家具工业除尘风机工况自动控制系统的研制.pdf

生 产 与 应 用 而 鬲 林 产 工 业 家具工业除尘风机 工况 自动控 制 系统 的研制 汪向华 周捍 东 Th e De v e l o p me n t o f Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m of Du s t Co l l e c t i ng Fa n s Op e r a t i n g Co n di t i o n i n Fu r ni t u r e I n d us t r y W ANG Xi a n g h u a ZHOU Ha n - d o n g C o l l e g e o f Wo o d S c i e n c e Te c h n o l o g y ，Na n j i n g F o r e s t r y Un i v e r s i t y 。Na n j i n g 2 1 0 0 3 7 ， Ch i n a 中图分类号 T S 6 6 4 文献标识 码 B 文章编号 1 0 0 1 5 2 9 9 2 0 o 6 O 6 ～0 o 5 7 一O 4 我 国是世界家具生产和出口大国。我国家具工业 皮 口 何适应世界经济全球化， 如何提高这一传统行业的 国际和国内市场竞争力， 是当前迫切需要系统思考和 研究的课题。无论何种经营理念， 在众多提高企业产 品的竞争力途径中， 节能降耗无疑是降低 当前 生产成 本的有效途径 之一， 即降低 能耗就是提升 国际竞争 力 。 然而 ， 在能耗方面 ， 我国单位工业产值 的综合能耗 与世界发达 国家相 比较存在较大 的差距。据资料表 明 中国单位工业 GD P的综合能耗是世界平均水平的 3 ． 1 倍 ， 是 日本的 9倍_ 1 0 ] 。而生产单位产 品的能耗 比 国外高出 5 0 至 1 0 0 _ 2 l 。因此， 对于家具工业而言， 节能降耗势在必行 ， 且有很大潜力。 笔者根据当前我国家具工业除尘系统电能利用现 状 ， 在分析造成这一能耗的原因基础上， 针对造成高能 耗 的主要因素， 以及普遍存 在的除尘系统风机工况调 节 问题， 通过几种常用调节方法的比较 ， 介绍针对家具 工业除尘系统的节能而研制和开发的除尘风机 自动变 工况调节系统 。 1 家具除尘能源利用现状 除尘装置广泛地应用在地板、 家具的加工企业 ， 为 解决生产过程中木碎料的收集和改善车间生产作业环 境等方面发挥着不可替代的重要作用， 同时也是家具 生产 的主要耗 电设备_ 3 ] 。但是 ， 除尘系统 较高 的电能 消耗已成为生产成本 中不可忽视的因素。 汪 向华 ，硕士 ，讲师，南京林业大学木材工业学 院，南京2 1 0 0 3 7 周捍东 ，通讯地址同第一作者 收稿 日期 2 0 0 6 0 9 1 0 据初步统计 除尘系统风机的装机容量约为家具 车间加工设备 的总装 机容量 的 1 8 ． 2 ～ 2 6 ． 7 [ 。 一 方面 ， 在产品生产的直接能耗中， 除尘系统的电能消 耗 占相当高的比重 。另一方面， 就 目前家具制造业的 除尘电能利用效率而言， 因除尘装置的风机的使用及 其工况调节等问题致使其运行效率低， 存在着电能浪 费的严重现象 。 家具产品不同于其他工业化生产 的制品， 具有产 品种类与结构类型多和批量化 的特点 ， 因此结构不同 的每一批次的家具需要根据其结构、 用材、 批量等 ， 在 现有的生产车间内重新制定生产工艺和流程。