時間:2018-03-01 11:04:59來源:網(wǎng)絡轉(zhuǎn)載
一、前言
我公司是一家主要生產(chǎn)乙肝疫苗的制藥公司,由凈化中央空調(diào)設備提供生產(chǎn)車間的潔凈環(huán)境,使生產(chǎn)車間各個房間的溫度、濕度和壓差等均能達到國家GMP規(guī)定的要求。因季節(jié)的變化,晝夜的變化,這樣生產(chǎn)車間的各個房間對風量具有很明顯的需求變化,而水泵風機的風量、水流量的調(diào)節(jié)是靠風門、節(jié)流閥的手動調(diào)節(jié)。當風量、水流量的需求減少時,風門、閥的開度減少;當風量、水流量的需求增加時,風門、閥的開度增大。這種調(diào)節(jié)辦法雖然簡單易行,已成習慣,但它是以增加管網(wǎng)損耗,耗費大量能源在風門、閥上作為代價的。而且該中央空調(diào)在正常工作時,大多數(shù)風門及閥的開度都在50%-60%,這說明現(xiàn)有中央空調(diào)水泵風機設計的容量要比實際需要高出很多,嚴重存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,造成電能的大量浪費。近年來隨著電力、電子技術(shù)、計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)越來越成熟,因此我們對公司的中央空調(diào)水泵風機加裝19臺變頻器進行了節(jié)能改造。又由于水泵風機分散性較大,為了減少值班人員的巡視工作強度,便于及時掌握水泵風機的工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障,我們通過PLC及人機界面與變頻器的通訊應用,在中央監(jiān)控室增裝變頻監(jiān)控系統(tǒng),這樣值班人員就可在人機界面上直接設定頻率值與啟停各臺變頻器,能實時監(jiān)控水泵風機電機實際工作電流、電壓、頻率的大小,并具有報警等功能。
二、中央空調(diào)水泵風機變頻改造方案
1、改造前設備情況
(1)、基因部空調(diào)設備情況
①制冷主機為日立機組,共三臺。②冷凍泵:11KW,2極全壓啟動4臺,揚程30m,出水溫度6℃,回水溫度為10℃,出水壓力為0.35Mpa,每臺電機額定電流為21.8A,正常工作電流為16.6A。一般情況下,開二臺備二臺。③冷卻泵:15KW,2極全壓啟動4臺,揚程30m,出水溫度32.5℃,回水溫度為28.2℃,出水壓力為0.38Mpa,每臺電機額定電流為29.9A,正常工作電流為18.0A。一般情況下,開二臺備二臺。
(2)、老二樓空調(diào)機房空調(diào)設備情況
①制冷主機為日立機組,共兩臺。②冷凍泵:15KW,2極全壓啟動3臺,揚程30m,出水溫度6.1℃,回水溫度為9.8℃,出水壓力為0.36Mpa,每臺電機額定電流為29.9A,正常工作電流為21A。一般情況下,開一臺備二臺。③冷卻泵:15KW,2極全壓啟動3臺,揚程30m,出水溫度31.8℃,回水溫度為27.7℃,出水壓力為0.41Mpa,每臺電機額定電流為29.9A,正常工作電流為20.6A。一般情況下,開一臺備二臺。
(3)、分包裝空調(diào)機房空調(diào)設備情況
①制冷主機為日立機組,共兩臺。②冷凍泵:15KW,2極全壓啟動3臺,揚程30m,出水溫度5.8℃,回水溫度為9.3℃,出水壓力為0.38Mpa,每臺電機額定電流為29.9A,正常工作電流為20.2A。一般情況下,開二臺備一臺。③冷卻泵:15KW,2極全壓啟動3臺,揚程30m,出水溫度31.6℃,回水溫度為27.3℃,出水壓力為0.40Mpa,每臺電機額定電流為29.9A,正常工作電流為21.2A。一般情況下,開二臺備一臺。
(4)、公司共有13臺空調(diào)風柜。①基因部空調(diào)風柜7臺,其中22KW風機電機3臺,11KW風機電機2臺,15KW和18.5KW風機電機各1臺。②老二樓空調(diào)風柜3臺,其中15KW風機電機2臺,11KW風機電機1臺。③質(zhì)檢部空調(diào)風柜3臺,其中11KW風機電機2臺,7.5KW風機電機1臺。
2、水泵變頻改造方案
