLC5 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 PLC5 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 Producer / Consumer 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。 1.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。 2.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。 3.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。 4.PLC5 與 Local 控制的 SLC500 通訊採 用 ControlNet 的排程通訊，因此不需額外的通 訊指令，即可讓 PLC5 與 SLC 的通訊按照指定 的時間更新。 5. 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。 6.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 PLC Programming 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。 5.成效說明與建議 以 2002 年 8 月 9 日台電接近停電壓降幅 度之電力異常事件，我們從圖 10 及圖 11 的比 較可知 E-CON 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，E-CON 系統均較傳統之控制 系統佳 E-CON 控制系統為空調控制的革新發 明，平時依據 BTU Table 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 E-CON 控制系統上找到最佳的解決方案。 圖 10 8/9 台電壓降二三廠冰水主機復機時 間比較 39.0 40.5 42.0 43.5 45.0 46.5 48.0 49.5 51.0 52.5 54.0 11 :3 0 11 :3 6 11 :4 2 11 :4 8 11 :5 4 12 :0 0 12 :0 6 12 :1 2 12 :1 8 12 :2 4 12 :3 0 12 :3 6 12 :4 2 12 :4 8 12 :5 4 13 :0 0 13 :0 6 13 :1 2 13 :1 8 13 :2 4 時間(Date: 08/09/2002) 濕 度 (％ ) 台電壓降開始時間 11：35 (壓降幅度達96.3 ％，時間持續2.2 秒) FAB 2/3 SPEC. LIMIT 43.5 ± 3 % FAB2 (Tracer Control) FAB3 (E-Con Control) 中華水電冷凍空調設備資訊網 http://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月 13 ણ҂͛ᚥ! [1]. Anonymous, “Engineering manual of AUTOMATIC CONTROL for commercial buildings,” Honeywell INC, “Chiller, Boiler and Distribution System Control Applications(77-1132) ”, pp 267-321, October 1988. [2] Trane Taiwan 雷芳信, “冰水主機的排列與控制”, 台北：中國冷凍空調雜誌, 1992 年 6 月 號, vol. #, pp 90-98, June 1992. [3]. Carrier Air Conditioning Company, “HANDBOOK OF AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN” , pp 7.29 – 7.31 [4]. James M. Bitondo, US Patent 4,483,152, “Multiple chiller control method” , Nov. 20, 1984 [5]. Thomas B. Hartman, US Patent 6,185,946 B1, “ System for sequencing chillers in a loop cooling plant and other systems that employ all variable-speed units” , Feb, 13, 2001 [6]. 曾錦鍊, 中華民國專利 192870 “ 以能量表為基礎之冰水機自動控制系統” , 2003/12/21 [7]. Chin-Lien Tseng, US Patent 6,860,465 B2, “ Method for controlling a butterfly valve”, Mar. 1, 2005 ү۰ᖎ็! 曾錦鍊 80 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 11 8/9 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 E-CON 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，E-CON 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， E-CON 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://www.tpetube.com.tw 中華水電冷凍空調月刊95年2月