Tiết kiệm điện hàng năm vượt quá 900.000; chia sẻ thực hành chuyển đổi thông minh hệ thống nước làm mát quy trình in!

Hệ thống làm mát bằng nước quy trình truyền thống của nhà máy in của nhóm tác giả chủ yếu chịu trách nhiệm làm mát tủ điện và động cơ chính của hai dây chuyền sản xuất máy khổ rộng MANN COLORMAN của Đức đã hoạt động được gần 20 năm và có một số điểm khó khăn nổi bật: Máy chủ làm lạnh Trane, máy bơm nước và các thiết bị khác hoạt động ở công suất cố định, tiêu hao năng lượng không khí nghiêm trọng; Lỗi kiểm soát nhiệt độ lớn, dễ xảy ra hiện tượng ngưng tụ vào mùa hè, ảnh hưởng đến chất lượng in ấn và tuổi thọ của thiết bị, gây ra nhiều sự cố khi chạy và nhỏ giọt; Việc làm mát mùa hè ở các khu vực văn phòng và sản xuất phụ thuộc vào các hệ thống máy chủ Carrier độc lập và mức tiêu thụ năng lượng tổng thể vẫn ở mức cao.

Để đạt được mục tiêu này, dựa trên hoạt động sản xuất thực tế, nhà máy của chúng tôi đã triển khai quá trình chuyển đổi hệ thống làm mát nước quy trình dựa trên PLC{0}}, đạt được khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác và tiết kiệm năng lượng thông minh thông qua thuật toán điều khiển PID, đồng thời mở rộng một cách đổi mới chức năng "tiết kiệm năng lượng làm mát in ấn mùa đông + làm mát văn phòng mùa hè". Sau khi chuyển đổi, sai số kiểm soát nhiệt độ của hệ thống Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 độ và tỷ lệ tiết kiệm năng lượng toàn diện cao tới 30%, điều này không chỉ hỗ trợ vững chắc cho các doanh nghiệp giảm chi phí và tăng hiệu quả mà còn cung cấp trải nghiệm thực tế có thể nhân rộng để nâng cấp công nghệ tiết kiệm năng lượng xanh của các doanh nghiệp in.

Phân tích tình hình hiện tại và làm rõ nhu cầu cốt lõi của việc chuyển đổi hệ thống làm mát

Trong quá trình-vận hành tốc độ cao của thiết bị in, thiết bị điều khiển điện tử như bộ biến tần trong tủ điện sẽ tạo ra một lượng nhiệt năng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của thiết bị, thậm chí gây hỏng hóc, tắt máy. Đây cũng là vấn đề cốt lõi cần giải quyết bằng hệ thống làm mát bằng nước quy trình.

Hệ thống làm mát bằng nước theo quy trình ban đầu của nhà máy của chúng tôi áp dụng chế độ cấu hình truyền thống là "máy chủ làm lạnh + tháp giải nhiệt + máy bơm nước" và thiết bị cốt lõi bao gồm hai máy chủ Trane làm mát bằng nước-, hai tháp làm mát dòng chảy chéo-, nhiều máy bơm tuần hoàn cũng như van điện từ thông thường, van điều khiển và bộ trao đổi nhiệt dạng tấm. Việc làm mát văn phòng và khu vực sản xuất được cung cấp riêng biệt bằng một bộ máy điều hòa không khí trung tâm Carrier ly tâm lớn độc lập. Sau nhiều năm thực hành vận hành, hệ thống làm mát bằng nước quy trình đã bộc lộ ba vấn đề tồn đọng.

(1) Kiểm soát nhiệt độ không đủ độ chính xác. Dựa vào việc làm mát trực tiếp nước lạnh từ điều hòa trung tâm nên nhiệt độ không thể điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu sản xuất, sai số nhiệt độ nước đầu ra lớn nên khó đáp ứng yêu cầu của thiết bị về nhiệt độ nước xử lý.

