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机械工程论文:基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案
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机械工程论文:基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案

摘 要:本篇机械工程论文结合中小型企业的实际情况,采用PLC一体机系统作为控制系统,基本实现了设计成本低、控制可靠、系统维护方便、节能效果明显等几个方面的设计要求。空气压缩机余热回收是一项高效环保的余热利用技术,它将空气压缩机运行时产生的废热收集用于加热水,将这些热水用于生产和生活,经济效益十分明显。同时进行热交换后,空气压缩机工作温度的降低,延长了设备的使用寿命。

关键词:PLC一体机;空气压缩机;余热回收;节能环保

1. 前言

空气压缩机广泛应用于工业生产的各个领域。空气压缩机工作中提高空气压力的同时,也产生了大量的压缩热。有资料显示,在空气压缩过程中,真正用于工作的的 电 能消 耗 在 其 总 耗 电 量 中 只 占 约15% ,大约 85% 的电能转化为热量成为废热被浪费掉。[1]将这些余热回收再利用,可以促进能量损耗的减少,能给企业带来巨大的经济效益,也对环境保护做出了很大贡献,空气压缩机在余热回收过程中,进行热交换降低了机器工作温度,机器的故障率相对降低,机器使用寿命得到延长。因此空气压缩机余热回收有着广阔的市场前景,是一个十分有价值的研究方向。本项目从中小企业的出资少、效果明显、维护方便等实际需求出发,选用PLC一体机系统作为控制核心,建立了触屏、上位机系统、PLC控制为一体的集成控制系统,以空气压缩机的工作温度及水温为主要控制参数,实现了项目建造成本低,控制高效可靠的余热回收系统。

2. 系统方案与原理

空气压缩机工作主要是提供具有一定压力的压缩空气,用于生产。在连续工作过程中,机器自身、机油、油气都会产生很高的热量,而空气压缩机必须在规定的工作温度范围内工作,高于规定工作温度就必须散热,传统散热方法是单纯利用风机散热,热量就随风机排放到周边环境中,但研究发现这部分热量的90%理论上可以回收利用的。因此开发余热回收系统变得非常有意义。

系统采用两个循环换热路线,一,将空气压机的油管和油气管与回收机的进油口连接。储水箱的出水口与回收机的进水口连接。在回收机中完成空压机与储水箱冷水的热交换,回收空压机余热。二,在储水箱中的热水达到中水位时会将其输送到保温水箱中,热水箱能够检测水温,按要求将相应水温的热水分别输送到连锅炉补充水、采暖用水、生活用水以及工业热水接口。见图1所示。

循环水箱内,安装有低、中、高水位感应液位开关及温控传感器。所采集的数据信号会通过连接传送到余热回收机控制器相应的端口,作为PLC一体机控制的主要参数。机械工程论文:基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案

图1 系统流程图

3. PLC一体机在余热回收机的控制原理

3.1控制器控制逻辑

根据企业实际的需求,将控制系统分为加热模块、补水模块、散热模块、热水供应模块,四个独立模块,开机后每个模块运行条件满足时,自动运行,某个模块出现故障时,若其它模块运行条件满足,其它模块将独立运行。各模块工作是依据温度设定值和水位传感器设定值为判断条件。在保证空压机在正常运行状态下,利用余热对循环水进行加热,输送给用户。保证系统运行的,有散热和补水两个辅助模块。见图2所示。机械工程论文:基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案

图2 控制系统流程图

3.2上位机设计方案

P L C 一 体 机 集 触 摸 屏 显 示 和 P L C 控 制 于 一体 的 高 度 集 成 的 产 品 。简言之,就是将上位机与下位机集成的产品。它 常 规 有 触 摸 屏 U S B 编 程 口 和 P L C 编 程 口 ( 232 ), 另 触 摸 屏 和 P L C 分 别 有485/232通 讯 口 可 选 。触 摸 屏 支 持 W I N C E 系 统 , 方 便 客 户 操 作。兼 容GXDeveloper8。P L C 兼 容 三 菱 8.86/8.52以 及 以 下 版 本 编 程 软 件。模 拟 量 的 采 样 周 期 可 以 自 行 设 定 。模拟量的采样周期可以自行设定。D8050-D8062分别作用于D8030-D8042。以AD0为例,模拟量输入的采样时间计算方法为,D8050*PLC的扫描时间。如果设置D8050为1,则一个PLC扫描周期采样一次,且刷新一次D8030中的值。设定范围是1-32767。D8050 的值设定值与结果数值稳定性成正比。

