分季節PLC步進算法節能自控系統的應用

張軍鵬 顏蘇芊 張 風 周步軍

(1.西安工程大學，陜西西安，710600；2.江蘇東華紡織有限公司，江蘇鹽城，224751)

隨著能源短缺和環境問題日益嚴重，紡織廠作為工藝性廠房是能耗較大的行業，紡織廠空調系統用電量占整個紡織企業用電量的25%以上[1]，實現紡織空調系統精確自動化控制，對空調系統乃至整個企業的節能是很有必要的。但是紡織車間溫濕度控制有其特殊要求：一是空調系統要用一定量的新風，所以空調系統受新風影響很大；二是車間生產過程中溫濕度穩定性要求高，不允許因自控系統控制精度不夠而對車間溫濕度產生擾動現象；三是車間之間溫濕度存在交叉耦合性，對于精確自動控制有一定的難度[2-4]。在滿足生產要求的前提下，實現空調系統節能自控已經成為目前的研究熱點。本文提出了一種分季節PLC步進算法節能自控系統(以下簡稱分季節步進算法自控系統)，對車間溫濕度進行獨立控制，系統根據車間內外空氣參數變化，快速調節空調系統設備頻率和開度，最大限度節省空調系統用電量。

1 分季節步進算法自控系統調節

1.1 車間內外空調溫濕度控制參數

本系統在鹽城某紡織車間安裝運行，根據鹽城近兩年的氣象參數，計算統計得到夏季車間外焓值最高點Wxz，其干球溫度33.2℃，相對濕度86%；冬季車間外焓值最低點Wdz，其干球溫度-4.9 ℃，相對濕度62%。車間內溫濕度控制范圍與空調系統能耗緊密相關，根據相關規范和車間歷年運行參數，在夏季、過渡季和冬季三種模式下溫濕度調節范圍見表1。

表1車間內空調溫濕度控制參數

季節模式溫度/℃相對濕度/% 夏季模式 過渡季模式冬季模式 33～3532～3432～3455～5852～5450～52

1.2 分季節調節過程

紡織廠全年都采用共同的空氣調節設備，但是冬季車間外空氣干燥且溫度較低[5]，車間外空氣焓值都低于車間內空氣焓值,在采用10%新風混合后需由空調室等焓加濕處理；夏季車間外空氣焓值大多時候高于車間內空氣焓值，在采用20%新風混合后需由空調室除濕降溫處理；過渡季節車間外早晚溫濕度波動幅度很大，空調系統中,新回風窗開啟需由步進算法確定開啟度的大小，混合空氣需由空調室等焓加濕處理。對不同的車間內、外空氣狀態，空調系統調節方式不盡相同，在確保車間生產的前提下，本自控系統按季節將空調系統進行分區控制，最大限度地節約能源。

1.2.1 夏季模式調節過程

夏季模式分區調節原理如圖1所示。通過設定的車間溫濕度上下限，得到夏季車間空調區域1-2-3-4，h4為最高點4所在的等焓線，取空調區域最高點4和最低點1處等含濕量線與相對濕度95%相交于Lx4和Lx1點，取過水量為0.5 g/kg，得機械露點Lx4′和Lx1′,hx4′和hx1′分別為機械露點Lx4′和Lx1′所在的等焓線。夏季模式溫濕度分區調節方案見表2。當hw≥h4(如Wxz)時，車間外新風和車間回風按照2∶8混合，由噴淋室冷凍水除濕降溫處理；當hx4′≤hw

圖1 夏季模式分區調節原理圖

表2夏季模式溫濕度分區調節方案

h-d分區邊界條件新風使用量/%回風使用量/%冷水泵循環泵123hw≥h4hx4′≤hw

圖2 夏季模式自控流程圖

1.2.2 過渡季模式調節過程

過渡季模式分區調節原理如圖3所示。1-2-3-4過渡季車間空調區域，取空調區域最高點4和最低點1處等含濕量線與相對濕度95%相交于Lg4和Lg1點，取過水量為0.5 g/kg，得機械露點Lg4′和Lg1′,hg4′和hg1′分別為機械露點Lg4′和Lg1′所在的等焓線。過渡季模式溫濕度分區調節方案見表3，對鹽城近兩年氣象參數統計，過渡季模式不存在hw>hg4′的情況，當hg1′≤hw≤hg4′時，取100%新風由噴淋室循環水等焓加濕處理；當hw

