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空调送风控制系统的改造 |
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作者：北汽福田汽车股份有限公司 付建林 |
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国家“十一五”规划纲要提出了节能减排的目标，企业位于节能减排最前沿，同样责无旁贷。针对我厂耗能较大的涂装车间，笔者进行了能耗分析，发现其耗能较大的用电设备是各类风机。根据汽车生产中涂装工艺的要求，需要在特定的工位配置相应数量的空调送风和排风用的风机。由于风机功率较大，大多采用软启动器以实现平稳启动，在风机启动完成后就以额定转速运行。但是，涂装工艺对送风量有严格的要求，风量的控制要通过出风口的风阀进行调节，这样就造成强制送风与被迫节流之间存在能源浪费，而出风口的风阀一般靠人工调节，这就加大了保障工艺参数的难度。
如何使空调送风系统既满足工艺参数需求又实现节能降耗，是本改造项目要解决的主要问题。
空调送风系统分析
1. 空调送风系统构成
（1）工艺流程：根据汽车涂装工艺要求，空调送风系统由以下部分构成（见图1）：
图1 空调送风系统工艺流程
进风室—一次加热段—中间段—初效段—中间段—加湿段—中间段—二次蒸汽间接加热段—风机段—均流段—消声段—中间段—中效段—送风段。
（2）设备构成：该空调送风系统主要有进风室、空调器、送风管和调节风阀等组成。空调器出风口设有调节风阀。喷漆、晾干设备送风口设有调节风阀及防火调节风阀。
2. 设备工作原理
该设备工作时，送到喷漆室的风由置于空调器内的风机将室外新鲜空气抽到空调器内，经空调器一次加热，初效过滤，喷淋加湿（仅限喷漆室空调器），二次蒸汽间接加热除湿（仅限喷漆室空调器），中效过滤，消声处理后，再通过送风管送到各需要送风的工位，其送风量可由安装在送风系统出风口的调节风阀进行控制。空调送风的温湿度能够通过人工手动控制。
控制系统现状分析
1. 送风电机情况
（1）额定功率：130kW；额定电流：249A；转速：730r/min。
（2）电机极数：8极；接法：Y；类型：异步电机。
（3）启动方式：原控制柜配有软启动器，电机采用软起动方式启动。电机启动后就以额定转速运行，根据负载情况，电流在200～240A之间变化。
2. 风量的调节
空调器送风出口设有调节风阀，送风量可由该调节风阀进行控制。由于风阀的控制采用人工根据工艺要求进行调节，对工艺参数的保证比较困难。
3. 过滤器对风量的影响
汽车生产的涂装工艺对空气的洁净度要求较高，在空调送风系统中室外新风进入车间需要进行3道过滤。通过滤网上的虑棉或虑袋，过滤掉进入车间的空气中的灰尘。随着灰尘在滤网或虑袋上的积累，过滤器对空气的阻力会逐渐增大，使空调送风系统的送风量降低。当送风量不能满足工艺要求时，就要通过风阀进行调节。
如此反复调节，当无法通过调节风阀来满足风量时，就要对虑棉进行清洗或更换，而后又要重新调节送风量。风阀的调节给工人带来较大的工作量。
4. 原系统的缺点
（1）送风工艺参数依靠人工检测和调节来完成，工艺条件不容易保证。
（2）电机的全速送风会消耗大量的电能来产生风能，而风阀的节流调节限制对风能的利用，因此产生较大的能源浪费。
（3）当进风口过滤器的灰尘渐渐增多后阻力增大时，在风机段会产生较大的负压，而系统没有报警装置，如果操作人员不能及时发现，将会对该段室体造成损坏。
（4）当风机后的第二层虑网随着灰尘增多而阻力增大时，可能造成连接段压力升高，引起安全事故。
（5）缺乏必要的检测和自动控制系统，不能对空调送风系统的送风量进行自动控制调节。
控制系统的改造方案
1. 方案原理
（1）应用变频技术，采用变频器对送风风机的速度进行控制，通过手动或自动调整风机的转速来实现对送风量的调节。
（2）在风机进风口过滤器后的风机段装设压力传感器，用于采集该处的压力值。
（3）在风机出风口装设压力传感器，用于采集该处的压力值。