(2) Mức tiêu thụ năng lượng vẫn ở mức cao. Một mặt, máy điều hòa trung tâm làm mát máy in hoạt động hết công suất quanh năm, máy bơm nước và quạt hỗ trợ thiếu cơ chế điều chỉnh tốc độ thông minh. Mặt khác, việc làm mát khu vực văn phòng phụ thuộc vào máy chủ điều hòa không khí độc lập ban đầu của nhà máy và nhu cầu làm mát thực tế đã giảm đáng kể do quy mô của nhà máy giảm trong giai đoạn sau, nhưng công suất làm mát của máy chủ ban đầu chưa được khớp và điều chỉnh, dẫn đến lãng phí năng lượng lớn và đẩy chi phí vận hành lên cao hơn nữa.

(3) Mức độ tự động hóa thấp. Thiếu chức năng giám sát thời gian thực và cảnh báo lỗi hoàn hảo, các thông số chính như nhiệt độ và áp suất cần phải được kiểm tra và ghi lại theo cách thủ công, đồng thời khả năng phản hồi lỗi của thiết bị bị chậm, điều này không chỉ làm tăng chi phí lao động mà còn có thể dẫn đến gián đoạn sản xuất do xử lý kịp thời.

Kết hợp với sản lượng thực tế và các yêu cầu của chính sách-tiết kiệm năng lượng quốc gia, sự chuyển đổi này làm rõ năm nhu cầu cốt lõi.

(1) Kiểm soát nhiệt độ chính xác. Phạm vi điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát được đặt ở mức 13 ~ 22 độ và sai số nhiệt độ của nước đầu ra được kiểm soát chặt chẽ ở mức Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 độ, điều này giải quyết cơ bản vấn đề tạo ra nước ngưng.

(2) Tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ. Tối ưu hóa chế độ vận hành của thiết bị thông qua điều khiển thông minh, giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của điều hòa trung tâm, máy bơm nước, quạt.

(3) Giám sát thông minh. Nó có chức năng hiển thị thời gian thực của các thông số chính như nhiệt độ và áp suất, đồng thời có chức năng nhắc nhở cảnh báo và phát hiện lỗi tự động, thuận tiện cho người vận hành nắm bắt kịp thời trạng thái vận hành của hệ thống.

(4) Ổn định và đáng tin cậy. Nó hỗ trợ chuyển đổi chế độ kép-tự động và thủ công, có thể đảm bảo tính liên tục trong sản xuất thông qua vận hành thủ công khi hệ thống gặp sự cố và tránh thời gian ngừng hoạt động của dây chuyền sản xuất do lỗi thiết bị.

(5) Thích ứng kinh tế. Không cần phải bổ sung thêm thiết bị-quy mô lớn mới và nâng cấp dựa trên hệ thống ban đầu để kiểm soát chi phí chuyển đổi ở mức độ lớn nhất và đảm bảo rằng dự án đạt được tình thế đôi bên cùng có lợi về lợi ích kinh tế và xã hội.

Nâng cấp phần cứng để xây dựng hệ thống hỗ trợ phần cứng giúp kiểm soát nhiệt độ chính xác

Ý tưởng cốt lõi của quá trình chuyển đổi này dựa trên PLC làm cốt lõi, điều khiển PID làm hỗ trợ thuật toán, nhận thức thông minh làm cơ sở, thông qua tối ưu hóa phần cứng và nâng cấp phần mềm để xây dựng một hệ thống làm mát mới "kiểm soát nhiệt độ chính xác + năng lượng-vận hành tiết kiệm + giám sát thông minh", ý tưởng cốt lõi là nâng cấp phần cứng, nâng cấp điều khiển, tối ưu hóa thuật toán và đổi mới chế độ, việc lựa chọn phần cứng tuân thủ nguyên tắc thích ứng và đa dạng hóa để đảm bảo hoạt động phối hợp và hiệu quả của từng thành phần.

