CN101524887A - 注塑车间节能型冷却水循环系统及运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注塑车间节能型冷却水循环系统及运行方式。本系统包括模温机、热水泵、冷却塔、冷水池及控制系统，有两路管道系统，两路管道系统共用一个放在地面与大气相通的存水水箱和两个与存水水箱相连的热水泵；其中一路管道系统从所述热水泵经一个截止阀连接所述冷却塔和所述冷水池，并由所述冷水池直接接通所述模温机；另外一路管道系统从所述热水泵经另一个截止阀连接一个膨胀水箱后，经一个调节阀连接一个集水器以及溴化锂机组，然后连接所述模温机；所述模温机的出水口接通所述存水水箱。该系统采用可编程控制器PLC组成网络，实现节能控制，并通过触摸屏提供友好的人机界面。该系统有冬季和夏季两种不同运行方式，能更好地节能。

Description

注塑车间节能型冷却水循环系统及运行方式

技术领域

本发明涉及冷却水循环系统及运行方式，特别是指一种注塑车间的节能型冷却水循环系统及运行方式。

背景技术

循环冷却水在注塑车间起着十分重要的作用，它主要供给模温机、注塑机等设备，以确保温度控制在设定范围内，满足注塑工艺的要求。

闭式循环冷却水系统在应用于注塑车间的时候，水经过冷却塔，再经过水箱，然后由泵直接往冷却塔输送，途径生产设备。该系统会遇到这样一个问题：在有模温机的注塑车间里，生产中由于模温机背压大，模温机两端冷却水压差小，使冷却水的流速慢，无法满足后端注塑机的生产要求。

为提高生产速度与产品质量，必须将原系统改造，增大压差，使冷却水的流速增大。可以采用去除模温机背压以加快冷却水流速。把系统改造成半开式系统是去除背压的一种有效方法。但是仅仅这样还是不够，传统的方法智能化程度不高，不能有效地节约能源，而且缺乏友好的人机界面，给用户带来不便。因此需要对该系统进行进一步的改造。

发明内容

本发明目的是针对现有技术中所存在的上述问题提供一种节能注塑车间冷却水循环系统及运行方式。该系统采用半开式结构，采用可编程控制器PLC组成网络，实现节能控制，并通过触摸屏提供友好的人机界面，方便用户监控。该系统有夏季和冬季两种运行方式，能更好地节能。

为实现上述目的，本发明的构思是：一种注塑车间的节能型冷却水循环系统。它有两种工作模式。在冬季，模温机回水直接流入一个地面的存水水箱(该水箱与大气相通)，然后由热水泵将存水水箱中的水送入一个冷却塔，经冷却塔冷却后的水再通过管道送回到冷水池。在夏季，模温机的回水也是直接流入存水水箱，然后由热水泵将存水水箱中的水送入一个高处的膨胀水箱。高处膨胀水箱出来的水进入一个集水器，然后进入溴化锂机组。经冷却后，水从溴化锂机组出来，回到模温机。存水水箱和膨胀水箱处分别设有一个液位传感器。存水水箱处设一个PLC(可编程控制器)和一个变频器，PLC根据存水水箱中的液位变化，通过变频器实现对热水泵转速的PID节能控制。该系统有两个不同大小的热水泵，可根据工作情况进行切换。在中央控制机房内，设一个PLC和一个触摸屏，触摸屏由PLC控制，该触摸屏提供友好的人机界面。在膨胀水箱处设一个PLC和一个补水阀，PLC根据池水水位变化来控制补水阀进行补水。三个PLC相隔较远，通过局域网实现相互之间的通讯。用户通过触摸屏实现对整个系统的控制。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种注塑车间的节能型冷却水循环系统，包括模温机、热水泵、冷却塔、冷水池及控制系统，其特征在于有两路管道系统，两路管道系统共用一个放在地面与大气相通的存水水箱和两个与存水水箱相连的热水泵；其中一路管道系统从所述热水泵经一个截止阀连接所述冷却塔和所述冷水池，并由所述冷水池直接接通所述模温机；另外一路管道系统从所述热水泵经另一个截止阀连接一个膨胀水箱后，经一个调节阀连接一个集水器以及溴化锂机组，然后连接所述模温机；所述模温机的出水口接通所述存水水箱。

