集中工藝變頻冷水供應機組在煙濾嘴成型機系統使用的先進性、可靠性論述

摘要： 我們研制了變頻冷水機組，此冷水機組中的控制器根據傳感器得到的被控設備的溫度值與預先給定的溫度設定值比較，根據二者的偏差去控制變頻器的頻率輸出，進而改變制冷壓縮機的轉速，達到調節被控設備恒定溫度的目的。

關鍵詞：煙濾嘴成型機；專利；先進；集中控制

根據河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠易地技術改造項目，公司為此項目選擇KDF2、ZL26C嘴棒成型機專用集中工藝變頻風冷冷水機組3臺。MHL-Ⅲ-320BPW型冷水供應機組制冷量為80KW，機組出水溫度范圍為4℃～12℃可調，出口水溫控制精度可以達到±0.5℃，其機組配有專用的油溫自動控制閥，可將成型機潤滑油溫度控制在40-43℃之間。冷水機組分成2個子系統，單臺機組內共有3臺壓縮機（1臺變頻壓縮機2臺定頻壓縮機），任何1臺壓縮機或任何1個系統損壞都不會影響其他壓縮機或另一個系統的正常使用；冷水供應機組外殼、框架、水管道、水箱、閥門及線槽等全部采用優質（304）材質。其產品申請多項專利，各項性能指標均達到或超過國際制冷技術的先進水平。

MHL-III-320BPW專用變頻風冷冷水供應機組，是根據各卷煙廠KDF2（ZL22）、KDF3（ZL26C）、KDF4等濾棒成型機降溫所需要的冷水溫度、流量、流速等參數設計的集中供水設備并已獲得國家專利。此系列冷水供應機組技術先進、運行可靠工藝精良、維護工作量小節省費用，可滿足成型機的壓板及潤滑油的降溫要求，集中供水即保證了成型機的壓板及潤滑油保持在一個最佳的溫度狀態，又延長了成型機的使用壽命還確保了各臺成型機所生產的嘴棒質量穩定統一，此設備現已在昆明、楚雄、武漢、長沙、南昌、濟南、安陽、上海、南通、牡丹江、蚌埠、常德、遵義等卷煙廠及嘴棒材料廠使用，并運行良好。

變送器的作用是把傳感器得到的電信號進行放大、整形等處理，然后統一調整為規則化的電壓，如0V～5V或電流信號4mA～20mA等作為調節器的輸入。調節器或控制器，它們其實就是一個由單片機組成的微型控制系統或者更具先進性的PLC系統，其本身具有計算、判斷、邏輯分析功能，它有數字和模擬輸入端、數字和模擬輸出端，PLC控制系統可以在軟件的控制下實現PID或模糊控制等控制規律，還可以利用數字輸出口，指揮數臺電動機的變頻與工頻之間的切換、被控設備相關部件的開啟或關閉等多種操作。變頻器是利用電子器件的智能控制技術把電壓頻率固定的交流電變成了電壓頻率可變的交流電的一種控制設備。用變頻器輸出的頻率、電壓可變的交流電去驅動電動機就可以達到電動機的調速。變頻器一般由供電部分、輸出部分、控制部分、保護部分、顯示部分和給定部分組成。容量從幾十瓦到幾百千瓦，既有三相的也有單項的。近年來，隨著電子技術的發展，變頻器的可靠性越來越強，性能越來越穩定，應用的領域越來越廣泛。電動機和被控設備一起構成了生產過程的動力源和執行機構，用以保證生產或系統工作的正常。我廠冷水機組變頻控制系統是一種閉環控制系統，有時對于一些簡單的控制系統也采用開環式的控制系統，這時傳感器、變送器和調節器由人的五官和大腦來擔任。當觀測到或感覺到系統的被控參數發生偏差以后，用人工的方法去調整變頻器的給定值，使電動機的速度改變，從而達到控制被控參數的目的。

現在大部分的冷水機組的運行，采用ON/OFF控制方式，這種控制方式冷媒水溫度會發生波動，影響待降溫設備的穩定運行。大功率壓縮機在啟動時有很大的沖擊電流，需要配置比連續運行時更大的電源容量。為了克服以上缺點，我們研制了變頻冷水機組，此冷水機組中的控制器根據傳感器得到的被控設備的溫度值與預先給定的溫度設定值比較，根據二者的偏差去控制變頻器的頻率輸出，進而改變制冷壓縮機的轉速，達到調節被控設備恒定溫度的目的。使用變頻冷水機組可以達到以下效果：

