棉紡廠空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)改造

（中原工學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)的有效運(yùn)行是棉紡企業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，提高工人勞動(dòng)條件的重要保證。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將自動(dòng)控制技術(shù)引入紡織空調(diào)系統(tǒng)中是十分必要的[1]。棉紡廠空調(diào)的基本任務(wù)是保持生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求的溫濕度，并在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。

某棉紡廠成立于上世紀(jì)90年代，該棉紡廠空調(diào)改造系統(tǒng)中，共包含四個(gè)車(chē)間，分別為梳棉車(chē)間、粗紗車(chē)間、細(xì)紗車(chē)間和自絡(luò)車(chē)間。幾個(gè)車(chē)間共用一套壓入式空調(diào)室送風(fēng)系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)設(shè)備全部和溫濕度調(diào)節(jié)由空調(diào)操作工負(fù)責(zé)。一直依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)啟停噴淋水泵、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率和開(kāi)關(guān)新風(fēng)調(diào)節(jié)窗，重復(fù)工作量大，且控制效果差，造成了棉紡廠溫濕度經(jīng)常不能滿(mǎn)足工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量較低，影響效率且能耗較高。為此，企業(yè)提出改造該空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的自由設(shè)定，滿(mǎn)足調(diào)節(jié)精度，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 系統(tǒng)組成與控制方案簡(jiǎn)介

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成及工藝要求

根據(jù)企業(yè)要求，空調(diào)系統(tǒng)加熱部分無(wú)需改造，在每個(gè)車(chē)間及室外分別安裝一套溫濕度傳感變送器。噴淋室風(fēng)機(jī)變頻器通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行頻率設(shè)置、兩臺(tái)噴淋水泵、兩個(gè)新風(fēng)調(diào)節(jié)窗采用專(zhuān)用的數(shù)字執(zhí)行器通過(guò)PLC進(jìn)行控制。

棉紡廠要求實(shí)時(shí)采集各個(gè)車(chē)間及戶(hù)外環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)車(chē)間的綜合溫濕度，自動(dòng)調(diào)節(jié)噴淋水泵的啟停、調(diào)節(jié)窗的開(kāi)度。當(dāng)車(chē)間綜合濕度超出設(shè)定值時(shí)，控制兩臺(tái)噴淋水泵按照一定的規(guī)律停止。當(dāng)車(chē)間綜合溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制兩個(gè)調(diào)節(jié)窗按照設(shè)定的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)開(kāi)度開(kāi)啟調(diào)節(jié)窗。

該空調(diào)系統(tǒng)改造不涉及回風(fēng)控制、加熱冷卻控制等，且溫濕度調(diào)節(jié)溫系統(tǒng)綜合溫濕度調(diào)整，相對(duì)簡(jiǎn)單。但根據(jù)要求，應(yīng)在盡量降低成本的前提下，將綜合溫度控制在±2℃，綜合濕度控制在±2%RH，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，且兼顧設(shè)備的可靠性、安全性及操作方便。

1.2 控制總體方案

該系統(tǒng)要求具備以下功能：1）手動(dòng)、自動(dòng)自由選擇；2）調(diào)節(jié)窗自由選擇，開(kāi)度可以手動(dòng)自由調(diào)節(jié)；3）溫濕度實(shí)時(shí)采集和顯示；4）自由設(shè)定溫濕度及上下限；5）自動(dòng)時(shí)，自由設(shè)定步進(jìn)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)窗角度等。

根據(jù)工藝和功能要求，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)控制總體方案，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

