Jährliche Stromeinsparungen übersteigen 900.000; Teilen Sie die Praxis der intelligenten Transformation des Kühlwassersystems des Druckprozesses!

Das traditionelle Prozesswasserkühlsystem der Druckerei der Autorengruppe ist hauptsächlich für die Kühlung des Schaltschranks und des Hauptmotors der beiden deutschen Produktionslinien für Großformatmaschinen von MANN COLORMAN verantwortlich, die seit fast 20 Jahren in Betrieb sind, und es gibt mehrere herausragende Schwachstellen: Trane-Kühlhost, Wasserpumpe und andere Geräte arbeiten mit fester Leistung, und der Energieverbrauch ist hoch; Der Fehler bei der Temperaturregelung ist groß und im Sommer kann es leicht zu Kondensation kommen, die sich auf die Druckqualität und die Lebensdauer der Geräte auswirkt und viele Lauf- und Tropfprobleme verursacht. Die sommerliche Kühlung in Büro- und Produktionsbereichen basiert auf unabhängigen Carrier-Hostsystemen und der Gesamtenergieverbrauch bleibt hoch.

Zu diesem Zweck hat unsere Fabrik basierend auf der tatsächlichen Produktion die Umstellung des SPS-basierten Prozesswasserkühlsystems eingeleitet, eine präzise Temperaturregelung und intelligente Energieeinsparung durch einen PID-Steuerungsalgorithmus erreicht und die Funktion „Energieeinsparung beim Drucken im Winter + Bürokühlung im Sommer“ innovativ erweitert. Nach der Transformation beträgt der Temperaturregelfehler des Systems weniger als oder gleich 0,5 Grad und die Gesamtenergieeinsparungsrate liegt bei bis zu 30 %, was Unternehmen nicht nur eine solide Unterstützung bei der Kostensenkung und Effizienzsteigerung bietet, sondern auch reproduzierbare praktische Erfahrungen für die Modernisierung der grünen Energiespartechnologie von Druckunternehmen bietet.

Analysieren Sie die aktuelle Situation und klären Sie die Kernbedürfnisse der Kühlsystemtransformation

Beim Hochgeschwindigkeitsbetrieb von Druckgeräten erzeugen elektronische Steuergeräte wie Frequenzumrichter im Schaltschrank eine große Menge Wärmeenergie, die sich direkt auf die Lebensdauer der Geräte auswirkt und sogar zu Geräteausfällen und -abschaltungen führt, was ebenfalls das Kernproblem darstellt, das durch das Prozesswasserkühlsystem gelöst werden muss.

Das ursprüngliche Prozesswasserkühlsystem unserer Fabrik übernimmt den traditionellen Konfigurationsmodus „Kühlhost + Kühlturm + Wasserpumpe“, und die Kernausrüstung umfasst zwei wasser-gekühlte Trane-Hosts, zwei Querstromkühltürme, mehrere Umwälzpumpen sowie gewöhnliche Magnetventile, Regelventile und Plattenwärmetauscher. Die Kühlung der Büro- und Produktionsbereiche erfolgt separat durch eine Reihe unabhängiger großer Carrier-Zentrifugalklimaanlagen. Nach Jahren der Betriebspraxis hat das Prozesswasserkühlsystem drei offene Probleme aufgedeckt.

(1) Unzureichende Genauigkeit der Temperaturregelung. Durch die direkte Kühlung von Kaltwasser aus einer zentralen Klimaanlage kann die Temperatur nicht flexibel an den Produktionsbedarf angepasst werden und der Temperaturfehler des Auslasswassers ist groß, was es schwierig macht, die Anforderungen der Ausrüstung an die Prozesswassertemperatur zu erfüllen.

(2) Der Energieverbrauch bleibt hoch. Einerseits läuft die zentrale Klimaanlage zur Druckkühlung ganzjährig auf Hochtouren und der unterstützenden Wasserpumpe und dem Lüfter fehlt eine intelligente Drehzahlregulierung. Andererseits ist die Kühlung des Bürobereichs auf die ursprüngliche unabhängige Trägerklimaanlage der Anlage angewiesen, und der tatsächliche Kühlbedarf ist aufgrund der späteren Größenreduzierung der Anlage erheblich zurückgegangen, aber die Kühlkapazität des ursprünglichen Hosts wurde nicht angepasst und angepasst, was zu einer großen Energieverschwendung führte und die Betriebskosten weiter in die Höhe trieb.

