CN110513843B - 一种基于ffu的无尘间洁净度闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，涉及无尘加工辅助设备的技术领域，其包括粒子计数器，设置于无尘间内，用于检测无尘间空气中的粉尘颗粒浓度并输出颗粒浓度信号V1；上位机，与粒子计数器电连接，用于接收颗粒浓度信号并与预设值进行对比，且当颗粒浓度信号与预设值产生差值时上位机输出控制信号V2；控制器，设置于无尘间内，与上位机电连接且与风机电连接，用于接收并响应控制信号V2以控制风机转速升高。本发明具有减少洁净度无法满足要求的情况的出现时间从而避免产生相关设备损耗或者产品不良率升高的情况的效果。

Description

一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统

技术领域

本发明涉及无尘加工辅助设备的技术领域，尤其是涉及一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统。

背景技术

目前，FFU，即风机过滤单元，利用其内部的风机(电机+叶轮)将空气(风)吸入，所吸收的空气(风)经过FFU下面的HEPA(高效空气过滤器)或者ULPA(超高效过滤器)滤网，将空气中的大颗粒的尘埃微粒子过滤掉，最后把新风以0.45m/s±10％的风速均匀送到洁净室。

FFU群控系统是用于控制多个FFU的系统，而目前FFU群控系统的除尘方式还只是单方面无反馈的，其无法获取洁净室或者厂房的洁净度情况，因此难以根据实际洁净度情况调节风机转速或者提示更换过滤网，且现有的检测洁净度的方式普遍采用人工定时检测。

上述中的现有技术方案存在以下缺陷：人工定时检测具有较大的滞后性，进而可能在一段作业时间内出现洁净度无法满足要求的情况，从而导致相关设备损耗或者产品不良率升高等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，能减少洁净度无法满足要求的情况的出现时间，避免产生相关设备损耗或者产品不良率升高的情况。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，包括：

粒子计数器，设置于无尘间内，用于检测无尘间空气中的粉尘颗粒浓度并输出颗粒浓度信号V1；

上位机，与粒子计数器电连接，用于接收颗粒浓度信号并与预设值进行对比，且当颗粒浓度信号与预设值产生正向差值时上位机输出控制信号V2；

控制器，设置于无尘间内，与上位机电连接且与风机电连接，用于接收并响应控制信号V2以控制风机转速升高。

通过采用上述技术方案，粒子计数器用于测量无尘间空气内的粉尘颗粒浓度，上位机接收颗粒浓度信号并与预设值进行对比，且当颗粒浓度信号与预设值产生正向差值时上位机输出控制信号V2，控制器接收到控制信号V2时控制风机转速升高，从而提高FFU的除尘效果，使无尘间内的粉尘颗粒浓度降至正常范围，且粒子计数器实时测量，控制器实时调节，从而减少洁净度无法满足要求的情况的出现时间，避免产生相关设备损耗或者产品不良率升高的情况。

本发明进一步设置为：所述无尘间各区域内均设置有粒子计数器，所述颗粒浓度信号V1对应的粉尘颗粒浓度等于多个所述粒子计数器输出的粒子浓度的平均值。

通过采用上述技术方案，颗粒浓度信号对应的粉尘颗粒浓度取多个粒子计数器输出的粒子浓度的平均值，以此减少外部因素对粒子计数器的干扰，减少误差，从而提高粒子浓度检测的准确度。

本发明进一步设置为：所述上位机上设置有用于检测异常情况的告警电路，所述告警电路包括设置于所述风机上的用于检测风机转速的电机转速检测器以及设置于所述上位机上的用于指示过滤网状态的指示灯。

通过采用上述技术方案，当控制系统中出现异常情况时告警电路触发告警，以此提示操作人员排除故障，减少洁净度无法满足要求的情况的出现时间，避免产生相关设备损耗或者产品不良率升高的情况；当风机的转速上升而粒子计数器检测的粒子浓度未产生明显变化时，判定为过滤网堵塞，此时指示灯亮起，以此提示操作人员及时更换过滤网，从而提高FFU的除尘效率。