因冷凍泵和冷卻泵進出水溫差都小于5℃,這說明冷凍水流量和冷卻水流量還有余量,再加之,電機正常工作電流小于額定電流(5-12A),明顯存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。因此,我們對基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)各自使用一臺臺達VFD-P11KW變頻器和一臺臺達VFD-P15KW變頻器分別實施一拖三驅(qū)動(如圖一所示)。根據(jù)需要由PLC1分別控制3臺冷凍水泵和3臺冷卻水泵輪流切換工作(但同一時刻一臺變頻器只能驅(qū)動一臺水泵電機運轉(zhuǎn)),使冷凍水量和冷卻水量得到靈活、方便、適時、適量的自動控制,以滿足生產(chǎn)工藝的需求。同樣對老二樓空調(diào)機房及分包裝空調(diào)機房的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)也各使用一臺臺達VFD-P15KW變頻器分別實施一拖三驅(qū)動,其控制辦法與基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)控制辦法相同。下面以基因部冷凍水系統(tǒng)加以說明:
(1)、閉環(huán)控制
基因部冷凍水系統(tǒng)采用全閉環(huán)自動溫差控制。采用一臺11KW變頻器實施一拖三。具體方法是:先將中央空調(diào)水泵系統(tǒng)所有的風閥門完全打開,在保證冷凍機組冷凍水量和壓力所需前提下,確定一個冷凍泵變頻器工作的最低工作頻率(調(diào)試時確定為35HZ),將其設定為下限頻率并鎖定。用兩支溫度傳感器采集冷凍水主管道上的出水溫度和回水溫度,傳送兩者的溫差信號至溫差控制器,通過PID2調(diào)節(jié)將溫差量變?yōu)槟M量反饋給變頻器,當溫差小于等于設定值5℃時,冷凍水流量可適當減少,這時變頻器VVVF2降頻運行,電機轉(zhuǎn)速減慢;當溫差大于設定值5℃時,這時變頻器VVVF2升頻運行,電機轉(zhuǎn)速發(fā)展,水流量增加。冷凍泵的工作臺數(shù)和增減由PLC1控制。這樣就能夠根據(jù)系統(tǒng)實時需要,提供合適的流量,不會造成電能的浪費。
(2)、開環(huán)控制
將控制屏上的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至開環(huán)位置,順時針旋動電位器來改變冷凍水泵電機的轉(zhuǎn)速快慢。
(3)、工頻/變頻切換工作
在系統(tǒng)自動工作狀態(tài)下,當變頻器發(fā)生故障時,由PLC1控制另一臺備用水泵電機投入工頻運行,同時發(fā)出聲光報警,提醒值班人員及時發(fā)現(xiàn)和處理故障。也可將控制柜面板上的手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至手動位置,按下相應的起動按鈕來啟動相應的水泵電機。
圖一中央空調(diào)水泵變頻改造原理圖
3、風機變頻改造方案
因所有風柜的風機均處于全開、正常負荷運行狀態(tài),恒溫調(diào)節(jié)時,是由冷風出風閥來調(diào)節(jié)風量。如果生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度偏高,則風閥開大,加大冷風量,使生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度降低。如果生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度偏低,則需關(guān)閉一部分風閥開度,減少冷風量,來維持生產(chǎn)車間房間的冷熱平衡。因此,送入生產(chǎn)車間內(nèi)部的風量是可調(diào)節(jié)的、變化的。特別是到了夜班時,人員很少,且很少出入、走動等活動,系統(tǒng)負荷很輕,對空調(diào)冷量的要求也大大降低,只需少量的冷風量就能維持生產(chǎn)車間房間的正壓與冷量的需求了,故對13臺風機全部進行了變頻節(jié)能改造,運用變頻器來對風量進行調(diào)節(jié)。
