潜力无限的控制技术

经济且具有创新性的气动自动化解决方案

作者:Wolfgang Rieger 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:52 发布时间:2018-05-18
在市政水资源管理中,设计师们常常根据自己对某一技术的信任程度,进行市政水资源设备的规划设计,这就导致在新建项目和老旧设施的更新改造中,仍然广泛使用电力驱动技术,基于气动技术驱动的自动化解决方案在技术和经济性方面,都是非常有前景的替代解决方案。
潜力无限的控制技术

为工业阀门选择合适的驱动系统常常是项目工艺设计师和运营商们的一大难题。为了充分比较气动和电动驱动技术的优劣,就需要对所考虑的系统加以界定。阀门不是系统的一个组成部分,它与所选择的驱动技术方案无关。在自动化金字塔顶端的是现场总线接口,而能源供应是系统相对次要的要素。

气动驱动系统在能效方面有着很强的竞争力

气动驱动的自动化系统

图1所示是气动驱动与核心元件阀块组成的自动化驱动系统结构示意图。根据设备的规模,自动化系统可以是一个PLS过程控制系统,也可以是可视化PLC可编程序控制器层次以及现场总线层次的控制系统。PLS和PLC可编程序控制系统通过以太网连接,PLC可编程序和现场总线仪器设备,可以通过平行的数据传输或者(串行)现场总线进行连接。今天,现代化的自动化解决方案利用现场总线系统实现通信,这种现场级通信也适用于与PLC可编程序控制器相连接的阀门、泵、通风机或者检测仪表,也可以简单地通过企业内部网络实现跨生产厂的通信。

通常情况下,分散式和应用日渐广泛的模块化结构,是从中央控制系统到PLC可编程序控制系统直至现场层次的信息通信结构方式。Festo公司用自己集成和独立的气动阀块迎合了这一发展趋势。

气动控制阀块是连接气动驱动阀门和终点开关,检测仪表和控制、过程控制层的纽带。确定阀块现场安装位置的原则有两个:尽可能靠近阀门,并有着尽可能短的气控回路(软管和电缆),由阀块控制的集成式阀组。

阀块中包括气动部分MPA和电动部分CPX-端子两大部分。这两部分都可以与许多部件、模块灵活地配置在一起使用。在电气系统中,它提供了数字式和模拟式两种输入输出模块。其气动部分有不同的电磁阀功能和流量控制功能,模块化的结构保证了与自来水或者污水净化处理设备的性能匹配,以构建最佳的设备配置方案。

这种自动化解决方案的优点是:

•安装时可节约大量资金;

•更好的透明度;

•接口较少的集成式解决方案;

•快速的调试和故障排除;

•可以在阀块上集成执行器;

•易于扩展。

气动执行机构利用空气压缩机产生的压缩空气进行工作,而压缩空气机组离不开干燥器和存储压缩空气的压力罐。作为第二种能源形式,压缩空气易于处理,并在电力故障时方便地存储起来。

电力驱动结构

图2所示的是电力驱动的自动化气动控制机构示意图,电力驱动系统的能源供给更加容易。电力驱动通常是通过3相400 V电缆来传递和接收能量,控制信号由现场总线电缆来输送。为此,电力驱动应与配备了现场总线接口的集成控制器配套使用。在电器柜中,应安全接线端子和熔断器以保证输电,在成本比较时常常忽略这一部分的费用。

图1气动驱动和阀块为核心元件的气动自动化驱动系统结构

在这两种系统的完整性比较时,现场层的因素需要被考虑,也就是对驱动方式的细节进行比较。即可以从物理-技术的标准或者实践标准(可靠性、操作性、安全性、错误检测和排除等)方面进行比较。比较仅限于投资和运营成本,因为除了技术要求之外,使用操作成本和费用通常都是决定性的重要标准。

成本费用

TCO总拥有成本原则提供了一种费用比较的评判方法:它考虑了设备运营和整个使用生命周期内的所有费用,并成为采购决策的基础。总拥有成本的高低仅部分由所选用的驱动技术解决方案来决定。

某市政自来水厂新建过滤系统成本费用的比较就是个很好的例子。这套过滤设备已经投产使用3年,使用的是Festo公司的气动自动化解决方案。它有7个多层过滤器,7个活性炭过滤器和84个公称直径200~600 mm的自动化阀门,其中35个是可调节的。

投资费用

在采购和安装阶段考虑了下列费用因素:

•驱动器和附件;

•控制器组件以及现场总线接口;

•电源组件(气动执行器:带有干燥器和蓄能器的压缩机;电动执行器:用于动力传输和熔断器的控制柜元件);

•装配和调试。

采购成本取决于Festo公司产品目录和市场供应商的价格。采用气动系统的投资大约222 000欧元,电力驱动系统的投资大约310 000欧元。相比较气动解决方案就有28%的价格优势。

图2 电力驱动自动化驱动系统结构

运营成本

能效和节能可能性是当前讨论关注的焦点,而压缩空气始终有着价格昂贵的劣势。事实上,从能源利用效率的角度来看,现代压缩空气系统完全是有竞争力的。
在这两种驱动技术解决方案比较之中,一方面可以在输出功率/可用功率方面,另一方面也可以从实践中所需的电力成本方面进行比较。自动化压缩空气设备的效率为42%。电力驱动系统的所需的电力能源可以按照下述公式计算:P= U·I·cosφ·√3来计算。

