一、前言
模具是汽車生產(chǎn)中的重要工藝設(shè)備,它直接影響到汽車的最終質(zhì)量,因此,保證模具的安全和不變形,對(duì)模具放置環(huán)境具有很高的要求。為了保證環(huán)境條件,中央空調(diào)變成汽車生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備,而中央空調(diào)又是汽車生產(chǎn)過程中能耗最大的一環(huán),本文介紹AB變頻器PF400在廣本合成樹脂科注塑車間空調(diào)風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用。

      技術(shù)頻道

      廣州本田汽車廠合成樹脂注塑車間中央空調(diào)變頻改造

      一、前言
      模具是汽車生產(chǎn)中的重要工藝設(shè)備,它直接影響到汽車的最終質(zhì)量,因此,保證模具的安全和不變形,對(duì)模具放置環(huán)境具有很高的要求。為了保證環(huán)境條件,中央空調(diào)變成汽車生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備,而中央空調(diào)又是汽車生產(chǎn)過程中能耗最大的一環(huán),本文介紹AB變頻器PF400在廣本合成樹脂科注塑車間空調(diào)風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用。
      二、 車間工況介紹
      廣州本田公司合成樹脂科注塑車間有三臺(tái)3000T級(jí)的注塑機(jī),用于本田汽車奧德賽、雅閣、飛度車型的保險(xiǎn)杠、儀表板、風(fēng)管等汽車部件的生產(chǎn)。車間約存放有二十余種模具。由于模具工作溫度在18ºC, 房間溫濕度如不能控制在要求的條件下,在模具表面產(chǎn)生冷凝水,從而導(dǎo)致模具生銹。這些模具是注塑車間生產(chǎn)的核心設(shè)備,需從日本進(jìn)口,每臺(tái)價(jià)值約在300—500萬元左右。因此,必須確保車間的溫濕度,使模具不生銹。為達(dá)到這一要求,原空調(diào)機(jī)組即使在節(jié)假日不生產(chǎn)的條件下也保持每天24小時(shí)連續(xù)工頻運(yùn)行,從而造成極大的能源浪費(fèi)。
      原空調(diào)系統(tǒng)組成:
      原系統(tǒng)包括5臺(tái)電機(jī),其中送風(fēng)機(jī)1臺(tái)為30KW,冷凍水泵兩臺(tái)為22KW,冷卻水泵兩臺(tái)為22KW,冷卻塔風(fēng)機(jī)一臺(tái)為11KW,起動(dòng)方式為星-三角起動(dòng),其中冷卻水泵和冷凍水泵的工作方式為一備一用。
      三、 空調(diào)系統(tǒng)改造的總體要求
      a) 自動(dòng)采集冷水機(jī)組的供回水管的溫度,確定冷卻水回路的出入口溫差及出入口溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、空調(diào)風(fēng)機(jī)等設(shè)備的工況。
      b) 實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制:增設(shè)冷卻水泵、冷凍水泵和空調(diào)風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能控制,根據(jù)車間溫度和濕度的反饋信息,自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水泵電機(jī)、冷凍水泵電機(jī)和空調(diào)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度,使機(jī)組保持在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的最佳轉(zhuǎn)換效率和水泵的節(jié)電功能,并使末段用戶得到最舒適的感覺,達(dá)到高效、可靠節(jié)能的目的。系統(tǒng)要求自動(dòng)化程度高,操作方便,可降低設(shè)備故障,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。具有短路、過載、斷相、接地故障保護(hù)。并實(shí)現(xiàn)控制功能、狀態(tài)監(jiān)視功能。
      c) 通過軟件實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的協(xié)調(diào)控制,以保證模具不生銹。
      d) 系統(tǒng)可設(shè)工作及假日兩種模式進(jìn)行操作,在工作模式下,通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來達(dá)到設(shè)定的工藝參數(shù);在假日模式下,通過降溫曲線來停機(jī)。
      從而在確保模具不生銹的條件下,達(dá)到節(jié)能的目的。
      A、工作模式
      1) 工作模式時(shí),車間溫度控制到25ºC±2ºC,設(shè)定值可調(diào)整。
      2) 在溫度一定時(shí),應(yīng)保證系統(tǒng)小于如下濕度參數(shù):
      T=25ºC時(shí),濕度RH 65%;
      T=24ºC時(shí),濕度RH 68%;
      T=23ºC時(shí),濕度RH 73%;
      T=22ºC時(shí),濕度RH 77%;
      T=21ºC時(shí),濕度RH 82%;
      T=20ºC時(shí),濕度RH 87%;
      T=19ºC時(shí),濕度RH 94%;
      T=18ºC時(shí),濕度 100%.
