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CN107289811B - 一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统及方法 - Google Patents

一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统，包括智能温度变送器、控制单元、变频器及高效节能电机；节能自动控制系统是PLC程序根据智能温度变送器实时监测的温度值，与HMI的目标温度设定值进行对比分析，将分析结果按PLC程序预设的运行模式和运行工况输出逻辑控制指令，变频器通过USS通讯协议接收控制指令和调速信号，驱动变频风机电机的启停和自动调速运行，从而实现蒸发式冷却/冷凝设备根据温度变化自动调整输出功率，达到自动节能运行的效果。和现有的控制技术相比，本发明具有降低设备能耗损失，提高运行效率，自动节能运行等优点。

Description

一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统及方法
技术领域
本发明涉及工业换热设备节能自动控制技术领域，具体的说是一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统及方法。
背景技术
2017年初，国务院发布的《“十三五”节能减排综合工作方案》明确指出要加强工业节能，实施工业能效赶超行动，加强高能耗行业能耗管控，在重点耗能行业全面推行能效对标，推进工业企业能源管控中心建设，推广工业智能化用能监测和诊断技术。
高效复合蒸发式冷却（凝）器是根据热力学、传热学原理，采用蒸发换热和空冷换热优化结合而成的高效冷却（凝）器，是最新一代的高性能节能换热设备。现有的冷却（凝）器设备控制方式存在有不足的地方：一是操作人员根据设备出口温度，手动调整风机运行数量以实现对风量的控制，在需要减小风量时，只能通过放走多余的风量来实现，造成了极大的能源浪费。二是风机的频繁启动，尤其在启动瞬间，风机的启动会造成电流冲击，造成电能浪费。现有的控制方式不仅工作效率低，还容易出现操作延迟或错误，影响设备的稳定运行。因此，有必要对现有的控制技术进一步改进和完善，以避免上述缺陷。
发明内容
针对上述现有的控制方式存在的技术问题，本发明提供一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统，包括智能温度变送器、控制单元、变频器及高效节能电机；
所述的智能温度变送器共配置三个，一个安装在蒸发式冷却/冷凝设备平台上；一个安装在蒸发式冷却/冷凝设备集水箱内；一个安装在蒸发式冷却/冷凝设备的出口总管道上；
所述控制单元由PLC和HMI组成，采用SIEMENS S7-200 SMART PLC，其配置的CPU模块集成1个以太网接口和1个RS485接口，支持工业以太网通讯和USS通讯协议；扩展的模拟量输入输出模块，用于接收智能温度变送器采集到的4~20mA温度信号；所述控制单元还安装有HMI操作界面，能够使用户操作人员按管理级别的不同，分级操作和设置工艺参数，并显示设备运行状态和故障报警；
所述变频器及高效节能电机，变频器支持USS通讯协议，通过USS通讯协议接收PLC的控制指令和调速信号，自动调整变频风机的输出功率。
所述智能温度变速器的测温元件选用PT100热电阻型温度传感器，在量程范围内输出4~20mA直流信号，同时支持HART标准协议，能将测量数值远传至PLC或DCS系统。
所述变频器的输出侧安装交流输出电抗器，变频控制柜内还安装有工频风机及水泵的电气控制回路。
一种利用如上所述的蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：登陆HMI操作界面，根据工艺要求，在HMI界面设置设备出口总管道的介质目标温度值T设，HMI界面将T设的设定值传输给S7-200 SMART PLC；根据环境温度的变化，将设备运行工况分为夏季模式、标准模式、冬季模式，当环境温度T环≥25℃时，界定为夏季模式；当环境温度25℃＜T环＜-35℃时，界定为标准模式；当环境温度T环≤-35℃时，界定为冬季模式；
步骤二：S7-200 SMART PLC根据智能温度变送器监测到的实时环境温度T环，对比程序预设条件，判断当前的运行模式属于夏季模式、标准模式、冬季模式中的哪一种模式，并执行该模式的逻辑输出；
