PLC在冷凝器膠球自動在線清洗裝置中的應(yīng)用

      冷水機(jī)組在運(yùn)行過程中由于水質(zhì)較差和管理不善等原因必然在冷凝器冷卻水側(cè)產(chǎn)生污垢，其引起機(jī)組壓縮機(jī)功耗增加，帶來經(jīng)濟(jì)損失。以可編程邏輯控制器PLC為控制核心代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制電路，以觸摸屏（人機(jī)界面）為控制面板，基于PLC的邏輯計算功能，開發(fā)了冷凝器膠球自動在線清洗裝置。該裝置根據(jù)不同的水質(zhì)條件和機(jī)組運(yùn)行要求，可靈活控制清洗過程，在線顯示污垢熱阻，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，實現(xiàn)自動化控制，達(dá)到節(jié)能目的。
       據(jù)調(diào)查，90％以上的換熱器都存在不同程度的污垢問題。換熱器在實際運(yùn)行過程中不可避免要產(chǎn)生污垢熱阻，并且污垢熱阻的形成過程受換熱器的幾何參數(shù)、換熱條件、換熱器管內(nèi)流體的物性參數(shù)以及流體水質(zhì)等因素的影響。在對換熱器進(jìn)行設(shè)計時往往都是參照一定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來選取污垢熱阻，為達(dá)到設(shè)計要求，必須增加一定的冗余面積，以彌補(bǔ)因污垢熱阻而導(dǎo)致傳熱能力的降低，這使得換熱器的成本和占地面積增加。同時，由于污垢的存在，造成了大量能量的浪費(fèi)。為盡量減少因污垢所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，通常要求在不停機(jī)的情況下對換熱器進(jìn)行清洗以維持換熱管很好的清潔狀態(tài)，并對清洗過程進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化控制，降低生產(chǎn)成本。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)在自動化控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，可編程邏輯控制器PLC的廣泛應(yīng)用使得工業(yè)控制過程更準(zhǔn)確、可靠，系統(tǒng)更容易維護(hù)。PLC已成為很多中央空調(diào)機(jī)組的控制核心，并逐步完善，PLC在電廠凝汽器和冷水機(jī)組冷凝器清洗裝置自動控制方面的應(yīng)用也具有廣泛的前景。
2、冷凝器膠球自動在線清洗裝置工作原理及分析
2.1可編程邏輯控制器PLC與人機(jī)界面
2.1.1可編程邏輯控制器
       PLC（ProgrammableLogicalController）通常稱為可編程邏輯控制器，已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，并且取得了較好的效果，PLC是取代電磁繼電器的邏輯控制形式，主要用來控制開關(guān)量（ON/OFF）。可編程邏輯控制器能夠進(jìn)行邏輯判斷和計算，同時可以直接輸入和輸出多路開關(guān)量（ON/OFF）、模擬量、頻率和溫度等信號，省去了很多中間信號變送器。PLC采用了模塊化結(jié)構(gòu)，通過R232通信接口直接接入功能模塊以滿足大量信號輸入和輸出的要求，簡化了控制系統(tǒng)，提高了自動化程度。
2.1.2人機(jī)界面
       人機(jī)界面是在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間做雙向溝通的橋梁，可以自由地組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及隨時刷新變化信息的多功能顯示屏幕。觸摸屏是一種新型的人機(jī)界面，它的操作非常簡單，強(qiáng)大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于工業(yè)環(huán)境。通過與PLC進(jìn)行通訊，可以直接在觸摸屏上輸入控制參數(shù)和計算參數(shù)，實現(xiàn)對PLC工作狀態(tài)的現(xiàn)場控制，同時PLC也可將邏輯控制的結(jié)果實時反映到觸摸屏上，通過觸摸屏可以直觀地掌握系統(tǒng)的工作情況。
2.1.3冷凝器膠球自動在線清洗裝置的工作原理
       冷凝器膠球自動在線清洗裝置以PLC為控制核心，以Microwin3.1（32位）為編程軟件，根據(jù)用戶的控制要求，編寫了計算污垢熱阻和控制清洗過程的邏輯控制程序，將已編好的程序下載到PLC中去，PLC將按照預(yù)定程序完成計算和控制任務(wù)。
