溫度自適應(yīng)變露點(diǎn)紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)

汪虎明 周剛

（江蘇精亞集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫，214426）

紡織空調(diào)系統(tǒng)是車間溫濕度環(huán)境滿足正常生產(chǎn)要求的重要保障。紡織空調(diào)系統(tǒng)以噴水室循環(huán)（冷凍）水噴淋空氣實(shí)現(xiàn)熱濕交換，并以較大的通風(fēng)換氣次數(shù)滿足車間的溫濕度條件。大型紡織廠的空調(diào)系統(tǒng)較為龐大，能耗占比較高。我國(guó)紡織廠制冷機(jī)冷凍水供冷一般在1個(gè)月～3個(gè)月，全年多數(shù)時(shí)間是以噴水室噴淋水實(shí)現(xiàn)等焓降溫、加濕過(guò)程，若能合理利用室外新風(fēng)冷量維持車間的熱量平衡，則可相應(yīng)減少送風(fēng)機(jī)和水泵的能耗，這對(duì)紡織廠日常運(yùn)行中的節(jié)能效果是十分可觀的。

紡織產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)空氣參數(shù)要求比較嚴(yán)格，紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)車間溫濕度的變化對(duì)水泵、送風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，通過(guò)改變噴水量和送風(fēng)量，穩(wěn)定車間的溫濕度。然而，室外天氣的變化、紡織車間設(shè)備負(fù)荷的改變，往往導(dǎo)致紡織車間空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)，出現(xiàn)調(diào)節(jié)滯后現(xiàn)象，造成車間溫濕度大范圍波動(dòng)及能源浪費(fèi)。因此，解決紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)中的滯后性和穩(wěn)定性，對(duì)合理利用新風(fēng)的恒溫恒濕紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)具有重要的意義。浮動(dòng)露點(diǎn)恒濕控制法［1］、全自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)［2］、模糊PID控制［3］、多工況分區(qū)節(jié)能控制［4］等紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的提出均有其各自的特點(diǎn)，也有相應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用?；趪娝覠釢窠粨Q、風(fēng)量平衡熱量平衡及自動(dòng)控制原理，在非制冷季空調(diào)運(yùn)行期間充分利用新風(fēng)冷量適應(yīng)車間負(fù)荷的變化，維持恒溫恒濕的車間環(huán)境，我們研發(fā)了溫度自適應(yīng)變露點(diǎn)紡織空調(diào)PID自動(dòng)控制系統(tǒng)，在維持車間溫濕度穩(wěn)定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了紡織車間的節(jié)能要求。

1 溫度自適應(yīng)變露點(diǎn)的控制原理

1.1 新風(fēng)及變露點(diǎn)的控制

新風(fēng)的引入對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗有很大的影響。在有些情況下（如春秋季），新風(fēng)具備冷卻和除濕能力，能降低系統(tǒng)的制冷需求。在這種情況下，引入新風(fēng)對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行是有利的。因此，需要結(jié)合車間產(chǎn)品及工藝要求，設(shè)定溫濕度參數(shù)及噴水室空氣處理過(guò)程，合理制定新風(fēng)節(jié)能控制策略。

根據(jù)紡織廠各車間的工藝產(chǎn)品特點(diǎn)，確定溫濕度設(shè)定值，根據(jù)設(shè)定值確定送風(fēng)露點(diǎn)焓值，由新風(fēng)焓和回風(fēng)焓的相互關(guān)系確定新風(fēng)窗開(kāi)度，根據(jù)車間設(shè)定溫度與實(shí)測(cè)溫度的差值對(duì)送風(fēng)露點(diǎn)焓進(jìn)行修正，相應(yīng)改變新風(fēng)窗開(kāi)度并實(shí)現(xiàn)最大程度的合理利用新風(fēng)。變露點(diǎn)控制原理如圖1所示。若車間負(fù)荷增大，車間溫度升高到t′N，相對(duì)濕度會(huì)降低。采用變露點(diǎn)控制方式時(shí)，則通過(guò)降低機(jī)器露點(diǎn)從tL到t′L，相應(yīng)地減小新風(fēng)與回風(fēng)混合焓值點(diǎn)從i混合焓1減小到i混合焓2，混合焓值降低則相應(yīng)增大新風(fēng)窗開(kāi)度，以引入新風(fēng)的冷量來(lái)減小送風(fēng)機(jī)及水泵的能耗，利用新風(fēng)窗開(kāi)度的合理變化實(shí)現(xiàn)最大程度的節(jié)能。