該方案手動(dòng)自動(dòng)切換通過(guò)控制柜上的切換按鈕實(shí)現(xiàn)，在手動(dòng)模式下，通過(guò)控制柜上的開(kāi)關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備的手動(dòng)啟動(dòng)和停止。在自動(dòng)模式下，所有設(shè)備控制通過(guò)PLC程序控制。PLC實(shí)時(shí)采集各個(gè)車(chē)間及室外的溫濕度，并對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和求平均值。并根據(jù)PLC控制算法和邏輯，控制噴淋水泵的啟動(dòng)和停止，結(jié)合調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)廠區(qū)的濕度；廠區(qū)溫度控制主要通過(guò)調(diào)節(jié)窗的自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。人機(jī)界面（HMI）負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和傳輸。可進(jìn)行工藝參數(shù)的相應(yīng)設(shè)置，結(jié)合PLC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)棉紡廠內(nèi)噴淋水泵、調(diào)節(jié)窗、變頻風(fēng)機(jī)和指示燈等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；達(dá)到調(diào)節(jié)棉紡廠空氣質(zhì)量目的。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案，本系統(tǒng)選用西門(mén)子新一代小型可編程控制器S7-200 SMART作為核心處理器。該系列CPU模塊本體標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能，普通網(wǎng)線(xiàn)即可將程序下載到PLC中，且可方便的與西門(mén)子SMART系列觸摸屏進(jìn)行通信，方便快捷，省去了專(zhuān)用編輯電纜。人機(jī)界面選用西門(mén)子精彩面板SMART LINE V3，該面板可以與S7-200 SMART PLC組成自動(dòng)化控制與人機(jī)交互平臺(tái)，便于組態(tài)和操控。風(fēng)機(jī)采用原有富士變頻器驅(qū)動(dòng)；溫濕度變送器采用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司的相應(yīng)型號(hào)，其中車(chē)間內(nèi)變送器選用防爆型。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)需要數(shù)字量輸入點(diǎn)6個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)8個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)11個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)3個(gè)。其中，PLC的數(shù)字量輸入點(diǎn)為手動(dòng)自動(dòng)切換、接觸器變頻器動(dòng)作反饋等；模擬量輸入點(diǎn)為10個(gè)溫濕度信號(hào)和1個(gè)變頻器頻率輸出信號(hào)。PLC模擬量輸出點(diǎn)為2個(gè)調(diào)節(jié)窗執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度控制信號(hào)和1個(gè)變頻器頻率設(shè)定信號(hào)；數(shù)字量輸出交流接觸器、繼電器、指示燈等。主要器件清單如表1所示。

表1 主要器件清單

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的核心是溫度控制和濕度控制。系統(tǒng)通電后，PLC載入觸摸屏上一次斷電前HMI設(shè)置的溫濕度設(shè)定值、溫濕度上下限、溫度調(diào)整時(shí)間、調(diào)節(jié)窗步進(jìn)開(kāi)度等數(shù)據(jù)（首次上電啟動(dòng)時(shí)，載入程序編寫(xiě)的默認(rèn)設(shè)定值），同時(shí)，實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，分別對(duì)廠區(qū)溫度和濕度進(jìn)行求平均值。利用設(shè)定值和平均值之間的偏差，采用閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)溫濕度的控制。

由于棉紡廠溫度控制為大慣性、大滯后控制系統(tǒng)，因此，用傳統(tǒng)的PID控制器難以取得令人滿(mǎn)意的效果，且在PID控制過(guò)程中，數(shù)字執(zhí)行器長(zhǎng)期處于連續(xù)調(diào)節(jié)狀態(tài)，動(dòng)作頻繁，故障率較高。為了提高控制精度和提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定時(shí)調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制算法，該算法結(jié)合邏輯控制，效果良好。