      3) 車間4個(gè)溫濕度控制點(diǎn)取最高值進(jìn)行控制。
      4)冷卻泵、冷凍泵的控制根據(jù)進(jìn)出水溫差和壓差進(jìn)行調(diào)節(jié),溫差、壓差設(shè)定值可調(diào)。水泵頻率調(diào)節(jié)的最低值初步設(shè)定為30Hz.
      B、假日模式
      1) 操作人員應(yīng)在冷凍機(jī)停止之后切換至假日模式。PLC接收到假日模式信號(hào)之后延時(shí)數(shù)分鐘停冷凍泵,再延遲數(shù)分鐘停冷卻泵。當(dāng)環(huán)境溫度小于戶內(nèi)溫度時(shí),風(fēng)機(jī)停機(jī);當(dāng)環(huán)境溫度大于戶內(nèi)溫度時(shí),風(fēng)機(jī)則繼續(xù)保持50Hz頻率運(yùn)行0.5-1小時(shí)(時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況而定)。之后,風(fēng)機(jī)將根據(jù)戶內(nèi)與戶外溫差曲線逐步降低運(yùn)行頻率,當(dāng)戶內(nèi)及戶外溫度達(dá)到基本一致時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行停止。
      2) 當(dāng)戶外濕度達(dá)到或超過95%時(shí),啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。
      四、變頻器改造的益處
      (1) 控制靈活,調(diào)節(jié)精確
      原系統(tǒng)電機(jī)不能調(diào)速,風(fēng)量和循環(huán)水流量調(diào)節(jié)只能簡(jiǎn)單地依靠風(fēng)門擋板和閥門的調(diào)節(jié),工作量大;通過變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級(jí)調(diào)速,調(diào)節(jié)方便,速度精度高,可輕松、精確地控制風(fēng)量、風(fēng)速和循環(huán)水的流量。
      (2) 節(jié)能降耗,經(jīng)濟(jì)效果明顯
      對(duì)于離心風(fēng)機(jī)和水泵,采用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,替代原擋板和閥門控制,改變?cè)趽醢搴烷y門上消耗大量電能的情況;根據(jù)離心機(jī)工作原理,相似情況下流量、揚(yáng)程和消耗功率與轉(zhuǎn)速的一次、二次、三次方成正比,改變風(fēng)量和流量時(shí),降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,可節(jié)約大量電能。
      例:

      風(fēng)機(jī)電機(jī)功率75KW,風(fēng)門開度60
      (1) 風(fēng)門或閥門控制耗電費(fèi)用
      75×0.9×0.7元×24小時(shí)×365天=413,910/
      (2) 變頻器控制耗電費(fèi)用
      75×0.3×0.7元×24小時(shí)×365天=137,970/
      (3) 節(jié)能效果
      考慮到節(jié)假日模式,年節(jié)省電費(fèi)約30萬元。
      (3)方便維護(hù),減少故障
      變頻器控制電機(jī)按加速曲線起動(dòng),避免直接起動(dòng)引起的大起動(dòng)電流,減少對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊和循環(huán)水系統(tǒng)中的水錘現(xiàn)象;由于電機(jī)在適當(dāng)?shù)墓に囁俣认逻\(yùn)行,因此可降低噪聲,減輕電機(jī)和其它機(jī)械設(shè)備的磨損,降低故障率和系統(tǒng)的維護(hù)工作量。
      五、變頻器改造技術(shù)方案
      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)以下方案。
      1: 方案描述
      將注塑車間的供風(fēng)風(fēng)機(jī)電機(jī)采用變頻控制,將供風(fēng)風(fēng)道擋板完全打開,通過變頻調(diào)速改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,控制送風(fēng)量;將冷卻水泵和冷凍水泵改為變頻控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能和空調(diào)末端苛刻的溫度、濕度要求。
      控制過程采用程序控制和PID調(diào)節(jié)技術(shù),首先,對(duì)于送風(fēng)機(jī),通過對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境的溫、濕度信號(hào)采集,來調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)變頻器的頻率,以滿足空調(diào)環(huán)境的要求和達(dá)到節(jié)電的目的;其次,對(duì)于冷凍水水泵(一用一備),由于出入口冷凍水壓差的變動(dòng)反映空調(diào)負(fù)荷的變化,因而,在保證空調(diào)主機(jī)組的最低流量的要求下,根據(jù)冷凍水出入口壓差的變化調(diào)節(jié)冷凍水泵的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到空調(diào)環(huán)境的舒適性并節(jié)能;第三,在冷卻水方面(一用一備),根據(jù)冷卻水出入口溫差和入口溫度的變化來調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速,以保證空調(diào)機(jī)組在一個(gè)好的環(huán)境下工作,提高空調(diào)的制冷(或制熱)效率,達(dá)到冷卻水泵的節(jié)電和空調(diào)機(jī)組的節(jié)能;第四,通過軟件實(shí)現(xiàn)溫度和濕度協(xié)調(diào)控制,使模具不生銹。系統(tǒng)還包括一臺(tái)人機(jī)界面,可以對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和顯示系統(tǒng)故障(報(bào)警),控制盤配置鑰匙開關(guān)手動(dòng)選擇主備裝置交替使用。
