وفورات الكهرباء السنوية تتجاوز 900000؛ تقاسم ممارسة التحول الذكي لنظام مياه التبريد عملية الطباعة!

يعد نظام تبريد المياه التقليدي لمصنع الطباعة التابع لمجموعة المؤلف مسؤولاً بشكل أساسي عن تبريد الخزانة الكهربائية والمحرك الرئيسي لخطي إنتاج الماكينات ذات التنسيق العريض MANN COLORMAN الألمانيين، والذي يعمل منذ ما يقرب من 20 عامًا، وهناك العديد من نقاط الألم البارزة: يعمل مضيف تبريد Trane، ومضخة المياه وغيرها من المعدات بطاقة ثابتة، واستهلاك هواء الطاقة خطير؛ خطأ التحكم في درجة الحرارة كبير، ومن السهل أن يحدث التكثيف في الصيف، مما يؤثر على جودة الطباعة وعمر المعدات، وسوف يسبب العديد من مشاكل التشغيل والتقطير؛ يعتمد التبريد الصيفي في المكاتب ومناطق الإنتاج على أنظمة مضيفة مستقلة من شركة Carrier، ويظل استهلاك الطاقة الإجمالي مرتفعًا.

ولتحقيق هذه الغاية، واستنادًا إلى الإنتاج الفعلي، أطلق مصنعنا تحويل نظام تبريد المياه القائم على PLC-، وحقق تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة وتوفيرًا ذكيًا للطاقة من خلال خوارزمية التحكم PID، وقام بشكل مبتكر بتوسيع وظيفة "توفير طاقة تبريد الطباعة الشتوية + تبريد المكاتب الصيفية". بعد التحويل، يكون خطأ التحكم في درجة الحرارة للنظام أقل من أو يساوي 0.5 درجة، ويصل معدل توفير الطاقة الشامل إلى 30%، الأمر الذي لا يوفر دعمًا قويًا للمؤسسات لتقليل التكاليف وزيادة الكفاءة فحسب، بل يوفر أيضًا خبرة عملية قابلة للتكرار لترقية تكنولوجيا توفير الطاقة الخضراء -لمؤسسات الطباعة.

تحليل الوضع الحالي وتوضيح الاحتياجات الأساسية لتحويل نظام التبريد

في عملية التشغيل عالية السرعة لمعدات الطباعة، ستولد معدات التحكم الإلكترونية مثل محولات التردد في الخزانة الكهربائية كمية كبيرة من الطاقة الحرارية، مما يؤثر بشكل مباشر على عمر المعدات، بل ويتسبب في تعطل المعدات وإيقاف تشغيلها، وهي أيضًا المشكلة الأساسية التي يجب حلها عن طريق نظام تبريد المياه للعملية.

يعتمد نظام تبريد المياه الأصلي في مصنعنا على وضع التكوين التقليدي لـ "مضيف التبريد + برج التبريد + مضخة المياه"، وتشمل المعدات الأساسية اثنين من مضيفي Trane المبردين بالماء، واثنين من أبراج التبريد ذات التدفق المتقاطع، ومضخات التدوير المتعددة، بالإضافة إلى صمامات الملف اللولبي العادية، وصمامات التحكم والمبادلات الحرارية اللوحية. يتم توفير تبريد مناطق المكاتب والإنتاج بشكل منفصل عن طريق مجموعة من مكيفات الهواء المركزية المستقلة ذات الطرد المركزي الكبيرة من شركة كاريير. بعد سنوات من ممارسة التشغيل، كشف نظام تبريد الماء العملي عن ثلاث مشاكل معلقة.

(1) دقة التحكم في درجة الحرارة غير كافية. بالاعتماد على التبريد المباشر للمياه الباردة من تكييف الهواء المركزي، لا يمكن تعديل درجة الحرارة بمرونة وفقًا لطلب الإنتاج، ويكون الخطأ في درجة حرارة الماء الخارج كبيرًا، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات المعدات لدرجة حرارة الماء المعالج.