P L C一体机 模 拟 量 输 出 直 接 给D8080-8087 寄 存 器 赋 值 即 可 。触 摸 屏 和 P L C 都 可 特 殊 加 密 , 保 护 使 用 者 的 劳 动 成 果 。本系统PLC编程采用GXDeveloper8指令,在梯形图程序控制中,对于温度模拟主要用数据寄存器D,进行接收外部温度传感器的模拟量,把温度传感器的信号端接入PLC一体机的AD0输入端,另外一端接入模拟量输入端口的GND 。当PLC 运行时,AD0对应的数据寄存器D8030的数值传送给D0,再对D0进行除法运算,结果D10就是实际的温度值;梯形图中,也可以直接对D8030的值进行除法运算。当输入是4-20mA或0-20mA模拟量时,实际模拟量值=寄存器读数/200;当输入是0-10V模拟量时,实际模拟量值=寄存器读数/400;当输入是温度时,实际温度值=寄存器读数/1000。由于篇幅原因,梯形图不在此展开讨论。

本篇机械工程论文系统上位机主要以空气压缩机工作温度值、水温、水箱中水位为参数,程序判断满足相应设定条件的,就控制对应设备进行启动或停止等工作。见表1所示,为上位机主要参数及设定值。机械工程论文:基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案 表1 上位机用户参数表具体设定值及其作用

菜单设定初值功能作用

循环泵启动温度>80℃循环泵运行

循环泵停止温度<75℃循环泵停止运行

热水泵启动温度>60℃启动热水泵往热水箱送水

热水泵停动温度<50℃停止热水泵往热水箱送水

风机启动温度>85℃启动风机运行

风机停止温度<70℃停止风机运行

热水泵供水时间600s热水泵启动运行时间

热水泵间隔时间1H达到启动间隔时间停止水泵

电加热启动温度<50℃启动电加热

电加热停止温度>60℃停止电加热

上位机是用户计算机控制和触屏控制为一体的。 编程软件 CoolMayHMI V3.32,创建系统总图及各控制界面,见图3所示。组态完成激活后,可对系统设计的四个模块进行过程控制。[3] 各控制界面分别可以显示系统运行状态,循环泵、热水泵、电加热系统是否启动,出水温度,循环水温的显示以及循环水箱、热水箱的水位监测。通过页面直接显示查看总运行时间、油温、本次运行时间等选项内容。循环泵、热水泵可以手动开启,此时手动时水泵只授液位控制。点击手动关,则循环泵、热水泵按照设定自动运行等。

利用PLC一体机的RS485通信接口,可将多个PLC一体机组网,构成控制系统网络化。

机械工程论文:基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案

 

 

图3 上位机监控画面图

4. 节能效果的分析

经济效果方面,根据测算,一台132KW/8.0Bar的空压机,每年运行8000小时,消耗1056000KWH电能,如果应用余热回收系统可以回收60%-70%能耗,即可以回收718080 KWH电能,以单价0.80元计算,则可节约574464.00元/年。[2]

环保效果方面,据资料显示,如果用火力发电,每节约1KWH电量,就相当于少燃烧了0.4千克的标准煤,同时也就相应减少了0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳(C02)的排放。那么按上段一年的消耗电能来计算,用该余热回收系统一年就可以减少消耗标准煤287232千克,同时减少污染排放碳粉尘约为195318千克、二氧化碳(C02)约为715925千克,这些数据相当惊人,对节能环保也非常有意义。

5. 结语

PLC一体机余热回收系统,将空气压缩机耗能高的问题,转变成热能源有效利用。为企业节省大笔成本消耗,减少热量排放,保护环境。PLC一体机高集成性、价格低、通信性能强、使用维护方便等优点,非常适合面向中小企业采用。在系统设计中,也存在诸如PLC只兼容三菱编程、功能模块相对简单等问题,有待改进。综述,本控制系统对的余热回收是可靠高效的,其中有很多可取之处,值得借鉴和推广。

主要参考文献:

[1] 金雷,赖乐曲,何璐珂.一种余热回收利用技术的研究及应用[J].四川水泥.2016(08).

[2] 李鑫,常红,高旭,陆晓科. 常村煤矿空压机余热回收研究与应用 [J]. 中国设备工程. 2016(07).

[3] 王浩,王琨. 基于PLC和WinCC的空气压缩机电控系统的改造 [J]. 自动化技术与应用. 2016(03).

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