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摘 要：公司是一家主要从事中药原料药、中成药、西药生产和销售的国家级高新技术企业，现有片剂、胶囊剂、原料药、软膏剂。主导产品雷公藤多苷片、脑塞胺胶囊、珍菊降压片等。其中头孢类固体制剂车间、二个乳膏车间及口服固体制剂车间（一）的冷冻源是一套冷冻系统提供，洁净空气有八套空调机组提供。但经调查，其实各车间中央空调同时使用时间少，所以满负载的情况并不多，故对冷水系统的改造，可以降低能耗。
关键词：水泵；空调系统；PLC；变频器；节能改造
一、绪论
在制药企业中空调系统是主要配套设施之一，但空调系统的用电量非常大，约占总电能消耗的20%。由于空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载的情况并不多，甚至只有十多天，绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，长期在满负荷下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了空调系统的运行环境和运行质量。冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的10%，并且在冷冻主机低负荷运行中，其耗电更为明显。因此对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是空调系统节能改造的重要组成部分。本文着重介绍PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用。中央空调采用变频调速技术，使电机在很宽范围内平滑调速，可将所有节流阀去掉，使管道畅通，可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速，从而改变水的流量，达到制冷机的正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，从而达到节能的目的。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制的。
二、空调系统设计背景
2.1公司简介
公司成立于1994年，总部位于浙江省新昌县儒岙工业园，是一家集中药原料药、中成药和西药研发、生产、营销于一体的国家重点高新技术企业。公司在册员工近250余人，58%为医药专业技术人员，26%具有中高级技术职称。厂区占地面积340亩，建筑面积10万多平方米。
公司拥有现代化的生产设备和先进的质量检测中心。现有四个车间，所有剂型（片剂、胶囊剂、原料药、软膏剂）均已全部通过国家GMP认证。公司具备中药“动态逆流提取”技术，大型中药层析提纯技术，凭着“层析提纯”的这一核心技术，经过多年的实践，公司在雷公藤多苷有效成份研究开发方面取得了突破性进展。2003年以来，公司先后完成了“雷公藤多苷在线检测软测量开发技术”、“雷公藤多苷”等多项国家863项目和国家火炬计划项目，并顺利通过验收。取得了5项国家发明专利，公司还被列为全国重要技术标准研究试点单位、市级专利示范企业。
2.2 空调系统设备配置情况
新昌基地老厂区现有各类空压机共5台，它们的各种运行参数如下：
1.一台满溢式螺杆冷水机组型号范围：KCWF1080B-2A20B冷量范圍：268KW-3600KW。
2.二台型号为Y2160M2-2冷却水泵，其扬程为24 M，流量为138m3/min，电机功率为15KW。
3.二台型号为Y2160M2-2冷冻水泵，其扬程为24 M，流量为138m3/min，电机功率为15KW。
三、空调系统的现状和存在问题
空调系统中冷却水循环配有两台冷却水泵，型号为Y2160M2-2冷却水泵，其扬程为24 M，流量为138m3/min，电机功率为15KW，另一台备用。冷却水泵设计时是按最不利工况设计的并留有10%的设计余量。而实际使用时，因为冷却水泵不能根据负荷变化而进行调整，所以冷却水系统几乎常期在大流量、小温差的状态下运行，流量都是在满负荷下的标准流量，而温差几乎都只有2-3℃。造成能量的极大浪费。
四.空调系统冷却水泵节能改造方案确立和实施
为解决以上问题，我们利用PLC、变频器、温度传感器、温度变送器等构成自动调速系统。对冷却水泵进行改造，以节约电能。
4.1变频节能原理