(2) لا يزال استهلاك الطاقة مرتفعا. من ناحية، يعمل مكيف الهواء المركزي لتبريد الطباعة بكامل طاقته على مدار السنة، وتفتقر مضخة المياه والمروحة الداعمة إلى آلية تنظيم السرعة الذكية. من ناحية أخرى، يعتمد تبريد منطقة المكتب على مضيف تكييف الهواء الناقل الأصلي المستقل للمحطة، وقد انخفض الطلب الفعلي على التبريد بشكل كبير بسبب انخفاض حجم المحطة في المرحلة اللاحقة، ولكن قدرة التبريد للمضيف الأصلي لم تتم مطابقتها وتعديلها، مما أدى إلى كمية كبيرة من هدر الطاقة وزيادة تكاليف التشغيل.

(3) درجة منخفضة من الأتمتة. الافتقار إلى مراقبة مثالية في الوقت الفعلي-ووظائف إنذار الأخطاء، ويجب فحص المعلمات الرئيسية مثل درجة الحرارة والضغط وتسجيلها يدويًا، وتأخر الاستجابة لأعطال المعدات، الأمر الذي لا يؤدي إلى زيادة تكاليف العمالة فحسب، بل قد يؤدي أيضًا إلى انقطاع الإنتاج بسبب التخلص في الوقت غير المناسب.

بالإضافة إلى الإنتاج الفعلي ومتطلبات سياسة توفير الطاقة-الوطنية، يوضح هذا التحول خمسة احتياجات أساسية.

(1) التحكم الدقيق في درجة الحرارة. يتم ضبط النطاق القابل للتعديل لدرجة حرارة ماء التبريد على 13 ~ 22 درجة، ويتم التحكم بدقة في خطأ درجة حرارة الماء الخارج عند أقل من أو يساوي 0.5 درجة، مما يحل بشكل أساسي مشكلة توليد المكثفات.

(2) الحفاظ على الطاقة والحد من استهلاكها. تحسين وضع تشغيل المعدات من خلال التحكم الذكي، وتقليل استهلاك الطاقة لمكيفات الهواء المركزية، ومضخات المياه، والمراوح بشكل كبير.

(3) المراقبة الذكية. يحتوي على وظائف عرض الوقت الفعلي- للمعلمات الرئيسية مثل درجة الحرارة والضغط، ويحتوي أيضًا على وظائف الكشف التلقائي عن الأخطاء والإنذار الفوري، وهو أمر مناسب للمشغلين لفهم حالة تشغيل النظام في الوقت المناسب.

(4) مستقرة وموثوقة. وهو يدعم تبديل الوضع المزدوج التلقائي واليدوي-، والذي يمكن أن يضمن استمرارية الإنتاج من خلال التشغيل اليدوي عند فشل النظام، وتجنب توقف خط الإنتاج بسبب عطل المعدات.

(5) التكيف الاقتصادي. ليست هناك حاجة لإضافة معدات جديدة كبيرة الحجم-، والترقية استنادًا إلى النظام الأصلي للتحكم في تكلفة التحويل إلى أقصى حد والتأكد من أن المشروع يحقق وضعًا مربحًا-من الفوائد الاقتصادية والاجتماعية.

ترقية الأجهزة لبناء نظام دعم الأجهزة للتحكم الدقيق في درجة الحرارة

تعتمد الفكرة الأساسية لهذا التحول على PLC باعتباره جوهر التحكم PID باعتباره دعم الخوارزمية، والإدراك الذكي كأساس، من خلال تحسين الأجهزة وترقية البرامج، لبناء نظام تبريد جديد "التحكم الدقيق في درجة الحرارة + توفير الطاقة- التشغيل + المراقبة الذكية"، وتدور الفكرة الأساسية حول ترقية الأجهزة، وترقية التحكم، وتحسين الخوارزمية وابتكار الوضع، ويلتزم اختيار الأجهزة بمبدأ القدرة على التكيف والتنويع لضمان التشغيل المنسق والفعال لكل مكون.

