PLC在冷凝器膠球自動在線清洗裝置中的應用

      冷水機組在運行過程中由于水質較差和管理不善等原因必然在冷凝器冷卻水側產生污垢，其引起機組壓縮機功耗增加，帶來經濟損失。以可編程邏輯控制器PLC為控制核心代替傳統的繼電器控制電路，以觸摸屏（人機界面）為控制面板，基于PLC的邏輯計算功能，開發了冷凝器膠球自動在線清洗裝置。該裝置根據不同的水質條件和機組運行要求，可靈活控制清洗過程，在線顯示污垢熱阻，并進行經濟性分析，實現自動化控制，達到節能目的。
       據調查，90％以上的換熱器都存在不同程度的污垢問題。換熱器在實際運行過程中不可避免要產生污垢熱阻，并且污垢熱阻的形成過程受換熱器的幾何參數、換熱條件、換熱器管內流體的物性參數以及流體水質等因素的影響。在對換熱器進行設計時往往都是參照一定的設計標準來選取污垢熱阻，為達到設計要求，必須增加一定的冗余面積，以彌補因污垢熱阻而導致傳熱能力的降低，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。為盡量減少因污垢所帶來的經濟損失，通常要求在不停機的情況下對換熱器進行清洗以維持換熱管很好的清潔狀態，并對清洗過程進行監測，實現工業生產過程自動化控制，降低生產成本。隨著計算機技術的發展，計算機技術在自動化控制領域的應用也越來越廣泛，可編程邏輯控制器PLC的廣泛應用使得工業控制過程更準確、可靠，系統更容易維護。PLC已成為很多中央空調機組的控制核心，并逐步完善，PLC在電廠凝汽器和冷水機組冷凝器清洗裝置自動控制方面的應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，已經在各個領域得到日益廣泛的應用，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，主要用來控制開關量（ON/OFF）。可編程邏輯控制器能夠進行邏輯判斷和計算，同時可以直接輸入和輸出多路開關量（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采用了模塊化結構，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，提高了自動化程度。
2.1.2人機界面
       人機界面是在操作人員和機器設備之間做雙向溝通的橋梁，可以自由地組合文字、按鈕、圖形、數字等來處理或監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界面，它的操作非常簡單，強大的功能及優異的穩定性使它非常適合用于工業環境。通過與PLC進行通訊，可以直接在觸摸屏上輸入控制參數和計算參數，實現對PLC工作狀態的現場控制，同時PLC也可將邏輯控制的結果實時反映到觸摸屏上，通過觸摸屏可以直觀地掌握系統的工作情況。
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將按照預定程序完成計算和控制任務。
       由觸摸屏輸入清洗裝置的結構參數和運行參數，就可以控制清洗裝置的清洗過程。清洗過程中，污垢熱阻的歷史數據以及清洗裝置的工作狀態都實時反映在觸摸屏上，實現清洗過程的自動化控制和監視，減少運行成本。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,W/（m2·K）；αw——肋管水側對流換熱系數，W/（m2·K）；αc,fz——肋管外側制冷劑的凝結換熱系數，W/（m2·K）； Ai，A0，A——分別為換熱管內表面積、外表面積和平均面積，m2；δp——換熱管壁厚，m；λp——換熱管導熱系數，W/（m·K）。
       利用PLC的邏輯運算功能，根據梯形圖的編程原理在Microwin3.1環境下編寫計算公式和邏輯關系的控制程序。由觸摸屏（人機界面）輸入冷凝器換熱管的幾何參數、冷卻水的進出口溫度、冷卻水流量、冷凝溫度及制冷劑的物性參數，PLC就可以根據式（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，其較容易產生污垢。閉式循環的冷凝器一般采用自來水作為循環冷卻水，由于冷卻水蒸發量大，長期運行而不進行換熱管清洗和水質處理，冷卻水中的微塵顆粒和微生物的濃度會不斷增加而產生污垢。冷凝器自動在線清洗裝置能夠定期對冷水機組進行清洗，有效地將冷水機組維持在設計工況以滿足實際運行要求，減少壓縮機的電耗。
3.1冷凝器膠球自動在線清洗裝置硬件構成