溫度控制流程圖如圖2所示。在車(chē)間溫度超過(guò)設(shè)定溫度死區(qū)上限時(shí)，驅(qū)動(dòng)降溫操作。若車(chē)間溫度超過(guò)設(shè)定上限，則說(shuō)明此時(shí)車(chē)間溫度急需降溫，則此時(shí)應(yīng)快速打開(kāi)車(chē)間窗戶(hù)啟動(dòng)降溫操作。在冬季，如果車(chē)間溫度大于室外溫度20℃，則說(shuō)明室內(nèi)外溫差大，調(diào)節(jié)窗1開(kāi)度初始化為40%；如果車(chē)間溫度與室外溫度差值不大于20℃，則判斷為溫差不大，調(diào)節(jié)窗1開(kāi)度初始化為80%，然后進(jìn)入定時(shí)步進(jìn)開(kāi)窗程序，調(diào)節(jié)窗1開(kāi)度達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，定時(shí)步進(jìn)控制調(diào)節(jié)窗2開(kāi)啟。在車(chē)間溫度低于設(shè)定溫度死區(qū)下限時(shí)，驅(qū)動(dòng)定時(shí)步進(jìn)關(guān)窗操作。若車(chē)間溫度低于設(shè)定下限，則說(shuō)明此時(shí)車(chē)間溫度較低，則此時(shí)直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)調(diào)節(jié)窗關(guān)閉。

圖2 溫度控制流程圖

圖3 濕度控制流程圖

濕度控制流程圖如圖3所示。其中，噴淋泵1為主噴淋水泵，功率較大；噴淋泵2為輔助噴淋水泵，功率較小。通常情況下，在車(chē)間濕度低于設(shè)定濕度死區(qū)值時(shí)，通過(guò)啟動(dòng)噴淋泵2增加濕度；若濕度低于設(shè)定下限，則噴淋泵2啟動(dòng)后，啟動(dòng)主噴淋泵1，快速提升車(chē)間濕度。反之，當(dāng)車(chē)間濕度大于設(shè)定死區(qū)值時(shí)，通常通過(guò)關(guān)閉噴淋泵2降低濕度；若濕度超過(guò)設(shè)定下限，則噴淋泵2關(guān)閉后，關(guān)閉主噴淋泵1，快速降低車(chē)間濕度。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的人機(jī)界面采用西門(mén)子公司的WinCC flexible SMART V3進(jìn)行編輯。觸摸屏選用西門(mén)子SMART系列觸摸屏，型號(hào)為SMART1000 IE V3。觸摸屏與PLC采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機(jī)界面包括主畫(huà)面、操作與設(shè)定畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定與上下限、報(bào)警畫(huà)面等組成。分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)與動(dòng)畫(huà)、溫度調(diào)節(jié)時(shí)間等的設(shè)置及設(shè)備基本操作、系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置、報(bào)警記錄等功能。

圖4 系統(tǒng)主畫(huà)面

圖4所示為系統(tǒng)主畫(huà)面。將廠區(qū)各個(gè)車(chē)間的實(shí)際布局體現(xiàn)在主畫(huà)面上；顯示車(chē)間綜合實(shí)時(shí)溫濕度及設(shè)定值；實(shí)時(shí)顯示各個(gè)車(chē)間的動(dòng)態(tài)溫濕度。同時(shí)，設(shè)置簡(jiǎn)單動(dòng)畫(huà)，動(dòng)態(tài)描述循環(huán)風(fēng)流動(dòng)。

圖5 參數(shù)設(shè)定與上下限

圖5為參數(shù)設(shè)置與上下限畫(huà)面，該畫(huà)面主要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，包括溫濕度目標(biāo)值設(shè)定、上下限設(shè)定；調(diào)節(jié)窗最大最小開(kāi)度，步進(jìn)開(kāi)關(guān)角度設(shè)定等。這些參數(shù)設(shè)定后，自動(dòng)傳送到PLC的相應(yīng)寄存器，用于程序控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)某棉紡廠空調(diào)改造的工藝要求，設(shè)計(jì)了基于西門(mén)子S7-200 SMART處理器、SMART1000 IE V3觸摸屏、變頻器、溫濕度傳感器等構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)方案和軟硬件設(shè)計(jì)方法及控制算法。系統(tǒng)具有可靠性高、人機(jī)界面好，操作簡(jiǎn)單，抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的應(yīng)用，該廠車(chē)間綜合溫濕度控制滿(mǎn)足了企業(yè)的要求，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了電能、降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。