这就使 得车间内一部分生产设备不参与加工而无需吸尘。为 降低除尘系统的电能消耗 ， 实际生产 中普遍采用节流 的方式 ， 即由操作工手工关闭阀门， 以期减少风机的风 量和电能消耗 。从风机实际能耗而言 ， 这种方法并没 有减少其实际的电能消耗 ， 有时相反却是增加了。 目前 ， 家具制造企业普遍采用这一除尘风量的调 节方法， 造成 电能的不同程度的浪费， 大型的实木家具 的除尘系统更为严重。对于大型家具车间， 除尘系统 服务的机床设备多， 而机床 的开停状态 由产品类型与 结构、 批量 、 各类机床配置及其产能 、 生产组织等 因素 决定 。一般 实 木家 具生 产 车 间机床 正 常开 机率 在 7 0 ～9 0 ， 一些企业局部工段 因产品供货期短 、 或部 件合格率需要加班 等， 使得这一开 机率仅为 3 0 ～ 4 0 。由此可见 仅依靠 阀门的关 闭来控制风机的风 量以期降低其电能消耗， 其实已造成电能的浪费。 因此 ， 针对家具车间除尘系统吸尘负荷 风量的要 求 变化的特点， 采用合理的风量调节方法和 自动风机 工况调节系统可使除尘系统在满足车间除尘的要求前 家具工业除尘风机工况自动控制系统的研制汪向华周捍东 ‘5 7。 维普资讯 生 产 与 应 用 面 丽 林 产 工 业 提下 ， 根据需要实时地 自动调节风机输 出的风量和风 压 ， 具有巨大的节能潜力。 2 风机工况调节方式的比较 适合于除尘风机工况调节的主要方法有主管阀门 节流和叶轮变速两种。由于节流法结构简单和对这一 方法实际调节效果存在一定 的错误认识 ， 因此生产中 普遍采用风机进风管或出风管上加装阀门的方式来控 制风机的风量。这是控制风量 的有效技术手段 ， 但是 从风机的节能角度来看， 却不经济。 2 ． 1 阀门节流法 图 1中所示为节流调节的实例。某一除尘系统实 际需要的气流量由 QA减小到 QR 时， 关闭管路上的阀 门增大阻力系数改变其 阻力特性 ， 即由管路特性 曲线 P 变为 P 。 。风机的工作点沿着风机特性曲线 F从工 作点 A移动到 B。风机的风量确实由 Q A减小为 Q R ， 此时 ， 风机所提供的风压却由 H 上升到 He 。若不采 用阀门节 流， 按原有 的管路系统特性 曲线 P ， 对应于 风量 QB的阻力仅为 Hc 。显然 ， 压差 He Hc是用于 克服气流消耗在阀门上的阻力 △H。即 △H HB 邑 匮 图 1 阀门节流 原理 2 ． 2 变速调节法 改变叶轮转速是通过改变风机特性 曲线而管路特 性不变的方法调整风机的工作点 ， 是最为有效 、 合理和 经济的方法 。同样以上述系统的气流量变化 的要求为 例。当气流量 Q由Q 减小到 QB 时 ， 按照管路的 Q H 阻力特性 ， 其 阻力 H 则相应地 由 HA减小到 Hc 。 这时系统只需要风机相应地提供在数值上分别为 Hc 和 QB的风压和风量 的气流 。根据风机转速 与其风 量和风压的关系， 即 笼 一 和 篆 一 囊 就可确定此时满足系统气流量与风压要求相应叶 轮的转速 z 。 根据气流量的变化 ， 通过实时地改变风机叶轮 的 转速 ， 就可满足系统对风机风量和风压的要求， 即风机 5 8 仅提供系统正常工作所需要的气流量和风压 ， 体现了 “ 按需即供” 的特点 ， 在风机的电能消耗上无任何浪费， 且实际风机所需 的功率 N 按 N ／ N 一 { ／ n i关系大 大地降低 。故变速调节是一种十分经济的调节方法。 