上述控制系统结构如下：所述存水水箱和膨胀水箱处分别设有两个液位传感器，用来测量该两水箱液位。所述存水水箱处设一个可编程控制器PLC和一个变频器，PLC根据液位传感器测得的水箱中的液位变化，通过变频器控制热水泵转速，以实现对液位的增量式积分分离PID控制；该系统的两个不同大小的热水泵由PLC控制其切换；在中央控制机房内，配置一个PLC和一个触摸屏，触摸屏由PLC控制，该触摸屏提供友好的人机界面；在高处的所述膨胀水箱处设一个PLC和一个补水阀，该PLC根据膨胀水箱水位变化来控制补水阀；三个PLC相隔较远，通过局域网实现相互之间的通讯；用户通过触摸屏实现对整个系统的控制。

一种上述系统的运行方式，其特征在于有两种运行方式：在冬季，模温机回水直接流入一个放在地面的存水水箱，然后由热水泵将存水水箱中的水送入一个冷却塔，经冷却塔冷却后的水再通过管道送回到冷水池；在夏季，模温机的回水也是直接流入存水水箱，然后由热水泵将存水水箱中的水送入一个高处的膨胀水箱，从高处膨胀水箱出来的水进入一个集水器，然后进入溴化锂机组，经冷却后，水从溴化锂机组出来，回到模温机。

在上述运行方式中，采用增量式积分分离PID控制算法进行控制。

增量式积分分离PID控制算式为：

Δu(k)＝K_PΔe(k)+βK_Ie(k)+K_D[Δe(k)-Δe(k-1)]

其中，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)

式中  K——采样序号，k＝0，1，2…；

Δu(k)——控制增量；

K_P、K_I、K_D——分别为比例系数，积分系数，微分系数；

e(k)——第K次采样时刻输入的偏差值；

e(k-1)——第(k-1)次采样时刻输入的偏差值。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.由于去除了模温机的背压，压差增大，冷却水的流速加快，生产效率明显提高。

2.整个系统采用半开式设计，冷却水得到了循环利用，节约了水资源，符合可持续发展的要求。

3.整个系统智能化程度高，采用变频技术，利用PLC(可编程控制器)实现PID控制，有效地减少了能源消耗。而且在车间生产暂停期间，能自动停止水循环，在车间恢复生产时能重新工作，符合节能要求。