(3) Geringer Automatisierungsgrad. Das Fehlen perfekter Echtzeitüberwachungs- und Fehleralarmfunktionen, Schlüsselparameter wie Temperatur und Druck müssen manuell überprüft und aufgezeichnet werden, und die Reaktion auf Gerätefehler verzögert sich, was nicht nur die Arbeitskosten erhöht, sondern auch zu Produktionsunterbrechungen aufgrund einer vorzeitigen Entsorgung führen kann.

Kombiniert mit der tatsächlichen Produktion und den Anforderungen der nationalen Energiesparpolitik werden durch diese Transformation fünf Kernbedürfnisse verdeutlicht.

(1) Präzise Temperaturregelung. Der einstellbare Bereich der Kühlwassertemperatur ist auf 13 bis 22 Grad eingestellt, und der Temperaturfehler des Auslasswassers wird streng auf weniger als oder gleich 0,5 Grad kontrolliert, wodurch das Problem der Kondensatbildung grundsätzlich gelöst wird.

(2) Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung. Optimieren Sie den Betriebsmodus von Geräten durch intelligente Steuerung und reduzieren Sie den Energieverbrauch zentraler Klimaanlagen, Wasserpumpen und Ventilatoren erheblich.

(3) Intelligente Überwachung. Es verfügt über Echtzeit-Anzeigefunktionen für wichtige Parameter wie Temperatur und Druck sowie automatische Fehlererkennungs- und Alarmmeldungsfunktionen, die es dem Bediener erleichtern, den Betriebsstatus des Systems rechtzeitig zu erfassen.

(4) Stabil und zuverlässig. Es unterstützt die automatische und manuelle Dual-Mode-Umschaltung, wodurch die Produktionskontinuität durch manuellen Betrieb bei Systemausfällen gewährleistet und Ausfallzeiten der Produktionslinie aufgrund von Geräteausfällen vermieden werden können.

(5) Wirtschaftliche Anpassung. Es besteht keine Notwendigkeit, neue Großgeräte hinzuzufügen und auf der Grundlage des ursprünglichen Systems zu aktualisieren, um die Transformationskosten weitestgehend zu kontrollieren und sicherzustellen, dass das Projekt eine Win-{3}Win-Situation mit wirtschaftlichen und sozialen Vorteilen erreicht.

Hardware-Upgrade zum Aufbau eines Hardware-Unterstützungssystems für eine präzise Temperaturregelung

Die Kernidee dieser Transformation basiert auf SPS als Kern, PID-Steuerung als Algorithmusunterstützung, intelligenter Wahrnehmung als Grundlage, durch Hardwareoptimierung und Software-Upgrade zum Aufbau eines neuen Kühlsystems mit „präziser Temperaturregelung + energiesparendem Betrieb + intelligenter Überwachung“.

(1) Die Kernsteuereinheit wählt die gängigen Mittelklasse-SPS-Produkte auf dem Markt aus und kann je nach tatsächlichem Bedarf mehrere Marken wie Siemens, Mitsubishi, Inovance und andere Marken mit entsprechenden analogen Eingangsmodulen, Ausgangsmodulen und integrierten Eingangs-/Ausgangsmodulen auswählen, um die Anforderungen der Systemsignalerfassung und -steuerung vollständig zu erfüllen. Diese Transformation verwendet eine SPS der Serie S7-1200 von Siemens als Steuerungskern, ist mit einer CPU des Modells 1214CDC/DC/DC ausgestattet und unterstützt 8 externe Erweiterungsmodule, um komplexe Steuerungsanforderungen zu erfüllen. In Kombination mit dem analogen Eingangsmodul SM1231 AI 8×13BIT, dem analogen Ausgangsmodul SM1232 AO 4×14BIT und dem analogen Eingangs-/Ausgangsmodul SM1234 AI/AO 4×13BIT/2×14BIT ist es für den Empfang von Sensorsignalen, die Ausgabe von Steuersignalen bzw. die Verbesserung der Flexibilität der Signalverarbeitung verantwortlich.

(2) Die Mensch-{1}}Interaktionsschnittstelle nutzt einen 8 bis 10 {{4} Zoll großen Mainstream-Touchscreen, der die Kommunikation mit mehreren Geräten und Echtzeit-Überwachungsfunktionen unterstützt, sodass Bediener den Betriebsstatus des Systems und die Parameteranpassung bequem intuitiv erfassen können. Das HMI HMI verwendet das 9-Zoll-Display TP900 Comfort von Siemens, das die Kommunikation mit mehreren SPS und Echtzeitüberwachungsfunktionen unterstützt und es dem Bediener erleichtert, den Betriebsstatus des Systems intuitiv zu erfassen und Parameter anzupassen.

