克利夫兰有一片雨林

在幕后，大量的控制工程用于在伊利湖附近创建和维护热带雨林，距离加拿大边境仅40英里。这是克利夫兰(俄亥俄州)城市公园的壮举，这是一家娱乐权威机构，在这个中西部城市周围提供了一个“翡翠项链”，包括林地、高尔夫球场、远足径和其他景点，以其世界级的管弦乐队和摇滚名人堂而闻名。如果没有最先进的暖通空调技术，这个位于克利夫兰大都会公园动物园综合体内的独特热带栖息地可能会存在，至少不会存在太久!

克利夫兰都市公园动物园的热带雨林中有两英亩的植物和野生动物，与世界各地的热带雨林相似。每年，有超过一百万的游客来到这个两层的圆顶模拟生物圈，体验在中美洲、非洲或亚洲的热带地区漫步的感觉。游客可以在自然环境中看到大约600种动物，包括鸟类、猴子、爬行动物和在泻湖、沼泽和温暖的河流中出没的五颜六色的鱼。

里面很脆弱，外面很粗糙

尽管五大湖的温度和湿度波动很大，冬季“阿尔伯塔快船”风暴可以迅速将温度降至冰点以下，夏季阳光普照的日子可以达到90华氏度，但热带雨林的游客和居民却能享受到几乎恒定的76华氏度和76%的湿度。强大的暖通空调系统已经发展成为将系统可靠性提高100%的组件，保护了价值3000万美元的克利夫兰雨林，也提醒人们如果没有过度开发的保护，就会失去什么。

位于俄亥俄州克利夫兰和哥伦布的直接空气系统公司与位于克利夫兰的机电运动控制专家Zesco合作，为雨林提供暖通空调服务。雨林有两个空气处理装置，可以携带100%的外部空气。为了为工厂提供并保持最佳的环境条件，Direct Air Systems为机组安装了SEMCO能源轮系统，其中一个的吞吐量为60,000 cfm，主要用于冷却;而另一个机组，额定40000 cfm，配备预热器和加湿器架。两个单位并排10英尺直径，1000磅干燥剂热轮。这些装置每天可以节约18000磅的水，每隔2.5小时将热带雨林中陈旧的废气中的水分转移到干燥的进入气流中。

干燥剂材料(一种干燥剂)粘在热轮的表面，收集通过其下部的空气中的水分和气味。然后空气通过轮子的上部从建筑物中排出。轮子每分钟旋转7到18次，这取决于湿度水平。新鲜空气，被称为“过程空气”，被吸入空气处理器的底部，并通过车轮过滤器。

车轮的缓慢旋转和车轮的质量和干燥剂表面转移了从内部收集的一部分热量和水分，从而缓和了新鲜空气的温度和湿度。加热器，必要时，加热空气，然后再进入雨林宽敞的内部，它有超过60个温度区，包括办公室，自助餐厅和礼品店。

内置空气处理装置

空气处理设备通常安装在屋顶并暴露在空气中，而服务于热带雨林的设备则被安装在设施中，以保持设备的效率，否则在克利夫兰温暖的夏天和寒冷的冬天就会失去效率。

选择了简便高效的干燥剂工艺。得出的结论是，锅炉、z型管道、热管或其他方法都无法与热轮提供的85%的效率相比。此外，热轮操作简单，增加了可靠性和易于维护。事实在一定程度上证明了这一点。虽然这项技术本应完美无缺，但一个恼人的问题出现了。

最初，每个车轮由一条定制的31英尺长的皮带驱动，由额定转速为1,750转/分钟的1马力交流电动机和一个机械变速箱提供5:1减速。在安装时，这是一种相当常见的配置。然而，雨林的机械齿轮箱开始以惊人的速度失效。每年必须更换一个变速箱。没有可识别的模式指向一个特定的车轮和变速箱的安排。

最终确定了困难:转速太慢，齿轮箱的飞溅润滑系统无法正常接合。其结果是，零件没有得到适当的润滑，并过早磨损。

解决方案之路

由于在安装热轮时变速箱是典型的，所以这个问题最初并没有被视为设备选择的问题之一，而是被视为应用问题。每个热轮安装是定制的，并有自己的一套动态。

可能的解决方案包括:继续更换失效的变速箱(既昂贵又不可预测);使用润滑方式不同的变速箱;为雨林制作定制的变速箱。这些选择被认为对600只外来动物来说风险太大。

Direct Air Systems建议，使用交流驱动/交流电机而不使用齿轮箱(直接扭矩)正成为一种越来越普遍的安排，并且具有良好的记录，没有运动部件机制所带来的问题和复杂性。

Direct Air Systems总裁Steve Snyder解释说:“当我们发现齿轮箱润滑问题没有太大进展时，我们转向了现有的设备。”直接扭矩已被证明具有成本效益，易于维护和简单。齿轮润滑不会是一个问题。“克利夫兰地铁公园作为一家公共机构，为这个项目征求了投标，最终选择了我们的投标。”

改造涉及ABB的直接扭矩控制解决方案，该解决方案使用交流电机的扭矩作为主要控制元件。每个能量轮系统中原有的1马力交流电机和变速箱设备被移除，取而代之的是ABB 5马力感应电机/交流低压驱动组合。这种安排允许电机直接连接到电机/负载，而不需要变速箱或脉冲编码器。ABB解决方案允许电机的全扭矩降至零速度。

通过一种算法，ABB驱动器(在这种情况下是变速ACS型号)可以在没有编码器提供速度反馈的情况下运行。该算法使驱动器能够每秒40,000次计算电机的转矩和磁通状态。消除编码器进一步减少了维护和减少停机时间。

虽然每个能源轮系统都由江森自控系统控制，但电机和驱动器的状态由雨林综合江森自控建筑管理系统监控。在控制发生故障的情况下，ABB ACS驱动器可以自动转到预设的转速，以确保热量传递。备用电机在The RainForest库存，驱动器保存在Direct Air Systems的办公地点，距离工厂只有几分钟的路程。自四年前安装ABB电机/驱动组合以来，一直没有中断过服务。

直接空气系统看到越来越多的使用直接扭矩控制。“这绝对是我们推荐的方法之一，”斯奈德解释说。这种方法“有三个我们喜欢的特点。它经济、简单、可靠。”

通过游客对雨林的贡献，以及其他组织和政府的努力，有限的热带雨林和丛林的稀缺面积现在受到保护，免于过度开发。持续的支持将会留出更多的宝贵土地，作为本地动植物的野生动物保护区，并通过从大气中吸收二氧化碳来改善地球环境。此外，这些保护区被证明是未来神奇药物的重要来源。

在动物星球上，热带雨林是克利夫兰大都会动物园的几个景点之一，占地168英亩，以北美最大的灵长类动物物种为特色。

作者信息

C.G. Masi是Control Engineering网站charlie.masi@reedbusiness.com的高级编辑

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