粘膠纖維生產車間中央空調自動控制系統

李惠潔 段來科

（新鄉化纖股份有限公司，河南 新鄉 453000）

粘膠纖維生產車間中央空調自動控制系統

李惠潔 段來科

（新鄉化纖股份有限公司，河南 新鄉 453000）

隨著現代工業的不斷發展，生產技術的不斷進步，對于產品的精度要求也不斷提高，生產工藝對車間內溫度、濕度、風速、潔凈度等參數的要求更是越來越高，因此對恒溫恒濕中央空調的使用要求也就越來越高。本自控系統應用以化纖紡絲車間為設計背景，針對傳統中央空調調節方式的局限性，選用西門子S7-200PLC和安川H100變頻器,充分利用PLC、變頻器及現場總線技術，實現對紡絲車間的恒溫、恒濕的自動控制和遠程監控，為紡絲的苛刻生產環境及有效節能提供了有力的保證。

中央空調；PLC；模糊控制；總線；變頻器

1 前言

在粘膠生產企業，長、短絲生產車間均采用全新風送風方式，并要求車間一年四季保持恒溫恒濕。由于空調要處理的新風量很大，車間內又有大量的廢氣需要排出，所以車間內的溫濕度一直處在一個動態變化之中。空調控制的目的是在這個動態變化中找到一個平衡點。但是溫濕度的平衡點受到室外溫濕度參數變化、送排風量變化、水和汽參數變化、操作人員操作熟練程度等諸多因素的影響。而以前本文舉例公司的空調系統控制方式，還處于較落后人工手動控制狀態，空調工每2小時巡回檢查一次，根據車間的溫濕度情況對空調系統進行調節，由于許多參數隨時都在發生變化，空調操作工很難及時調整，使紡絲車間內的溫濕度指標的穩定性受到很大影響，同時很難保障空調系統的高效經濟運行。如何把自動化控制與集中送風空調系統相結合，提高空調系統的自動化程度，彌補人工調節的被動性和盲目性，這是我們開發研制空調自動控制系統的主要目的。

2 系統概述

本文舉例公司紡絲空調系統如圖1所示，紡絲車間空氣調節采用全新風送風方式，作用大體可分為兩個：其一、滿足紡織生產工藝所適合的溫度、濕度條件；其二、保證生產工人擁有一個良好、健康的工作環境，這兩點具有同等的重要性。為了保證整個車間的溫、濕度控制質量，在空調的溫濕度控制方面采取以下方式實現：（1）控制系統的溫濕度控制具有手、自動功能，且進行無擾切換。（2）控制系統對車間溫濕度、室外環境溫濕度，進行多點取樣，通過智能化分析來進行控制。（3）控制系統的溫濕度控制采用串級復合控制和模糊控制相結合的控制方式，使系統控制具有較強的穩定性和快速性，有較高的控制精度。（4）控制系統有很完善的故障診斷和自動報警處理功能。

圖1 空調系統帶控制點流程圖

另外空調自動控制系統的其他功能：觸摸屏畫面數據顯示功能及溫濕度曲線記錄功能；在線對空調自動控制系統的參數進行設定功能；蒸汽量、用水量自動統計功能；設備開停狀態遠程顯示；具有計算機網絡通訊功能。

3 系統組成

本控制系統的當期設計內容包含13個空調操作箱分站和2個上位機操作員站。其中空調操作箱分站采用西門子S7-200系列PLC為控制單元，并配置西門子smart line系列觸摸屏實現本地操作；上位機操作員站采用西門子WINCC組態軟件，根據系統要求，擔當整個系統的集中控制中心的作用。S7-200分站配DP通訊模塊，上位機配置西門子5611DP通訊卡，使新增部分與老系統共同組成整個空調控制系統，由原有S7-300 PLC作為DP主站，S7-200 PLC及上位機操作員站為DP從站，通過PROFIBUS總線通訊方式組成一個控制系統，實現對空調系統的集中控制。

在本系統中，下位機PLC與現場控制設備連接，這些設備包括傳感檢測元件、電磁閥、電動調節閥等，在現場可以進行系統控制、參數設置和數據顯示。上位機采用工業級計算機與打印機，進行遠程管理和打印，它包含下位機的所有功能。所有受控對象的狀態及控制信號均在集中控制室實現。為保證系統的可靠運行，系統使用正版的STEP7 V5.3以上版本和WINCC V6.0以上版本的組態軟件。系統結構圖如圖2。

圖2 空調系統結構圖

3.1 操作員站

操作員站上位機采用WINCC軟件系統，對本系統內的所有空調控制箱進行了聯網監控，保持系統完整性。根據操作要求，制作監控畫面，具備網絡狀態監視、工藝參數監視、重要工藝參數歷史記錄、操作歷史記錄、故障歷史記錄、參數越限報警、報警匯總表、工藝報表、密碼保護等功能，畫面生動形象，可以使用戶方便地啟停各個控制設備；能夠實時監控各個分站設備的運行狀態，顯示控制設備的溫度、壓力以及運行狀況的實時曲線，便于對設備的運行狀況進行分析，使用戶對設備情況有一個清晰的了解；并對近一個月的運行、操作以及故障歷史記錄情況進行保存，方便用戶對以往的運行狀況進行跟蹤，；監控系統可以和打印設備連接，便于數據的打印，并且可以根據要求設定自動定時打印。