本发明进一步设置为：粒子浓度ρ与风机转速ω比公式为：

，ω为所述风机转速，ρ为所述粒子计数器检测的粒子浓度，ΔK为单位时间内K的变化量，C为预设值，当ΔK<C时，即风机转速调节的成效低于预设值时所述指示灯亮起以指示操作人员更换过滤网。

通过采用上述技术方案，当ΔK<C时，即风机转速调节后粉尘颗粒的浓度未降低至预估值，或电机的转速未提高到预估值，此时ΔK未达到设定值C，以此表明过滤网产生堵塞现象而使粉尘颗粒无法过滤清除，此时指示灯亮起以指示操作人员及时更换过滤网，从而提高FFU的除尘效率。

本发明进一步设置为：所述无尘间内各区域划分洁净度等级，各区域分别对应设置有风机，α为当前区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值，当前区域的粒子浓度低于预设粒子浓度值时控制器触发并调节当前区域的风机转速。

通过采用上述技术方案，由于无尘间内各区域生产的产品对所处空气环境的洁净度要求不同，且单台FFU的调节有效范围有限，因此对无尘间内各区域划分洁净度等级，根据各区域产品所需的洁净度要求调节预设粒子浓度值，以此减少局部区域的FFU负荷，从而节省能耗。

本发明进一步设置为：各区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值与其对应的粒子计数器设置数量的关系公式：α*γ＝β，γ为无尘间当前区域的粒子计数器数量，β为常数。

通过采用上述技术方案，由于无尘间内各区域生产的产品对所处空气环境的洁净度要求不同，且当前区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值较低时需要匹配数量更多的粒子计数器，以此减少部分粒子计数器由于局部范围的外部因素影响而产生的误差，从而避免因粉尘颗粒浓度高于该区域洁净度要求所对应的的预设粒子浓度值而导致产品不合格或设备损坏的情况。

本发明进一步设置为：所述控制器与风机电连接以对风机进行供电，所述告警电路还包括：

电流检测器，设置于控制器上，用于检测控制器对风机供电的电流值且当供电电流值高于设定值时输出过流信号；

控制组件，设置于控制器上且与电流检测器电连接，用于接收并响应过流信号并控制控制器停止升高风机转速；

报警灯，设置于上位机上，与控制组件电连接，用于接收并响应过流信号，当接收到过流信号时亮起。

通过采用上述技术方案，电流检测器用于检测风机的电流值，当风机的电流值大于设定值时控制组件控制控制器停止升高风机转速，以此避免转速升高使温度继续飙升而最终导致风机损毁的现象，从而达到保护风机的效果。

本发明进一步设置为：所述告警电路还包括：

定时器，设置于上位机上且与之电连接，用于接收并响应控制信号，当接收到控制信号时触发定时，当定时器设定时间结束时输出定时信号Z1；

反馈组件，与定时器电连接且与上位机电连接，用于接收并响应定时信号Z1与控制信号V2，当同时接收到定时信号Z1与控制信号V2时输出警告信号Z2；

警告灯，设置于上位机上，与反馈组件电连接，用于接收并响应警告信号，当接收到警告信号Z2时亮起。

通过采用上述技术方案，当控制器开始提高风机的转速时，定时器触发，经过一段设定时间后输出定时信号，当反馈组件同时接收到定时信号Z1与控制信号V2时输出警告信号Z2，以此使警告灯亮起，提示操作人员该区域的粉尘颗粒浓度在设定时间内未降低至预设浓度，从而指示该区域的FFU的时效性较差，从而提示操作人员对该区域的FFU进行维护，排除异常状态。

本发明进一步设置为：所述反馈组件包括：

第一继电器，其线圈一端耦接于VCC；

第一NPN型三极管，其发射极接地，其基极接收控制信号V2，其集电极耦接于第一继电器线圈的另一端；

所述定时器的输入端的一极通过第一继电器的常开触点KM1-1接地，其另一极耦接于VCC端，其输出端的一极接地，其输出端的另一极输出定时信号Z1。

通过采用上述技术方案，NPN型三极管具有“基极输入高电平导通”的特性，当第一NPN型三极管的基极接收到控制信号V2时，第一继电器线圈得电，其常开触点KM1-1闭合使定时器触发开始计时，当经过设定时间段后定时器输出定时信号Z1。