此外 ， 变速调节还具有可以降低风机噪声 ， 减轻风机叶 轮的磨损， 延长叶轮的使用寿命等优点。 与变速调节相 比较 ， 虽然 ， 阀门节 流法可根据系 统需要的气 流量 的大 小进行调节 ， 但此 法是 以额 外 消耗风机 的压力 为代 价来实现 的。此 时， 系统虽 然 能正常运行 ， 风量 按照需要相 应地减 小了。但风 机 实际的电能利用 率并不高 ， 原 因是其 中一部分 电能 消耗在阀门的阻力上 。这部分能耗量主要取决于风 量变化量 。 3 变速自动控制系统的研制 3 ． 1 调速方案的确定 除尘系统的工作要求能在其许可运行转速的范围 内进行无级 、 连续调节。 与常用调速方法 如液力耦合器 、 电磁滑差调速电 机 、 双速电机、 晶闸管串级调速装置 相比较 ， 变频调速 还具有以下优点 1 可实现平滑 、 连续 的无级调速 ， 且调速范 围 宽。对于交流 电动机 ， 转速与频率成正 比， 控制电动机 的供电频率就可获得相应的电动机的转速 ， 因而采用 变频方法就可实现对 鼠笼式三相异步电动机的无级变 速。调速范围大 ， 即电机可在 0 ～1 0 0 9 ／ 6 频率转速下运 行。 2 调节效果好 ， 调节损失小， 效率高。与其他调 节方法和调速技术相 比， 因不存在励磁滑差损耗 、 转差 损耗或摩擦等损失 ， 也无阀门节流等能量损耗。即使 调速在 同步转速的 3 0 以上 ， 变频调速装置本身的效 率仍不低于 9 0 。故变频调速本身具有高效节能 的 特点 。 3 变频技术成熟 ， 造价适 中。鉴于变频调速 的 以上特点， 本研究从调节效率、 综合节能效果和装置投 入等出发， 采用 目前技术成熟、 成本适中的变频调速技 术。尽管变频调速装置在初期投入上略高于机械式无 级变速， 但与节 能效果相 比较 ， 这 一成本则是微不足 道 。 3 ． 2 组成与原理 为了发挥变速这一实时调节方式 的特点 ， 提高变 速调节的效率和精度， 笔者介绍所研制和开发的除尘 风机工况 自动控 制 系统 主要 由硬 件 压力 传感 器、 P L C、 变频器、 工控机 和控制程序两部分组成 。其控 制系统构成如图 2 所示 。 林产工、 止2 0 0 6 年第 3 3卷第 6 期 k ㈣ ㈣ ㈣ 。 j 4 3 3 2 2 l l 维普资讯 生 产 与 应 用 面 而 亍 i 林 产 工 业 图 2 变速调节 自动控制系统构成 其工作 的基本原理是 当机床停机 ， 操作工将相 应 的吸尘 的支管 阀门关 闭。由于支管的关 闭使得 管 网系统的阻力 特性 改变 了。以系统 全负荷 为参照 ， 任何管网中的支管开启状态均会反映在主管内的气 流压力上 。因此， 通过安装在主管道上的 GC 1 1 5 1 型 压力传感器测量管道内实际的气流压力。依据已建立 的已知管路 系统 的“ 流量 一 阻力特性模 型” ， 由系统 卫 L C自动判断 当前 除尘所 需要的气流量 。根据 当前 系统的风量和压力要求， 由系统根据已建立的风机不 问转速下的“ 风量一压力模型” ， 确定风机叶轮所需的 转速。即压力传感器将所测信号以模拟量形式输入， 经 A／ D转换后与 P L C中的管路的风量与阻力特性模 型和给定压力比较， 再经 D ／ A转换变成模拟量输出信 号， 控制变频器调节风机转速， 从而达到控制总管气压 的目的。 3 ． 3 控制系统的设计 为使该控制 系统运行可靠 、 抗 干扰强、 操作简单 ， 为此， 本控制 系统采用 C P M2 AH 型可编程序控制器 与下位机 S AMC OVM0 5变频器 和上位机 工控 机 的控制结构。 