变频器是输出频率可调的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机的三相交流工频交流电经整流元件整流，变成直流电，再将直流电通过逆变元件逆变为频率电压连续可调的交流电，给电机供电。由水泵的工作原理可知：
流量Q与转速n成正比，扬程H与转速n的平方成正比，功率P与转速n的立方成正比。又根据异步电动机原理得到转速公式：
式中：n：转速 f：频率 p：电机磁极对数 s：转差率
由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。那么根据水泵特性可知，调节水泵的转速可以达到调节流量的目的，同时，显著调节功率。采用变频器控制水泵运行，则可实现自动调节，并使系统运行平缓稳定。并通过变频节能。
4.2控制功能
首先确定冷却水泵变频器的最小工作频率，确定方法是先手动调节降低变频器的频率，调节到冷却水最少能满足到达冷却塔时的频率，确定为最小工作频率。一般情况下为（28Hz），变频器参数设置时设为下限频率。再确定最大工作频率，为了方便进行工频变频的切换可将最大工作频率设为比工频略低（48Hz），变频器参数设置时设为上限频率并锁定；变频冷却水泵的频率是取冷凝器的出水温度信号进行调节，按温度变化来调节频率，出水温度越高，变频器的输出频率越高，出水温度越低，变频器的输出频率越低。由型号为XP TP V010 D的温度变送器采集冷凝器出水温度，将温度变化转变为电压变化送到变频器的输入2、5脚，达到实现温度控制的目的。
温度变送器XP TP V010 D温度测量范围是0-100℃，对应的电压变化为0-10V。但对于中央空调的冷却水来说，温度变化范围没有那么大。一般在25-50℃之间，使用时可以调节温度变送器的零点和量程，把总的量程变为原来的二分之一即0-50℃。这时可以得到温度和频=率之间的对应关系如下图： 冷凝器出水温度一般在35-40℃，可以使水泵转速比原来降低20-30%。由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以用电量比原来要减少50%左右。节能效果明显。
具体控制方案：（1）先合KM1起动1号泵，单台变频运行；（2）当l号泵的工作频率上升到48Hz上限切换频率时，1号泵将切换到KM2工频运行，然后再合KM3将变频器与2号泵相接，并进行软启动，此时1号泵工频运行，2号泵变频运行；（3）当2号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率28Hz时，则将KM2断开，1号泵停机，此时由2号泵单台变频运行；（4）当2号泵的工作频率上升到48Hz上限切换频率时，2号泵将切换到KM4工频运行，然后再合KM1将变频器与1号泵相接，并进行软启动，此时2号泵工频运行，1号泵变频运行；如此交替循环控制；（5）水泵投入工频运行时，电动机的过载由热继电器保护，并有报警信号指示；（6）每台泵的变频接触器和工频接触器外部电气互锁及机械联锁；（7）变频与工频切换的过程：首先MRS接通（变频器输出停止）后延时0.2秒后断开变频接触器再延时0.5秒后合工频接触器，再延时0.5秒合下一台变频接触器之后断开MRS触点，实现从变频到工频的切换；（8）变频与工频切换的条件：由变频器的上限切换频率（FU）和下限切换频率（SU）控制。
4.3變频器参数设置
4.4 PLC程序设计
根据控制要求，给出以下参考程序顺控图
4.5 运行试验分析
系统改造前后进行试验比较
在基本相同的工况下改造后比改造前用电量有了明显的降低。节电率达45%。试验证明采用变频改造后能起到明显的节能效果。
四、结论
采用变频器控制冷却水泵使冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行，从而达到节能的目的，其节电效率可达45%左右。并且对冷却水泵实现在软启动、软制动，大大降低了启动电流、避免了启动电流对电网的冲击。冷却水泵运行噪音减小、温升降低、震动减少、负荷运行顺滑平衡。采用PLC实现各种逻辑控制、变频器启动控制及工频/变频转换和故障报警等功能使操作控制更加简便。
参考文献
[1]王国海.《可编程序控控制器及其应用》第二版，2007.4
[2]宋峰青.《变频技术》.2004.1
[3]梁光武.PLC和变频器在中央空调教学系统中的应用[J].广东技工教育研究，2009，（2）：27-34