(1) تختار وحدة التحكم الأساسية منتجات PLC متوسطة المدى السائدة في السوق، ويمكنها اختيار علامات تجارية متعددة مثل Siemens وMitsubishi وInovance وغيرها من العلامات التجارية وفقًا للاحتياجات الفعلية، مع وحدات الإدخال التناظرية ووحدات الإخراج ووحدات الإدخال/الإخراج المتكاملة لتلبية احتياجات الحصول على إشارة النظام والتحكم فيها بشكل كامل. يستخدم هذا التحويل سلسلة PLC من Siemens S7-1200 كنواة تحكم، ومجهز بوحدة المعالجة المركزية طراز 1214CDC/DC/DC، ويدعم 8 وحدات توسعة خارجية لتلبية احتياجات التحكم المعقدة. مع وحدة الإدخال التناظرية SM1231 AI 8×13BIT، وحدة الإخراج التناظرية SM1232 AO 4×14BIT، ووحدة الإدخال/الإخراج التناظرية SM1234 AI/AO 4×13BIT/2×14BIT، فهي مسؤولة عن استقبال إشارات الاستشعار، وإخراج إشارات التحكم، وتحسين مرونة معالجة الإشارات، على التوالي.

(2) تستخدم واجهة التفاعل البشري- مع الكمبيوتر شاشة لمس رئيسية مقاس 8 ~ 10- بوصة، والتي تدعم الاتصال بأجهزة متعددة- ووظائف المراقبة في الوقت الفعلي-، وهو ما يسهل على المشغلين فهم حالة تشغيل النظام وتعديل المعلمات بشكل بديهي. يستخدم HMI HMI شاشة Siemens TP900 Comfort مقاس 9{10}}بوصة، والتي تدعم اتصالات PLC المتعددة ووظائف المراقبة في الوقت الفعلي، مما يسهل على المشغلين فهم حالة تشغيل النظام وضبط المعلمات بشكل بديهي.

(3) يركز اختيار معدات الاستشعار والتنفيذ على الاستقرار والدقة، ويختار مستشعر درجة الحرارة المنتجات ذات نطاق يغطي نطاق درجة الحرارة لبيئة الإنتاج وإخراج الإشارة المستقرة، ويتكيف مستشعر الضغط بدقة مع ظروف الضغط لخط الأنابيب، ويتم ضبط طول قضيب المسبار بشكل معقول وفقًا للحجم الفعلي لخط الأنابيب في منطقة المصنع (ملاحظة: طول قضيب المسبار هو نصف قطر خط الأنابيب) لضمان دقة بيانات الكشف.

(4) تم تجهيز الصمام والمشغل بصمامات كهربائية ثلاثية- ذات سرعة استجابة سريعة ودقة تحكم عالية ومشغلات مكيفة لضبط معدل تدفق المياه بدقة وضمان تأثير التحكم في درجة الحرارة. يختار محول التردد منتجات ذات طاقة تتكيف مع مضخات المياه والمراوح، ويدعم ضبط التردد الدقيق، الأمر الذي لا يضمن فقط التشغيل والإيقاف السلس للمعدات، بل يحقق أيضًا - عملية توفير الطاقة. يستخدم هذا التجديد مشغلات سلسلة Siemens SVB، مع عزم دوران أقصى يبلغ 1600 نيوتن؛ يجب تحديد اختيار المحرك الكهربائي بالاشتراك مع جسم الصمام والأنابيب وضغط الأنابيب، أي لتلبية "عزم دوران المحرك أكبر من أو يساوي الحد الأقصى لعزم دوران التشغيل للصمام × عامل الأمان (1.3 ~ 1.5)".

(5) تنفيذ التحكم في الوصلة للسخان اللولبي الأصلي لبرج التبريد لمنع درجة حرارة الماء من التجمد في الشتاء والتأثير على دوران النظام؛ تستخدم مكونات التتابع تبديل مصادر الطاقة والمحولات والمرحلات مع مطابقة الجهد والطاقة لتوفير ضمان قوي للتشغيل المستقر لنظام الدائرة بأكمله.

يجب اختيار نفس العلامة التجارية قدر الإمكان لاختيار المعدات، وتكون الوحدة والتنسيق بين مجموعات مكونات العلامة التجارية المختلفة سيئة، وهو عرضة للأخطاء، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة صعوبة تصحيح الأخطاء وزيادة عدد الصيانة. فيما يلي ثلاثة إجراءات رئيسية لتحويل الأجهزة.