4.该系统有夏季和冬季两种运行方式，冬季的时候制冷(溴化锂机组)部分不工作，节约了能源。

5.通过局域网技术，主要的控制操作都可以通过触摸屏来完成。而且水箱的液位信息，以及各个环节的工作状态都显示在触摸屏上，方便操作人员进行监控。

6.触摸屏提供了友好的人机界面，方便用户控制。

7.该系统在建造时对其他系统影响小，可靠性强，风险小，新建冷却塔等设施不影响生产，因此不仅适用于新建的生产车间，也适用于对旧生产车间的改造。

附图说明

下面结合附图及实例进一步说明本发明：

图1冷水循环系统结构示意图

图2存水水箱的控制流程图

图3中央控制流程图

图4触摸屏页面转换流程图

图5膨胀水箱的控制流程图

具体实施方式

如附图1所示(图中实线为实际管道，虚线为控制线路)，本发明之注塑车间的节能型冷却水循环系统，包括模温机、热水泵、冷却塔、冷水池及控制系统，其特征在于有两路管道系统，两路管道系统共用一个放在地面与大气相通的存水水箱和两个与存水水箱相连的热水泵；其中一路管道系统从所述热水泵经一个截止阀连接所述冷却塔和所述冷水池，并由所述冷水池直接接通所述模温机；另外一路管道系统从所述热水泵经另一个截止阀连接一个膨胀水箱后，经一个调节阀连接一个集水器以及溴化锂机组，然后连接所述模温机；所述模温机的出水口接通所述存水水箱。它有两种运行方式：在冬季，模温机(16)回水直接流入一个地面的存水水箱(13)(存水水箱与大气相通)，然后由热水泵(12)将存水水箱中的水送入一个冷却塔(8)，经冷却塔冷却后的水再通过管道送回到冷水池(4)。在夏季，模温机(16)的回水也是直接流入存水水箱(13)，然后由热水泵(12)将存水水箱中的水送入一个高处的膨胀水箱(7)。高处膨胀水箱出来的水进入一个集水器(5)，然后进入溴化锂机组(17)。经冷却后，水从溴化锂机组出来，回到模温机(16)。存水水箱和膨胀水箱处分别设有一个液位传感器(9)(14)。存水水箱(13)处设一个可编程控制器PLC(11)和一个变频器(15)，PLC根据存水水箱中的液位变化，通过变频器实现对热水泵转速的PID节能控制。该系统有两个不同大小的热水泵，可根据工作情况进行切换。在中央控制机房内，设一个PLC(1)和一个触摸屏(2)，触摸屏由PLC控制，该触摸屏提供友好的人机界面。在高处的膨胀水箱(7)处设一个PLC(10)和一个补水阀(6)，PLC根据池水水位变化来控制补水阀。三个PLC相隔较远，通过局域网实现相互之间的通讯。用户通过触摸屏实现对整个系统的控制。

如附图2所示，存水水箱处可编程控制器PLC(11)的控制主要包括以下几个步骤，

A.程序初始化。

B.执行通讯程序。接受中央机房PLC(1)的控制指令，接受PLC(10)提供的膨胀水箱的各种状态数据，同时向中央机房PLC输送自身的各种工作状态数据。

C.检测存水水箱的液位H2。通过液位传感器(14)检测存水水箱的液位，液位值通过变送器转成4～20mA的模拟信号，传回PLC的A/D模块，经A/D转换后变为数字值，通过PLC软件滤波之后，最终得到液位值。

D.判断H2值是否小于设定的下限值。设定存水水箱的液位下限值是为了保护水泵，防止其在水位未达到水泵启动要求的情况下启动。若H2值小于设定的下限值，则输出报警信号，泵停止工作。若H2值大于设定的下限值，则程序往下执行。

E.判断H2值是否大于设定值1。设定值1是用户预先定义的水位值，是系统开始工作的临界值，略高于水位的稳定值(即设定值2)。若H2小于等于设定值1，则程序不往下执行，继续判断H2是否大于设定值1，此时泵没有开始工作。

F.若H2大于设定值1，系统自动启动水泵，根据变化的液位差进行变频调节。

系统采用增量式积分分离PID控制算法进行控制。

在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。但是，该项目中液位变化快，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使算得的频率值超过电机的最高频率，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡，这是我们所不允许的。引进积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。计算步骤如下：

①根据实际情况，人为确定一阀值ε。

②当|e(k)|＞ε时，也即偏差值|e(k)|比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。

③当|e(k)|≤ε时，也即偏差值|e(k)|比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。

写成计算公式，可在积分项乘一个系数β，当|e(k)|≤ε时，β＝1；当|e(k)|＞ε时，β＝0。

所以增量式积分分离PID控制算式为：

Δu(k)＝K_PΔe(k)+βK_Ie(k)+K_D[Δe(k)-Δe(k-1)]

其中，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)

式中  K——采样序号，k＝0，1，2…；

Δu(k)——控制增量；

K_P、K_I、K_D——分别为比例系数，积分系数，微分系数；

e(k)——第K次采样时刻输入的偏差值；

e(k-1)——第(k-1)次采样时刻输入的偏差值；

在PID控制过程中，若水位的偏差不断增大，水泵电机的频率也将升高，使水能够更快地从存水水箱中抽离出去。若水位偏差增大到一定值，则电机保持最大工作频率运行。反之，若水位偏差不断减少，水泵电机频率将随之降低。通过调整水泵电机的频率，使水位达到稳定值(设定值2)，即存水水箱中进水流量和出水流量相等。

