精密機械加工車間超高精度空調設計的探討

葉荃 王麗芳 沈強

(蘇州市海魄潔凈環境工程有限公司,江蘇蘇州 215011)

精密機械加工車間超高精度空調設計的探討

葉荃 王麗芳 沈強

(蘇州市海魄潔凈環境工程有限公司,江蘇蘇州 215011)

機械工業各行業在生產過程中為保證產品質量和精度,對生產環境的溫度、相對濕度和潔凈度等參數提出不同的要求,恒溫空調是最常見的一種。本文對精密機械加工車間超高精度空調設計進行探討,具有一定的參考價值。

精密機械 加工車間 超高精度 恒溫空調

1 恒溫的要求

1.1 恒溫的分類

按允許室溫波動值(恒溫精度)分類：

(1)一般精度恒溫室≥±1℃。

(2)高精度恒溫室≤±0.5℃，≥±0.1℃;通常精度控制在±0.2～0.3℃。

(3)超高精度恒溫室〈±0.1℃。

在機械行業中，大多為一般精度恒溫室，其面積數十至數百平方米不等，也有達數千平方米的;高精度恒溫室相對較少，僅限于高等級的計量和加工，面積也較少，超高精度恒溫室更少，且僅限于很小的范圍，面積一般在幾十平方左右，如標志功能區。

1.2 溫度基數與精度

恒溫室的溫度基數與精度，取決于計量級別、加工與裝配的精度。室溫偏離和允許波動范圍，直接影響檢測和加工精度。韓國BUPE(Billionth Uncertainty Precision Engineering)研究表明：當溫度變化1℃的時候，由于系統的機械熱變形所引起的相對不確定度的誤差就可以達到10-5m。此外，溫度的不穩定會導致空氣折射率的變化，從而使外差式雙頻激光干涉儀的額外誤差達到10-6m。

(1)溫度基數：指生產工藝要求環境的基準溫度。國際長度計量基準溫度為20℃，一般以此為溫度基數。

(2)溫度精度：指恒濕區域內空氣溫度在要求的持續時間內允許波動的輻度(即偏離溫度基數的最大波輻)。溫度精度包含以下內容：①動態偏差：短時間內室溫偏離基數的波輻。動態偏差是由各種擾動引起的，如送風溫度波動、圍護物不穩定傳熱、生產設備啟閉和負荷變化以及人員流動和逗留引起的擾動等等;②靜態偏差：室溫變化平均值長期偏離基數值，靜態偏差是自控儀表示值偏離設定值造成的，與儀表的精度等級與制造質量有關;③區域溫差：恒溫室控制點溫度與恒溫區域內其他地點溫度的差值。區域溫差是由恒溫室發熱量不均勻、不良的氣流組織、新風量不均勻以及送風射流未充分衰減等原因造成的。

表1

圖1

圖2 自適應控制的神經網絡系統

2 恒溫室設計參數

恒溫室溫、濕度設計參數，由生產工藝提供。

精密加工：如精密機床的線紋尺刻制20±0.1℃;光柵刻線，視每毫米刻制線條多少20±0.1～0.01℃。

圖3 自適應控制的波形圖

圖4 并聯抗積分飽和方案

機工工業恒溫室的相對濕度，一般要求在50-65%之間，但不大于70%，以免設備和工件銹蝕。對于高等級的計量室，為了保護精密檢測儀器儀表，相對濕度取50-60%，一般不低于50%。

3 恒溫室建筑熱工要求

由于太陽輻射是以電磁波形式傳遞熱量的，這一熱量的傳遞不為空氣所吸收(空氣為透明體)，而為固體表面吸收后提高自身的溫度。陽光投射在設備上或圍護物內表面上獲得的熱量，難以由送風氣流來消除，致使設備產生變形或加大恒溫區域溫差。 恒溫室夏季室內外溫差大，如用熱惰性小的輕質圍護結構，一旦空調系統停機(恒溫室很少三班制工作)，室溫將迅速回升。由于設備熱惰性很大，升溫緩慢。在室內外空氣水蒸汽壓力差的作用下，不斷向室內傳濕，使室內相對濕度迅速增加。潮濕的空氣在設備冷表面上結露，造成設備銹蝕和儀器儀表損壞。 在確定恒溫室圍護結構熱工性能時，須引起足夠的重視，應考慮使用熱阻大的隔熱材料。