3.2 空調操作箱S7-200從站

3.2 .1 硬件部分

控制箱采用S7-200PLC+Smart1000觸摸屏方式。CPU采用西門子S7-200系列224XP CPU模塊，并按照不同分站的點數要求配置I/O模塊，且I/O點數配置余量≥20%。PLC還配置有DP通訊模塊EM277，使200的PLC作為從站掛接到PROFIBUS DP總線上。采用西門子直流電源供電，保證系統運行可靠性。

操作箱的本地操作由安裝在柜門上的西門子Smart1000觸摸屏完成，觸摸屏連接到S7-200 CPU的通訊口上。操作箱對外部模擬信號的采集需經由信號隔離器進行隔離，主要模擬信號包括：變頻反饋0-10V、其他4-20mA等。數字量信號均為DC24V信號。

3.2 .2 軟件部分

空調控制箱的軟件設計包含PLC程序和觸摸屏組態兩部分，軟件設計保證達到溫、濕度的設計參數。控制系統采用先進的模糊控制方式，利用現場信號采集設備對受控對象的過程值取樣并與設定參數比較，經過模糊PID運算得到控制輸出量，經由現場執行機構對受控對象進行自動控制，同時由反饋值檢驗控制結果并自動調整控制器的輸出，實現受控對象的穩態。同時系統配置時間通道控制，根據季節和機器運行情況，自控系統應設置冬夏轉換工況以及過渡季工況。根據季節不同設置不同的運行工藝，使系統在季節轉換時能自動做出調整。

控制系統配置靈活的手動/自動轉換功能及集控/就地轉換功能。對變頻器的控制設置三檔功能，自動/手動/禁止。禁止時，變頻器不受任何設備控制；手動時，只受觸摸屏操作控制；自動時，由PLC系統自動控制。調節閥的控制設置兩檔功能，自動/手動。手動時，只受觸摸屏操作控制；自動時，由PLC系統自動控制。

操作箱的本地操作均由柜面觸摸屏操作，可根據使用單位習慣制作適合的監視及操作畫面，具備工藝參數監視、參數修改、操作記錄、報警記錄、密碼保護等功能。頁面均為中文頁面，方便用戶使用。

系統的報警設置除配有聲光報警器外，還可以在觸摸屏顯示中文報警信息，當工藝參數超限后，可以起到警示功能并引導用戶找出報警原因，還可以對報警進行確認或延時接觸以及聲光實驗功能。

3.3 網絡

本系統采用PROFIBUS DP總線網絡，其傳輸率為9.6K-12Mbit/s，主站S7-300 CPU支持從站個數為32個，符合系統要求。PROFIBUS的特別之處在于其高度的數據安全性：工業級屏蔽雙絞線，光纖電纜，紅外傳輸及無線通訊方式；高度的靈活性：系統提供各種接口滿足不同的需求，支持總線型、星型、環形等各種網絡拓撲結構；通過光纖技術實現長距離的數據傳輸。

4 系統方案

圖3 空調系統溫度控制方案框圖

為了適應化纖產品愈來愈高的質量要求，車間溫濕度調節及控制系統一定要采用新技術，逐步實現專業化、現代化、智能化，所以我們在車間溫度控制方面采用了串級模糊PID控制的方法，如圖3。下面以溫度檢測與控制為例來具體進行說明。

模糊PID控制系統主要由參數可控式PID系統和模糊控制系統兩部分組成，其原理如圖4所示。參數可控式PID控制器完成對系統的直接控制，模糊控制器實現對PID3個控制參數（Kp、Ki及Kd）的在線自動修正。4.2PID參數調整規則

圖4 自適應模糊PID控制系統結構

數字式PID控制器一般用以下函數表示：

式中：e（k）為系統誤差，ec（k）為系統誤差變化量；Kp為比例作用系數，影響系統響應速度和精度；Ki為積分作用系數，影響系統穩態精度；Kd為微分作用系數，影響系統動態特性。通常情況下，針對不同的e和ec，KP，Ki和Kd的選擇遵循以下原則：

（1）當|e|較小時，為使系統具有較好的穩定性，KP與Ki均應取得大些；同時，為避免系統在設定值附近出現振蕩,|ec|較大時，Kd取較小值；|ec|較小時，Kd取值則較大。