(1) Bộ điều khiển cốt lõi chọn các sản phẩm PLC tầm trung-chính thống trên thị trường và có thể chọn nhiều nhãn hiệu như Siemens, Mitsubishi, Inovance và các nhãn hiệu khác theo nhu cầu thực tế, với các mô-đun đầu vào analog, mô-đun đầu ra và mô-đun tích hợp đầu vào/đầu ra tương ứng để đáp ứng đầy đủ nhu cầu thu thập và điều khiển tín hiệu hệ thống. Quá trình chuyển đổi này sử dụng PLC dòng S7-1200 của Siemens làm lõi điều khiển, được trang bị CPU model 1214CDC/DC/DC và hỗ trợ 8 mô-đun mở rộng bên ngoài để đáp ứng các nhu cầu điều khiển phức tạp. Được kết hợp với mô-đun đầu vào tương tự SM1231 AI 8×13BIT, mô-đun đầu ra tương tự SM1232 AO 4×14BIT và mô-đun đầu vào/đầu ra tương tự SM1234 AI/AO 4×13BIT/2×14BIT, nó chịu trách nhiệm nhận tín hiệu cảm biến, xuất tín hiệu điều khiển và cải thiện tính linh hoạt xử lý tín hiệu tương ứng.

(2) Giao diện tương tác máy tính-con người sử dụng màn hình cảm ứng chính 8~10-inch, hỗ trợ các chức năng giao tiếp-thiết bị và giám sát thời gian thực-thực, thuận tiện cho người vận hành nắm bắt trực quan trạng thái vận hành hệ thống và điều chỉnh thông số. HMI HMI sử dụng màn hình 9{10} inch Siemens TP900 Comfort, hỗ trợ các chức năng giao tiếp đa PLC và giám sát thời gian thực, giúp người vận hành dễ dàng nắm bắt trực quan trạng thái vận hành của hệ thống và điều chỉnh các thông số.

(3) Việc lựa chọn thiết bị cảm biến và thực thi tập trung vào sự ổn định và chính xác, cảm biến nhiệt độ chọn các sản phẩm có phạm vi bao phủ phạm vi nhiệt độ của môi trường sản xuất và đầu ra tín hiệu ổn định, cảm biến áp suất thích ứng chính xác với điều kiện áp suất của đường ống và chiều dài của thanh thăm dò được đặt hợp lý theo kích thước thực tế của đường ống trong khu vực nhà máy (Lưu ý: chiều dài của thanh thăm dò bằng một nửa đường kính của đường ống) để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu phát hiện.

(4) Van và bộ truyền động được trang bị van điện ba chiều-có tốc độ phản hồi nhanh và độ chính xác điều khiển cao cùng với bộ truyền động thích ứng để điều chỉnh chính xác tốc độ dòng nước và đảm bảo hiệu quả kiểm soát nhiệt độ. Bộ biến tần chọn các sản phẩm có công suất thích ứng với máy bơm nước và quạt, đồng thời hỗ trợ điều chỉnh tần số chính xác, điều này không chỉ đảm bảo thiết bị khởi động và dừng trơn tru mà còn đạt được khả năng vận hành tiết kiệm năng lượng. Lần cải tiến này sử dụng bộ truyền động dòng SVB của Siemens, với mô-men xoắn cực đại 1600N; Việc lựa chọn bộ truyền động điện cần được xác định kết hợp với thân van, đường ống và áp suất đường ống, nghĩa là phải đáp ứng “mô-men xoắn của bộ truyền động Lớn hơn hoặc bằng mô-men xoắn khởi động tối đa của van × hệ số an toàn (1,3 ~ 1,5)”.

(5) Thực hiện kiểm soát liên kết cho bộ gia nhiệt cuộn ban đầu của tháp giải nhiệt để ngăn nhiệt độ nước đóng băng vào mùa đông và ảnh hưởng đến sự tuần hoàn của hệ thống; Các thành phần rơle sử dụng nguồn điện chuyển mạch, máy biến áp và rơle có điện áp và nguồn điện phù hợp để đảm bảo chắc chắn cho hoạt động ổn định của toàn bộ hệ thống mạch.