中央空調(diào)風機變頻改造原理圖如圖二所示,在原有工頻控制的基礎(chǔ)上,增加7個變頻控制柜,采用13臺臺達VFD-P系列變頻器驅(qū)動13臺風機電機,變頻/工頻可以相互切換。在工頻辦法下運行時,不改變原來的操作辦法,在變頻辦法下運行時,變頻器在不同的時間段自動輸出不同的頻率。即13臺變頻器受時控開關(guān)的程序控制,在周一至周五的7:30-23:00設定變頻器在45HZ下運行,在周一至周五的23:00后至第二天的7:30及周六、周日設定變頻器在35HZ下運行(其運行的頻率可根據(jù)需要來設定),以改變風機的轉(zhuǎn)速,同時13臺變頻器與中央監(jiān)控室的人機界面和PLC實行聯(lián)機通訊,可以實現(xiàn)遠程人機監(jiān)控。
圖二中央空調(diào)風機變頻改造原理圖
三、中央空調(diào)水泵風機變頻節(jié)能改造效果
為了能直觀體現(xiàn)變頻改造后的節(jié)能效果,我們做了如下的測試:以1#日立機組冷卻水泵14#(15KW)和K4風柜4#(22KW)為對象,在它們各自的主回路上加裝電度表,先工頻運行一星期,每天定時記錄電表讀數(shù),再變頻運行一星期,進行同樣的工作,其數(shù)據(jù)如表1和表2所示。
表1:1#日立機組冷卻水泵節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計
1、表1的數(shù)據(jù)分析:在工頻運行時,水泵的負荷變化不是很大,其日用電量在298度左右。變頻運行時,由于受外界的環(huán)境溫度影響較大,故每天的用電量差別較大,但可以看出,變頻運行時的日用電量明顯要小于工頻時的數(shù)值。我們以一個星期的總用電量來計算,工頻時為2580-891=1689,變頻時為5248-4121=1127,則1#日立機組冷卻水泵的節(jié)電率為:(1689-1127)/1689=33%
2、表2的數(shù)據(jù)分析:由于風機每天的負荷變化不大,故其用電量比較穩(wěn)定??梢钥闯?,工頻運行時日用電量在350度左右。變頻運行時,日用電量在220度左右。以350和220來計算,則K4風柜電機的節(jié)電率為:(350-220)/350=37%
由上述計算可知:水泵和風機變頻改造后平均節(jié)能率為35%,在實際使用中,節(jié)電效果會更好。
表2:K4風柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計
四、中央空調(diào)水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)
1、系統(tǒng)硬件組成
中央空調(diào)水泵風機變頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖三所示,它由公司自來水恒壓泵、分包裝部二樓冷凍泵、質(zhì)檢部老二樓空調(diào)機房水泵風機和基因部水泵風機四個子系統(tǒng)組成,對分布在不同部門的19臺變頻器實施遠程監(jiān)控。各部分說明如下:①、變頻器選用臺達VFD-P系列變頻器,該系列變頻器具有高可靠性,低噪聲,高節(jié)能,保護功能健全,內(nèi)建功能強大的RS-485串行通訊接口,且RS-485串行通訊協(xié)議對用戶公開等特點。②、PLC作為控制單元,是整個系統(tǒng)的控制核心,選用臺達DVP24ES01R。運用其通訊指令編好程序,下載到PLC,然后將它與變頻器的RS-485串行通訊接口相連接,就可實現(xiàn)與變頻器的實時通訊。③、人機界面采用Hitech公司的PWS-3760,彩色10.4寸。它是新一代高科技可編程終端,專為PLC而設計的互動式工作站,具備與各品牌PLC連線監(jiān)控能力,適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應用,可代替普通或工控計算機。其主要特點有:畫面容量大,可達255個畫面,畫面規(guī)劃簡單;使用ADP3全中文操作軟件,適用于WINDOWS95/WINDOWS98環(huán)境,巨集指令豐富,編程簡單;具有交互性好,抗干擾能力強,通訊可靠性高;自動化程度高,操作簡單方便,故障率低,壽命長,維修量少。其主要功能有:設計者可依需要編輯出各種畫面,實時顯示設備狀態(tài)或系統(tǒng)的操作指示信息;人機界面上的觸摸按鍵可產(chǎn)生相應的開關(guān)信號,或輸入數(shù)值、字符給PLC進行數(shù)據(jù)交換,從而產(chǎn)生相應的動作控制設備的運行;可多幅畫面重疊或切換顯示,顯示文字、數(shù)字、圖形、字符串、警報信息、動作流程、統(tǒng)計資料、歷史記錄、趨勢圖、簡易報表等。④、RS-485串行通訊辦法:RS-485采用平衡發(fā)送接收辦法,它具有傳輸距離長、抗干擾能力強和多站能力的優(yōu)點。