1.在輕負載時，壓縮機在較低轉速下工作，相對壓縮機容量，蒸發器和冷凝器在相對比率較高的情況下工作，整體效率有所提高，因而可以節能。

2.由于使用了變頻技術，壓縮機的開停次數減少，制冷系統的壓力變化損耗減少。

3.出水溫度不再是一個波動值而是在設定值上下一個極小范圍內變化，設備的可靠性和穩定性得到了提高。

4.減少了電動機的啟動電流，可以延長壓縮機的使用壽命。

5.變頻系統具有自診斷和自處理功能，具有完善的保護功能確保設備的工作安全。

下面就變頻冷水機組的具體調節方式和控制方式作如下描述：

1.啟動方式

常規冷水機組以定頻啟動、定速運轉。變頻冷水機組低頻啟動、變頻運轉，避免了機組的啟停過程對電網的沖擊。

由于普通冷水機組在用電高峰期由于電網電壓比較低，所以會出現無法啟動的現象，但采用變頻控制技術后，由于可以實現變頻降壓啟動，所以在電壓比較低的時候也可以實現機組的正常啟動，有利于機組的正常運轉。根據負荷大小，壓縮機自動調節轉速，再通過膨脹閥調節制冷劑流量大小，免去頻繁開停機，使系統的運行更加穩定，節能效果更高，延長壓縮機使用壽命，系統可靠性高。采用定頻機與變頻壓縮機搭配使用，低負荷時只啟動變頻壓縮機，定頻壓縮機不運轉，只有在高負荷時定頻壓縮機才啟動運轉，大大節約了運行費用，低頻啟動的特性使啟動電流極小，不影響其它電器設備正常使用，更顯其優越性，更具節能效果。

2.調節方式

2.1.溫度調節

為了使冷水機組在ZL26、KDF2開啟臺數較少的情況下避免出現壓縮機頻繁啟停，保證出水溫度控制精度范圍達到±1℃的要求，我們采用了目前業界技術含量最高的變頻控制技術，同時采用先進的比例、積分、微分（PID）控制方式控制出水溫度，將出水溫度穩定在設定值附近，減小了出水溫度的波動，由于出水溫度的波動范圍比較小，所以有利于產品質量的穩定。同時對各機臺的質量標準有了比較統一的要求標準。

在制冷系統中，其中T為出水溫度，Ts為設定溫度，達到設定溫度壓機停，出水溫度高于設定溫度，壓縮機重新開啟，此種控制方式所得到的冷水溫度波動范圍比較大。控制系統采用智能PID調節方式進行溫度恒定調解，控制中心根據檢測到的出水溫度值與設定溫度值二者的偏差去控制變頻器的頻率輸出，進而改變制冷壓縮機的轉速，達到調節被控設備恒定溫度的目的。采用PID控制技術后，出水溫度能夠精確的控制在±1℃的范圍內，確保出水溫度的精確。

2.2.冷卻水循環系統穩定調節

由于現場設備使用情況的變化，正常生產時成型機的開啟臺數和特殊情況下的開啟臺數變化比較大，造成水循環系統壓力和流量變化較大，為使冷卻水循環系統保持穩定流量和壓力，我們采用了旁路比例調節閥控制的方式。在正常的生產過程中，由于成型機的開啟臺數是相對比較固定的，所以冷卻水循環系統的波動范圍也是比較小的，當生產情況變化成型機開啟數量很少時系統壓力和流量可能還會高于系統壓力、流量的要求。此時，控制系統會自動輸出控制信號來調節旁路比例調節閥來進行旁路泄壓，達到穩定冷凍水循環系統的要求。對于旁通比例調節閥，我們通過采用PID控制方式來進行精確控制，能將出水壓力或流量控制在非常精確的范圍內。