圖1 變露點(diǎn)控制原理

在定露點(diǎn)送風(fēng)控制方式中，車間的回風(fēng)和新風(fēng)的混風(fēng)焓值是不變的。假設(shè)車間外環(huán)境空氣溫濕度基本不變，新風(fēng)窗的開(kāi)度也基本不變，如果車間的負(fù)荷增大，在相對(duì)濕度優(yōu)先的前提下，水泵會(huì)升頻加濕，或加大送風(fēng)機(jī)送風(fēng)量，從而使車間相對(duì)濕度保持穩(wěn)定，但增加了能耗。而變露點(diǎn)送風(fēng)時(shí)只需降低送風(fēng)的露點(diǎn)溫度，減小車間回風(fēng)和室外新風(fēng)的混風(fēng)焓，增大新風(fēng)窗開(kāi)度，充分利用室外新風(fēng)的冷量就可以滿足紡織車間空氣溫度和相對(duì)濕度保持不變的要求，而且還相應(yīng)節(jié)約了水泵和送風(fēng)機(jī)的能耗。反之，車間負(fù)荷降低時(shí)，通過(guò)提高送風(fēng)露點(diǎn)溫度，增大新風(fēng)與車間回風(fēng)的混風(fēng)焓，即減小新風(fēng)窗開(kāi)度維持車間溫濕度穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)全年無(wú)分區(qū)變露點(diǎn)送風(fēng)控制。

1.2 相對(duì)濕度控制原則

紡織廠空調(diào)系統(tǒng)采用噴水室實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的處理過(guò)程是熱濕耦合的，因此控制紡織車間的溫濕度具有一定的難度。相對(duì)濕度控制采用序列控制，即采用低電耗優(yōu)先原則。當(dāng)車間實(shí)測(cè)相對(duì)濕度減小時(shí)，先減小二次回風(fēng)窗開(kāi)度，然后提高水泵頻率，最后提高送風(fēng)機(jī)頻率，增加紡織車間相對(duì)濕度。而當(dāng)車間相對(duì)濕度增大時(shí)，則反序逐漸順序減小高電耗設(shè)備頻率，直至車間相對(duì)濕度滿足設(shè)定要求。

1.3 PID自動(dòng)控制原理

將車間內(nèi)溫濕度傳感器采集到的溫濕度數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出一個(gè)偏差值?？刂破鞲鶕?jù)這個(gè)偏差值輸出執(zhí)行命令給執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)空調(diào)室設(shè)備做出相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)行空氣的調(diào)節(jié)處理，然后通過(guò)送風(fēng)裝置送到紡織車間內(nèi)，以保證紡織車間內(nèi)空氣溫濕度維持在工藝要求范圍之內(nèi)。紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包含四大部分：被控對(duì)象、傳感器、控制器和執(zhí)行器［5］。紡織空調(diào)PID自動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 紡織空調(diào)PID自動(dòng)控制系統(tǒng)原理

2 紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用西門子S7系列可編程邏輯控制器（PLC），通過(guò)連接傳感器（溫濕度、壓力等）、執(zhí)行器（開(kāi)度控制模塊、變頻器等）實(shí)現(xiàn)紡織空調(diào)空氣處理過(guò)程的自動(dòng)控制，如圖3所示。紡織空調(diào)PLC系統(tǒng)集成了模擬量采集及處理模塊、自動(dòng)控制模塊、手動(dòng)控制模塊、報(bào)表輸出模塊、報(bào)警模塊、停機(jī)模塊等。在制定紡織空調(diào)自控策略的基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)化為PLC自控程序?qū)崿F(xiàn)各模塊的基本功能，并通過(guò)程序?qū)⒁蛲饨缣鞖獾耐蛔兛赡茉斐绍囬g溫濕度的變化進(jìn)行預(yù)處置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 紡織空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