       冷凝器膠球自動在線清洗裝置由發球機、回收水泵、控制系統、收球機、膠球和系統閥件等五部分組成。控制系統由西門子s7-200型PLC、MT500型觸摸屏和電氣元件等組成。收球機是根據特殊的水力原理設計的，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清洗工作做準備。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，使其進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菌膜，且不會在管程中造成滯留和阻塞現象。
3.2冷凝器膠球自動在線清洗裝置工作原理
       膠球由發球機輸送到冷凝器換熱管，在水流的作用下，與換熱管內壁面不斷的摩擦和碰撞以清洗管壁污垢，當膠球完成管程的清洗工作后匯集到冷凝器出口，由收球機回收以循環利用。該裝置根據水質、主機的規格型號、運行工況、裝機時間等因素可在人機界面內設定進水閥、出水閥、發球閥、收球閥和輸水閥的開閉時間、泵啟停時間及清洗頻率等運行參數。由PLC來執行運行指令以控制清洗裝置自動對冷凝器進行清洗。在清洗過程中，可以直接在觸摸屏上輸入冷卻水的進出口溫度、冷卻水流量和冷凝溫度等狀態參數，PLC根據輸入的參數進行計算，得到該工作狀態下的污垢熱阻，并進行經濟性分析，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（人機界面）可以對控制系統進行現場控制、參數設置和數據顯示，按設定程序和生產要求自動控制清洗過程。以觸摸屏作為操作面板，完全取代常規的開關按鈕、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，并能對進水、出水、發球、回水、收球、輸水工況的動作時間和工作時段進行設置和監控。對適用于冷卻水閉式循環冷水機組的清洗裝置，還帶有自動化學加藥和水質監測報警的功能，可以減少化學藥劑的使用量，降低環境污染。
4.2PLC實現經濟性分析
       在1998年發布的《ARI550/590-1998》標準中規定了冷卻水側污垢熱阻為0.44×10-4W/（m2·K），我國2001年發布的《蒸汽壓縮循環冷水（熱泵）機組工商業用和類似用途的冷水（熱泵）機組》的國家標準GB/T18430.1－2001中規定了機組名義工況時的冷卻水側污垢熱阻為0.86×10-4W/（m2·K）。各個標準所規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，換熱設備設計時預選的污垢熱阻值都比較大，由于冷水機組運行管理不善，大部分冷水機組冷凝器的污垢熱阻遠遠大于設計值，導致了很大的經濟損失。
       現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型冷水機組為例進行經濟性分析，冷水機組運行按4000h/年、電價0.5元/kW·h進行計算。在人機界面輸入電價等相關參數之后，經PLC運算分析知道該機組在運行一年半之后，冷凝器污垢熱阻值高達4.9×10－4m2·K/W，遠遠高于我國標準規定值。在滿足同樣的制冷量的條件下，比設計工況要多耗電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要求。根據現場數據測量和理論分析，利用PLC定量地分析污垢熱阻對該機組壓縮機年耗電量和總傳熱系數的影響，分析結果如圖3和圖4所示。
從以上分析結果知道，利用PLC的邏輯運算功能，能對比分析不同的污垢熱阻對冷水機組經濟性運行的影響，實時計算出不同污垢熱阻條件下壓縮機的運行費用，為清洗裝置運行工況的設定提供理論依據。根據PLC的經濟性分析結果、水質情況和生產要求，設定清洗周期，能夠將污垢熱阻維持在設計值或低于設計值的工作狀態，以滿足生產要求，達到節約能源的目的。根據統計，使用該裝置對冷水機組進行在線清洗可節能降耗7%～15%，并且能夠消除腐蝕根源，延長列管使用壽命，減少換熱設備初投資，減少維護費用，降低環境污染。
5結論
       （1）污垢熱阻的存在對冷水機組的運行帶來很大影響。冷凝器冷卻水側污垢熱阻越大，則在同樣制冷量的條件下，壓縮機的功耗就越大，導致了很大的經濟損失。
       （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，實現冷凝器自動在線清洗裝置的自動化控制。
       （3）以人機界面（觸摸屏）作為現場控制面板，完全取代常規的開關按鈕、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，并根據運行參數進行經濟性分析，為冷凝器自動在線清洗裝置的運行控制提供指導性意見。
       （5）以PLC和觸摸屏為控制核心部件，開發的冷凝器膠球自動在線清洗裝置能夠根據不同水質條件和生產要求，靈活地控制清洗裝置的清洗過程，維持冷凝器較高清潔度，節約能耗。