G.判断电机的频率是否等于基频(存水水箱的水即将抽入膨胀水箱或冷却塔，而又未流出时的电机频率)。之所以做这个判断，是因为存水水箱处若停止进水，即没有回水进入存水水箱，则水泵电机逐渐降低并最终降到基频，存水水箱的液位此时处在略低于稳定值的地方，并由定时器t对电机维持基频的时间进行计时。

H.若水泵电机保持基频工作到一定时间，称之为泵基频工作时间(此时间按车间情况预先设定)，则泵停止工作，系统进入等待状态。此时系统继续对水位进行监测。此设计可以避免在车间注塑机未工作期间水泵继续工作，减少能源损耗。

I.当水位H2＞设定值2时，说明已经有回水进入存水水箱，车间注塑机已经在工作，水泵再次启动，并进行变频调速控制。

如附图3所示，中央机房处可编程控制器PLC(1)的控制主要包括以下几个步骤：

1.程序初始化

2.执行通讯程序。接受来自PLC(10)和PLC(11)的各种状态数据，同时也向它们输送各种控制指令。

3.输出各个指示灯信号。中央机房处的控制柜上设有多种状态指示灯，反映系统工作状态。

4.判断触摸屏是否位于参数设置页面。如果不是，则执行步骤5。如果是，则调用参数设置的相关程序。在参数设置页面，用户可以设定存水水箱和膨胀水箱的平衡液位值，以及泵基频工作时间等数据。

5.判断系统是处于冷却水状态(冬季)还是冷冻水状态(夏季)。系统有两种工作模式，夏季称为冷冻水状态，冬季称为冷却水状态。此两种状态可以通过中央机房的一个选择开关进行选择。判断了系统的工作模式之后，触摸屏便打开相对应的控制页面，PLC也进入相对应的程序。两种工作模式各有一套独立的控制页面，进入一种模式之后，另一模式的控制页面会同时被屏蔽。两个模式互不干扰。

6.输出各种控制量。用户在触摸屏上的操作，都被转换为PLC中的各个软元件的状态变化。然后PLC通过这些软元件的状态进行控制输出。

如附图4所示，触摸屏各页面设置如下：

触摸屏设在中央机房处，其所在的控制柜上设有一个转换开关，可以选择系统的工作模式，即冷却水状态(冬季)还是冷冻水状态(夏季)。系统启动后，就进入了相应的主页面。

冷冻水主页：页面上设有“控制页面”、“调整页面”、“参数设置”、“报警查阅”等按钮，按下这些按钮就可以进入相应的页面。

冷冻水控制页面1：页面上的控制按钮可以控制系统的启停。

冷冻水控制页面2：页面上可以监控泵的运行状态，膨胀水箱的补水状态。

冷冻水调整页面1：在该页面上用户可以手动控制泵的运行，调节泵的速度。

冷冻水调整页面2：在该页面上用户可以控制集水器和膨胀水箱的补水。

冷冻水参数设置页面：在参数设置页面，用户可以设定存水水箱和膨胀水箱的平衡液位值，以及泵基频工作时间等数据。

冷冻水报警查阅页面：该页面可查阅报警的具体项目，出问题的项目会闪烁提示，用户可以查知系统哪里出了问题。

在冷冻水的两个控制页面和冷冻水参数设置页面上，都有显示存水水箱和膨胀水箱的液位值，以及泵的频率和转速值，方便用户监控。各个页面上都有页面切换的快捷键，可以方便地在各个页面间切换。

冷却水主页：页面上设有“控制页面”、“参数设置”、“报警查阅”等按钮，按下这些按钮就可以进入相应的页面。

冷却水控制页面1：该页面上的控制按钮可以控制系统的启停。

冷却水控制页面2：该页面上用户可以监控泵的运行状态。

冷却水参数设置页面：在该页面，用户可以设定存水水箱的平衡液位值，以及泵基频工作时间等值。

冷却水报警查阅页面：该页面可查阅报警的具体项目，出问题的项目会闪烁提示，用户可以查知系统哪里出了问题。

在冷却水的两个控制页面和冷却水参数设置页面上，都有显示存水水箱和膨胀水箱的液位值，以及泵的频率和转速值，方便用户监控。各个页面上都有页面切换的快捷键，可以方便地在各个页面间切换。