2.3.冷凝風機調節

對于全年運行的冷水機組，在冬季運行時可能出現冷凝壓力過低現象。冷凝壓力過低時，膨脹閥前后壓差太小，膨脹閥容量減小，且容易出現閥前液體氣化，導致供液能力不足，蒸發器缺液，系統制冷量大幅下降。因此，必須將冷凝壓力控制在合理范圍內，才能充分保證制冷系統的性能得到最大化的合理使用。冷凝風機采用變速風機，控制系統通過檢測冷凝壓力和環境溫度，來控制冷凝風機的開啟狀態，將冷凝壓力控制在一個科學的范圍內。確保冷凝壓力不會出現過低現象，以保證冷水機組的高效運行。

2.4.冷凝器

冷凝器在使用一段時間后，由于環境的影響，易造成冷凝器的表面附著臟物，影響冷凝器的散熱效果，降低制冷能力。所以，對冷凝器的清理工作是必不可少的?？紤]到人工清理的局限性和不確定性，我們在控制程序中做了自動除塵程序，系統根據冷凝風機的開啟時間進行自動除塵。當冷凝風機運行到一定時間后，“智能自動除塵裝置”會自動通過空壓氣來對冷凝器進行清理工作，同時冷凝風機會進行反吹，將所有雜物吹離冷凝器表面。確保冷凝器的散熱效果，保證系統的制冷能力，長時間運行后系統節能效果最明顯，與不具冷凝器自動除塵功能的冷水機組相比，經過長期運行后，在工作效率方面“智能自動除塵裝置”會顯示出很強的優越性。

2.5.PID控制描述

2.5.1.PID概念

①PI控制： PI控制是由比例控制（P）和積分控制（I）組合而成的，根據偏差及時間變化，產生一個執行量。注：PI運算是P和I運算之和。

②PD控制 ： PD控制是由比例控制（P）和微分控制（D）組合而成的，根據偏差及時間變化，產生一個執行量。注：PD運算是P和D運算之和。

③PID控制：利用PI控制和PD控制的優點組合成的控制。

注：PI運算是P和I運算之和。

④負作用

當偏差X（設定值-反饋值）為正時，增加執行量（輸出頻率），如果偏差為負，減小執行量。溫度（壓力、流量）傳感器反饋的水壓信號〈Y〉（4-20mA）與設定值〈U〉進行比較，其偏差〈X〉經變頻器的PID控制器運算后產生執行量〈Fi〉去驅動變頻器，從而構成以設定溫度（壓力、流量）為基礎的閉環控制系統。運行參數在實際過程不斷進行調整，使系統控制器響應趨于完整，并通過PLC計算需切換電機的運行操作。

3.機組運行

制冷機分為三臺壓縮機，其中變頻壓縮機一臺，定頻壓縮機兩臺。在啟動時首先啟動水泵，使系統內的水進行循環。PLC根據檢測到的出水溫度和出水流量及進出水壓差決定冷水機組的開啟臺數和所需運轉頻率。當第一次啟動時，根據檢測到的出水溫度根據PID運算輸出相應的控制頻率來啟動變頻壓縮機，當變頻壓縮機升高到最大頻率運行，延時后啟動其中一臺定頻壓縮機，然后變頻壓縮機繼續根據頻率控制進行升降頻率（兩臺定頻機組的運轉順序是通過其運轉時間來確定的，運行時間短的先啟動，這樣通過程序控制啟動方式來平衡兩臺定頻壓縮機的運行時間基本一致）。控制系統統過PID運算后輸出相應的控制頻率使壓縮機的運轉速度發生改變，當控制頻率升到頻率上限時（90赫茲）則首先停掉變頻壓縮機然后啟動定頻壓縮機，并在定頻壓縮機啟動完成后則再次啟動變頻壓縮機，并進行恒溫變頻運行。當變頻壓縮機的頻率再次升高到頻率上限時，則再次停掉變頻機啟動另一臺定頻機，并在定頻壓縮機啟動完成后則再次啟動變頻壓縮機，并再次進行恒溫變頻運行。同時檢測出水溫度、回氣壓力、出水流量，如果此時溫度還是不能夠降低則繼續啟動變頻壓縮機，并進行升頻運行。當單臺冷水機組的制冷量不能滿足制冷需求時，則PLC控制系統輸出控制信號，啟動另一臺冷水機組，啟動時首先啟動變頻壓縮機，此時如果還是不能滿足制冷需求時則重復第一臺冷水機組的啟動過程，直到滿足用戶的制冷需求為止。當達到用戶的出水溫度需求時，則進入恒溫控制運行狀態，對出水溫度進行恒定控制。當用戶所需的制冷量降低時，對變頻壓縮機進行降頻運行，當頻率下降到頻率下限時則停止一臺定頻壓縮機（運轉時間長的先停），重復上述工作過程，直到滿足用戶的制冷需求。