相应的数据以及额定功率输出可以在制造商的文档中找到。对于电力驱动的系统来说,所述示例设备的可用功率与吸收功率之比大约为40%,而厂商感兴趣和最有评估分析价值的则是两种驱动系统所需电力的费用高低。

能源费用的比较

通过一个简单的方法就可以计算出压缩空气的成本:阀门的数量和每次驱动阀门所需的压缩空气消耗量,这些数据相乘得到的就是每天所需的压缩空气总量。

今天的压缩空气成本范围在1.5ct/Nm3(最佳)和10ct/Nm3(老式螺杆压缩机)之间。压缩空气的平均成本为2ct/Nm3(数据来源于EnEffAH-驱动和处理技术领域的生产中的能源效率,2012年EnEffAH项目联盟,www.eneffah.de)。这一成本数据包括了固定成本(购置、折旧、利息和占用的场地空间成本)以及可变成本(能源消耗、维护和修理)。

每年的能源成本计算如下:压缩空气需求/天×压缩空气成本/ Nm3×365天。对于上述的水务工程来讲,压缩空气生产的能源成本约为104欧元/年。

时间,电力驱动的总成本约为每年146欧元。

对于一家自来水厂来讲,两种驱动系统能源成本方面的差异微不足道。但这一结果说明气动驱动系统在能源效率方面具有强大竞争力。

图3 MSE6-E2M节能模块可以在不使用压缩空气时切断空压机的电源

无限的节能潜力

今天,压缩空气的节能潜力还没有充分挖掘出来。通过使用能效模块MSE6E2M,简称为E2M模块(如图3),可以把节能变成更加简单。在集成了压力和流量检测传感器之后,这一模块能够自动监控和减少设备的压缩空气消耗量。

这一模块设备没有使用压缩空气时会自动切断空气压缩机的电源。在切断电源后,这一模块会检验系统的密封性。当系统的压力下降过大时,会向控制系统发出信息。自动捡漏功能可以有针对性地进行系统、设备维护保养,并持续监测压缩空气的消耗量,这也提高了控制过程的可靠性。

Festo公司研发生产的数字控制终端(Festo Motion Terminal)还提供了更多的优化改进可能性。例如,现在已有的自动化技术设备可以通过数字化而呈现全新的面貌。通过数字化控制终端将硬件和软件功能的分离,开创了全新的气动技术使用灵活性。这种标准化的硬件和个性化应用软件的相互结合,只需要一个硬件就可以实现全部功能,简化了整个价值增值链,硬件的个别功能都可以通过App软件来实现。

App应用程序开始销售时,用户就可以得到10个有用的功能,从简单的换向阀功能改变到节能的运动方式控制,例如运动时间预设、可选的压力高低和ECO节能运行等。

结语

计算结果表明,本例气动驱动系统的初始成本明显较高,但后续的使用运行费用较低。对于所有考察到的过滤设备来说,气动自动化解决方案都是最有利的,因为它在很长一段时间内其总成本明显更低。在气动新产品的帮助下,气动驱动系统还有进一步优化改进的可能性,气动装置是整体高效和面向未来的驱动解决方案。 

  • 2018ACHEMA阿赫玛展会

    2018ACHEMA阿赫玛展会

    时间:2018-05-17

    地点:德国法兰克福

    德国国际化学工程、环境维护和生物技能展ACHEMA,中文简称“阿赫玛展”,由德国德西玛化工与生物技能协会主办,每三年一届。自1920年举行首届以来,至今已经成功举行了31届。阿赫玛展已经走过96年的辉煌前史,是毫无争议的被业界认可的国际流程工业的顶尖论坛,是化学工业、环境维护和生物技能范畴规划最大,最具影响力的专业展会。 [详细]

  • 2018中国国际流体机械展览会

    2018中国国际流体机械展览会

    时间:2018-08-07

    地点:上海世博展览馆

    为充分展示流体机械行业改革、创新的最新成果,开拓国内外市场,有效推动流体机械国内外、供需间、产学研的交流与合作,扩大优秀企业和优质产品宣传,中国通用机械工业协会在已成功举办前八届“中国国际流体机械展览会”的基础上,定于2018年10月26日—28日在上海世博展览馆举办“2018第九届中国(上海)国际流体机械展览会(IFME)”。本届展会的主题为“绿色节能 创新发展”。 [详细]

  • 智能制造@流程工业

    智能制造@流程工业

    时间:2017-07-24

    全面调研报道中国流程工业智能制造现状和趋势,展示智能制造领先的技术、产品和全厂解决方案,分享企业的智能制造建设经验。 [详细]

  • 全球化工行业回顾与展望

    全球化工行业回顾与展望

    时间:2018-02-09

    回顾2017年全球化工行业大事、市场动态及技术产品,展望未来3年的行业发展趋势! [详细]

  • 李树德:生物制药的质量体系

    李树德:生物制药的质量体系

  • 2018流程工业设备维护与检测高峰论坛

    2018流程工业设备维护与检测高峰论坛

    时间:2018-03-08

    地点:北京·中国国际展览中心(新馆)

    PROCESS流程工业将于2018年3月28日,cippe(第18届中国国际石油石化技术装备展览会)期间举办“第三届流程工业设备维护与检测技术论坛”。本论坛围绕目前企业普遍关心设备智能化管理,设备可靠性管理,全寿命周期管理和预知性维护管理等主题开展。为行业提供一个良好的学习交流平台。为参会者提供权威的指导,专业有效的咨询服务。 [详细]