(3) Bei der Auswahl der Erfassungs- und Ausführungsausrüstung liegt der Schwerpunkt auf Stabilität und Genauigkeit. Der Temperatursensor wählt Produkte mit einem Bereich aus, der den Temperaturbereich der Produktionsumgebung abdeckt, und bietet eine stabile Signalausgabe.

(4) Das Ventil und der Stellantrieb sind mit elektrischen Dreiwegeventilen mit schneller Reaktionsgeschwindigkeit und hoher Regelgenauigkeit sowie angepassten Stellantrieben ausgestattet, um die Wasserdurchflussrate genau einzustellen und den Temperaturkontrolleffekt sicherzustellen. Der Frequenzumrichter wählt Produkte aus, deren Leistung an Wasserpumpen und Ventilatoren angepasst ist, und unterstützt eine präzise Frequenzanpassung, die nicht nur einen reibungslosen Start und Stopp der Geräte gewährleistet, sondern auch einen energiesparenden Betrieb ermöglicht. Bei dieser Renovierung werden Aktuatoren der SVB-Serie von Siemens mit einem maximalen Drehmoment von 1600 N eingesetzt. Die Auswahl des elektrischen Stellantriebs muss in Kombination mit dem Ventilkörper, dem Rohr und dem Rohrdruck bestimmt werden, d. h. um das „Antriebsdrehmoment größer oder gleich dem maximalen Anlaufdrehmoment des Ventils × Sicherheitsfaktor (1,3–1,5)“ zu erfüllen.

(5) Implementieren Sie eine Verbindungssteuerung für die ursprüngliche Spulenheizung des Kühlturms, um zu verhindern, dass die Wassertemperatur im Winter einfriert und die Systemzirkulation beeinträchtigt. Die Relaiskomponenten nutzen Schaltnetzteile, Transformatoren und Relais mit Spannungs- und Leistungsanpassung, um eine solide Garantie für den stabilen Betrieb des gesamten Schaltungssystems zu bieten.

Für die Geräteauswahl sollte so weit wie möglich dieselbe Marke ausgewählt werden, und die Einheit und Koordination der Komponentenkombinationen verschiedener Marken ist schlecht, was fehleranfällig ist, was letztendlich zu einer Erhöhung der Debugging-Schwierigkeit und einer Erhöhung der Anzahl der Wartungsarbeiten führt. Im Folgenden sind drei Schlüsselmaßnahmen für die Hardware-Transformation aufgeführt.

01/ Rohrverbindungen optimieren

(1) Die Einlass- und Auslassrohre des Kühlturms werden parallel zu den Kaltwasserleitungen der zentralen Klimaanlage erneuert (wie in Abbildung 1 dargestellt) und Magnetventile zur Steuerung des Ein-/Ausschaltens installiert. Wenn die Außentemperatur im Winter niedrig ist, kann das Kühlwasser des Kühlturms direkt als Ersatz für das Kaltwasser der zentralen Klimaanlage verwendet werden, was die Laufzeit des Klimaanlagen-Hosts erheblich verkürzt und Energieeinsparungen ermöglicht.

Abbildung 1 Renovierungsfahrplan

(2) Renovieren und optimieren Sie die Klima- und Kühlleitungen im ursprünglichen Bürobereich der Fabrik und fügen Sie Ventile hinzu, um die Verbindungsleitung zwischen dem Bürobereich und der ursprünglichen zentralen Klimaanlage von Carrier zu unterbrechen, sodass die ursprüngliche zentrale Klimaanlage ihren unabhängigen Betrieb aufrechterhalten und nur die ursprünglichen Anpassungsszenarien wie Zeitungsproduktionswerkstätten bedienen kann; Die Kühlleitung im Bürobereich ist genau mit der zentralen Kühlwasserleitung der Klimaanlage des Druckkühlsystems des bestehenden Werks verbunden, wodurch die überschüssige Kühlkapazität des Druckkühlsystems direkt zum Kühlen des Bürobereichs genutzt werden kann, ohne zusätzliche Energie zur Erzeugung einer Kältequelle zu verbrauchen. Dadurch wird die Betriebszeit der zentralen Zentrifugalklimaanlage von Carrier erheblich verkürzt, der Energieverbrauch der Geräte effektiv gesenkt, ein effizientes Energierecycling realisiert und erhebliche Energieeinsparungs- und Verbrauchsreduzierungsziele erreicht.

02/ Externer manueller Schaltkreis hinzugefügt

Im Falle eines Systemausfalls oder einer Wartung können Bediener den Betrieb von Ventilen und Pumpen manuell steuern, um sicherzustellen, dass die Produktion nicht beeinträchtigt wird, und um die Zuverlässigkeit des Systembetriebs zu verbessern.