       由觸摸屏輸入清洗裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，就可以控制清洗裝置的清洗過程。清洗過程中，污垢熱阻的歷史數(shù)據(jù)以及清洗裝置的工作狀態(tài)都實時反映在觸摸屏上，實現(xiàn)清洗過程的自動化控制和監(jiān)視，減少運(yùn)行成本。膠球自動在線清洗裝置的工作原理如圖1所示。
2.2PLC計算污垢熱阻
       冷水機(jī)組冷凝器的換熱管一般都采用肋管，肋管的污垢熱阻可以表示為：Rf=-（＋＋）（1）其中：Rf——污垢熱阻，m2·K/W；K——冷凝器總傳熱系數(shù),W/（m2·K）；αw——肋管水側(cè)對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；αc,fz——肋管外側(cè)制冷劑的凝結(jié)換熱系數(shù)，W/（m2·K）； Ai，A0，A——分別為換熱管內(nèi)表面積、外表面積和平均面積，m2；δp——換熱管壁厚，m；λp——換熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。
       利用PLC的邏輯運(yùn)算功能，根據(jù)梯形圖的編程原理在Microwin3.1環(huán)境下編寫計算公式和邏輯關(guān)系的控制程序。由觸摸屏（人機(jī)界面）輸入冷凝器換熱管的幾何參數(shù)、冷卻水的進(jìn)出口溫度、冷卻水流量、冷凝溫度及制冷劑的物性參數(shù)，PLC就可以根據(jù)式（1）求得冷凝器的污垢熱阻Rf。
3、冷凝器膠球自動在線清洗裝置
       開式循環(huán)的冷凝器一般選用河水、江水或海水作為冷卻水，其較容易產(chǎn)生污垢。閉式循環(huán)的冷凝器一般采用自來水作為循環(huán)冷卻水，由于冷卻水蒸發(fā)量大，長期運(yùn)行而不進(jìn)行換熱管清洗和水質(zhì)處理，冷卻水中的微塵顆粒和微生物的濃度會不斷增加而產(chǎn)生污垢。冷凝器自動在線清洗裝置能夠定期對冷水機(jī)組進(jìn)行清洗，有效地將冷水機(jī)組維持在設(shè)計工況以滿足實際運(yùn)行要求，減少壓縮機(jī)的電耗。
3.1冷凝器膠球自動在線清洗裝置硬件構(gòu)成
       冷凝器膠球自動在線清洗裝置由發(fā)球機(jī)、回收水泵、控制系統(tǒng)、收球機(jī)、膠球和系統(tǒng)閥件等五部分組成。控制系統(tǒng)由西門子s7-200型PLC、MT500型觸摸屏和電氣元件等組成。收球機(jī)是根據(jù)特殊的水力原理設(shè)計的，壓降小，安裝于冷凝器的出水口處，能夠收集冷凝器出口的海綿膠球為下一次循環(huán)清洗工作做準(zhǔn)備。海綿膠球采用海綿、橡膠等特殊成分，塑性極好，按一定的配方制成，其密度與水的密度相當(dāng)，使其進(jìn)入管中如流體般流動，以清洗管路、管壁表面的污垢和微生物細(xì)菌膜，且不會在管程中造成滯留和阻塞現(xiàn)象。
3.2冷凝器膠球自動在線清洗裝置工作原理
       膠球由發(fā)球機(jī)輸送到冷凝器換熱管，在水流的作用下，與換熱管內(nèi)壁面不斷的摩擦和碰撞以清洗管壁污垢，當(dāng)膠球完成管程的清洗工作后匯集到冷凝器出口，由收球機(jī)回收以循環(huán)利用。該裝置根據(jù)水質(zhì)、主機(jī)的規(guī)格型號、運(yùn)行工況、裝機(jī)時間等因素可在人機(jī)界面內(nèi)設(shè)定進(jìn)水閥、出水閥、發(fā)球閥、收球閥和輸水閥的開閉時間、泵啟停時間及清洗頻率等運(yùn)行參數(shù)。由PLC來執(zhí)行運(yùn)行指令以控制清洗裝置自動對冷凝器進(jìn)行清洗。在清洗過程中，可以直接在觸摸屏上輸入冷卻水的進(jìn)出口溫度、冷卻水流量和冷凝溫度等狀態(tài)參數(shù)，PLC根據(jù)輸入的參數(shù)進(jìn)行計算，得到該工作狀態(tài)下的污垢熱阻，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，其工作流程如圖2所示。
4、冷凝器膠球自動在線清洗裝置的功能
4.1自動控制清洗過程
       通過觸摸屏（人機(jī)界面）可以對控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場控制、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示，按設(shè)定程序和生產(chǎn)要求自動控制清洗過程。以觸摸屏作為操作面板，完全取代常規(guī)的開關(guān)按鈕、指示燈等器件，使控制柜面變得更整潔。該冷凝器膠球清洗裝置能夠在線顯示冷凝器的污垢熱阻、歷史趨勢和清洗狀態(tài)，并能對進(jìn)水、出水、發(fā)球、回水、收球、輸水工況的動作時間和工作時段進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控。對適用于冷卻水閉式循環(huán)冷水機(jī)組的清洗裝置，還帶有自動化學(xué)加藥和水質(zhì)監(jiān)測報警的功能，可以減少化學(xué)藥劑的使用量，降低環(huán)境污染。