01/ تحسين توصيلات الأنابيب

(1) يتم تجديد أنابيب مدخل ومخرج برج التبريد بالتوازي مع أنابيب المياه المبردة لتكييف الهواء المركزي (كما هو موضح في الشكل 1)، ويتم تركيب صمامات الملف اللولبي للتحكم في التشغيل / الإيقاف، وعندما تكون درجة الحرارة الخارجية منخفضة في الشتاء، يمكن استخدام مياه تبريد برج التبريد مباشرة لاستبدال الماء المبرد لتكييف الهواء المركزي، مما يقلل بشكل كبير من وقت تشغيل مضيف تكييف الهواء ويحقق توفير الطاقة.

الشكل 1: خارطة طريق التجديد

(2) تجديد وتحسين أنابيب تكييف الهواء والتبريد في منطقة مكتب المصنع الأصلية، وإضافة صمامات لقطع خط أنابيب الاتصال بين منطقة المكتب ومكيف الهواء المركزي الأصلي من Carrier، بحيث يتمكن مكيف الهواء المركزي الأصلي من الحفاظ على التشغيل المستقل ويخدم فقط سيناريوهات التكيف الأصلية مثل ورش إنتاج الصحف؛ يتم توصيل خط أنابيب التبريد في منطقة المكتب بدقة بخط أنابيب المياه المبردة لتكييف الهواء المركزي لنظام تبريد الطباعة في المصنع الحالي، والذي يمكنه استخدام قدرة التبريد الفائضة لنظام تبريد الطباعة بشكل مباشر لتبريد منطقة المكتب دون استهلاك طاقة إضافية لتوليد مصدر بارد، وبالتالي تقليل وقت تشغيل مكيف الهواء المركزي الذي يعمل بالطرد المركزي من Carrier بشكل كبير، مما يقلل بشكل فعال من استهلاك طاقة المعدات، ويحقق إعادة تدوير الطاقة بكفاءة، ويحقق أهدافًا كبيرة في الحفاظ على الطاقة وخفض الاستهلاك.

02/ تمت إضافة دائرة يدوية خارجية

في حالة فشل النظام أو صيانته، يمكن للمشغلين التحكم يدويًا في تشغيل الصمامات والمضخات لضمان عدم تأثر الإنتاج وتحسين موثوقية تشغيل النظام.

03/ تحسين شبكة مراقبة الإدراك

يتم تثبيت مستشعرات درجة الحرارة والضغط في المواضع الأربعة الرئيسية لمدخل التبريد، ومخرج التجميد، ومدخل التبريد، ومخرج التبريد لتحقيق جمع البيانات الخاصة بعملية نظام التبريد بأكملها، وتوفير دعم شامل ودقيق للبيانات للتحكم الدقيق في PLC، وضمان تحقيق أهداف التحكم في درجة الحرارة وتوفير الطاقة-.

تحسين البرامج لإنشاء برامج أساسية للتحكم الذكي

في هذا التحول، يختار تصميم البرنامج منصة تطوير برمجيات التحكم في المعدات الرئيسية مع وظائف متكاملة وتشغيل مريح، والتي تحتاج إلى دعم مجموعة متنوعة من لغات البرمجة، والتي يمكنها تبسيط عملية كتابة البرنامج وتصحيح الأخطاء، وتقصير دورة المشروع بشكل فعال، وتوفير الدعم الفني للتشغيل المستقر للنظام. يستخدم التصميم Siemens Botu V17 (TIA PORTAL V17)، مع الأخذ في الاعتبار أن برنامج التصميم يجب أن يكون متوافقًا مع أجهزة PLC وشاشات اللمس، لذلك يتم تفضيل المنتجات ذات العلامة التجارية نفسها.

