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，對模具放置環境具有很高的要求。為了保證環境條件，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，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假日不生產的條件下也保持每天24小時連續工頻運行，從而造成極大的能源浪費。

     原空調系統組成：
 
    原系統包括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) 實現空調系統的聯鎖控制：增設冷卻水泵、冷凍水泵和空調風機變頻節能控制，根據車間溫度和濕度的反饋信息，自動調節冷卻水泵電機、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，實現空調系統的最佳轉換效率和水泵的節電功能，并使末段用戶得到最舒適的感覺，達到高效、可靠節能的目的。系統要求自動化程度高，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、狀態監視功能。

    c) 通過軟件實現溫度與濕度的協調控制，以保證模具不生銹。 

    d) 系統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，溫差、壓差設定值可調。水泵頻率調節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。當環境溫度小于戶內溫度時，風機停機；當環境溫度大于戶內溫度時，風機則繼續保持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，調節精確

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

    （2） 節能降耗，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) 節能效果

    考慮到節假日模式，年節省電費約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，減少對機械系統的沖擊和循環水系統中的水錘現象；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的節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調節技術，首先，對于送風機，通過對系統的環境的溫、濕度信號采集，來調節送風機變頻器的頻率，以滿足空調環境的要求和達到節電的目的；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冷凍水泵的轉速，從而達到空調環境的舒適性并節能；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冷卻水泵的轉速，以保證空調機組在一個好的環境下工作，提高空調的制冷（或制熱）效率，達到冷卻水泵的節電和空調機組的節能；第四，通過軟件實現溫度和濕度協調控制，使模具不生銹。系統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，可加旁路裝置直聯電網，變頻器發生故障時，可切換到原控制系統上。變頻器故障信號反饋到人機界面上。

    2：系統配置原理圖

    3：主要設備選型

    變頻調速器：考慮到系統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,支持多種通訊協議的網絡結構；優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，確保供風量穩定；先進的節能性能，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能效果；內置過程控制PID環節；發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。

    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，節假日模式按全年112天，在節假日停機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，而注塑車間環境的穩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進行改造，在原有控制系統上實施變頻器控制，以實現風量控制和空調循環水的流量，簡化工藝調整的復雜性，提高環境條件質量，實現節假日控制模式，最終達到節能降耗的目的。
    
    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，在原有工藝系統上加裝羅克韋爾變頻器，完全能夠保證系統的穩定、可靠、靈活、方便、節能的各項要求。
    
    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生時的處理時