按照除尘系统实际运行 的调节特点 ， 控制系统 的 程序设计采用 P L C编程方法 ， 以管内气流压力的模拟 匿的输出， 对叶轮转 速的变 化实现 P I D控制 ， 达到风 机输 出量的控制。所编制的变速调节 自动控制系统的 控制流程和“ 除尘变速调节 自动控制系统控制监测界 面” 分别见图 3和图 4 。 1 自动调节功能通过该系统及其控制界面 ， 可实现对除尘风机及管道系统工作状态与参数的以下 控制和调节功能 根据管路特性的“ 静压力一流量” 模型和除尘系统 的节能要求 ， 实现对风机风量及压力的实时调节。 2 参数在线监测 、 显示与记录 本系统利用 网 络平台实 现就地控制 和远程监 控 以及 自动／ 手动互 相切换两种工作方 式 ， 通过界 面可监测 和显示气 流 的压力 、 流量等参 数 ， 可 检测显 示管道构件 的阻 力、 电机的频率 、 风机转 速 、 电流 、 电压 和功率 。可 采用 远程控制进行监控和参数设定和无人值守的数据记 录功能。 家具工业除尘风机工况自动控制系统的研制汪向华周捍东 图 3 变速调节 自动控制系统程序流程图 图 4 变速调节 自动控制系统监控界 面 3 工作状态监控与调整功能由P L C程序控制的 动作顺序， 控制 系统 的开机动作顺序， 并显示其工作状 态。该系统还具备叶轮转速报警功能 ， 即当该系统运算 的结果超过风机运行转速的上下界限时， 自动报警提示。 4 扩展功能 工控 机还具有功能扩展 ， 以增加 对分离装置或除尘器 阻力、 粉尘尾气排放浓度等在线 检测功能 。 该控制系统运行 的程序 软件 需要 以下模型的支 持 管路的“ 气流量一 阻力模型” 、 风机“ 特性一转速模 型” 。上述两个模型需要根据每个除尘管路系统 和风 机建立 ， 不在此赘述 。 4 试验与效果 该系统装 置在南林大气力输送与除尘实验室 的 下转第 6 9页 维普资讯 4 8 h和 7 2 h后， 以鉴定其过敏物质。图 2中的V、 Ⅵ与Ⅷ分别为 不同的抽出物组分。试验结果分为无反应 O O 、 轻微红斑 一O ． 5 、 限于试验 面积 上明显 红斑 一1 、 明显红 斑连在 一 起有扩大一2 、 严重红斑发展到试验面积以外并有扩大 一3 和刺激症状 I R 与未测试 N T 等 7种状况 。 图 2 动物过敏 试验 5 ． 2 改善生产环境 6 O年代初， 由于机械加工水平较低 ， 很多机械设备的通风 排尘装置不完善， 导致粉尘污染严重。近年来， 人 f ] J J U 强了环 保意识， 机械设备水平也有所提高， 通风除尘效果E l 趋改善。 规模大的木材加工厂的通风除尘设备较为齐全， 生产环境 较好。但木材J J IJ I i t l 作坊的环境较差， 操作人员受到粉尘的困 扰， 健康受到影响。因此必须重视生产环境的改善。 砂光机、 抛光机、 圆锯、 带锯和其他机械及工作场地最重要 的预防措施是使用排风机。排风机处设有汽水分离装置， 如空 气中的粉尘被水润湿后， 可防止粉尘飞扬。 5 ． 3 加强生产人员的预防措施 一 般条件下 ， 木材加工工人的应采取预防措施 ①防护服和隔离服。如防护长袖衣服、 高衣领、 长防护手 套 橡胶手套 ， 以及防护面具， 防止刺激性和敏感的粉尘； ②隔离乳。隔离乳的目的是防止有害的物质接触到皮肤， 所以在工作之前先抹上， 象一个“ 看不见的手套” ， 防止皮炎的 危害 ； ③操作人员的教育。