廣州本田汽車廠合成樹脂注塑車間中央空調變頻改造

一、前言

模具是汽車生產中的重要工藝設備，它直接影響到汽車的最終質量，因此，保證模具的安全和不變形，對模具放置環(huán)境具有很高的要求。為了保證環(huán)境條件，中央空調變成汽車生產中不可缺少的設備，而中央空調又是汽車生產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風機改造中的應用。

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3000T級的注塑機，用于本田汽車奧德賽、雅閣、飛度車型的保險杠、儀表板、風管等汽車部件的生產。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，在模具表面產生冷凝水，從而導致模具生銹。這些模具是注塑車間生產的核心設備，需從日本進口，每臺價值約在300—500萬元左右。因此，必須確保車間的溫濕度，使模具不生銹。為達到這一要求，原空調機組即使在節(jié)假日不生產的條件下也保持每天24小時連續(xù)工頻運行，從而造成極大的能源浪費。

原空調系統(tǒng)組成：

原系統(tǒng)包括5臺電機，其中送風機1臺為30KW，冷凍水泵兩臺為22KW，冷卻水泵兩臺為22KW，冷卻塔風機一臺為11KW，起動方式為星-三角起動，其中冷卻水泵和冷凍水泵的工作方式為一備一用。

三、空調系統(tǒng)改造的總體要求

a) 自動采集冷水機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時數據，冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、空調風機等設備的工況。

b) 實現空調系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制：增設冷卻水泵、冷凍水泵和空調風機變頻節(jié)能控制，根據車間溫度和濕度的反饋信息，自動調節(jié)冷卻水泵電機、冷凍水泵電機和空調風機的運行速度，使機組保持在經濟運行狀態(tài)，實現空調系統(tǒng)的最佳轉換效率和水泵的節(jié)電功能，并使末段用戶得到最舒適的感覺，達到高效、可靠節(jié)能的目的。系統(tǒng)要求自動化程度高，操作方便，可降低設備故障，延長設備使用壽命。具有短路、過載、斷相、接地故障保護。并實現控制功能、狀態(tài)監(jiān)視功能。

c) 通過軟件實現溫度與濕度的協(xié)調控制，以保證模具不生銹。

d) 系統(tǒng)可設工作及假日兩種模式進行操作，在工作模式下，通過調節(jié)變頻器的頻率來達到設定的工藝參數；在假日模式下，通過降溫曲線來停機。

從而在確保模具不生銹的條件下，達到節(jié)能的目的。

A、工作模式

1）工作模式時，車間溫度控制到25ºC±2ºC,設定值可調整。

2）在溫度一定時，應保證系統(tǒng)小于如下濕度參數：

T=25ºC時，濕度RH 65%;

T=24ºC時，濕度RH 68%;

T=23ºC時，濕度RH 73%;

T=22ºC時，濕度RH 77%;

T=21ºC時，濕度RH 82%;

T=20ºC時，濕度RH 87%;

T=19ºC時，濕度RH 94%;

T=18ºC時，濕度 100%.

3) 車間4個溫濕度控制點取最高值進行控制。

4）冷卻泵、冷凍泵的控制根據進出水溫差和壓差進行調節(jié)，溫差、壓差設定值可調。水泵頻率調節(jié)的最低值初步設定為30Hz.

B、假日模式

1）操作人員應在冷凍機停止之后切換至假日模式。PLC接收到假日模式信號之后延時數分鐘停冷凍泵，再延遲數分鐘停冷卻泵。當環(huán)境溫度小于戶內溫度時，風機停機；當環(huán)境溫度大于戶內溫度時，風機則繼續(xù)保持50Hz頻率運行0.5-1小時（時間根據實際情況而定）。之后，風機將根據戶內與戶外溫差曲線逐步降低運行頻率，當戶內及戶外溫度達到基本一致時風機運行停止。

2）當戶外濕度達到或超過95%時，啟動風機。

四、變頻器改造的益處

（1）控制靈活，調節(jié)精確

原系統(tǒng)電機不能調速，風量和循環(huán)水流量調節(jié)只能簡單地依靠風門擋板和閥門的調節(jié)，工作量大；通過變頻器可實現電機無級調速，調節(jié)方便，速度精度高，可輕松、精確地控制風量、風速和循環(huán)水的流量。

（2）節(jié)能降耗，經濟效果明顯

對于離心風機和水泵，采用變頻器控制電機轉速，替代原擋板和閥門控制，改變在擋板和閥門上消耗大量電能的情況；根據離心機工作原理，相似情況下流量、揚程和消耗功率與轉速的一次、二次、三次方成正比，改變風量和流量時，降低電機轉速，可節(jié)約大量電能。