步骤三：S7-200 SMART PLC根据智能温度变送器监测的出口总管实测温度T出，对比程序预设条件，判断当前的运行工况属于全负载工况、工况一、工况二、工况三、待机工况中的哪一种工况，并执行相应的逻辑控制，自动调整风机及水泵的运行数量，执行PID控制程序，通过USS通信协议把PID运算结果传送到变频器，控制变频器的输出频率，调节变频风机的运行转速；所述全负载工况：风机、喷淋水泵均以50Hz的运行频率满负荷运行；所述工况一：工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述工况二：工频风机停止运行，喷淋水泵按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述工况三：工频风机和喷淋水泵均停止运行，仅保留变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述待机工况：所有风机、喷淋水泵均停止运行，设备进入待机状态；
步骤四：以环境温度T环选择运行模式，以实际出口温度T出、目标温度设定值T设的对比，选择运行工况和执行PID子程序，实现蒸发式冷却/冷凝设备的闭环运行，按需自动控制风机及水泵的运行数量、自动调节变频风机的运行转速，达到蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动运行。
本发明的有益效果：
本发明提供的蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统及方法，使用智能温度变送器将温度传感器（PT100）信号，转换成与温度值成线性关系的4～20mA电流信号，采用计算机屏蔽电缆将电流信号传送至PLC模块，满足了石油、化工等行业现场有较强干扰源、需要长距离传送信号、响应快、精度高的要求；本发明实现了蒸发式冷却/冷凝设备在不同运行模式时的温度PID控制，自动调节设备的运行工况，提高了设备的运行效率，有很好的节能效果；本发明采用USS协议，相比现有的模拟量控制，使用USS协议完成PLC和变频器的通信，硬件配置要求低，编程工作量小、是一种接线少，成本低，简单可靠的通讯方式。
附图说明
图1 本发明蒸发冷却/冷凝设备系统配置示意图；
图2 本发明蒸发冷却/冷凝设备自动控制系统逻辑图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。
如图1所示：一种蒸发式冷却/冷凝设备节能自动控制系统，其设备配置包括两台变频风机、两台工频风机、一台喷淋水泵，均配装了高效节能电机；
智能温度变速器的测温元件选用PT100热电阻型温度传感器，包含环境温度变送器、出口总管道介质温度变送器、集水箱温度变送器。
其环境温度变送器设置在蒸发式冷却/冷凝设备平台上，用于实时监测设备现场环境温度，用T环表示；
其出口总管道介质温度变送器设置在蒸发式冷却/冷凝设备出口总管道上，用于实时监测设备出口总管的介质温度，用T出表示；
其集水箱温度变送器设置在蒸发式冷却/冷凝设备集水箱内，用于实时监测集水箱内喷淋水的温度，用T水表示；
出口总管道介质温度的目标值由操作人员在HMI界面设定，用T设表示。
如图1所示：PLC系统采用SIEMENS S7-200 SMART PLC，用于接收所述智能温度变送器的监测数据，并根据监测温度值与设定温度值的对比，判断设备当前的运行模式，把分析的运行逻辑和运行指令传输给变频器及控制柜，进而根据PLC输出指令自动控制风机、水泵的运行数量和运行转速，自动调节风量和设备运行功率，达到设备的节能高效运行。
如表1所示：蒸发式冷却/冷凝设备的运行工况分为全负载工况、工况一、工况二、工况三、待机工况。所述全负载工况：风机、喷淋水泵均以50Hz的运行频率满负荷运行；所述工况一：工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述工况二：工频风机停止运行，喷淋水泵按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述工况三：工频风机和喷淋水泵均停止运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述待机工况：风机、喷淋水泵均停止运行，设备进入待机状态。