圍護結構可采用嵌套形式。外圍緩沖區建議采用100mm巖棉彩鋼復合保溫板，溫度精度比內區精度低一到二個等級，基準值與內區一致;內區核心區采用50mm巖棉彩鋼復合保溫板，通過緩沖區減少內區受外界干擾的影響程度。

4 空調技術措施

一般采用中央空調+自控系統方式。由組裝式空調機處理空氣，根據需要配置功能段和相應的自控裝置，空氣處理通常采用水冷式表面冷卻器冷卻，蒸汽、熱水或電加熱，蒸汽加濕，由冷凍站集中供給冷熱源。集中式系統全能處理空氣，配置靈活，適用于大小不同的恒溫室。

(1)對室外新風進行預處理(預冷、預熱)。新風預冷、預熱處理，使得新風溫度恒定在5-15度區域，減少外界負荷變化對空調系統的影響。

(2)溫濕度獨立控制系統。溫濕度獨立控制空調系統的基本組成為：處理顯熱的系統與處理潛熱的系統。兩個系統獨立調節、分別控制室內的溫度和濕度，即利用濕度控制系統承擔建筑全部的潛熱負荷，實現對室內濕度的控制;利用溫度控制系統，處理剩余的建筑冷(熱)負荷，實現溫度控制。

溫濕度獨立控制可以滿足不同房間熱濕比變化的要求，克服了常規空調系統溫濕度難以同時滿足、室內濕度偏高或偏低的現象。室內溫度控制系統采用顯熱處理方式，消除了冷凝水盤提高了室內空氣品質。

(3)冷凍水溫度的恒定。來自能源中心的冷水(7℃/12℃)會受到諸多因素的影響而變得不穩定，使得空調機組夏季處理的冷量、濕量也變的相對不穩定。

空調系統采用板式換熱器，將去往空調系統的冷水與來自能源中心的冷水分隔開，彼此通過換熱器進行能量的傳遞，此舉能夠有效避免能源中心的冷水的不穩定而給系統的溫濕度帶來干擾。

(4)送風溫差。恒溫空調系統的送風溫差大小，除與恒溫精度直接有關外，還與送風方式、送風口形式和安裝高度有關。機工工業恒溫室的送風溫差可參照下表取用(表1）。

(5)送風均勻性。恒溫室氣流組織的基本形式有三種，即上送下回、側送側回和上送上回，可根據恒溫精度要求、恒溫室高度、風管布置狀況、美觀要求以及投資費用等綜合考慮取用。各種恒溫精度要求的氣流組織形式推薦如下：

①恒溫精度±2～3℃，根據建筑情況并結合系統布置方便，可采用任何一種氣流組織形式。

②恒溫精度±0.5～1.0℃，不宜采用上送上回形式，應單側上部送風，同側下部回風。送風射流作用距離7～9m，一般不大于12m，并對射流的溫、速度衰減用精確計算，保證工作區處于回流區。恒溫精度±0.5時，最好不采用側送側回形式，如采用，氣流宜貼附，并對射流進行計算。

③恒溫精度±0.2～0.5℃，采用上送下回形式，如恒溫室吊頂較高時，可采用散流器、雙層百葉式風口和孔板送風，頂送、下部回風，吊頂較低或恒溫精度±0.1℃時，根據具體情況，采用貼附型散流器或孔板頂送、下部均勻回風。精度±0.1～0.2℃的恒溫室應設置回風隔套或處于高精度恒溫室的包圍之中(±0.5℃)。

④恒溫精度〈±0.1℃的超高精度恒溫室，需設置恒溫套間，采用孔板頂送，回風隔套下部均勻回風。恒溫套間單獨設置恒溫空調系統，保持恒溫精度±0.5℃。

⑤末端電加熱、SCR控制精度，在空調系統的送風支管(靠近風口處)設置末端電加熱器(無級調節)，能夠精確調節送風溫度，對于送風溫度的精確控制是必不可少的。SCR在20%～80%之間具有良好的特性，因此在選擇末端電加熱器的時候要放有一定的余量，盡量使得落在20%～80%這個區間范圍內。