例：

風機電機功率75KW，風門開度60％

(1) 風門或閥門控制耗電費用

75×0.9×0.7元×24小時×365天＝413,910元/年

(2) 變頻器控制耗電費用

75×0.3×0.7元×24小時×365天＝137,970元/年

(3) 節(jié)能效果

考慮到節(jié)假日模式，年節(jié)省電費約30萬元。

（3）方便維護，減少故障

變頻器控制電機按加速曲線起動，避免直接起動引起的大起動電流，減少對機械系統(tǒng)的沖擊和循環(huán)水系統(tǒng)中的水錘現象；由于電機在適當的工藝速度下運行，因此可降低噪聲，減輕電機和其它機械設備的磨損，降低故障率和系統(tǒng)的維護工作量。

五、變頻器改造技術方案

根據現場實際情況，設計以下方案。

1： 方案描述

將注塑車間的供風風機電機采用變頻控制，將供風風道擋板完全打開，通過變頻調速改變電機轉速，控制送風量；將冷卻水泵和冷凍水泵改為變頻控制實現系統(tǒng)的節(jié)能和空調末端苛刻的溫度、濕度要求。

控制過程采用程序控制和PID調節(jié)技術，首先，對于送風機，通過對系統(tǒng)的環(huán)境的溫、濕度信號采集，來調節(jié)送風機變頻器的頻率，以滿足空調環(huán)境的要求和達到節(jié)電的目的；其次，對于冷凍水水泵（一用一備），由于出入口冷凍水壓差的變動反映空調負荷的變化，因而，在保證空調主機組的最低流量的要求下，根據冷凍水出入口壓差的變化調節(jié)冷凍水泵的轉速，從而達到空調環(huán)境的舒適性并節(jié)能；第三，在冷卻水方面（一用一備），根據冷卻水出入口溫差和入口溫度的變化來調節(jié)冷卻水泵的轉速，以保證空調機組在一個好的環(huán)境下工作，提高空調的制冷（或制熱）效率，達到冷卻水泵的節(jié)電和空調機組的節(jié)能；第四，通過軟件實現溫度和濕度協(xié)調控制，使模具不生銹。系統(tǒng)還包括一臺人機界面，可以對工藝參數進行設定和顯示系統(tǒng)故障（報警），控制盤配置鑰匙開關手動選擇主備裝置交替使用。

電機除變頻控制外，可加旁路裝置直聯(lián)電網，變頻器發(fā)生故障時，可切換到原控制系統(tǒng)上。變頻器故障信號反饋到人機界面上。

2：系統(tǒng)配置原理圖

3：主要設備選型

變頻調速器：考慮到系統(tǒng)的工藝要求及兼容性，該電機變頻器選擇羅克韋爾PowerFlex400系列變頻器。該系列變頻器性能強大，控制靈活；高度集成,支持多種通訊協(xié)議的網絡結構；優(yōu)化的功率模塊結構設計減小高次諧波,反射波,及控制干擾 ；緊楱的設計為用戶節(jié)省了安裝的空間；

PowerFlex400具有多種應用功能：根據負載慣量可設置多種加減速曲線；優(yōu)于熱繼電器性能的電子過熱保護；可預置七段速度；可避免機械共振的3段頻率跳變功能；適應負荷擾動的轉差補償功能保證速度精度，確保供風量穩(wěn)定；先進的節(jié)能性能，可在“輕載”情況下減少從電網吸取的電能；“休眠/喚醒”功能可產生進一步的節(jié)能效果；內置過程控制PID環(huán)節(jié)；發(fā)生故障后的自動重啟功能；瞬間失電時的掉電跨越功能；可聯(lián)結旋轉電機，實現飛車起動功能；

