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变频器结合PLC与人机界面在中央空调上的应用 |
一、前言 我公司是一家主要生产乙肝疫苗的制药公司,由净化中央空调设备提供生产车间的洁净环境,使生产车间各个房间的温度、湿度和压差等均能达到国家GMP规定的要求。因为季节的变化，昼夜的变化，这样生产车间的各个房间对风量具有很明显的需求变化，而水泵风机的风量、水流量的调节是靠风门、节流阀的手动调节。当风量、水流量的需求减少时，风门、阀的开度减少；当风量、水流量的需求增加时，风门、阀的开度增大。这种调节方式虽然简单易行，已成习惯，但它是以增加管网损耗，耗费大量能源在风门、阀上作为代价的。而且该中央空调在正常工作时，大多数风门及阀的开度都在50%-60%，这说明现有中央空调水泵风机设计的容量要比实际需要高出很多，严重存在“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。近年来随着电力、电子技术、计算机技术的迅速发展，变频调速技术越来越成熟，因此我们对公司的中央空调水泵风机加装19台变频器进行了节能改造。又由于水泵风机分散性较大，为了减少值班人员的巡视工作强度，便于及时掌握水泵风机的工作状态和发现故障，我们通过PLC及人机界面与变频器的通讯应用，在中央监控室增装变频监控系统，这样值班人员就可在人机界面上直接设定频率值与启停各台变频器，能实时监控水泵风机电机实际工作电流、电压、频率的大小，并具有报警等功能。 二、中央空调水泵风机变频改造方案 1、改造前设备情况 （1）、基因部空调设备情况 ①制冷主机为日立机组，共三台。②冷冻泵：11KW，2极 全压启动4台，扬程30m，出水温度6℃,回水温度为10℃，出水压力为0.35Mpa，每台电机额定电流为21.8A，正常工作电流为16.6A。一般情况下,开二台备二台。③冷却泵:15KW，2极 全压启动 4台，扬程30m，出水温度32.5℃,回水温度为28.2℃，出水压力为0.38Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为18.0A。一般情况下,开二台备二台。 （2）、老二楼空调机房空调设备情况 ①制冷主机为日立机组，共两台。②冷冻泵：15KW，2极 全压启动3台，扬程30m，出水温度6.1℃,回水温度为9.8℃，出水压力为0.36Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为21A。一般情况下,开一台备二台。③冷却泵:15KW，2极 全压启动 3台，扬程30m，出水温度31.8℃,回水温度为27.7℃，出水压力为0.41Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为20.6A。一般情况下,开一台备二台。 （3）、分包装空调机房空调设备情况 ①制冷主机为日立机组，共两台。②冷冻泵：15KW，2极 全压启动3台，扬程30m，出水温度5.8℃,回水温度为9.3℃，出水压力为0.38Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为20.2A。一般情况下,开二台备一台。③冷却泵:15KW，2极 全压启动 3台，扬程30m，出水温度31.6℃,回水温度为27.3℃，出水压力为0.40Mpa，每台电机额定电流为29.9A，正常工作电流为21.2A。一般情况下,开二台备一台。 （4）、公司共有13台空调风柜。 ①基因部空调风柜7台，其中22KW风机电机3台，11KW风机电机2台，15KW和18.5KW风机电机各1台。②老二楼空调风柜3台，其中15KW风机电机2台，11KW风机电机1台。③质检部空调风柜3台，其中11KW风机电机2台，7.5KW风机电机1台。 2、水泵变频改造方案 因为冷冻泵和冷却泵进出水温差都小于5℃，这说明冷冻水流量和冷却水流量还有余量，再加之，电机正常工作电流小于额定电流（5-12A），明显存在“大马拉小车”的现象。因此，我们对基因部的冷冻水系统和冷却水系统各自使用一台台达VFD-P11KW变频器和一台台达VFD-P15KW 变频器分别实施一拖三驱动（如图一所示）。根据需要由PLC1分别控制3台冷冻水泵和3台冷却水泵轮流切换工作（但同一时刻一台变频器只能驱动一台水泵电机运转），使冷冻水量和冷却水量得到灵活、方便、适时、适量的自动控制，以满足生产工艺的需求。同样对老二楼空调机房及分包装空调机房的冷冻水系统和冷却水系统也各使用一台台达VFD-P15KW 变频器分别实施一拖三驱动，其控制方式与基因部的冷冻水系统和冷却水系统控制方式相同。下面以基因部冷冻水系统加以说明： （1）、闭环控制 基因部冷冻水系统采用全闭环自动温差控制。