Nên chọn cùng một thương hiệu càng nhiều càng tốt để lựa chọn thiết bị, tính thống nhất và phối hợp của các tổ hợp thành phần thương hiệu khác nhau kém, dễ xảy ra lỗi, cuối cùng dẫn đến độ khó gỡ lỗi tăng lên và số lượng bảo trì tăng lên. Sau đây là ba biện pháp chính để chuyển đổi phần cứng.

01/ Tối ưu hóa kết nối đường ống

(1) Các ống đầu vào và đầu ra của tháp giải nhiệt được cải tạo song song với các ống nước làm lạnh điều hòa không khí trung tâm (như trong Hình 1), và lắp đặt các van điện từ để điều khiển bật/tắt, và khi nhiệt độ ngoài trời xuống thấp vào mùa đông, nước giải nhiệt của tháp giải nhiệt có thể được sử dụng trực tiếp để thay thế nước làm lạnh điều hòa trung tâm, giúp giảm đáng kể thời gian hoạt động của máy chủ điều hòa không khí và tiết kiệm năng lượng.

Hình 1 Lộ trình cải tạo

(2) Cải tạo và tối ưu hóa đường ống điều hòa không khí và làm mát tại khu vực văn phòng nhà máy ban đầu, đồng thời bổ sung các van cắt đường ống kết nối giữa khu văn phòng và máy điều hòa trung tâm Carrier nguyên bản, để máy điều hòa trung tâm nguyên bản có thể duy trì hoạt động độc lập và chỉ phục vụ các kịch bản thích ứng ban đầu như phân xưởng sản xuất báo; Đường ống làm mát trong khu vực văn phòng được kết nối chính xác với đường ống nước lạnh điều hòa không khí trung tâm của hệ thống làm mát in của nhà máy hiện có, có thể sử dụng trực tiếp công suất làm mát dư thừa của hệ thống làm mát in để làm mát khu vực văn phòng mà không tiêu tốn thêm năng lượng để tạo ra nguồn lạnh, từ đó giảm đáng kể thời gian hoạt động của máy điều hòa không khí trung tâm ly tâm của Carrier, giảm hiệu quả tiêu thụ năng lượng của thiết bị, thực hiện tái chế năng lượng hiệu quả và đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ đáng kể.

02/ Bổ sung thêm mạch điều khiển bên ngoài

Trong trường hợp hệ thống bị lỗi hoặc bảo trì, người vận hành có thể điều khiển thủ công hoạt động của van và máy bơm để đảm bảo hoạt động sản xuất không bị ảnh hưởng và nâng cao độ tin cậy khi vận hành hệ thống.

03/ Cải thiện mạng lưới giám sát nhận thức

Cảm biến nhiệt độ và áp suất được lắp đặt ở bốn vị trí chính là đầu vào làm lạnh, đầu ra đông lạnh, đầu vào làm mát và đầu ra làm mát để thực hiện việc thu thập dữ liệu của toàn bộ quá trình của hệ thống làm mát, cung cấp hỗ trợ dữ liệu toàn diện và chính xác cho việc điều khiển chính xác của PLC và đảm bảo thực hiện các mục tiêu kiểm soát nhiệt độ và{0}}tiết kiệm năng lượng.

Tối ưu hóa phần mềm để tạo ra các chương trình lõi điều khiển thông minh

Trong quá trình chuyển đổi này, thiết kế phần mềm chọn nền tảng phát triển phần mềm điều khiển thiết bị chính thống với các chức năng tích hợp và vận hành thuận tiện, cần hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình, có thể đơn giản hóa quá trình viết và gỡ lỗi chương trình, rút ​​ngắn chu trình dự án một cách hiệu quả và cung cấp hỗ trợ kỹ thuật để hệ thống hoạt động ổn định. Thiết kế sử dụng Siemens Botu V17 (TIA PORTAL V17), xét thấy phần mềm thiết kế cần tương thích với PLC phần cứng và màn hình cảm ứng nên ưu tiên sản phẩm cùng thương hiệu.