يتضمن جوهر تصميم برنامج التحكم الذكي ثلاث وحدات: تحويل البيانات، والتحكم في الوضع المزدوج-والإنذار. تقوم وحدة تحويل البيانات بتحويل الإشارة التناظرية 4 ~ 20 مللي أمبير التي تم جمعها بواسطة المستشعر بدقة إلى قيم درجة الحرارة والضغط التي يمكن التعرف عليها بواسطة وحدة التحكم من خلال تعليمات NORM_X القياسية وتعليمات القياس SCALE_X. يبلغ عرض البيانات لكل قناة من قنوات Siemens التناظرية 16 بت، ويتم ضبط نطاق التشغيل الثابت على -27648~27648، وهو ما يتوافق مع جهد الإدخال والإخراج ±10 فولت، منها 5533~27648 يتوافق مع تيار الإدخال والإخراج البالغ 4~20 مللي أمبير، ويتم الحصول على بيانات النقطة العائمة البالغة 0.0~1.0 من خلال التشغيل القياسي "OUT=(VALUE–MIN)/(MAX–MIN)"، ثم العملية المقاسة "OUT=[VALUE×(MAX–MIN)]+MIN" إنشاء توافق مع الكميات الفيزيائية الفعلية لضمان دقة تحويل البيانات.

يعد التحكم في الوضع المزدوج- الابتكار الأساسي لتصميم البرنامج هذا، والذي يمكنه تبديل وضع التشغيل تلقائيًا وفقًا لدرجة الحرارة الخارجية لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة (الشكل 2). في الوضع اليومي، عندما تكون درجة الحرارة الخارجية مرتفعة (أكثر من 12 درجة)، يبدأ النظام تكييف الهواء المركزي، ويضبط فتحة الصمام وتردد محول التردد في الوقت الفعلي من خلال خوارزمية التحكم PID، ويتحكم بدقة في كمية الماء البارد وسرعة المضخة، ويحافظ على الضغط المستمر ودرجة الحرارة للنظام. بالإضافة إلى ذلك، تعمل خوارزمية التحكم PID تلقائيًا على تحسين معلمات الضبط من خلال مقارنة درجة الحرارة المحددة وفرق الضغط وقيمة الكشف الفعلية، مما يضمن أن يكون فتح الصمام وسرعة المضخة دائمًا في الحالة المثالية، الأمر الذي لا يضمن تأثير التبريد فحسب، بل يتجنب أيضًا هدر الطاقة.

الشكل 2: واجهة التحكم في الوضع المزدوج-.

في وضع الشتاء، عندما تكون درجة الحرارة الخارجية منخفضة (أقل من أو تساوي 12 درجة)، يقوم النظام تلقائيًا بإيقاف تشغيل وحدة تكييف الهواء، ويفتح برج التبريد وصمام اتصال خط أنابيب تكييف الهواء المركزي، ويستخدم مباشرة مياه برج التبريد للتبريد. في هذا الوقت، يتم ضبط سرعة المروحة وتشغيل/إيقاف تشغيل السخان من خلال خوارزمية التحكم PID لمنع انخفاض درجة حرارة الماء بدرجة منخفضة جدًا والتسبب في التجميد الذي يؤثر على دوران النظام، مع تقليل استهلاك الطاقة لتحقيق التشغيل الفعال لنظام التبريد الشتوي.

يأخذ تصميم برنامج الإنذار في الاعتبار بشكل كامل سلامة وموثوقية تشغيل النظام. من خلال تحديد حدود للمعلمات الرئيسية مثل درجة الحرارة والضغط، عندما تتجاوز البيانات المكتشفة النطاق الطبيعي أو يحدث خطأ في الجهاز، يطلق النظام على الفور إشارة إنذار ويعرضها بوضوح على واجهة HMI، بينما يغذي أيضًا وحدة إدخال PLC. يتيح ذلك للمشغلين تحديد المشكلات على الفور والاستجابة لها بسرعة. تم تصميم واجهة الآلة- البشرية لـ HMI بشاشات وظيفية متعددة (الشكل 3)، تدعم التبديل بنقرة واحدة-، ويمكنها عرض المعلومات الأساسية في الوقت الفعلي، بما في ذلك وضع تشغيل النظام، ودرجات الحرارة والضغوط لخطوط الأنابيب المختلفة، ودرجة فتح الصمام. كما أنه يدعم ضبط درجة الحرارة وعمليات التعرف على الإنذارات، مما يمكّن المشغلين من فهم حالة تشغيل النظام بشكل شامل وحدسي، مما يقلل بشكل كبير من صعوبة التشغيل ومخاطر سوء الاستخدام، ويحسن كفاءة الإنتاج الإجمالية.