本发明进一步设置为：所述反馈组件还包括：

与门，其输入端分别接收定时信号Z1与控制信号V2；

第二NPN型三极管，其基极耦接于与门的输出端，其集电极连接于VCC端；

警告灯的阳极耦接于第二NPN型三极管的发射极，其阴极接地。

通过采用上述技术方案，当定时器经过设定时间段后输出定时信号Z1，由于与门具有“输入全为高电平输出才为高电平”的特性，因此当定时信号Z1与控制信号V2同时输入时，与门输出高电平，此时第二NPN型三极管基极输入高电平导通，以此使照明件得电发光，从而发出告警，提示操作人员维护FFU。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

上位机接收颗粒浓度信号并与预设值进行对比，且当颗粒浓度信号与预设值产生正向差值时上位机输出控制信号V2，控制器接收到控制信号V2时控制风机转速升高，从而提高FFU的除尘效果，使无尘间内的粉尘颗粒浓度降至正常范围，且粒子计数器实时测量，控制器实时调节，从而减少洁净度无法满足要求的情况的出现时间，避免产生相关设备损耗或者产品不良率升高的情况；

当风机的转速上升而粒子计数器检测的粒子浓度未产生明显变化时，判定为过滤网堵塞，此时指示灯亮起，以此提示操作人员及时更换过滤网，从而提高FFU的除尘效率；

由于无尘间内各区域生产的产品对所处空气环境的洁净度要求不同，且当前区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值较低时需要匹配数量更多的粒子计数器，以此减少部分粒子计数器由于局部范围的外部因素影响而产生的误差，从而避免因粉尘颗粒浓度高于该区域洁净度要求所对应的的预设粒子浓度值而导致产品不合格或设备损坏的情况。

附图说明

图1是本发明的整体原理框图；

图2是本发明的告警电路的整体原理框图；

图3是本发明的电路原理示意图。

附图标记：1、告警电路；2、反馈组件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，为本发明公开的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，包括设置于无尘间内的粒子计数器、上位机以及控制器，粒子计数器优选为PGD-70粒子检测仪，用于检测无尘间空气中的粉尘颗粒浓度并输出颗粒浓度信号V1。粒子计数器有多个且分布于无尘间各个生产区域中，当前生产区域的颗粒浓度信号V1对应的颗粒浓度等于当前生产区域的多个粒子计数器输出的粒子浓度的平均值，以此减少外部因素对粒子计数器的干扰，减少误差，从而提高粒子浓度检测的准确度。

上位机，采用工控电脑，与粒子计数器电连接，用于接收颗粒浓度信号并与预设值进行对比，且当颗粒浓度信号与预设值产生正向差值时上位机输出控制信号V2。控制器，与上位机电连接且与风机电连接，用于接收并响应控制信号V2，当接收到控制信号V2时控制风机转速升高。

由于无尘间内各区域生产的产品对所处空气环境的洁净度要求不同，且单台FFU的调节有效范围有限，因此将无尘间内各区域划分洁净度等级。各区域分别对应设置有FFU风机，α为当前区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值，当前区域的粒子浓度低于预设粒子浓度值时控制器触发并调节当前区域的风机转速。根据各区域产品所需的洁净度要求调节预设粒子浓度值，以此减少局部区域的FFU负荷，从而节省能耗。

由于无尘车间部分区域对洁净度的要求更高，其所对应的预设粒子浓度值更低，因此对于粒子浓度检测的精确性要求更高。由此可知，当前区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值较低时需要匹配数量更多的粒子计数器，因此预设粒子浓度值与粒子计数器呈反比，则得出公式：α*γ＝β，γ为无尘间当前区域的粒子计数器数量，β为常数。粒子计数器数量的区分调节用以减少部分粒子计数器由于局部范围的外部因素影响而产生的误差，从而避免因粉尘颗粒浓度高于该区域洁净度要求所对应的的预设粒子浓度值而导致产品不合格或设备损坏的情况。