5 高精度控制策略

實現恒溫要求除涉及建筑熱工和空氣調節外，高精度控制策略是非常非常重要的環節。引起恒溫室溫度波動的原因是來自各種擾動，如圍護物不穩定傳熱，送風溫度波動(以上為外擾)，內部發熱量(設備、人員、燈光)的變化(內擾)等等。自控的任務是消除各種擾動，保持室溫穩定在允許的波動范圍內。對于高精度恒溫室，建筑和空調已采取多種措施減少外擾影響，采取相應措施(如引流局部熱源，采用隔熱罩等)減少內擾影響也十分重要，而高精度控制策略是保證恒溫的關鍵，根據恒溫精度要求，采用調節性能與之相適應的自控裝置。必要時，亦可采用分區控制方式，以保證恒溫區溫度場的均勻性。

5.1 系統誤差的概念

任何精密的控制系統都會存在一定的誤差，系統誤差是一個累積誤差，主要由以下幾個方面組成：測量誤差、傳感器轉換誤差、開關切換誤差、A/D轉換誤差等。由于控制誤差實際為累積誤差，因此只有當傳感器的誤差+信號轉輸的誤差+A/D轉換模塊的誤差以及控制誤差之總和小于±0.1℃(控制精度)的情況下才能算達到控制要求。如當傳感器(Moore的TDY室內溫度傳感器)在20℃的誤差為0.009℃;由于為電流信號(恒流源)，在電纜及顯示面板的總阻抗小于500歐姆的情況下，誤差為0;由于選擇的A/D轉換為12位，其分辨率為1/4096=0.0002441;如此時計算機上顯示的室內溫度為20.05℃。則其總誤差為：控制誤差=0.009+0.0002441+0.05=0.0592441≤0.1滿足控制要求。

解決系統誤差應從以下三個方面著手：(1)減少外界環境的影響;(2)減少硬件系統的影響;(3)優化控制策略。

5.2 傳感器的選擇原則

傳感器的技術指標：①整體精度：是輸入和輸出精度的綜合。包括線性化、磁滯性、重復性以及調節分辨率的影響;②穩定性;③響應(上升)時間;④環境溫度影響;⑤分辨率。

上述原則中，重點考慮穩定性和分辨率。

5.3 傳輸方式

雖然采用的是測量精度很高的儀器，考慮到電網波動對儀器內部電路的干擾，測量值必然會產生偏移，傳輸到計算機內反饋量的精度也無法得到保證，從而影響控制量，同時計算機傳輸到程控電源的電流值也會受到影響。要解決這個問題，可以考慮在整個硬件系統的最前端使用濾波電源，降低電網對硬件電路的影響。

系統應減少A/D或D/A轉換，采用數字量型號傳遞信號(圖1）。

5.4 控制策略

任何算法都有其局限性，重要的是選擇適合自己系統的算法，或者是采用將幾種算法結合起來的方法，充分利用它們的優點避免其缺點，通過不斷地調整找到最佳的控制策略(圖2-4）。

高精密恒溫恒濕空調系統，需對干擾做定量分析，只有做到步步測量，步步控制，才能達到預想的控制結果。

5.5 精密的執行

執行器(如閥門)開度控制，Scr控制需選擇線性段如圖5所示。

在第一段，反應太快;在第三段，反應過于平緩。中間段基本接近線性。

6 結語

恒溫空調設計是一門綜合技術，相關專業須協調一致，首先應有符合恒溫要求的圍護結構，這是創造恒溫環境的前提。任何忽視圍護結構的密閉性或降低熱工要求，都將造成嚴重后果。良好的空調系統設計是實現恒溫恒濕的關鍵，離開空調談自控毫無意義;高精度控制策略是實現精度控制的重要手段和保證，兩者缺一不可。它們的綜合應用才能使系統可靠、節能運行。實踐證明，只有大家協調一致，處理好各個技術環節，才能使工程取得成功，任何疏漏都將會給工程造成缺陷或導致失敗。