Cốt lõi của thiết kế chương trình điều khiển thông minh bao gồm ba mô-đun: chuyển đổi dữ liệu, điều khiển{0}chế độ kép và cảnh báo. Mô-đun chuyển đổi dữ liệu chuyển đổi chính xác tín hiệu tương tự 4~20mA được cảm biến thu thập thành các giá trị nhiệt độ và áp suất mà bộ điều khiển có thể nhận ra bằng các hướng dẫn tiêu chuẩn hóa NORM_X và hướng dẫn chia tỷ lệ SCALE_X. Độ rộng dữ liệu của mỗi kênh analog của Siemens là 16 bit và phạm vi hoạt động cố định được điều chỉnh thành -27648 ~ 27648, tương ứng với điện áp đầu vào và đầu ra ± 10V, trong đó 5533 ~ 27648 tương ứng với dòng điện đầu vào và đầu ra là 4 ~ 20mA và dữ liệu dấu phẩy động 0,0 ~ 1,0 thu được bằng thao tác tiêu chuẩn hóa "OUT=(VALUE–MIN)/(MAX–MIN)", sau đó là phép toán chia tỷ lệ "OUT{{18}[VALUE×(MAX–MIN)]+MIN" Thiết lập sự tương ứng với các đại lượng vật lý thực tế để đảm bảo tính chính xác của chuyển đổi dữ liệu.

Điều khiển-chế độ kép là cải tiến cốt lõi của thiết kế phần mềm này. Phần mềm này có thể tự động chuyển đổi chế độ vận hành theo nhiệt độ ngoài trời để tối đa hóa việc sử dụng năng lượng (Hình 2). Ở chế độ hàng ngày, khi nhiệt độ ngoài trời cao (trên 12 độ), hệ thống khởi động điều hòa trung tâm, điều chỉnh tần số mở van và biến tần theo thời gian thực thông qua thuật toán điều khiển PID, điều khiển chính xác lượng nước lạnh và tốc độ của máy bơm, đồng thời duy trì áp suất và nhiệt độ không đổi của hệ thống. Ngoài ra, thuật toán điều khiển PID tự động tối ưu hóa các thông số điều chỉnh bằng cách so sánh nhiệt độ cài đặt, chênh lệch áp suất và giá trị phát hiện thực tế, đảm bảo độ mở van và tốc độ bơm luôn ở trạng thái tối ưu, không chỉ đảm bảo hiệu quả làm mát mà còn tránh lãng phí năng lượng.

Hình 2 Giao diện điều khiển chế độ kép-

Ở chế độ mùa đông, khi nhiệt độ ngoài trời thấp (Nhỏ hơn hoặc bằng 12 độ), hệ thống sẽ tự động tắt bộ điều hòa, mở tháp giải nhiệt và van giao tiếp đường ống điều hòa trung tâm và sử dụng trực tiếp nước tháp giải nhiệt để làm mát. Lúc này, tốc độ quạt và bật/tắt máy sưởi được điều chỉnh thông qua thuật toán điều khiển PID nhằm ngăn chặn nhiệt độ nước xuống quá thấp gây đóng băng ảnh hưởng đến sự tuần hoàn của hệ thống, đồng thời giảm thiểu tiêu thụ năng lượng để hệ thống làm mát mùa đông hoạt động hiệu quả.

Thiết kế chương trình báo động xem xét đầy đủ đến sự an toàn và độ tin cậy của hoạt động hệ thống. Bằng cách đặt ngưỡng cho các thông số chính như nhiệt độ và áp suất, khi dữ liệu được phát hiện vượt quá phạm vi bình thường hoặc xảy ra lỗi thiết bị, hệ thống sẽ ngay lập tức kích hoạt tín hiệu cảnh báo và hiển thị rõ ràng trên giao diện HMI, đồng thời phản hồi lại mô-đun đầu vào PLC. Điều này cho phép người vận hành kịp thời xác định vấn đề và phản hồi nhanh chóng. Giao diện người{3}}máy HMI được thiết kế với nhiều màn hình chức năng (Hình 3), hỗ trợ chuyển đổi bằng một-nhấp chuột và có thể hiển thị thông tin chính trong thời gian thực, bao gồm chế độ vận hành hệ thống, nhiệt độ và áp suất của nhiều đường ống khác nhau cũng như mức độ mở van. Nó cũng hỗ trợ các hoạt động cài đặt nhiệt độ và xác nhận cảnh báo, cho phép người vận hành hiểu một cách toàn diện và trực quan trạng thái vận hành hệ thống, giảm đáng kể khó khăn vận hành và nguy cơ sử dụng sai, đồng thời cải thiện hiệu quả sản xuất tổng thể.