PLC采集紡織車間溫濕度傳感器的溫濕度信號(hào)數(shù)據(jù)，與設(shè)定值比較，若存在偏差則通過(guò)PID算法進(jìn)行計(jì)算調(diào)整。若車間溫度與設(shè)定值有偏差，則根據(jù)偏差值改變機(jī)器露點(diǎn)并計(jì)算相應(yīng)焓值，與設(shè)定參數(shù)相對(duì)應(yīng)的焓值比較，根據(jù)焓值偏差通過(guò)PID計(jì)算輸出信號(hào)到新風(fēng)窗執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)新風(fēng)窗開(kāi)度的調(diào)整，直至車間溫度與設(shè)定值的偏差在設(shè)定范圍內(nèi)。若車間相對(duì)濕度與設(shè)定值有偏差，由PID控制算法計(jì)算偏差輸出信號(hào)至二次回風(fēng)執(zhí)行器，調(diào)整二次回風(fēng)窗開(kāi)度；當(dāng)二次回風(fēng)窗開(kāi)度增大到80%或減小到20%時(shí)，車間相對(duì)濕度與設(shè)定值仍有偏差，PLC輸出信號(hào)給水泵變頻器，改變水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率；若水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率增加到40 Hz或減小到15 Hz，車間相對(duì)濕度仍未達(dá)到設(shè)定值，PLC開(kāi)始調(diào)整風(fēng)機(jī)頻率。提高車間相對(duì)濕度時(shí)按減小二次回風(fēng)窗開(kāi)度→提高水泵頻率→提高風(fēng)機(jī)頻率執(zhí)行，即能耗高的設(shè)備后運(yùn)行；當(dāng)車間相對(duì)濕度過(guò)大而需要減小時(shí)，則按降低送風(fēng)機(jī)頻率→降低水泵頻率→增大二次回風(fēng)窗開(kāi)度的次序執(zhí)行，即能耗高的設(shè)備先降頻運(yùn)行，以減少空調(diào)設(shè)備能耗。

3 紡織車間自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行

為了驗(yàn)證自控程序在紡織車間實(shí)際運(yùn)行的有效性，在紡織車間進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行。細(xì)紗車間發(fā)熱量大，車間外環(huán)境溫濕度的改變對(duì)其車間內(nèi)環(huán)境影響較小，變露點(diǎn)自控程序?qū)嵤┖笮嘛L(fēng)窗開(kāi)度變化不明顯，而前紡發(fā)熱量小且負(fù)荷波動(dòng)大，由于產(chǎn)品的變化導(dǎo)致對(duì)設(shè)定溫濕度的選擇也經(jīng)常改變，車間外環(huán)境溫濕度的改變對(duì)車間內(nèi)環(huán)境影響較大，前紡的溫濕度更難控制，不易保持溫濕度的穩(wěn)定。所以選擇前紡車間實(shí)施變露點(diǎn)自控程序，其更具有代表性。以江蘇某紡織廠前紡空調(diào)系統(tǒng)為監(jiān)控對(duì)象，進(jìn)行近半年的效果追蹤。調(diào)出相關(guān)控制曲線報(bào)表發(fā)現(xiàn)，車間溫濕度控制穩(wěn)定，新風(fēng)窗能根據(jù)車間內(nèi)外溫濕度的改變而變化，較好地達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于紡織廠空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行的實(shí)際需求，提出了紡織車間溫度自適應(yīng)變露點(diǎn)自動(dòng)控制空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)紡織車間實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度的差值自動(dòng)關(guān)聯(lián)新風(fēng)窗開(kāi)度，充分利用新風(fēng)的冷量，具有節(jié)能降耗的效果，并能保證車間溫濕度的穩(wěn)定。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外界天氣的突然變化所引起的車間溫濕度的改變進(jìn)行了系統(tǒng)預(yù)判，避免了車間溫濕度的波動(dòng)。該系統(tǒng)全年無(wú)分區(qū)，具有車間溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)的連續(xù)性，避免了分區(qū)邊界自動(dòng)控制的波動(dòng)與紊亂。在某紡織廠近半年的實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有溫濕度控制精度高、節(jié)能效果明顯的特點(diǎn)。