圖3 過渡季模式分區調節原理圖

表3過渡季模式溫、濕度分區調節方案

h-d分區邊界條件新風使用量/%回風使用量/%循環泵12hg1′≤hw≤hg4′hw

圖4 過渡季模式自控流程圖

1.2.3 冬季模式調節過程

冬季模式分區調節原理如圖5所示。1-2-3-4為冬季車間空調區域，h1為最低點機器露點L1所在的等焓線。冬季模式溫濕度分區調節方案見表4，當hw≥h1時，取100%新風由噴淋室循環水等焓加濕處理；當hw

圖5 冬季模式分區調節原理圖

表4冬季溫濕度分區調節方案

h-d分區邊界條件新風使用量/%回風使用量/%循環泵12hw≥h1hw

圖6 冬季模式自控流程圖

2 分季節步進算法自控系統設計

2.1 系統硬件設計

硬件部分由DVP60ES200R型臺達PLC可編輯控制器、DOP-B07S4型觸摸屏、空氣參數檢測裝置和空調系統執行裝置4部分組成。空氣參數檢測裝置實時監測車間內外溫濕度、露點溫濕度、工藝排風溫濕度和噴淋室回水池溫度，實時檢測數據由總線傳輸至PLC根據內置算法進行運算，控制空調系統執行裝置改變風窗的開度、調節風機和水泵的頻率，最終通過節能算法將車間溫濕度穩定在設定范圍內。

2.2 自控系統步進算法

因為車間溫濕度之間存在耦合性，本系統采用PLC步進算法將車間溫濕度進行獨立控制，以達到對車間溫濕度實時精確調節。本系統軟件內部設置焓值計算和參數修改等模塊，在觸摸屏上設置車間溫濕度設定界面、空調系統各設備實時參數界面、修正參數界面等，操作人員可以實時觀察和修改空調系統參數。

該系統采用PLC步進算法，在不損失控制計算精度的情況下，提高了系統的計算速度和空調系統的響應時間，根據車間內外溫濕度變化率對空調系統各設備進行智能控制，PLC步進算法見公式(1)。

(1)

式中：Ft為PLC輸出值；F(t-1)為PLC上一時刻輸出值；Ki為修正系數(取值范圍0～1，初始值為0.5)；Fmax為設備頻率(開度)最大值；Fmin為設備頻率(開度)最小值；Pmax為車間空氣參數設定上限；Pmin為車間空氣參數設定下限；Pmv為車間空氣參數實測值；Pobj為車間空氣參數控制目標值。

2.2.1 車間新回風比例調節

新風的引入對空調系統的能耗影響較大[6]。空調系統中新回風比例變化對車間溫濕度和車間壓力都有很大影響。新回風比例根據車間外空氣焓值所在區域進行響應的調節。3種模式都對新風窗采用PLC步進算法進行控制，由于車間焓值差和新回風比例呈正相關，計算值取正,F表示新風窗開度，P表示空氣焓值。

為了保持車間微正壓即保證車間總風量基本保持不變，地排風窗和新風窗聯動控制，控制算法見公式(2)。

Od=100%-Qx

(2)

式中：Od為地排風窗開度；Ox為新風窗開度。

2.2.2 工藝風窗開度調節

經過對歷年車間空調系統運行數據和已安裝自控系統的紡織空調系統運行情況進行分析發現，空調室工藝回風使用量決定著空調噴淋室對空氣的加濕效果。在夏季模式時，工藝回風窗全關，工藝回風全部外排。在冬季和過渡季模式運行時，工藝風窗開度與車間實時相對濕度和設定目標相對濕度之差呈正相關，對工藝風窗采用PLC步進算法(1)進行控制時計算值取正，F表示工藝風窗開度，P表示相對濕度。

2.2.3 車間相對濕度控制

空調系統中水泵頻率與車間相對濕度呈正相關[7]，3種模式都對循環水泵采用PLC步進算法進行控制。其中在夏季模式時，當循環水泵頻率達到上限時，車間溫濕度探頭檢測到車間濕度還是沒有達到車間設定濕度下限時，PLC會發出命令到冷凍水泵變頻器開啟冷凍水泵，冷凍水泵運行一段時間后，經車間溫濕度探頭檢測車間濕度超過車間設定濕度上限時，PLC會發出命令到冷凍水泵變頻器關閉冷凍水泵。

2.2.4 車間溫度控制

紡織空調系統中風機頻率與車間溫度呈負相關性,3種模式都對送風機采用PLC步進算法進行控制，由于系統在穩定運行時，車間要處于微正壓狀態，所以地排風機和送風機聯動控制，控制算法見公式(3)。

Fd=Fs+ΔF

(3)