（2）當|e|處于中等大小時，為使系統響應具有較小的超調，Kd應取較小值；同時Kd的取值對系統響應的影響較大，也應取較小值。

（3）當|e|較大時，為使系統具有較好的動態性能，應取較小的Kd與較大的Kd。同時，為避免系統響應出現較大超調，應限制積分作用，通常取Ki=0。

5 -羥色胺和 5-HIAA 均為內源性物質，難以獲得不含 5-羥色胺和 5-HIAA 的空白腦脊液，因此在方法學驗證和制備隨行標準曲線時，必須將大鼠空白腦脊液中待測物的峰面積作為本底扣除，以排除內源性物質的干擾。不同大鼠腦脊液中待測物濃度可能不同，將多只大鼠腦脊液均勻混合作為空白腦脊液，能避免個體差異對測定結果的影響。本文中的大鼠腦脊液均為同一時間段采集，可以忽略節律對待測物濃度的影響。

模糊PID控制器的本質就在于通過模糊推理，根據不同的e和ec，在線實時修訂3個PID作用系數，即可制定出ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊控制規則。

4.3 試驗仿真結果

根據大量的理論依據和實踐，得出實際系統的近似數學模型，通過在PC機上編程分別得出常規PID和模糊PID系統曲線圖，如圖5（a）和（b）所示。

圖5 溫度曲線圖

從圖中看出模糊PID溫度調節系統對于溫室溫度的變化調節更加平穩，顯示了很好的控制效果。具體表現為變頻器的頻率上升和下降更為平穩，基本沒有出現過采用傳統PID時頻率的跳躍式上升和下降情況。

5 方案實施效果

此套自控系統投入使用后，在節約能源、穩定溫濕度指標、降低操作工勞動等方面都大有好處。

5.1 節約能源方面

車間溫度指標要求為26-28±2℃，相對濕度指標要求為67±3%。這樣溫度有4℃波動范圍，相對濕度有6%的波動范圍，也就是說溫度高4℃或低4℃，相對濕度高6%或低6%均滿足指標要求，但是在這全部滿足指標要求，但是在這全新風大風量的空調系統控制溫度每高1℃或低1℃節省能量就相當可觀，更何況是4℃。所以通過對空調系統溫濕度控制參數的設定，使溫濕度指標始終保持在某個合理范圍內波動，既能保證溫濕度指標均衡穩定，又能節省大量的冷能或熱能。

（1）由于本套自控系統不支持空調系統既加熱同時又降溫的操作，這就徹底杜絕了在過渡季節，人工手動操作經常的出現前面開著加熱器升溫，后面開著冷水降溫的不合理現象，減少了冷熱能的相互抵消。

（2）由于自控系統高精度的溫濕度控制，避免了原手動操作時，受操作工熟練程度、室外空氣參數變化、水、汽參數變化等因素影響造成溫濕度指標忽高忽低，從而節約了大量能源。

（3）原手動控制為穩定濕度，一年四季都開噴淋泵，現在噴淋泵僅在夏季降溫時用，可節約噴淋泵所用電能和所造成熱能損耗。

5.2 穩定溫濕度指標

該控制系統對車間內溫濕度、風道內溫濕度、室外環境溫濕度進行多點取樣、綜合進行智能化分析，然后指令執行機構進行調節。同時還具有對水汽壓力進行監測，根據壓力變化由控制系統對自動閥門開度進行補償的功能。這樣就杜絕或減小了人為因素或其他不確定因素對溫濕度指標的影響，確保了溫濕度指標的穩定，溫度精度達到±0.5℃，相對濕度精度達到±1-2%。

5.3 降低了操作工的勞動強度

由于車間溫濕度均由自控系統根據相關參數的變化自動進行調節，使操作工免去了上下跑著看溫濕度指標、調閥門的繁鎖勞動，讓操作工有充分時間巡回設備，及時發現設備事故隱患，確保設備安全穩定運行。

6 結束語

空調自動系統2011年12月在氨綸空調安裝投入使用后，車間內溫濕度指標得到了很好控制。經過對自動控制系統使用前后車間溫濕度數據的對比分析可看出：同一監測點的溫度在一天內高溫與低溫的差值,自控前為2.5℃，自控后為0.5℃；相對濕度在自控后高值與低值差值僅為1.5%。如此高的溫濕度控制精度顯示出該控制系統是一個功能較強、性能較好、高可靠性的自動化控制系統。

總之，從該自動控制系統在集中送風空調系統中的應用效果看，達到了預期目標，解決了原人工手動操作中的浪費能源多、溫濕度指標波動大的問題。但是也有一些不足之處，需在今后使用中逐步加以完善。

[1]齊京禮,邊永青,鄭偉平等.基于自適應模糊PID控制器的溫度控制系統[J].微計算機信息，2008.

[2]湯兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理論與應用技術[M].北京:清華大學出版社,2002.

[3]吳振順,姚建均,岳東海.模糊自整定PID控制器的設計及其應用[J].哈爾濱工業大學學報,2004.

[4]王振宇,成立.基于模糊控制的溫室調節裝置的研究[J].浙江大學學報:農業與生命科學版,2006.

［5］Siemens，Wincc組態手冊，1999.9.

［6］Siemens，Wincc通訊手冊，1999.9.

［7］Siemens，S7-200可編程控制器系統手冊，2005.8.

TQ341

A

1003-5168(2014)03-0099-03

李惠潔（1960.11—），女，工程師，研究方向：電氣儀表及自動化控制。