表1为本发明蒸发冷却/冷凝设备运行工况表。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如图2所示：根据环境温度的变化，一般将设备运行模式分为夏季模式、标准模式、冬季模式。当环境温度T环≥25℃时，界定为夏季模式；当环境温度25℃＜T环＜-35℃时，界定为标准模式；当环境温度T环≤-35℃时，界定为冬季模式。蒸发式冷却/冷凝设备首次启动时，S7-200 SMART PLC先要根据智能温度变速器实时监测的环境温度值T环，对比判断当前设备应该进入的运行模式。对于用户设备的使用环境存在昼夜温差较大的特殊情况，PLC程序设定，在设备进入运行后，每隔5分钟，自动监测并调整运行模式，也可在HMI界面锁定运行模式，使设备更加稳定运行。
蒸发式冷却/冷凝设备在夏季模式下运行，当T出≥T设时，设备进入全负荷工况，风机、喷淋水泵均以50Hz满负荷运行。当T出＜T设－3℃时，设备进入工况一，工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＞T设＋3℃时，设备进入全负荷工况，风机、喷淋水泵均以50Hz满负荷运行。举例：设备在夏季模块下运行，设定出口总管道介质温度目标值T设=40℃时，当T出=41℃＞40℃时，S7-200 SMART PLC输出全负荷工况的运行逻辑，风机、喷淋水泵均以50Hz满负荷运行。设备全负荷运行，T出温度值会下降，当T出=36℃＜40－3℃时，S7-200 SMART PLC输出工况一的运行逻辑，工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；在夏季模块下，设备运行负荷降低，T出温度值会有所升高，当T出=44℃＞40＋3℃时，S7-200 SMART PLC再次输出全负荷工况的运行逻辑，风机、喷淋水泵均以50Hz满负荷运行。以此逻辑，自动循环运行。
蒸发式冷却/冷凝设备在标准模式下运行，当T出≥T设时，设备进入工况一，工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＜T设－3℃时，设备进入工况二，工频风机停止运行，喷淋水泵运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＞T设＋3℃时，设备再次进入工况一；当T出＜T设－3℃且变频器的输出频率≤25Hz时，设备进入工况三，工频风机和喷淋水泵均停止运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行。举例：设备在标准模块下运行，设定出口总管道介质温度目标值T设=40℃时，当T出=41℃＞40℃时，S7-200 SMART PLC输出工况一的运行逻辑，工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行。当T出=36℃＜40－3℃时，S7-200 SMART PLC输出工况二的运行逻辑，工频风机停止运行，喷淋水泵运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出=44℃＞40＋3℃时，设备再次进入工况一；在工况二下运行时，当T出=36℃＜40－3℃时且变频器的输出频率≤25Hz时，S7-200 SMART PLC输出工况三的运行逻辑，工频风机和喷淋水泵均停止运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行。以此逻辑，自动循环运行。
蒸发式冷却/冷凝设备在冬季模式下运行，当T出≥T设时，设备进入工况三，工频风机和喷淋水泵均停止运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＜T设－3℃时，设备进入待机工况，风机、水泵均停止运行，设备进入待机状态；在待机状态下，当T出＞T设＋3℃时，设备再次进入工况三运行；在工况三状态下，当T出＞T设＋3℃且变频器的输出频率≥45Hz时，设备进入工况二状态。举例：设备在冬季模块下运行，设定出口总管道介质温度目标值T设=40℃时，当T出=41℃＞40℃时，S7-200 SMART PLC输出工况三的运行逻辑，S7-200 SMART PLC输出工况三的运行逻辑，工频风机和喷淋水泵均停止运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出=36℃＜40－3℃时，设备进入待机工况，风机、水泵均停止运行，设备进入待机状态；在待机状态下，当T出=44℃＞40＋3℃时，设备再次进入工况三；在工况三状态下，T出=44℃＞40＋3℃且变频器的输出频率≥45Hz时，S7-200SMART PLC输出工况二的运行逻辑，工频风机停止运行，喷淋水泵运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行。以此逻辑，自动循环运行。