      電機(jī)除變頻控制外,可加旁路裝置直聯(lián)電網(wǎng),變頻器發(fā)生故障時(shí),可切換到原控制系統(tǒng)上。變頻器故障信號(hào)反饋到人機(jī)界面上。
      2:系統(tǒng)配置原理圖
      3:主要設(shè)備選型
      變頻調(diào)速器:考慮到系統(tǒng)的工藝要求及兼容性,該電機(jī)變頻器選擇羅克韋爾PowerFlex400系列變頻器。該系列變頻器性能強(qiáng)大,控制靈活;高度集成,支持多種通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);優(yōu)化的功率模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小高次諧波,反射波,及控制干擾 ;緊楱的設(shè)計(jì)為用戶節(jié)省了安裝的空間;
      PowerFlex400具有多種應(yīng)用功能:根據(jù)負(fù)載慣量可設(shè)置多種加減速曲線;優(yōu)于熱繼電器性能的電子過熱保護(hù);可預(yù)置七段速度;可避免機(jī)械共振的3段頻率跳變功能;適應(yīng)負(fù)荷擾動(dòng)的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能保證速度精度,確保供風(fēng)量穩(wěn)定;先進(jìn)的節(jié)能性能,可在“輕載”情況下減少從電網(wǎng)吸取的電能;“休眠/喚醒”功能可產(chǎn)生進(jìn)一步的節(jié)能效果;內(nèi)置過程控制PID環(huán)節(jié);發(fā)生故障后的自動(dòng)重啟功能;瞬間失電時(shí)的掉電跨越功能;可聯(lián)結(jié)旋轉(zhuǎn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)飛車起動(dòng)功能;
      PowerFlex 400的一些主要參數(shù)如下:
      PowerFlex 400系列變頻器可在環(huán)境溫度-10℃-50℃下運(yùn)行,效率達(dá)97.5%。
      PowerFlex 400系列變頻器內(nèi)置保護(hù)功能有:
      a) 欠壓保護(hù)
      b) 過壓保護(hù)
      c) 過流保護(hù)
      d) 過溫保護(hù)
      e) 短路保護(hù)
      f) 接地保護(hù)
      PowerFlex 400系列變頻器速度調(diào)節(jié)范圍為60:1,數(shù)字輸入的控制頻率輸出精度達(dá)0.005%。
      PowerFlex 400變頻器具有7個(gè)數(shù)字量輸入,3個(gè)數(shù)字量輸出,2個(gè)模擬量輸入,2個(gè)模擬量輸入接口。
      PowerFlex 400還內(nèi)置RS485接口,便于以后組成智能化系統(tǒng)。
      PowerFlex 400具有斜波運(yùn)行、慣性、直流制動(dòng)、斜波保持、S曲線運(yùn)行等停止模式,獨(dú)立編程的加減速時(shí)間設(shè)定,設(shè)定范圍0-600秒等。
      PowerFlex 400設(shè)計(jì)符合IEC146,IEC801和EN/CE要求,滿足UL508C,CAN/CSA-C22以及EN50081標(biāo)準(zhǔn)。
      六、節(jié)能分析
      1).設(shè)備參數(shù)如下:
      風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī):Pe=30KW,Ue=380V,Ie=53A,N0(同步轉(zhuǎn)速)=1450rpm,CosΦ=0.8
      水泵電動(dòng)機(jī):Pe=22KW,Ue=380V,Ie=45A,N0(同步轉(zhuǎn)速)=1450rpm,CosΦ=0.8
      變頻器:Kv(效率)=0.98
      (2).設(shè)備運(yùn)行情況:
      空調(diào)風(fēng)機(jī):
      擋板開度60%,年運(yùn)行時(shí)間8760 -30X24(30天維修)=8040小時(shí).
      實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):
      擋板開度100%時(shí),電機(jī)電流Im=52A
      擋板開度60% 時(shí),電機(jī)電流Im=50A
      空調(diào)冷卻水泵:
      年平均閥門開度70%,年運(yùn)行時(shí)間8760 -30X24(30天維修)=8040小時(shí).
      實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):
      閥門開度100%時(shí),電機(jī)電流Im=45A
      閥門開度70% 時(shí),電機(jī)電流Im=44A
      空調(diào)冷凍水泵:
      年平均閥門開度50%,年運(yùn)行時(shí)間8760 -30X24(30天維修)=8040小時(shí).