[4]王瑞祥.电气控制及PLC应用实践教程.科学出版社2010-01，80-86
[5] 陈继文.工程机械电气控制系统.化学工业出版社，2013-02，50-53
（作者单位：浙江得恩德制药股份有限公司）
关键词：水泵；空调系统；PLC；变频器；节能改造
一、绪论
在制药企业中空调系统是主要配套设施之一，但空调系统的用电量非常大，约占总电能消耗的20%。由于空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载的情况并不多，甚至只有十多天，绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，长期在满负荷下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了空调系统的运行环境和运行质量。冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的10%，并且在冷冻主机低负荷运行中，其耗电更为明显。因此对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是空调系统节能改造的重要组成部分。本文着重介绍PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用。中央空调采用变频调速技术，使电机在很宽范围内平滑调速，可将所有节流阀去掉，使管道畅通，可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速，从而改变水的流量，达到制冷机的正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，从而达到节能的目的。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制的。
二、空调系统设计背景
2.1公司简介
公司成立于1994年，总部位于浙江省新昌县儒岙工业园，是一家集中药原料药、中成药和西药研发、生产、营销于一体的国家重点高新技术企业。公司在册员工近250余人，58%为医药专业技术人员，26%具有中高级技术职称。厂区占地面积340亩，建筑面积10万多平方米。
公司拥有现代化的生产设备和先进的质量检测中心。现有四个车间，所有剂型（片剂、胶囊剂、原料药、软膏剂）均已全部通过国家GMP认证。公司具备中药“动态逆流提取”技术，大型中药层析提纯技术，凭着“层析提纯”的这一核心技术，经过多年的实践，公司在雷公藤多苷有效成份研究开发方面取得了突破性进展。2003年以来，公司先后完成了“雷公藤多苷在线检测软测量开发技术”、“雷公藤多苷”等多项国家863项目和国家火炬计划项目，并顺利通过验收。取得了5项国家发明专利，公司还被列为全国重要技术标准研究试点单位、市级专利示范企业。
2.2 空调系统设备配置情况
新昌基地老厂区现有各类空压机共5台，它们的各种运行参数如下：
1.一台满溢式螺杆冷水机组型号范围：KCWF1080B-2A20B冷量范圍：268KW-3600KW。
2.二台型号为Y2160M2-2冷却水泵，其扬程为24 M，流量为138m3/min，电机功率为15KW。
3.二台型号为Y2160M2-2冷冻水泵，其扬程为24 M，流量为138m3/min，电机功率为15KW。
三、空调系统的现状和存在问题
空调系统中冷却水循环配有两台冷却水泵，型号为Y2160M2-2冷却水泵，其扬程为24 M，流量为138m3/min，电机功率为15KW，另一台备用。冷却水泵设计时是按最不利工况设计的并留有10%的设计余量。而实际使用时，因为冷却水泵不能根据负荷变化而进行调整，所以冷却水系统几乎常期在大流量、小温差的状态下运行，流量都是在满负荷下的标准流量，而温差几乎都只有2-3℃。造成能量的极大浪费。
四.空调系统冷却水泵节能改造方案确立和实施
为解决以上问题，我们利用PLC、变频器、温度传感器、温度变送器等构成自动调速系统。对冷却水泵进行改造，以节约电能。
4.1变频节能原理
变频器是输出频率可调的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机的三相交流工频交流电经整流元件整流，变成直流电，再将直流电通过逆变元件逆变为频率电压连续可调的交流电，给电机供电。由水泵的工作原理可知：