如附图5所示，膨胀水箱处可编程控制器PLC(10)的控制主要包括以下几个步骤：

1.程序初始化

2.获取水位值。通过液位传感器(9)检测膨胀水箱的液位，液位值通过变送器转成4～20mA的模拟信号，传回PLC的A/D模块，经A/D转换后变为数字值，通过PLC软件滤波之后，最终得到液位值。

3.执行通讯程序。接受来自PLC(1)的控制指令，向PLC(1)和PLC(11)发送自身的各种状态数据。

判断水位值是否正常。若水位过高，则输出报警信号。水位值过低，则进行补水，同时输出故障信号。

Claims (4)

1.一种注塑车间的节能型冷却水循环系统，包括模温机(16)、热水泵(12)、冷却塔(8)、冷水池(4)及控制系统，其特征在于有两路管道系统，两路管道系统共用一个放在地面与大气相通的存水水箱(13)和两个与存水水箱(13)相连的热水泵(12)；其中一路管道系统从所述热水泵(12)经一个截止阀连接所述冷却塔(8)和所述冷水池(4)，并由所述冷水池(4)直接接通所述模温机(16)；另外一路管道系统从所述热水泵(12)经另一个截止阀连接一个膨胀水箱(7)后，经一个调节阀连接一个集水器(5)以及溴化锂机组(17)，然后连接所述模温机(16)；所述模温机(16)的出水口接通所述存水水箱(13)。

2.如权利要求1所述注塑车间的节能型冷却水循环系统，其特征在于所述控制系统结构如下：所述存水水箱(13)和膨胀水箱(7)处分别设有液位传感器(14)和液位传感器(9)，用来测量该两水箱液位；所述存水水箱(13)处设一个可编程控制器PLC(11)和一个变频器(15)，PLC根据液位传感器测得的水箱中的液位变化，通过变频器控制热水泵转速，以实现对液位的增量式积分分离PID控制；该系统的两个不同大小的热水泵(12)由PLC(11)控制其切换；在中央控制机房内，配置一个PLC(1)和一个触摸屏(2)，触摸屏(2)由PLC(1)控制，该触摸屏(2)提供友好的人机界面；在高处的所述膨胀水箱(7)处设一个PLC(10)和一个补水阀(6)，该PLC(10)根据膨胀水箱(9)水位变化来控制补水阀(6)；三个PLC(11，10，1)相隔较远，通过局域网实现相互之间的通讯；用户通过触摸屏(2)实现对整个系统的控制。

3.一种如权利要求1所述注塑车间的节能型冷却水循环系统的运行方式，其特征在于有两种运行方式：在冬季，模温机(16)回水直接流入一个放在地面的存水水箱(13)，然后由热水泵(12)将存水水箱中的水送入一个冷却塔(8)，经冷却塔冷却后的水再通过管道送回到冷水池(4)；在夏季，模温机(16)的回水也是直接流入存水水箱(13)，然后由热水泵(12)将存水水箱中的水送入一个高处的膨胀水箱(7)，从高处膨胀水箱出来的水进入一个集水器(5)，然后进入溴化锂机组(17)，经冷却后，水从溴化锂机组出来，回到模温机(16)。

4.如权利要求3所述注塑车间的节能型冷却水循环系统的运行方式，其特征在于采用增量式积分分离PID控制算法进行控制，增量式积分分离PID控制算式为：

Δu(k)＝K_PΔe(k)+βK_Ie(k)+K_D[Δe(k)-Δe(k-1)]

其中，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)

式中K——采样序号，k＝0，1，2…；

Δu(k)——控制增量；

K_P、K_I、K_D——分别为比例系数，积分系数，微分系数；

e(k)——第K次采样时刻输入的偏差值；

e(k-1)——第(k-1)次采样时刻输入的偏差值。

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