采用一台11KW变频器实施一拖三。具体方法是：先将中央空调水泵系统所有的风阀门完全打开，在保证冷冻机组冷冻水量和压力所需前提下，确定一个冷冻泵变频器工作的最低工作频率（调试时确定为35HZ），将其设定为下限频率并锁定。用两支温度传感器采集冷冻水主管道上的出水温度和回水温度，传送两者的温差信号至温差控制器，通过PID2调节将温差量变为模拟量反馈给变频器，当温差小于等于设定值5℃时，冷冻水流量可适当减少，这时变频器VVVF2降频运行，电机转速减慢；当温差大于设定值5℃时，这时变频器VVVF2升频运行，电机转速加快，水流量增加。冷冻泵的工作台数和增减由PLC1控制。这样就能够根据系统实时需要，提供合适的流量，不会造成电能的浪费。 （2）、开环控制 将控制屏上的转换开关拨至开环位置，顺时针旋动电位器来改变冷冻水泵电机的转速快慢。 （3）、工频/变频切换工作 在系统自动工作状态下，当变频器发生故障时，由PLC1控制另一台备用水泵电机投入工频运行，同时发出声光报警，提醒值班人员及时发现和处理故障。也可将控制柜面板上的手动/自动转换开关拨至手动位置，按下相应的起动按钮来启动相应的水泵电机。  图一 中央空调水泵变频改造原理图 3、风机变频改造方案 因为所有风柜的风机均处于全开、正常负荷运行状态，恒温调节时，是由冷风出风阀来调节风量。如果生产车间房间内的温度偏高，则风阀开大，加大冷风量，使生产车间房间内的温度降低。如果生产车间房间内的温度偏低，则需关闭一部分风阀开度，减少冷风量，来维持生产车间房间的冷热平衡。因此，送入生产车间内部的风量是可调节的、变化的。特别是到了夜班时，人员很少，且很少出入、走动等活动，系统负荷很轻，对空调冷量的要求也大大降低，只需少量的冷风量就能维持生产车间房间的正压与冷量的需求了，故对13台风机全部进行了变频节能改造，利用变频器来对风量进行调节。 中央空调风机变频改造原理图如图二所示，在原有工频控制的基础上，增加7个变频控制柜，采用13台台达VFD-P系列变频器驱动13台风机电机，变频/工频可以相互切换。在工频方式下运行时，不改变原来的操作方式，在变频方式下运行时，变频器在不同的时间段自动输出不同的频率。即13台变频器受时控开关的程序控制，在周一至周五的7：30-23：00设定变频器在45HZ下运行，在周一至周五的23：00后至第二天的7：30及周六、周日设定变频器在35HZ下运行（其运行的频率可根据需要来设定），以改变风机的转速，同时13台变频器与中央监控室的人机界面和PLC实行联机通讯，可以实现远程人机监控。  图二 中央空调风机变频改造原理图 三、中央空调水泵风机变频节能改造效果 为了能直观体现变频改造后的节能效果，我们做了如下的测试：以1#日立机组冷却水泵14#（15KW）和K4风柜4#（22KW）为对象，在它们各自的主回路上加装电度表，先工频运行一星期，每天定时记录电表读数，再变频运行一星期，进行同样的工作，其数据如表1和表2所示。 表1：1#日立机组冷却水泵节能数据统计  1、表1的数据分析：在工频运行时，水泵的负荷变化不是很大，其日用电量在298度左右。变频运行时，由于受外界的环境温度影响较大，故每天的用电量差别较大，但可以看出，变频运行时的日用电量明显要小于工频时的数值。我们以一个星期的总用电量来计算，工频时为2580-891=1689，变频时为5248-4121=1127，则1#日立机组冷却水泵的节电率为：（1689-1127）/1689=33% 表2：K4风柜节能数据统计  四、中央空调水泵风机变频监控系统  图三 变频监控系统硬件结构图 2、人机界面画面设计  图四 基因部中央空调风机水泵1#监控画面 用户需要监视19台水泵风机的电压、电流以及频率的大小。因此为它们分别设置三组数值显示区，分别显示电压、电流与频率值，这是利用元件中的数值显示功能实现的。系统启动后，19台变频器周期性地向PLC回复其工作状态，经PLC处理后送人机界面，这样人机界面就可以实时显示这三组数值。数值的格式、位数和精度等根据实际情况在数值显示的属性框中设置。  图五 系统程序流程图 五、结束语 采用交流变频调速器对中央空调系统的水泵、风机进行节能改造，不但操作简单方便、节约电能降低生产成本，而且大大地改善水泵风机的运行条件，减少水泵、风机、阀门等的维护量。本变频改造项目及监控系统自2002年5月投运以来，已连续运行二年多，系统运行可靠平稳，通讯数据准确及时，使设备管理规范化，提高了工作效率，需要在线改变的量为时段与频率的设定值，采用人机界面作为人机交互工具，简单直观，便于操作。PLC作为中央处理单元，两者在变频监控系统中结合使用，实现了该系统的远程监控、手动即时变频和自动分时段变频等功能，在实际使用中取得良好的效果，值得推广到其他行业应用。 |