参照图2，上位机上设置有用于检测异常情况的告警电路1，告警电路1包括设置于风机上的电机转速检测器以及设置于上位机上的用于指示过滤网状态的指示灯。电机转速检测器优选为WH1300电机转速检测仪，用于检测风机转速ω。当风机的转速上升而粒子计数器检测的粒子浓度未产生明显变化时，判定为过滤网堵塞，此时指示灯亮起，以此提示操作人员及时更换过滤网，从而提高FFU的除尘效率。

转速ω已知，粒子计数器检测的粒子浓度ρ由粒子计数器检测所得，粒子浓度ρ与风机转速ω比公式为：

由此得出，风机转速提升对应的除尘成效比运算公式为：ΔK＝(ρ_后/ω_后-ρ_前/ω_前)，C为预设值，当ΔK<C时，即风机转速调节的成效低于预设值时，表示风机转速调节后粉尘颗粒的浓度未降低至预估值，或电机的转速未提高到预估值。此时ΔK未达到设定值C，以此表明过滤网产生堵塞现象而使粉尘颗粒无法过滤清除，此时指示灯亮起以指示操作人员及时更换过滤网，从而提高FFU的除尘效率。

控制器采用SWE343型号的电机驱动板，控制器与风机电连接以对风机进行供电，告警电路1还包括设置于控制器上的电流检测器、设置于控制器上的控制组件以及设置于上位机上的报警灯。常规的电机电流保护器在电机电流超过预设值时会切断电机的供电以避免电机寿命削减，而无尘车间由于生产工艺严格，风机的停机会造成粉尘颗粒浓度失控，从而造成巨大的经济损失。

因此电流检测器优选为RCM470DY电流检测器，当控制器供给风机的电流值大于预设值时，电流检测器触发并输出过流信号。控制组件包括PLC控制器，PLC控制器用于控制控制器停止升高风机转速，以此避免转速升高使温度继续飙升而最终导致风机损毁的现象，从而达到保护风机的效果。同时PLC控制器与报警灯电连接以控制报警灯亮起。

参照图2、图3，告警电路1还包括设置于上位机上的定时器、反馈组件2以及警告灯。反馈组件2与定时器电连接且与上位机电连接，用于接收并响应定时信号Z1与控制信号V2，当同时接收到定时信号Z1与控制信号V2时输出警告信号Z2。反馈组件2包括第一继电器KM1、第一NPN型三极管Q1、与门以及第二NPN型三极管Q2。第一NPN型三极管Q1的发射极接地，其基极接收控制信号V2，其集电极耦接于第一继电器KM1线圈的一端。第一继电器KM1线圈的一端耦接于VCC端。

定时器与上位机电连接，用于接收并响应控制信号，当接收到控制信号时触发定时，当定时器设定时间结束时输出定时信号Z1。定时器采用KG316T定时器。定时器的输入端的一极通过第一继电器KM1的常开触点KM1-1接地，其另一极耦接于VCC端，其输出端的一极接地，其输出端的另一极在设定时间段后输出定时信号Z1。当控制信号V2输出时，控制器开始提高风机的转速时，且此时由于NPN型三极管具有“基极输入高电平导通”的特性因而第一NPN型三极管Q1的基极在输入控制信号V2时导通。此时第一继电器KM1线圈得电，使其常开触点KM1-1闭合，以此使定时器触发开始计时，当经过设定时间段后定时器输出定时信号Z1。

与门的输入端分别接收定时信号Z1与控制信号V2，由于与门具有“输入全为高电平输出才为高电平”的特性，因此当定时信号Z1与控制信号V2同时输入时，与门输出高电平信号，即警告信号Z2。

第二NPN型三极管Q2的基极耦接于与门的输出端，其集电极连接于VCC端，其发射极通过警报灯接地。第二NPN型三极管Q2基极输入高电平信号，即警告信号Z2时导通，警告灯的阳极耦接于第二NPN型三极管Q2的发射极，其阴极接地。当第二NPN型三极管Q2导通时警告灯得电而亮起，从而发出告警，提示操作人员该区域的粉尘颗粒浓度在设定时间内未降低至预设浓度，从而指示该区域的FFU的时效性较差，从而提示操作人员对该区域的FFU进行维护，排除异常状态。