式中：Fd為地排風機頻率(Hz)；Fs為同時刻送風機頻率(Hz)；ΔF為地排風機與送風機頻率差(Hz)。

為了調節車間內正壓,將地排風機與送風機頻率差換算成正壓調節系數β，見公式(4)。其中20為風機頻率最大值與最小值之差。當車間處于負壓時將β值調大，當車間正壓大時將β值調小，β在0到100%之間取值。

(4)

3 分季節步進算法自控系統運行情況

通過一年多的運行，本系統實現了車間溫濕度的實時精確調節，特別是當車間外溫濕度變化幅度很大時，系統能夠快速調節空調系統設備頻率和開度，使車間溫濕度保持穩定。

3.1 車間溫濕度調節過程

車間實時溫度為33.7 ℃，高于設定溫度33 ℃，如圖7所示。此時車間溫濕度探頭將采集到的信號傳輸到PLC，PLC經過計算后發出命令到送風機變頻器、地排風機變頻器、新風窗執行器和地排風窗執行器，送風機和地排風機頻率增大、新風窗開度增大、地排風窗開度減小，系統等待5 min后，PLC系統根據實時計算值進行判斷，如果車間實時溫度還是高于車間設定溫度，PLC系統會再一次發出命令到送風機變頻器、地排風機變頻器、新風窗執行器和地排風窗執行器，進行同樣的動作直至車間實時溫度等于設定溫度。反之則送風機和地排風機頻率減小、新風窗開度減小、地排風窗開度增大。

圖7 車間溫度高于設定溫度界面

車間實時相對濕度為53.9%，高于設定相對濕度51%,如圖8所示。此時車間溫濕度探頭采集到的信號傳輸到PLC,PLC經過計算后發出命令到循環水泵變頻器、新風窗執行器、地排風窗執行器和工藝回風窗執行器，循環水泵頻率減小、新風窗開度增大、地排風窗開度增大、工藝風窗開度減小，系統等待5 min后，PLC系統根據實時計算值進行判斷，如果車間實時相對濕度還是高于車間設定相對濕度，PLC系統會再一次發出命令到循環水泵變頻器、新風窗執行器、地排風窗執行器和工藝回風窗執行器，進行同樣的動作直至車間實時相對濕度等于設定相對濕度。反之則循環水泵頻率增大、新風窗開度減小、地排風窗開度減小、工藝風窗開度增大。

圖8 車間相對濕度高于設定相對濕度界面

3.2 車間內外溫濕度變化曲線

在冬季車間外溫濕度早晚變化幅度大，車間溫濕度受新風擾動大，在冬季模式車間目標溫度為33 ℃，目標相對濕度為51%。如圖9和圖10所示，取冬季1月每天7點左右車間溫濕度數據進行分析，從圖中可以看出系統對車間溫濕度控制穩定，車間溫濕度穩定在設定值附近，并且調節十分迅速。分析現有運行數據，車間相對濕度誤差在3個百分點以內、溫度誤差在±0.7 ℃以內。

圖9 車間內外溫度變化圖

圖10 車間內外相對濕度變化圖

3.3 系統運行節能效果分析

自本系統在鹽城某紡織車間安裝運行以來，系統運行穩定，節能效果明顯。本系統能夠實時精確地調節車間溫濕度，空調系統中風機和水泵頻率能夠及時調節，使風機和水泵運行頻率在合理范圍運行，最大限度節約電量，見表5。取2019年1月、2月和3月用電量和2018年同期用電量進行比較，平均節電率為8.21%，隨著系統不斷優化調節，本系統的節電效果會更加明顯。

表5空調自控系統節電統計表

月份用電量/kW·h2018年 2019年節電率/%1月2月3月35 62030 52038 13033 43826 34235 9286.1213.695.77

4 結束語

(1)本文提出的分季節PLC步進算法節能自控系統，能夠精確調節紡織車間溫濕度，且可以滿足生產要求。

(2)本系統將全年工況按照季節分別控制，將夏季模式分為三個區域進行調節，考慮到夏季連續陰雨天，車間外空氣溫度低、相對濕度大，車間外空氣可以不經過空調室處理直接送入車間使用，利于節能；在冬季和過渡季節都為兩個區域進行調節，當車間外空氣焓值小于車間空氣焓值時，新回風比例采用新回風步進算法調節。

(3)采用分季節PLC步進算法對紡織空調系統進行調節，做到了對車間溫濕度實時精確控制，通過運行數據分析，空調系統穩定運行時車間相對濕度誤差控制在3個百分點以內、溫度誤差控制在±0.7 ℃以內。通過與去年空調系統耗電量相比，本系統在2019年前3個月節電率為8.21%。