尽可能避免直接接触已知的具有刺 激和敏感性的粉尘。对于个别工人， 应劝阻使用汽油、 松节油、 稀释剂、 有机溶剂和苛性肥皂除去污垢 ， 以免对皮肤过度的刺 激 ， 导致过 敏 ； ④应避免有过敏反应的工人在粉尘较多的环境下工作； ⑤使用一些喷雾的抗组氨剂， 可对粉尘刺激有疗效。 6 结束语 综上所述 ， 木材在机械 加工过程 中， 操作 人员 由于 直接接 触或吸入木材粉尘， 造成 了对人体健康 的危害。但只要重视 木材加工厂的排风与除尘， 改善生产环境， 加强生产工人的预 防措施， 上述危害可降到最低程度。至于加 工后的产 品， 由 于其有害化学成分在室温条件下不会释放， 也就不会造成对 人体健康的危害， 因此人们完全可以放心使用各 种木材 制 品 。 责任编辑韦亚红 业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业 业业业 业 上接 第 5 9页 “ 除尘系统综合性能试验 台” 中， 用来 调节 MQS 5 5 4 1 1 N o 5 C风机的工况。 为了使风机既得到实时控制 ， 又避免因调节过快 而产生抖动现象 ， 破坏整个系统的稳定性 因电机具有 转动惯性 ， 故本研究系统调试中， 针对 P I D控制程序 中由理论计算而设定的参数， 进行了反复试验 ， 最终确 定了最佳数值。 除尘系统经调试后 实际运 行测试 的数据和节能 效果表明 该 控制 系统均达 到预期 的设计要 求。能 够实时随气流量变 化相应 自动 调整风机 的转速 ， 实 际风机输出风量可在 0 ～1 0 0 范 围内进行调整 。系 统工作可靠 、 运行稳 定、 转速随气流量变化 的动作响 应适 中。针对 风机 的实际 电耗 测试表 明 实 际功率 消耗 N与其输出风量 Q呈三次方关系， 并得到试验 公式 3 。 5结论 1 所研制开发的除尘风机工况 自动调节技术与 装置能随吸尘所需气流量 的变化 ， 实时地 自动调节运 行工况。克服 了普遍采用 阀门节流调节能耗 高的缺 点 ， 实现了风机输 出参数的“ 即需即供” 和 电能的有效 利用， 节能效果极为显著。 2 鉴于我国家具工业除尘装置电能利用现状及 其生产的特点， 本系统十分适用于家具车间除尘装置 ， 也是当前家具除尘装置节能的最为有效的途径 。 工业生产环境 的粉尘治理与节能是 当前我国节约 型社会为家具工业的和谐发展提出的新命题 。笔者认 为 鉴于家具工业 的现状 ， 除尘装 置节能降耗势在必 行 ， 且具有巨大的潜力 。该系统 的推广应用将对家具 工业逐步实现清洁生产和节约型工业起到积极的推动 作用。 N K 3 6 ．， ． 1 式 中 N 风机的实耗功率， k w； 9 N0 风机空载功率 ， k w ； K 管路系统 的综合阻力系数 ， 无 量纲 。K值是 由气流管路 3 结构阻力特征 包含 阀门开启状态 所决定； Q一为管路实际气流量 ， m3 ／ h 。 木材对人体健康的保健功效和危害 3 陆熙娴龙玲王恺 参考文献 黄小勇 ， 降低 能耗就是提升国际竞争力 I N] ， 深圳商报 ， 2 0 0 5 ， 1 0 ， 2 4 ． 李 晓明， 节能创造财 富的新钱 源 一节能永 恒的主 题[ J 1 ． 中国投资 ， 2 0 0 4， 1 0 ． 周捍东， 我 国木材工业粉尘污 染的控制 现状与 进展 [ J ] ． 林 产工业 ， 2 0 0 2 ， 6 ． 责任编辑李永康 丁美蓉 。6 9。 维普资讯