      實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):
      閥門開度100%時(shí),電機(jī)電流Im=44.5A
      閥門開度50% 時(shí),電機(jī)電流Im=41A
      3).能耗計(jì)算:
      風(fēng)機(jī)擋板開度調(diào)節(jié)控制方式的能耗
      擋板開度60%,電機(jī)電流Im=52A,直接計(jì)算電機(jī)消耗功率(即電機(jī)輸入功率)
      Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×50×0.8=26326
      全年能耗Pin/1000×8040(小時(shí))×0.65(元)=137,580元
      冷卻水泵閥門開度調(diào)節(jié)控制方式的能耗
      閥門開度70%,電機(jī)電流Im=44A,直接計(jì)算電機(jī)消耗功率(即電機(jī)輸入功率)
      Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×44×0.8=23167
      全年能耗Pin/1000×8040(小時(shí))×0.65(元)=121,070元
      冷凍水泵閥門開度調(diào)節(jié)控制方式的能耗
      閥門開度50%,電機(jī)電流Im=41A,直接計(jì)算電機(jī)消耗功率(即電機(jī)輸入功率)
      Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×41×0.8=21588
      全年能耗Pin/1000×8040(小時(shí))×0.65(元)=112,819元
      全年總能耗=137580+121070+112819=371,469元
      變頻器控制方式的能耗計(jì)算(估算)
      空調(diào)風(fēng)機(jī):
      采用變頻器后,達(dá)到60%擋板開度時(shí)實(shí)測(cè)電機(jī)電流Im=14.5A,直接計(jì)算電機(jī)消耗功率(即電機(jī)輸入功率)
      Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×14.5×0.8=7635
      全年能耗Pin/1000×(8040-792)(小時(shí))×0.65(元)=35,970元
      空調(diào)冷卻水泵:
      采用變頻器后,達(dá)到70%閥門開度時(shí)實(shí)測(cè)電機(jī)電流Im=17.5A,直接計(jì)算電機(jī)消耗功率(即電機(jī)輸入功率)
      Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×17.5×0.8=7635
      全年能耗Pin/1000×(8040-896)(小時(shí))×0.65(元)=35,454元
      空調(diào)冷凍水泵:
      采用變頻器后,達(dá)到50%閥門開度時(shí)實(shí)測(cè)電機(jī)電流Im=9.9A,直接計(jì)算電機(jī)消耗功率(即電機(jī)輸入功率)
      Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×9.9×0.8=5213
      全年能耗Pin/1000×(8040-896)(小時(shí))×0.65(元)=24,207元
      注:在計(jì)算中,節(jié)假日模式按全年112天,在節(jié)假日停機(jī)1/3天考慮,即:112 x24/3=896小時(shí)。
      全年總能耗=35970+35454+24207=95,631元
      (4):節(jié)電率
      (采用擋板的能耗-采用變頻器的能耗)÷采用擋板的能耗=74.3%
      六:總結(jié)
      在汽車生產(chǎn)中,模具質(zhì)量的好壞,將直接影響到車體的質(zhì)量和外觀,而注塑車間環(huán)境的穩(wěn)定性又是決定模具質(zhì)量的主要因素。對(duì)合成樹脂科注塑車間空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改造,在原有控制系統(tǒng)上實(shí)施變頻器控制,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)量控制和空調(diào)循環(huán)水的流量,簡(jiǎn)化工藝調(diào)整的復(fù)雜性,提高環(huán)境條件質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)節(jié)假日控制模式,最終達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
      羅克韋爾自動(dòng)化產(chǎn)品,在中國(guó)的汽車生產(chǎn)線上有著廣泛的應(yīng)用,在原有工藝系統(tǒng)上加裝羅克韋爾變頻器,完全能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、靈活、方便、節(jié)能的各項(xiàng)要求。
      希望通過我們的努力,能夠?yàn)閺V本汽車廠帶來以下幾點(diǎn)收益:
      1) 節(jié)能降耗,經(jīng)濟(jì)效益明顯;
      2) 控制靈活,輕松實(shí)現(xiàn)風(fēng)量、風(fēng)速和循環(huán)水流量的精確控制,滿足車間模具對(duì)溫、濕度的苛刻要求;
      3) 減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊,保護(hù)電網(wǎng);
      4) 操作方便,易于監(jiān)控,減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度;
      5) 變頻器控制可有效減少電機(jī)和機(jī)械設(shè)備及管道的磨損,優(yōu)化設(shè)備,提高設(shè)備使用壽命;
      6) 方便維護(hù),降低故障率,有效縮短應(yīng)急事件發(fā)生時(shí)的處理時(shí)

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