03/ Verbesserung des Wahrnehmungsüberwachungsnetzwerks

Temperatur- und Drucksensoren sind an den vier Schlüsselpositionen Kühleinlass, Gefrierauslass, Kühleinlass und Kühlauslass installiert, um die Datenerfassung des gesamten Prozesses des Kühlsystems zu realisieren, eine umfassende und genaue Datenunterstützung für die präzise SPS-Steuerung bereitzustellen und die Verwirklichung der Temperaturregelungs- und Energiesparziele sicherzustellen.

Softwareoptimierung zur Erstellung intelligenter Steuerungskernprogramme

Bei dieser Transformation wählt das Softwaredesign eine gängige Entwicklungsplattform für Gerätesteuerungssoftware mit integrierten Funktionen und komfortablem Betrieb aus, die eine Vielzahl von Programmiersprachen unterstützen muss, was den Programmschreib- und Debugging-Prozess vereinfachen, den Projektzyklus effektiv verkürzen und technische Unterstützung für den stabilen Betrieb des Systems bieten kann. Für den Entwurf wird Siemens Botu V17 (TIA PORTAL V17) verwendet. Da die Entwurfssoftware mit Hardware-SPS und Touchscreens kompatibel sein muss, werden Produkte derselben Marke bevorzugt.

Der Kern des intelligenten Steuerungsprogrammdesigns umfasst drei Module: Datenkonvertierung, Dual-{0}Modus-Steuerung und Alarm. Das Datenkonvertierungsmodul wandelt das vom Sensor erfasste 4~20-mA-Analogsignal präzise in Temperatur- und Druckwerte um, die von der Steuereinheit anhand der standardisierten NORM_X-Anweisungen und SCALE_X-Skalierungsanweisungen erkannt werden können. Die Datenbreite jedes Siemens-Analogkanals beträgt 16 Bit, und der feste Betriebsbereich ist auf -27648 bis 27648 eingestellt, was der Eingangs- und Ausgangsspannung von ±10 V entspricht. Davon entsprechen 5533 bis 27648 dem Eingangs- und Ausgangsstrom von 4 bis 20 mA, und die Gleitkommadaten von 0,0 bis 1,0 werden durch standardisierte Operation erhalten „OUT=(VALUE–MIN)/(MAX–MIN)“ und dann die skalierte Operation „OUT=[VALUE×(MAX–MIN)]+MIN“ Stellen Sie eine Entsprechung mit tatsächlichen physikalischen Größen her, um die Genauigkeit der Datenkonvertierung sicherzustellen.

Die Dual-{0}Modus-Steuerung ist die Kerninnovation dieses Softwaredesigns, das den Betriebsmodus automatisch entsprechend der Außentemperatur umschalten kann, um die Energienutzung zu maximieren (Abbildung 2). Im Tagesmodus startet das System bei hohen Außentemperaturen (mehr als 12 Grad) die zentrale Klimaanlage, passt die Ventilöffnung und die Frequenz des Frequenzumrichters in Echtzeit über den PID-Regelalgorithmus an, regelt die Kaltwassermenge und die Drehzahl der Pumpe genau und hält den Druck und die Temperatur des Systems konstant. Darüber hinaus optimiert der PID-Regelalgorithmus automatisch die Einstellparameter, indem er die eingestellte Temperatur, die Druckdifferenz und den tatsächlichen Erfassungswert vergleicht, um sicherzustellen, dass sich die Ventilöffnung und die Pumpengeschwindigkeit immer im optimalen Zustand befinden, was nicht nur den Kühleffekt gewährleistet, sondern auch Energieverschwendung vermeidet.

Abbildung 2 Dual--Modus-Steuerungsschnittstelle

Im Wintermodus, wenn die Außentemperatur niedrig ist (weniger als oder gleich 12 Grad), schaltet das System die Klimaanlage automatisch ab, öffnet den Kühlturm und das zentrale Verbindungsventil der Klimaanlagenleitung und nutzt das Kühlturmwasser direkt zur Kühlung. Zu diesem Zeitpunkt werden die Lüftergeschwindigkeit und das Ein-/Ausschalten der Heizung über einen PID-Regelungsalgorithmus angepasst, um zu verhindern, dass die Wassertemperatur zu stark absinkt und zu einem Gefrieren führt, das die Systemzirkulation beeinträchtigt. Gleichzeitig wird der Energieverbrauch minimiert, um einen effizienten Betrieb des Winterkühlsystems zu erreichen.