الشكل 3: واجهة HMI

تسلط محاسبة استهلاك الطاقة الضوء على فعالية الحفاظ على الطاقة والتحول إلى خفض الانبعاثات

تعتمد محاسبة استهلاك الطاقة على ظروف الإنتاج الفعلية لمحطة الطباعة، ويعمل نظام تبريد المياه المعالجة على مدار 24 ساعة في اليوم، 365 يومًا في السنة، وتتركز فترة تشغيل الوضع الشتوي من ديسمبر إلى فبراير من العام التالي، بإجمالي 90 يومًا؛ ويتم حساب سعر الكهرباء الصناعية بـ 0.7 يوان/كيلوواط ساعة.

يُعد مضيف تبريد المياه المعالجة هو الرابط الأساسي لتوفير الطاقة-في هذا التحول. قبل التحول، وصل استهلاك الطاقة السنوي لمضيف التبريد إلى 1,822,100 كيلووات ساعة، وبعد التحول، تم إيقاف مضيف التبريد لمدة 90 يومًا في الشتاء، وانخفض استهلاك الطاقة السنوي إلى 1,479,300 كيلووات ساعة، مما يوفر 342,800 كيلووات ساعة من الكهرباء سنويًا.

فيما يتعلق بتحويل تبريد منطقة المكتب، تم دمج تبريد منطقة المكتب في نظام تبريد المياه لعملية الطباعة من خلال إرساء خطوط الأنابيب، ويكون نظام تكييف الهواء المركزي Carrier الأصلي مفتوحًا فقط في وقت الإنتاج في الصباح الباكر لورشة العمل، ويتم تقليل وقت البدء-إلى ثلث-الوقت الأصلي، مما يحسن بشكل كبير كفاءة استخدام مضيف تكييف الهواء لنظام تبريد المياه لعملية الطباعة، ويمكن أن يوفر 16 ساعة من استهلاك الطاقة التشغيلية لنظام تكييف الهواء المركزي لشركة Carrier (مضيف Carrier واحد، مضختان للدوران ومروحة برج تبريد واحدة) كل يوم. يتم استخدام مكيف الهواء في منطقة المكتب بشكل أساسي لمدة 4 أشهر (إجمالي 120 يومًا) في فصلي الربيع والصيف، مما يوفر 857000 كيلووات ساعة من استهلاك الطاقة سنويًا بعد التجديد.

بلغ إجمالي استهلاك الطاقة السنوي لمضخات التدوير الثلاث بقدرة 18.5 كيلوواط قبل التحول 486,200 كيلوواط ساعة، وبعد التحويل، انخفض متوسط ​​تردد التشغيل إلى 40 هرتز، وانخفض استهلاك الطاقة بنسبة 20%، كما انخفض إجمالي استهلاك الطاقة السنوي للمضخات الثلاث إلى 388,900 كيلوواط ساعة، مما يوفر 97,200 كيلوواط ساعة من الكهرباء سنويًا.

وبعد المحاسبة الشاملة، تبين أن الشركة وفرت 1.297 مليون كيلووات ساعة من الكهرباء وحوالي 907.900 يوان من فواتير الكهرباء سنويا. في الوقت نفسه، فإن خطأ التحكم في درجة الحرارة للنظام بعد التحويل أقل من أو يساوي 0.5 درجة، مما يحل مشكلة المكثفات تمامًا ويقلل بشكل كبير من معدل فشل معدات الطباعة. تتم مراقبة العملية برمتها تلقائيًا، ويتم تقليل وقت الاستجابة للخطأ إلى أقل من 5 دقائق، مع الأخذ في الاعتبار الفعالية التقنية والفوائد الاقتصادية وفوائد الإدارة.