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元/年
(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元/年
(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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