4.2PLC實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性分析
       在1998年發(fā)布的《ARI550/590-1998》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了冷卻水側(cè)污垢熱阻為0.44×10-4W/（m2·K），我國2001年發(fā)布的《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組工商業(yè)用和類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組》的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18430.1－2001中規(guī)定了機(jī)組名義工況時的冷卻水側(cè)污垢熱阻為0.86×10-4W/（m2·K）。各個標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的污垢熱阻都不一樣，其對能耗的要求也不一樣，為滿足生長要求，換熱設(shè)備設(shè)計時預(yù)選的污垢熱阻值都比較大，由于冷水機(jī)組運(yùn)行管理不善，大部分冷水機(jī)組冷凝器的污垢熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計值，導(dǎo)致了很大的經(jīng)濟(jì)損失。
       現(xiàn)利用該冷凝器膠球自動在線清洗裝置的核心部件PLC以深圳某廠一臺約克YORK850RT型冷水機(jī)組為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，冷水機(jī)組運(yùn)行按4000h/年、電價0.5元/kW·h進(jìn)行計算。在人機(jī)界面輸入電價等相關(guān)參數(shù)之后，經(jīng)PLC運(yùn)算分析知道該機(jī)組在運(yùn)行一年半之后，冷凝器污垢熱阻值高達(dá)4.9×10－4m2·K/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。在滿足同樣的制冷量的條件下，比設(shè)計工況要多耗電25萬元/年，并且冷凝器的傳熱效果惡化，難以滿足正常的生產(chǎn)要求。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量和理論分析，利用PLC定量地分析污垢熱阻對該機(jī)組壓縮機(jī)年耗電量和總傳熱系數(shù)的影響，分析結(jié)果如圖3和圖4所示。
從以上分析結(jié)果知道，利用PLC的邏輯運(yùn)算功能，能對比分析不同的污垢熱阻對冷水機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的影響，實時計算出不同污垢熱阻條件下壓縮機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用，為清洗裝置運(yùn)行工況的設(shè)定提供理論依據(jù)。根據(jù)PLC的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果、水質(zhì)情況和生產(chǎn)要求，設(shè)定清洗周期，能夠?qū)⑽酃笩嶙杈S持在設(shè)計值或低于設(shè)計值的工作狀態(tài)，以滿足生產(chǎn)要求，達(dá)到節(jié)約能源的目的。根據(jù)統(tǒng)計，使用該裝置對冷水機(jī)組進(jìn)行在線清洗可節(jié)能降耗7%～15%，并且能夠消除腐蝕根源，延長列管使用壽命，減少換熱設(shè)備初投資，減少維護(hù)費(fèi)用，降低環(huán)境污染。
5結(jié)論
       （1）污垢熱阻的存在對冷水機(jī)組的運(yùn)行帶來很大影響。冷凝器冷卻水側(cè)污垢熱阻越大，則在同樣制冷量的條件下，壓縮機(jī)的功耗就越大，導(dǎo)致了很大的經(jīng)濟(jì)損失。
       （2）以Microwin3.1（32位）編程軟件，編寫了污垢熱阻計算程序和清洗裝置控制程序，實現(xiàn)冷凝器自動在線清洗裝置的自動化控制。
       （3）以人機(jī)界面（觸摸屏）作為現(xiàn)場控制面板，完全取代常規(guī)的開關(guān)按鈕、指示燈等器件，使控制柜面變得更整潔。
       （4）在線顯示污垢熱阻變化趨勢，并根據(jù)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，為冷凝器自動在線清洗裝置的運(yùn)行控制提供指導(dǎo)性意見。
       （5）以PLC和觸摸屏為控制核心部件，開發(fā)的冷凝器膠球自動在線清洗裝置能夠根據(jù)不同水質(zhì)條件和生產(chǎn)要求，靈活地控制清洗裝置的清洗過程，維持冷凝器較高清潔度，節(jié)約能耗。