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

一、前言
　　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(gè)房間的溫度、濕度和壓差等均能達(dá)到國(guó)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(gè)房間對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求減少時(shí)，風(fēng)門、閥的開度減少；當(dāng)風(fēng)量、水流量的需求增加時(shí)，風(fēng)門、閥的開度增大。這種調(diào)節(jié)辦法雖然簡(jiǎn)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(jià)的。而且該中央空調(diào)在正常工作時(shí)，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(duì)公司的中央空調(diào)水泵風(fēng)機(jī)加裝19臺(tái)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(shí)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(tái)變頻器，能實(shí)時(shí)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(bào)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(tái)。②冷凍泵：11KW，2極 全壓?jiǎn)?dòng)4臺(tái)，揚(yáng)程30m，出水溫度6℃,回水溫度為10℃，出水壓力為0.35Mpa，每臺(tái)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(tái)備二臺(tái)。③冷卻泵:15KW，2極 全壓?jiǎn)?dòng) 4臺(tái)，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(tái)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(tái)備二臺(tái)。
　?。?）、老二樓空調(diào)機(jī)房空調(diào)設(shè)備情況
　?、僦评渲鳈C(jī)為日立機(jī)組，共兩臺(tái)。②冷凍泵：15KW，2極 全壓?jiǎn)?dòng)3臺(tái)，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(tái)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(tái)備二臺(tái)。③冷卻泵:15KW，2極 全壓?jiǎn)?dòng) 3臺(tái)，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(tái)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(tái)備二臺(tái)。
　　（3）、分包裝空調(diào)機(jī)房空調(diào)設(shè)備情況
　?、僦评渲鳈C(jī)為日立機(jī)組，共兩臺(tái)。②冷凍泵：15KW，2極 全壓?jiǎn)?dòng)3臺(tái)，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(tái)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(tái)備一臺(tái)。③冷卻泵:15KW，2極 全壓?jiǎn)?dòng) 3臺(tái)，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(tái)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(tái)備一臺(tái)。
　?。?）、公司共有13臺(tái)空調(diào)風(fēng)柜。①基因部空調(diào)風(fēng)柜7臺(tái)，其中22KW風(fēng)機(jī)電機(jī)3臺(tái)，11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺(tái)，15KW和18.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)各1臺(tái)。②老二樓空調(diào)風(fēng)柜3臺(tái)，其中15KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺(tái)，11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺(tái)。③質(zhì)檢部空調(diào)風(fēng)柜3臺(tái)，其中11KW風(fēng)機(jī)電機(jī)2臺(tái)，7.5KW風(fēng)機(jī)電機(jī)1臺(tái)。
　　
　　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(duì)基因部的冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)各自使用一臺(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P11KW變頻器和一臺(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實(shí)施一拖三驅(qū)動(dòng)（如圖一所示）。根據(jù)需要由PLC1分別控制3臺(tái)冷凍水泵和3臺(tái)冷卻水泵輪流切換工作（但同一時(shí)刻一臺(tái)變頻器只能驅(qū)動(dòng)一臺(tái)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(shí)、適量的自動(dòng)控制，以滿足生產(chǎn)工藝的需求。同樣對(duì)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(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P15KW 變頻器分別實(shí)施一拖三驅(qū)動(dòng)，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：
　?。?）、閉環(huán)控制
　　基因部冷凍水系統(tǒng)采用全閉環(huán)自動(dòng)溫差控制。采用一臺(tái)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(gè)冷凍泵變頻器工作的最低工作頻率（調(diào)試時(shí)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(hào)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(shí)，冷凍水流量可適當(dāng)減少，這時(shí)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(shí)，這時(shí)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(tái)數(shù)和增減由PLC1控制。這樣就能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)需要，提供合適的流量，不會(huì)造成電能的浪費(fèi)。
　?。?）、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(shí)針旋動(dòng)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(dòng)工作狀態(tài)下，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，由PLC1控制另一臺(tái)備用水泵電機(jī)投入工頻運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障。也可將控制柜面板上的手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至手動(dòng)位置，按下相應(yīng)的起動(dòng)按鈕來啟動(dòng)相應(yīng)的水泵電機(jī)。
　　

　　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(shí)，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(shí)，人員很少，且很少出入、走動(dòng)等活動(dòng)，系統(tǒng)負(fù)荷很輕，對(duì)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(duì)13臺(tái)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(duì)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(gè)變頻控制柜，采用13臺(tái)臺(tái)達(dá)VFD-P系列變頻器驅(qū)動(dòng)13臺(tái)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(shí)，不改變?cè)瓉淼牟僮鬓k法，在變頻辦法下運(yùn)行時(shí)，變頻器在不同的時(shí)間段自動(dòng)輸出不同的頻率。即13臺(tái)變頻器受時(shí)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(shí)13臺(tái)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。
　　

　　 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(cè)試：以1#日立機(jī)組冷卻水泵14#（15KW）和K4風(fēng)柜4#（22KW）為對(duì)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(shí)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)
　　

　　1、表1的數(shù)據(jù)分析：在工頻運(yùn)行時(shí)，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(shí)，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(shí)的日用電量明顯要小于工頻時(shí)的數(shù)值。我們以一個(gè)星期的總用電量來計(jì)算，工頻時(shí)為2580-891=1689，變頻時(shí)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(shí)日用電量在350度左右。變頻運(yùn)行時(shí)，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(huì)更好。
　　表2：K4風(fēng)柜節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
　　

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