Bei der Gestaltung des Alarmprogramms wird die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systembetriebs vollständig berücksichtigt. Durch die Festlegung von Schwellenwerten für wichtige Parameter wie Temperatur und Druck löst das System sofort ein Alarmsignal aus, wenn die erfassten Daten den normalen Bereich überschreiten oder ein Gerätefehler auftritt, zeigt es deutlich auf der HMI-Schnittstelle an und gibt gleichzeitig eine Rückmeldung an das SPS-Eingangsmodul. Dies ermöglicht es den Betreibern, Probleme rechtzeitig zu erkennen und schnell zu reagieren. Die HMI-Mensch-Maschine-Schnittstelle ist mit mehreren Funktionsbildschirmen ausgestattet (Abbildung 3), unterstützt das Umschalten mit nur einem Klick und kann wichtige Informationen in Echtzeit anzeigen, darunter den Systembetriebsmodus, Temperaturen und Drücke verschiedener Rohrleitungen sowie den Ventilöffnungsgrad. Es unterstützt auch Temperatureinstellungen und Alarmbestätigungsvorgänge, sodass Bediener den Systembetriebsstatus umfassend und intuitiv verstehen können, wodurch Betriebsschwierigkeiten und Missbrauchsrisiken erheblich reduziert und die Gesamtproduktionseffizienz verbessert werden.

Abbildung 3 HMI-Schnittstelle

Die Energieverbrauchsrechnung unterstreicht die Wirksamkeit der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung

Die Energieverbrauchsabrechnung basiert auf den tatsächlichen Produktionsbedingungen der Druckerei, die Prozesswasserkühlung läuft 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr und der Winterbetrieb konzentriert sich auf Dezember bis Februar des Folgejahres, insgesamt also auf 90 Tage; Der Preis für Industriestrom wird mit 0,7 Yuan/kWh berechnet.

Der Host für die Prozesswasserkühlung ist das zentrale-energiesparende Glied dieser Transformation. Vor der Umstellung erreichte der jährliche Stromverbrauch des Kühlhosts 1.822.100 kWh, und nach der Umstellung wurde der Kühlhost für 90 Tage im Winter angehalten, und der jährliche Stromverbrauch sank auf 1.479.300 kWh, wodurch 342.800 kWh Strom pro Jahr eingespart wurden.

Im Hinblick auf die Umgestaltung der Kühlung des Bürobereichs wird die Kühlung des Bürobereichs durch Pipeline-Andocken in das Wasserkühlsystem des Druckprozesses integriert, und das ursprüngliche zentrale Klimatisierungssystem von Carrier ist nur in der Produktionszeit der Werkstatt am frühen Morgen geöffnet, und die Startzeit wird auf ein-Drittel der ursprünglichen Zeit reduziert, was die Nutzungseffizienz des Klimatisierungshosts des Wasserkühlungssystems des Druckprozesses erheblich verbessert und 16 Stunden Betriebsenergieverbrauch des zentralen Klimatisierungssystems von Carrier einsparen kann (ein Carrier-Host, zwei Zirkulationen). Pumpen und ein Kühlturmventilator) täglich. Die Klimaanlage im Bürobereich wird hauptsächlich 4 Monate (insgesamt 120 Tage) im Frühling und Sommer genutzt, wodurch nach der Renovierung 857.000 kWh Energieverbrauch pro Jahr eingespart werden.

Der jährliche Gesamtstromverbrauch der drei 18,5-kW-Umwälzpumpen betrug vor der Umgestaltung 486.200 kWh. Nach der Umstellung wurde die durchschnittliche Betriebsfrequenz auf 40 Hz reduziert, der Energieverbrauch um 20 % gesenkt und der jährliche Gesamtstromverbrauch der drei Pumpen auf 388.900 kWh gesenkt, wodurch 97.200 kWh Strom pro Jahr eingespart wurden.

Nach einer umfassenden Bilanzierung wurde festgestellt, dass das Unternehmen 1,297 Millionen kWh Strom und etwa 907.900 Yuan an Stromrechnungen pro Jahr einsparte. Gleichzeitig beträgt der Temperaturkontrollfehler des Systems nach der Transformation weniger als oder gleich 0,5 Grad, was das Kondensatproblem vollständig löst und die Ausfallrate von Druckgeräten erheblich reduziert. Der gesamte Prozess wird automatisch überwacht und die Fehlerreaktionszeit wird unter Berücksichtigung der technischen Wirksamkeit, des wirtschaftlichen Nutzens und des Managementvorteils auf weniger als 5 Minuten verkürzt.