本实施例的实施原理为：粒子计数器实时测量无尘间各区域空气内的粉尘颗粒浓度，上位机接收颗粒浓度信号并与预设值进行对比，且当颗粒浓度信号与预设值产生正向差值时，即差值大于0时，上位机输出控制信号V2，控制器接收到控制信号V2时控制风机转速升高，以此实时控制风机的转速，提高FFU的除尘效果，使无尘间内的粉尘颗粒浓度降至正常范围，从而减少洁净度无法满足要求的情况的出现时间，避免产生相关设备损耗或者产品不良率升高的情况。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：包括：

粒子计数器，设置于无尘间内，用于检测无尘间空气中的粉尘颗粒浓度并输出颗粒浓度信号V1；

上位机，与粒子计数器电连接，用于接收颗粒浓度信号并与预设值进行对比，且当颗粒浓度信号与预设值产生正向差值时上位机输出控制信号V2；

控制器，设置于无尘间内，与上位机电连接且与风机电连接，用于接收并响应控制信号V2以控制风机转速升高；

所述无尘间内各区域划分洁净度等级，各区域分别对应设置有风机，α为当前区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值，当前区域的粒子浓度低于预设粒子浓度值时控制器触发并调节当前区域的风机转速；

各区域的洁净度等级所对应的预设粒子浓度值与其对应的粒子计数器设置数量的关系公式：α*γ＝β，γ为无尘间当前区域的粒子计数器数量，β为常数。

2.根据权利要求1所述的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：所述无尘间各区域内均设置有粒子计数器，所述颗粒浓度信号V1对应的粉尘颗粒浓度等于多个所述粒子计数器输出的粒子浓度的平均值。

3.根据权利要求1所述的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：所述上位机上设置有用于检测异常情况的告警电路(1)，所述告警电路(1)包括设置于所述风机上的用于检测风机转速的电机转速检测器以及设置于所述上位机上的用于指示过滤网状态的指示灯。

4.根据权利要求3所述的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：粒子浓度ρ与风机转速ω比公式为：K＝ρ/ω，ω为所述风机转速，ρ为所述粒子计数器检测的粒子浓度，ΔK为单位时间内K的变化量，C为预设值，当ΔK<C时，即风机转速调节的成效低于预设值时所述指示灯亮起以指示操作人员更换过滤网。

5.根据权利要求3所述的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：所述控制器与风机电连接以对风机进行供电，所述告警电路(1)还包括：

电流检测器，设置于控制器上，用于检测控制器对风机供电的电流值且当供电电流值高于设定值时输出过流信号；

控制组件，设置于控制器上且与电流检测器电连接，用于接收并响应过流信号并控制控制器停止升高风机转速；

报警灯，设置于上位机上，与控制组件电连接，用于接收并响应过流信号，当接收到过流信号时亮起。

6.根据权利要求3所述的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：所述告警电路(1)还包括：

定时器，设置于上位机上且与之电连接，用于接收并响应控制信号，当接收到控制信号时触发定时，当定时器设定时间结束时输出定时信号Z1；

反馈组件(2)，与定时器电连接且与上位机电连接，用于接收并响应定时信号Z1与控制信号V2，当同时接收到定时信号Z1与控制信号V2时输出警告信号Z2；

警告灯，设置于上位机上，与反馈组件(2)电连接，用于接收并响应警告信号，当接收到警告信号Z2时亮起。

7.根据权利要求6所述的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：所述反馈组件(2)包括：

第一继电器，其线圈一端耦接于VCC；

第一NPN型三极管，其发射极接地，其基极接收控制信号V2，其集电极耦接于第一继电器线圈的另一端；

所述定时器的输入端的一极通过第一继电器的常开触点KM1-1接地，其另一极耦接于VCC端，其输出端的一极接地，其输出端的另一极输出定时信号Z1。

8.根据权利要求7所述的一种基于FFU的无尘间洁净度闭环控制系统，其特征在于：所述反馈组件(2)还包括：

与门，其输入端分别接收定时信号Z1与控制信号V2；

第二NPN型三极管，其基极耦接于与门的输出端，其集电极连接于VCC端；

警告灯的阳极耦接于第二NPN型三极管的发射极，其阴极接地。

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