基于溫濕度智能控制的中央空調系統優化設計

王志杰，張永江，王宏恩

（河南中煙工業有限責任公司洛陽卷煙廠，河南洛陽 471003）

0 引言

在卷煙產品的加工過程中，為滿足產品在制煙絲含水率、煙支硬度、原輔材料儲存質量等方面的工藝標準，對環境的溫濕度要求較高，一般要求濕度標準偏差±3%RH、溫度標準偏差±2 ℃。卷煙產品的加工環境溫濕度指標由中央空調系統控制，在溫濕度指標波動超出標準偏差時，采取增濕除濕、增溫降溫等相應措施，對環境溫濕度指標進行調控。為保證溫濕度指標，中央空調系統在運行過程中消耗了大量的水、電和蒸汽等能源。

1 控制系統優化

以某卷煙工業企業為例，對其中央空調系統控制系統進行優化設計，以提高控制精度、降低能源消耗。

1.1 現狀分析

目前中央空調系統傳統程序運行，溫濕度控制尚可，但是執行機構動作太過于頻繁。從圖1 中加濕閥開度歷史趨勢來看，從0～100%間隔時間為5 min，從100%～0 間隔約5 min，系統執行機構總是處于頻繁震蕩中。這樣的調節結果，雖然也可以保證溫濕度達到工藝要求，但長期運行必然帶來不良后果，管道上的調節閥門處于不間斷運行狀態，給相關閥門設備極大的壓力，大大影響相關設備的使用壽命。

圖1 空調系統歷史趨勢

1.2 構建PID 串級控制

由于該企業空調控制服務區域面積較大，再加上表冷器、加熱器及相關執行機構的滯后作用，因此在溫濕度控制中系統的純滯后及慣性較大，如果單純地以溫濕度為控制對象來構建PID、控制各執行機構，則系統可能會因為滯后的原因引起車間溫濕度超調及震蕩，此時應當將送風參數引入控制回路構成副回路和主回路共同組成串級控制。由于副回路的存在，與主回路構成串級調節系統，可及時校正來自送風方面的干擾，穩定控制系統，從而提高控制品質。

1.3 優化PID 參數

由于卷煙廠車間動態的熱物理特性和不斷變化的室外氣象條件的影響，固定的一組PID 參數很難保證全年任何時間段都能將車間溫濕度控制在正常范圍，因此對溫濕度控制回路的主要參數（P、Ti和Td）也應隨之動態調整，以防較大的超調及震蕩現象出現。在軟件中采用變PID 參數、積分分離等自適應模糊控制技術，自動修正PI 參數及調整PID 控制規律，可保障全年任何時間車間都能夠快速到達溫濕度高精度要求。在PID 調節邏輯中，還設置了PID 輸出和設備實際執行的內部反饋閉鎖回路，避免由于執行器動作速度慢于PID 計算輸出造成的系統超調，進一步提高系統調節的穩定性。

1.4 空調指標控制優化

K3 中央空調為儲絲房提供合格的溫濕度環境，工藝要求溫度26±2 ℃、相對濕度65%RH±3%RH，目前控制系統響應足夠快，工藝要求允許偏差范圍相對較寬，可以利用一部分偏差作為控制偏差，在此范圍內規劃最優路徑。在此引入設定域控制技術，溫度允許偏差±2 ℃，濕度允許偏差±3%RH，選定溫度控制偏差為±1 ℃，濕度控制偏差為±1.2%RH。系統采用動態實時焓濕圖，輔助以優化算法、區域目標控制優化計算模塊，使空調控制參數在滿足工藝要求的前提下在一定范圍內浮動，能顯著降低空調的能源消耗。

1.5 表冷器溫濕分控

傳統空調在除濕過程中將氣流降低至露點溫度，除濕后再行加熱，造成除濕季空調機組運行內部損耗嚴重。由于空氣中的水汽主要由新風帶入，而新風入口一般在空調的上部，新風帶入的水汽基本分布于氣流的中上層。只要對空調表冷器結構稍作變更，將表冷器分為兩層：上層容量約為原表冷器的2/3，下層容量約為原表冷器的1/3；上層作為除濕表冷器，下層作為輔助降溫表冷器，即可在除濕工況中實現溫、濕分層控制，中央空調智慧節能監控系統可以給出最優控制路徑，實時指導空調系統控制方向。

2 效果分析

2.1 控制程序結果驗證

切換到新程序運行，從圖2 可看出系統穩定后的歷史趨勢。控制系統經歷2～3 個震蕩周期后，震蕩幅度逐漸減小，系統處于穩定的運行中，工藝參數符合要求，執行機構（加濕閥門）運行正常。

圖2 優化后控制系統震蕩趨勢圖

2.2 溫濕分控節能分析

將表冷器分為除濕表冷器和降溫表冷器，可利用回風的熱能對除濕工況的氣流加溫，有顯著的節能效果。圖3 為兩種運行方式的仿真計算結果對比。由圖3 可知，經典方式耗能470.8 kW，溫濕分控耗能357 kW，所以節能百分比k=（470.8-357）/470.8×100%=24.2%。

圖3 經典控制與溫濕分控的仿真計算對比

2.3 溫濕度指標調整對產品質量的影響

對環境溫濕度調整前后成品梗絲和煙絲質量指標進行統計、對比，結果如表1所示。

從表1 中的數據可以看出：

表1 濕度調整前后成品梗絲和煙絲結果對比

（1）不同環境濕度控制下，各工序指標完成情況沒有明顯規律，能力指數的完成情況也變化不大。

（2）從成品梗絲和成品煙絲的結構、填充值對比情況來看，隨著生產環境濕度的增加，梗絲整絲率和填充值降低趨勢，而碎絲率有增加趨勢；長河之韻和銀河之光兩牌號煙絲碎絲率有隨環境濕度增加而降低的趨勢，而兩牌號煙絲的整絲率和填充值變化趨勢相反。

隨著環境相對濕度的變化，梗絲和煙絲的結構和填充值雖然產生一定的變化，但從其變化規律和變化量來看，均可認為是批次間的差異造成的，因此認為，制絲車間環境相對濕度在52.5%RH～67.5%RH 可以滿足工藝技術條件。

3 結束語

通過優化中央空調軟件PID 算法，依托PLC 與人機交互技術，使空調機組控制最優路徑下達執行，同時傳遞基礎數據給軟件系統進行實時分析：使空調系統運行更加穩定，采用設定域控制，找出當前工況下最佳的節能點；采用溫濕分控技術，大大降低空調系統內耗；對表冷器進行溫濕分控改造，達到溫濕分控的目的。軟件和硬件的相互結合，使系統能夠選擇最合理、最節能的熱濕處理執行機構進行增溫降溫、增濕除濕等操作，對環境溫濕度指標進行調控，在保證工藝標準的前提下節約能源、提高產品質量。