機組能夠經通訊模塊與現場的其它設備聯網進行網聯網集中控制，方便了用戶對設備時時的監控和操作。

3.1.經濟性：制冷壓縮機選用渦旋式壓縮機并聯機組，系統節能工作十分迫切。自動化控制系統有助于實現系統節能要求。

3.2.精確性：必須保證水箱水的溫度均勻和不存在溫度死角。

3.3.可靠性：系統長時間運轉，必須有很高的可靠性保證。否則均會對設備安全，生產安全造成很大威脅。

3.4.安全性：1.4.1 溫度、壓力、流量、水箱液位等各種控制參數的超標報警。1.4.2 機組，水泵，閥體等設備的報警及保護。1.4.3 各種電器故障的檢測報警，如接觸器粘死等。當系統發生故障時，系統必須能夠自動轉入應急狀態，采取相應措施保證溫度要求。

3.5.智能化：用戶只需在中央監控室通過上位機設定所需參數。下位機控制系統按照程序設計自動經濟運行。無需人員干預。系統每個設備，參數均可以在中央監控室實時監控。用戶也可在中央控制室內預先編制好程序。下位機控制系統能夠自動改變運行參數。

4.電控系統控制邏輯設計方案

針對需求分析。我們考慮各方面因素。設計如下：

4.1.渦旋式壓縮機機組

4.1.1 采用壓力控制，輪巡啟動方法

系統根據吸氣壓力自動調節運行和加載檔位。自適應生產線熱負荷變化。按照理論和大量實踐證明，比普通系統節能約20%。

4.1.2 吸氣壓力動態調節

COP 值（制冷量/耗電量）是衡量制冷系統效率的重要參數，其中傳熱溫差，吸氣壓力，排氣壓力是影響COP 值的關鍵參數。傳熱溫差每大1 攝氏度系統將多耗能3-5%。本方案設計以生產線實際熱負荷為參數，自動調整傳熱溫差，始終在維持水箱溫度的情況下保證最小傳熱溫差，使系統始終工作在最大COP 值下。比固定傳熱溫差方式節能約20%。

4.2.冷凝系統

排氣壓力控制，制冷機組排氣壓力的穩定關系到系統的經濟性，安全性等諸多問題。變頻控制比定量控制節約能量約30%。能最大化節約能量及提高控制精度。

4.2.1.采用多探頭實現精確控制水箱溫度

水箱可設置2 個溫度探頭，采用平均法計算得出水溫，從而達到水箱水溫的精確控制。控制溫度T=0.5*T1+0.5*T2

4.2.2.采用夜間深冷技術節約電費根據用戶需要，可通過晚間蓄冷技術，晚間電價低谷時，設定溫度自動降低，從而儲存冷量，在白天電價高時釋放冷量，從而大大減少白天機器運行時間，節約電費。比非蓄冷節約電費約20%。

4.2.3.短信報警系統

工業冷水系統發生任何報警故障時，系統自動發送短信至指定用戶手機上.確保生產線的正常運行。短信報警控制器是旨在為企業用戶提供易于上手、價格低廉但功能豐富的設備報警與控制解決方案。通過技術的應用，讓您的手機變成了被監控設備的遙控器。設備一旦發生異常，系統就會及時給您的手機發出短信進行報警，您也可以隨時發短信指令查詢設備當前狀態或者遙控設備，比如啟動設備，或者停止設備等。短信報警控制器是企業級的應用方案，本產品的使用，將有助于提高特定行業的安全系數，為企業提高預警效率、創造安全環境、降低潛在損失、創造無形利潤提供幫助。它將讓您用極小的投入獲得經濟上的長期潛在利潤和心理上的高枕無憂。