圖三變頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
2、人機界面畫面設計
本系統(tǒng)人機界面所有畫面均由ADP3全中文軟件進行設計,有主畫面、參數(shù)設定、運轉(zhuǎn)設定、參數(shù)顯示、狀態(tài)信息、報警信息和幫助等畫面,經(jīng)ADP3軟件編譯無誤后,從個人電腦中下載到人機界面即可使用。人機界面與PLC之間通過RS232通訊電纜以主從辦法進行連接。由PLC對人機界面的狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進行讀寫達到兩者之間的信息交互。PLC讀人機界面狀態(tài)通知區(qū)中的數(shù)據(jù),得到當前畫面號,而通過寫人機界面狀態(tài)控制區(qū)的數(shù)據(jù),強制切換畫面。參數(shù)顯示畫面之一如圖四所示。
圖四基因部中央空調(diào)風機水泵1#監(jiān)控畫面
用戶需要監(jiān)視19臺水泵風機的電壓、電流以及頻率的大小。因此為它們分別設置三組數(shù)值顯示區(qū),分別顯示電壓、電流與頻率值,這是運用元件中的數(shù)值顯示功能實現(xiàn)的。系統(tǒng)啟動后,19臺變頻器周期性地向PLC回復其工作狀態(tài),經(jīng)PLC處理后送人機界面,這樣人機界面就可以實時顯示這三組數(shù)值。數(shù)值的格式、位數(shù)和精度等根據(jù)實際情況在數(shù)值顯示的屬性框中設置。
3、系統(tǒng)控制方法
本系統(tǒng)要求對分布在不同部門、距離較遠的19臺變頻器實施遠程監(jiān)控,能在中央監(jiān)控室的人機界面上自動/手動設定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器,可實時監(jiān)測到中央空調(diào)水泵風機電機實際工作電壓、電流、頻率的大小,并具有聲光報警等功能。具體控制方法是:采用一臺DVP-PLC、一臺人機界面PWS-3760和19臺VFD-P系列變頻器通過RS-485串行通訊辦法組成一個實時通信網(wǎng)絡(如圖三所示),在現(xiàn)場設定好19臺變頻器的通信參數(shù),如控制辦法為RS-485通訊指令,通訊地址:1-19,波特率為9600,通訊資料格式等;設計系統(tǒng)PLC程序,程序流程圖如圖五所示。要求手動控制有即時設定、修改和寫入頻率值與啟停各臺變頻器等功能,自動控制采用二個時段控制,可以隨時設定二個時段值和對應的二個頻率值,現(xiàn)使用時段值一:7:30對應頻率一45HZ,時段值二:23:00對應頻率二35HZ。程序設計參照VFD-P變頻器通訊協(xié)議,采用PLC與變頻器間的一些RS-485通訊指令實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控,還可通過打印機實現(xiàn)報表的打印。
圖五系統(tǒng)程序流程圖
五、結(jié)束語
采用交流變頻調(diào)速器對中央空調(diào)系統(tǒng)的水泵、風機進行節(jié)能改造,不但操作簡單方便、節(jié)約電能降低生產(chǎn)成本,而且大大地改善水泵風機的運行條件,減少水泵、風機、閥門等的維護量。本變頻改造項目及監(jiān)控系統(tǒng)自2002年5月投運以來,已連續(xù)運行二年多,系統(tǒng)運行可靠平穩(wěn),通訊數(shù)據(jù)準確及時,使設備管理規(guī)范化,提高了工作效率,需要在線改變的量為時段與頻率的設定值,采用人機界面作為人機交互工具,簡單直觀,便于操作。PLC作為中央處理單元,兩者在變頻監(jiān)控系統(tǒng)中結(jié)合使用,實現(xiàn)了該系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、手動即時變頻和自動分時段變頻等功能,在實際使用中取得良好的效果,值得推廣到其他行業(yè)應用。
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