PowerFlex 400的一些主要參數如下：

PowerFlex 400系列變頻器可在環(huán)境溫度-10℃-50℃下運行，效率達97.5%。

PowerFlex 400系列變頻器內置保護功能有：

a) 欠壓保護

b) 過壓保護

c) 過流保護

d) 過溫保護

e) 短路保護

f) 接地保護

PowerFlex 400系列變頻器速度調節(jié)范圍為60：1，數字輸入的控制頻率輸出精度達0.005%。

PowerFlex 400變頻器具有7個數字量輸入，3個數字量輸出，2個模擬量輸入，2個模擬量輸入接口。

PowerFlex 400還內置RS485接口，便于以后組成智能化系統(tǒng)。

PowerFlex 400具有斜波運行、慣性、直流制動、斜波保持、S曲線運行等停止模式，獨立編程的加減速時間設定，設定范圍0-600秒等。

PowerFlex 400設計符合IEC146，IEC801和EN/CE要求，滿足UL508C，CAN/CSA-C22以及EN50081標準。

六、節(jié)能分析

（1）．設備參數如下：

風機電動機：Pe=30KW，Ue=380V，Ie=53A，N0(同步轉速)=1450rpm，CosΦ=0.8

水泵電動機：Pe=22KW，Ue=380V，Ie=45A，N0(同步轉速)=1450rpm，CosΦ=0.8

變頻器：Kv(效率)=0.98

（2）．設備運行情況：

空調風機：

擋板開度60%，年運行時間8760 -30X24(30天維修)=8040小時.

實測數據：

擋板開度100％時，電機電流Im=52A

擋板開度60％ 時，電機電流Im=50A

空調冷卻水泵：

年平均閥門開度70%，年運行時間8760 -30X24(30天維修)=8040小時.

實測數據：

閥門開度100％時，電機電流Im=45A

閥門開度70％ 時，電機電流Im=44A

空調冷凍水泵：

年平均閥門開度50%，年運行時間8760 -30X24(30天維修)=8040小時.

實測數據：

閥門開度100％時，電機電流Im=44.5A

閥門開度50％ 時，電機電流Im=41A

（3）．能耗計算：

風機擋板開度調節(jié)控制方式的能耗

擋板開度60％，電機電流Im=52A，直接計算電機消耗功率（即電機輸入功率）

Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×50×0.8=26326

全年能耗＝Pin/1000×8040(小時)×0.65(元)=137,580元

冷卻水泵閥門開度調節(jié)控制方式的能耗

閥門開度70％，電機電流Im=44A，直接計算電機消耗功率（即電機輸入功率）

Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×44×0.8=23167

全年能耗＝Pin/1000×8040(小時)×0.65(元)=121,070元

冷凍水泵閥門開度調節(jié)控制方式的能耗

閥門開度50％，電機電流Im=41A，直接計算電機消耗功率（即電機輸入功率）

Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×41×0.8=21588

全年能耗＝Pin/1000×8040(小時)×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算(估算)

空調風機：

采用變頻器后，達到60%擋板開度時實測電機電流Im=14.5A，直接計算電機消耗功率（即電機輸入功率）

Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×14.5×0.8=7635

全年能耗＝Pin/1000×(8040-792)(小時)×0.65(元)=35,970元

空調冷卻水泵：

采用變頻器后，達到70%閥門開度時實測電機電流Im=17.5A，直接計算電機消耗功率（即電機輸入功率）

Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×17.5×0.8=7635

全年能耗＝Pin/1000×(8040-896)(小時)×0.65(元)=35,454元

空調冷凍水泵：

采用變頻器后，達到50%閥門開度時實測電機電流Im=9.9A，直接計算電機消耗功率（即電機輸入功率）

Pin=√3UeImCosΦ=√3×380×9.9×0.8=5213

全年能耗＝Pin/1000×(8040-896)(小時)×0.65(元)=24,207元

注：在計算中，節(jié)假日模式按全年112天，在節(jié)假日停機1/3天考慮,即：112 x24/3=896小時。

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

在汽車生產中，模具質量的好壞，將直接影響到車體的質量和外觀，而注塑車間環(huán)境的穩(wěn)定性又是決定模具質量的主要因素。對合成樹脂科注塑車間空調系統(tǒng)進行改造，在原有控制系統(tǒng)上實施變頻器控制，以實現風量控制和空調循環(huán)水的流量，簡化工藝調整的復雜性，提高環(huán)境條件質量，實現節(jié)假日控制模式，最終達到節(jié)能降耗的目的。

羅克韋爾自動化產品，在中國的汽車生產線上有著廣泛的應用，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)能的各項要求。

希望通過我們的努力，能夠為廣本汽車廠帶來以下幾點收益：

1） 節(jié)能降耗，經濟效益明顯；

2） 控制靈活，輕松實現風量、風速和循環(huán)水流量的精確控制，滿足車間模具對溫、濕度的苛刻要求；

3） 減少電機啟動時的大電流對電網的沖擊，保護電網；

4） 操作方便，易于監(jiān)控，減少工人勞動強度；

5） 變頻器控制可有效減少電機和機械設備及管道的磨損，優(yōu)化設備，提高設備使用壽命；

6） 方便維護，降低故障率，有效縮短應急事件發(fā)生時的處理時