5.產品功能

短信報警控制器可以采集所連接設備的開關量或模擬量，通過應用，實現對設備的監控：

A.監控開關量：

諸如UPS 電源等很多設備都提供繼電器方式的一組開關量，這些開關量的斷開或閉合反應了設備的當前工作狀態。當設備狀態改變時，本產品會實時給相關手機發出短信進行報警。機房常用的開關量報警項目還包括煙感、漏水報警、紅外門禁等。

B.監控模擬量：

本產品外接傳感器，可直接對溫度、濕度、壓力、濃度等物理量進行監控。當被監控設備發生異常（即超過上限或低于下限）或由異常恢復正常時，本產品及時發出報警短信。

C.監控智能設備：

通過可編程的RS232 串口和智能設備連接，可通過短信對設備進行遠程控制。

D.短信報警：

被監控設備發生異常時，及時向管理員發送報警短信，最多可以支持同時向5 個手機號碼發短信，當遇到一個或多個號碼發送失敗時報警器可以對每個號碼重復3 個對這個號碼連續發送短信。

E.狀態查詢：

用戶只需通過手機發送“查詢”到短信報警器的號碼就可以方便快捷的了解到設備工作狀況。

F. 遠程監控：

以短信方式對設備進行無線遠程監控。

G. 系統配置：

系統的超級管理員可以通過手機短信進行人員配置、模擬量、開關量配置、位置指令配置等。

H. 短信二次開發：

根據客戶具體要求進行定制開發。

6.系統結構：

手機短信報警與監控系統是設備簡單、但功能完整的企業設備監控系統，僅需要一臺短信監控設備和一張SIM卡和相應軟件。整個系統包括：

軟件部分：固化在短信監控設備中，無需單獨使用，使用手機短信即可完成系統設置。

硬件部分：短信監控設備，客戶需要另配SIM 卡。

接口程序：如果客戶有需要還可以通過報警器的RS23 智能接口與電腦主機相連接。

工作電源：短信報警器內嵌了電源模塊為設備提供DC12V 工作電源。

A. 工業級產品設計，元器件的精心選擇、表面貼的生產工藝、防磁防塵的鋁合金外殼設計，無一例外的保證了本產品的一流品質。獨創的防雙死機技術，保證了本產品內部的GSM 無線收發模塊和微處理器均可持續、穩定24 小時不間斷長年可靠地運行。

B. 接口采用光藕隔離設計，保證被監控的設備和本產品各自獨立運行，互不影響。

C. 內設超級管理員和普通管理員兩級權限管理，有效、安全的防止了非法用戶的破壞又能合理的維護設備。

D. 全中文短信操作，對本產品的操作結果均有反饋短信，交互友好、簡潔明了。

E. 可設置多個普通管理員的報警手機號碼，并可配置為按一時間間隔重復發送多次報警短信，保證了報警的高可靠性。

F. 報警實時性，從被監控設備的異常到管理員接收到報警短信時間小于10 秒（移動網絡正常狀態下），幾乎是“零時間零空間”的監控。

G. 組網方便，在遠程計算機上安裝短信收發器GSM Moden 就可以用電腦來監控設備了，本產品的報警短信可以發到電腦上集中處理，方便做實時圖表或者日志。

7.控制系統硬件架構系統采用分布式控制系統（DCS）主要分為：

下位機PLC 控制系統，采用德國西門子PLC 控制系統

7.1.上位機中央監控站（工業控制計算機）下位機PLC 控制系統用于完成控制方法中的各種功能。監控功能：用戶可以在監控室內實時查看所有參數，及所有設備的運行狀態，報警信息。統計信息等。

7.2.自動參數更改：用戶通過密碼可以設置控制器運行的各種參數。控制各臺設備的啟停。也可通過事先設定的程序自動刷入成套參數。

7.3.自動數據記錄：系統能夠自動記錄系統運行參數。存成Excel 格式數據，用戶可以以曲線以及表格方式查看歷史數據。同時也可以長久存儲在硬盤中，方便用戶分析，計算數據。

7.4.全中文組態界面：系統監控畫面直接根據系統實際布置制作。用戶依此可方便快捷的監控信，判斷故障。