Hình 3 Giao diện HMI

Kế toán tiêu thụ năng lượng nêu bật tính hiệu quả của việc chuyển đổi tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải

Việc tính toán mức tiêu thụ năng lượng dựa trên điều kiện sản xuất thực tế của nhà máy in, hệ thống làm mát bằng nước xử lý chạy 24 giờ một ngày, 365 ngày một năm và thời gian vận hành ở chế độ mùa đông tập trung từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau, tổng cộng là 90 ngày; Giá điện công nghiệp được tính là 0,7 nhân dân tệ/kWh.

Máy chủ làm lạnh nước quy trình là mắt xích-tiết kiệm năng lượng cốt lõi của quá trình chuyển đổi này. Trước khi chuyển đổi, mức tiêu thụ điện năng hàng năm của máy chủ làm lạnh đạt 1.822.100 kWh, sau khi chuyển đổi, máy chủ làm lạnh đã ngừng hoạt động 90 ngày vào mùa đông và mức tiêu thụ điện năng hàng năm giảm xuống còn 1.479.300 kWh, tiết kiệm 342.800 kWh điện mỗi năm.

Về chuyển đổi làm mát khu vực văn phòng, việc làm mát khu vực văn phòng được tích hợp vào hệ thống làm mát nước quy trình in thông qua việc nối đường ống và hệ thống điều hòa không khí trung tâm Carrier ban đầu chỉ mở vào thời gian sản xuất vào sáng sớm của xưởng và thời gian-khởi động giảm xuống còn một-thời gian ban đầu, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng máy chủ điều hòa không khí của hệ thống làm mát nước quy trình in và có thể tiết kiệm 16 giờ tiêu thụ năng lượng vận hành của hệ thống điều hòa không khí trung tâm Carrier (một máy chủ Carrier, hai máy bơm tuần hoàn, và một quạt tháp giải nhiệt) mỗi ngày. Máy điều hòa khu vực văn phòng chủ yếu được sử dụng trong 4 tháng (tổng cộng 120 ngày) vào mùa xuân hè, tiết kiệm 857.000 kWh điện năng tiêu thụ mỗi năm sau khi cải tạo.

Tổng điện năng tiêu thụ hàng năm của ba máy bơm tuần hoàn 18,5kW trước khi biến đổi là 486.200 kWh, sau khi biến đổi, tần số hoạt động trung bình giảm xuống 40Hz, mức tiêu thụ năng lượng giảm 20% và tổng điện năng tiêu thụ hàng năm của ba máy bơm giảm xuống còn 388.900 kWh, tiết kiệm 97.200 kWh điện mỗi năm.

Sau khi hạch toán tổng hợp, người ta thấy rằng công ty đã tiết kiệm được 1,297 triệu kWh điện và khoảng 907.900 nhân dân tệ tiền điện mỗi năm. Đồng thời, lỗi kiểm soát nhiệt độ của hệ thống sau khi chuyển đổi Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 độ, giúp giải quyết hoàn toàn vấn đề ngưng tụ và giảm đáng kể tỷ lệ hỏng hóc của thiết bị in. Toàn bộ quá trình được giám sát tự động và thời gian phản hồi lỗi được rút ngắn xuống dưới 5 phút, có tính đến hiệu quả kỹ thuật, lợi ích kinh tế và lợi ích quản lý.