变频风机的自动调速是根据T设、T出的温度值，执行PLC逻辑，自动调用PLC的PID子程序，将子程序的运算结果输出给变频器，变频器执行调速运行。
另外，设置在集水箱的温度变送器，监测到喷淋水温T水＜3℃时，PLC输出控制指令，开启集水箱电加热器；当T水＞6℃时，PLC输出控制指令，断开集水箱电加热器，停止加热。
综述，本发明由于采用PLC和变频器的自动控制，细分了蒸发式冷却/冷凝设备的运行模式和运行工况，根据温度变化自动调整设备的运行功率，降低能耗，提高设备的运行效率，达到自动节能的效果。

Claims (1)

1.一种蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：登陆HMI操作界面，根据工艺要求，在HMI界面设置设备出口总管道的介质目标温度值T设，HMI界面将T设的设定值传输给S7-200 SMART PLC；根据环境温度的变化，将设备运行工况分为夏季模式、标准模式、冬季模式，当环境温度T环≥25℃时，界定为夏季模式；当环境温度25℃＜T环＜-35℃时，界定为标准模式；当环境温度T环≤-35℃时，界定为冬季模式；
步骤二：S7-200 SMART PLC根据智能温度变送器监测到的实时环境温度T环，对比程序预设条件，判断当前的运行模式属于夏季模式、标准模式、冬季模式中的哪一种模式，并执行该模式的逻辑输出；
步骤三：S7-200 SMART PLC根据智能温度变送器监测的出口总管实测温度T出，对比程序预设条件，判断当前的运行工况属于全负载工况、工况一、工况二、工况三、待机工况中的哪一种工况，并执行相应的逻辑控制，自动调整风机及水泵的运行数量，并执行PID控制程序，并通过USS通信协议把PID运算结果传送到变频器，控制变频器的输出频率，调节变频风机的运行转速；所述全负载工况：风机、喷淋水泵均以50Hz的运行频率满负荷运行；所述工况一：工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述工况二：工频风机停止运行，喷淋水泵按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述工况三：工频风机和喷淋水泵均停止运行，仅保留变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；所述待机工况：所有风机、喷淋水泵均停止运行，设备进入待机状态；
步骤四：以环境温度T环选择运行模式，以实际出口温度T出、目标温度设定值T设的对比，选择运行工况和执行PID子程序，实现蒸发式冷却/冷凝设备的闭环运行，按需自动控制风机及水泵的运行数量、自动调节变频风机的运行转速，达到蒸发式冷却/冷凝设备的节能自动运行；
蒸发式冷却/冷凝设备在夏季模式下运行，当T出≥T设时，设备进入全负荷工况，风机、喷淋水泵均以50Hz满负荷运行；
当T出＜T设－3℃时，设备进入工况一，工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＞T设＋3℃时，设备进入全负荷工况，风机、喷淋水泵均以50Hz满负荷运行；
蒸发式冷却/冷凝设备在标准模式下运行，当T出≥T设时，设备进入工况一，工频风机和喷淋水泵均按50Hz运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＜T设－3℃时，设备进入工况二，工频风机停止运行，喷淋水泵运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＞T设＋3℃时，设备再次进入工况一；当T出＜T设－3℃且变频器的输出频率≤25Hz时，设备进入工况三，工频风机和喷淋水泵均停止运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；
蒸发式冷却/冷凝设备在冬季模式下运行，当T出≥T设时，设备进入工况三，工频风机和喷淋水泵均停止运行，变频风机根据PLC调速指令在20～50Hz自动调速运行；当T出＜T设－3℃时，设备进入待机工况，风机、水泵均停止运行，设备进入待机状态；在待机状态下，当T出＞T设＋3℃时，设备再次进入工况三运行；在工况三状态下，当T出＞T设＋3℃且变频器的输出频率≥45Hz时，设备进入工况二状态。
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