基于臺達(dá)變頻器結(jié)合PLC與人機(jī)界面的中央空調(diào)上設(shè)計(jì)應(yīng)用

2013-10-11 15:32 來源:互聯(lián)網(wǎng) 作者:洛小辰

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(shè)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(dá)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(fēng)量具有很明顯的需求變化,而水泵風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、水流量的調(diào)節(jié)是靠風(fēng)門、節(jié)流閥的手動調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求減少時,風(fēng)門、閥的開度減少;當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求增加時,風(fēng)門、閥的開度增大。這種調(diào)節(jié)辦法雖然簡單易行,已成習(xí)慣,但它是以增加管網(wǎng)損耗,耗費(fèi)大量能源在風(fēng)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(fēng)門及閥的開度都在50%-60%,這說明現(xiàn)有中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的容量要比實(shí)際需要高出很多,嚴(yán)重存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,造成電能的大量浪費(fèi)。近年來隨著電力、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(fēng)機(jī)加裝19臺變頻器進(jìn)行了節(jié)能改造。又由于水泵風(fēng)機(jī)分散性較大,為了減少值班人員的巡視工作強(qiáng)度,便于及時掌握水泵風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障,我們通過PLC及人機(jī)界面與變頻器的通訊應(yīng)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(jī)界面上直接設(shè)定頻率值與啟停各臺變頻器,能實(shí)時監(jiān)控水泵風(fēng)機(jī)電機(jī)實(shí)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(fēng)機(jī)變頻改造方案

1、改造前設(shè)備情況

(1)、基因部空調(diào)設(shè)備情況

①制冷主機(jī)為日立機(jī)組,共三臺。②冷凍泵:11KW,2極 全壓啟動4臺,揚(yáng)程30m,出水溫度6℃,回水溫度為10℃,出水壓力為0.35Mpa,每臺電機(jī)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(yáng)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(jī)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(jī)房空調(diào)設(shè)備情況

①制冷主機(jī)為日立機(jī)組,共兩臺。②冷凍泵:15KW,2極 全壓啟動3臺,揚(yáng)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(jī)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(yáng)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(jī)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(jī)房空調(diào)設(shè)備情況

①制冷主機(jī)為日立機(jī)組,共兩臺。②冷凍泵:15KW,2極 全壓啟動3臺,揚(yáng)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(jī)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(yáng)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(jī)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(fēng)柜。①基因部空調(diào)風(fēng)柜7臺,其中22KW風(fēng)機(jī)電機(jī)3臺,11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺,15KW和18.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)各1臺。②老二樓空調(diào)風(fēng)柜3臺,其中15KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺,11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺。③質(zhì)檢部空調(diào)風(fēng)柜3臺,其中11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺,7.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺。

2、水泵變頻改造方案

因冷凍泵和冷卻泵進(jìn)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(jī)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(dá)VFD-P11KW變頻器和一臺臺達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實(shí)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(jī)運(yùn)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(jī)房及分包裝空調(diào)機(jī)房的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)也各使用一臺臺達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實(shí)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(shí)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(fēng)閥門完全打開,在保證冷凍機(jī)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(shè)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(dāng)溫差小于等于設(shè)定值5℃時,冷凍水流量可適當(dāng)減少,這時變頻器VVVF2降頻運(yùn)行,電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢;當(dāng)溫差大于設(shè)定值5℃時,這時變頻器VVVF2升頻運(yùn)行,電機(jī)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(shí)時需要,提供合適的流量,不會造成電能的浪費(fèi)。

(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(jī)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(dāng)變頻器發(fā)生故障時,由PLC1控制另一臺備用水泵電機(jī)投入工頻運(yùn)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(yīng)的起動按鈕來啟動相應(yīng)的水泵電機(jī)。

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圖一 中央空調(diào)水泵變頻改造原理圖

3、風(fēng)機(jī)變頻改造方案

因所有風(fēng)柜的風(fēng)機(jī)均處于全開、正常負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),恒溫調(diào)節(jié)時,是由冷風(fēng)出風(fēng)閥來調(diào)節(jié)風(fēng)量。如果生產(chǎn)車間房間內(nèi)的溫度偏高,則風(fēng)閥開大,加大冷風(fēng)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(fēng)閥開度,減少冷風(fēng)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(fēng)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(fù)荷很輕,對空調(diào)冷量的要求也大大降低,只需少量的冷風(fēng)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(fēng)機(jī)全部進(jìn)行了變頻節(jié)能改造,運(yùn)用變頻器來對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

中央空調(diào)風(fēng)機(jī)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(dá)VFD-P系列變頻器驅(qū)動13臺風(fēng)機(jī)電機(jī),變頻/工頻可以相互切換。在工頻辦法下運(yùn)行時,不改變原來的操作辦法,在變頻辦法下運(yùn)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(shè)定變頻器在45HZ下運(yùn)行,在周一至周五的23:00后至第二天的7:30及周六、周日設(shè)定變頻器在35HZ下運(yùn)行(其運(yùn)行的頻率可根據(jù)需要來設(shè)定),以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,同時13臺變頻器與中央監(jiān)控室的人機(jī)界面和PLC實(shí)行聯(lián)機(jī)通訊,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)監(jiān)控。

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圖二 中央空調(diào)風(fēng)機(jī)變頻改造原理圖

三、中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)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(jī)組冷卻水泵14#(15KW)和K4風(fēng)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(yùn)行一星期,每天定時記錄電表讀數(shù),再變頻運(yùn)行一星期,進(jìn)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(jī)組冷卻水泵節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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1、表1的數(shù)據(jù)分析:在工頻運(yùn)行時,水泵的負(fù)荷變化不是很大,其日用電量在298度左右。變頻運(yùn)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(yùn)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(jì)算,工頻時為2580-891=1689,變頻時為5248-4121=1127,則1#日立機(jī)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(fēng)機(jī)每天的負(fù)荷變化不大,故其用電量比較穩(wěn)定??梢钥闯?,工頻運(yùn)行時日用電量在350度左右。變頻運(yùn)行時,日用電量在220度左右。以350和220來計(jì)算,則K4風(fēng)柜電機(jī)的節(jié)電率為:(350-220)/350 = 37%

由上述計(jì)算可知:水泵和風(fēng)機(jī)變頻改造后平均節(jié)能率為35%,在實(shí)際使用中,節(jié)電效果會更好。

表2:K4風(fēng)柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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變頻器 PLC

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