流量Q与转速n成正比，扬程H与转速n的平方成正比，功率P与转速n的立方成正比。又根据异步电动机原理得到转速公式：
式中：n：转速 f：频率 p：电机磁极对数 s：转差率
由上式可见，调节转速有3种方法，改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中，变频调速性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。那么根据水泵特性可知，调节水泵的转速可以达到调节流量的目的，同时，显著调节功率。采用变频器控制水泵运行，则可实现自动调节，并使系统运行平缓稳定。并通过变频节能。
4.2控制功能
首先确定冷却水泵变频器的最小工作频率，确定方法是先手动调节降低变频器的频率，调节到冷却水最少能满足到达冷却塔时的频率，确定为最小工作频率。一般情况下为（28Hz），变频器参数设置时设为下限频率。再确定最大工作频率，为了方便进行工频变频的切换可将最大工作频率设为比工频略低（48Hz），变频器参数设置时设为上限频率并锁定；变频冷却水泵的频率是取冷凝器的出水温度信号进行调节，按温度变化来调节频率，出水温度越高，变频器的输出频率越高，出水温度越低，变频器的输出频率越低。由型号为XP TP V010 D的温度变送器采集冷凝器出水温度，将温度变化转变为电压变化送到变频器的输入2、5脚，达到实现温度控制的目的。
温度变送器XP TP V010 D温度测量范围是0-100℃，对应的电压变化为0-10V。但对于中央空调的冷却水来说，温度变化范围没有那么大。一般在25-50℃之间，使用时可以调节温度变送器的零点和量程，把总的量程变为原来的二分之一即0-50℃。这时可以得到温度和频=率之间的对应关系如下图： 冷凝器出水温度一般在35-40℃，可以使水泵转速比原来降低20-30%。由于水泵的功率与转速的立方成正比，所以用电量比原来要减少50%左右。节能效果明显。
具体控制方案：（1）先合KM1起动1号泵，单台变频运行；（2）当l号泵的工作频率上升到48Hz上限切换频率时，1号泵将切换到KM2工频运行，然后再合KM3将变频器与2号泵相接，并进行软启动，此时1号泵工频运行，2号泵变频运行；（3）当2号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率28Hz时，则将KM2断开，1号泵停机，此时由2号泵单台变频运行；（4）当2号泵的工作频率上升到48Hz上限切换频率时，2号泵将切换到KM4工频运行，然后再合KM1将变频器与1号泵相接，并进行软启动，此时2号泵工频运行，1号泵变频运行；如此交替循环控制；（5）水泵投入工频运行时，电动机的过载由热继电器保护，并有报警信号指示；（6）每台泵的变频接触器和工频接触器外部电气互锁及机械联锁；（7）变频与工频切换的过程：首先MRS接通（变频器输出停止）后延时0.2秒后断开变频接触器再延时0.5秒后合工频接触器，再延时0.5秒合下一台变频接触器之后断开MRS触点，实现从变频到工频的切换；（8）变频与工频切换的条件：由变频器的上限切换频率（FU）和下限切换频率（SU）控制。
4.3變频器参数设置
4.4 PLC程序设计
根据控制要求，给出以下参考程序顺控图
4.5 运行试验分析
系统改造前后进行试验比较
在基本相同的工况下改造后比改造前用电量有了明显的降低。节电率达45%。试验证明采用变频改造后能起到明显的节能效果。
四、结论
采用变频器控制冷却水泵使冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行，从而达到节能的目的，其节电效率可达45%左右。并且对冷却水泵实现在软启动、软制动，大大降低了启动电流、避免了启动电流对电网的冲击。冷却水泵运行噪音减小、温升降低、震动减少、负荷运行顺滑平衡。采用PLC实现各种逻辑控制、变频器启动控制及工频/变频转换和故障报警等功能使操作控制更加简便。
参考文献
[1]王国海.《可编程序控控制器及其应用》第二版，2007.4
[2]宋峰青.《变频技术》.2004.1
[3]梁光武.PLC和变频器在中央空调教学系统中的应用[J].广东技工教育研究，2009，（2）：27-34
[4]王瑞祥.电气控制及PLC应用实践教程.科学出版社2010-01，80-86
[5] 陈继文.工程机械电气控制系统.化学工业出版社，2013-02，50-53
（作者单位：浙江得恩德制药股份有限公司）