（4）在空调送风口处装设压力传感器和温度传感器，用来采集最终的空调送风的压力和温度值。
（5）采用PLC作为控制器，应用自动控制原理实现闭环控制，同时对各点压力值进行监控，实现控制调节、报警等功能。
（6）通过增加触摸显示屏实现人机对话，完成控制参数、运行状态的显示，操作人员可通过触摸显示屏进行控制参数的调整或设定。
2. 控制功能说明
按照上述方案组建的控制系统图（见图2）。
图2 控制系统示意
（1）将送风口的风阀完全打开，以工艺要求的送风量所对应的送风口处压力值作为给定值，通过PLC进行闭环调节。通过保证出风口压力值，来满足生产现场的送风量需求。
（2）PLC监控风机出口压力，当出口压力和第二层滤网出口压力的差值超过了设定值，PLC在进行反复判断后进行报警，提示操作人员检查第二层滤网是否堵塞。
（3）PLC监控第一层滤网出口处的负压值，当负压值大于设定值时，PLC在进行反复判断后进行报警，提示操作人员检查第一层滤网是否堵塞，并采取处理措施。
（4）PLC同时也提供一个点温度测量，测量第二层滤网出口后的送风温度，按照设定的高低限报警值，比较后发出温度高低限报警。
（5）PLC选用西门子S7-200系列产品，变频器选用ABB公司ACS510系列产品。
3. 控制方式
（1）手动运行。手动运行时变频器的转速可以由人工通过触摸屏进行操作，人工输入运行频率，变频器按照人工设定频率运行。这种操作方式一般情况不用，只有当环境比较特殊，自动调节无法实现时才采用，此时触摸屏上的显示和故障判断仍然有效。
（2）自动运行。自动运行时由PLC自动按扫描周期进行逻辑运算并进行闭环控制，智能地判断各种故障，并将运行数据及报警信息传送给触摸屏，由触摸屏进行动态显示。显示的故障主要有第二层滤网出口温度的高低限报警，第一层滤网出口处的负压值高低限报警，第二层滤网后与风机室之间的压差极限报警，接触器故障、变频器故障等报警信号。
项目实施的结果
1. 工艺设备
（1）通过PLC对安装在现场的传感器信号（温度和压力）进行采集，并动态显示在触摸显示屏上，便于设备操作者对空调送风系统的运行状态进行监控。
（2）通过进入触摸显示屏上的参数设定画面，操作者可对空调送风系统的工艺参数和送风系统的各点压力的上下限报警点进行设定，系统发生报警后提醒操作工及时做出处理，保证了空调送风系统设备安全有效地运行。
（3）项目实施后实现空调送风系统自动控制，及时有效地保证生产工艺参数，为车身涂装提供了理想的生产环境。
（4）通过编制监控画面使空调送风系统实现目视化，监控画面包括：工艺流程图画面（见图3），参数设定画面（见图4）。
图3 工艺流程图画面
图4 参数设定画面
2. 节能降耗
（1）项目实施后将送风系统出风口的调节风阀完全打开，降低了送风损耗；通过PLC对风机速度的控制，实现了自动调速，节省了人工对风阀的调节工作量。
（2）通过变频调速自动控制，降低了电机的运行速度，电机运行频率由原来的50Hz降至40Hz左右；负载电流由原来的210A降至160A左右，降低了电能的消耗，节能比例为30％以上。
3. 综合效果
通过此次改造有效地实现了空调送风系统既满足工艺参数需求又实现节能降耗的双重效果，此项目的投资两年内可收回，投资回报率较高。工厂还有类似风机若干台，计划在近期改造完成，将来会有效地降低涂装车间的电能消耗，从而降低生产成本，提高产品的竞争力。
此项目的实施是对国家节能减排宏伟目标在实践中的响应，实现了工厂、国家利益的统一，具有良好的社会效益。
结语
早期的生产设备在设计时主要以满足工艺参数为主，再由于当时技术水平的限制，对能源的损耗重视不够，部分设备存在能源浪费现象。文中所述项目的实施给我们以启示，就是我们在进行新设备设计时，应该对以上两个方面进行统筹考虑，避免造成能源和资源浪费。(end)
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(11/15/2008) |
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