葉荃 王麗芳 沈強(qiáng)

(蘇州市海魄潔凈環(huán)境工程有限公司,江蘇蘇州 215011)

精密機(jī)械加工車(chē)間超高精度空調(diào)設(shè)計(jì)的探討

葉荃 王麗芳 沈強(qiáng)

(蘇州市海魄潔凈環(huán)境工程有限公司,江蘇蘇州 215011)

機(jī)械工業(yè)各行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中為保證產(chǎn)品質(zhì)量和精度,對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫度、相對(duì)濕度和潔凈度等參數(shù)提出不同的要求,恒溫空調(diào)是最常見(jiàn)的一種。本文對(duì)精密機(jī)械加工車(chē)間超高精度空調(diào)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,具有一定的參考價(jià)值。

精密機(jī)械 加工車(chē)間 超高精度 恒溫空調(diào)

1 恒溫的要求

1.1 恒溫的分類(lèi)

按允許室溫波動(dòng)值(恒溫精度)分類(lèi)：

(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(jī)械行業(yè)中，大多為一般精度恒溫室，其面積數(shù)十至數(shù)百平方米不等，也有達(dá)數(shù)千平方米的;高精度恒溫室相對(duì)較少，僅限于高等級(jí)的計(jì)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(biāo)志功能區(qū)。

1.2 溫度基數(shù)與精度

恒溫室的溫度基數(shù)與精度，取決于計(jì)量級(jí)別、加工與裝配的精度。室溫偏離和允許波動(dòng)范圍，直接影響檢測(cè)和加工精度。韓國(guó)BUPE(Billionth Uncertainty Precision Engineering)研究表明：當(dāng)溫度變化1℃的時(shí)候，由于系統(tǒng)的機(jī)械熱變形所引起的相對(duì)不確定度的誤差就可以達(dá)到10-5m。此外，溫度的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)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(dá)到10-6m。

(1)溫度基數(shù)：指生產(chǎn)工藝要求環(huán)境的基準(zhǔn)溫度。國(guó)際長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)溫度為20℃，一般以此為溫度基數(shù)。

(2)溫度精度：指恒濕區(qū)域內(nèi)空氣溫度在要求的持續(xù)時(shí)間內(nèi)允許波動(dòng)的輻度(即偏離溫度基數(shù)的最大波輻)。溫度精度包含以下內(nèi)容：①動(dòng)態(tài)偏差：短時(shí)間內(nèi)室溫偏離基數(shù)的波輻。動(dòng)態(tài)偏差是由各種擾動(dòng)引起的，如送風(fēng)溫度波動(dòng)、圍護(hù)物不穩(wěn)定傳熱、生產(chǎn)設(shè)備啟閉和負(fù)荷變化以及人員流動(dòng)和逗留引起的擾動(dòng)等等;②靜態(tài)偏差：室溫變化平均值長(zhǎng)期偏離基數(shù)值，靜態(tài)偏差是自控儀表示值偏離設(shè)定值造成的，與儀表的精度等級(jí)與制造質(zhì)量有關(guān);③區(qū)域溫差：恒溫室控制點(diǎn)溫度與恒溫區(qū)域內(nèi)其他地點(diǎn)溫度的差值。區(qū)域溫差是由恒溫室發(fā)熱量不均勻、不良的氣流組織、新風(fēng)量不均勻以及送風(fēng)射流未充分衰減等原因造成的。

表1

圖1

圖2 自適應(yīng)控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

2 恒溫室設(shè)計(jì)參數(shù)

恒溫室溫、濕度設(shè)計(jì)參數(shù)，由生產(chǎn)工藝提供。

精密加工：如精密機(jī)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(yīng)控制的波形圖

圖4 并聯(lián)抗積分飽和方案

機(jī)工工業(yè)恒溫室的相對(duì)濕度，一般要求在50-65%之間，但不大于70%，以免設(shè)備和工件銹蝕。對(duì)于高等級(jí)的計(jì)量室，為了保護(hù)精密檢測(cè)儀器儀表，相對(duì)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(yáng)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(yáng)光投射在設(shè)備上或圍護(hù)物內(nèi)表面上獲得的熱量，難以由送風(fēng)氣流來(lái)消除，致使設(shè)備產(chǎn)生變形或加大恒溫區(qū)域溫差。 恒溫室夏季室內(nèi)外溫差大，如用熱惰性小的輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一旦空調(diào)系統(tǒng)停機(jī)(恒溫室很少三班制工作)，室溫將迅速回升。由于設(shè)備熱惰性很大，升溫緩慢。在室內(nèi)外空氣水蒸汽壓力差的作用下，不斷向室內(nèi)傳濕，使室內(nèi)相對(duì)濕度迅速增加。潮濕的空氣在設(shè)備冷表面上結(jié)露，造成設(shè)備銹蝕和儀器儀表?yè)p壞。 在確定恒溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能時(shí)，須引起足夠的重視，應(yīng)考慮使用熱阻大的隔熱材料。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)可采用嵌套形式。外圍緩沖區(qū)建議采用100mm巖棉彩鋼復(fù)合保溫板，溫度精度比內(nèi)區(qū)精度低一到二個(gè)等級(jí)，基準(zhǔn)值與內(nèi)區(qū)一致;內(nèi)區(qū)核心區(qū)采用50mm巖棉彩鋼復(fù)合保溫板，通過(guò)緩沖區(qū)減少內(nèi)區(qū)受外界干擾的影響程度。

4 空調(diào)技術(shù)措施

一般采用中央空調(diào)+自控系統(tǒng)方式。由組裝式空調(diào)機(jī)處理空氣，根據(jù)需要配置功能段和相應(yīng)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(tǒng)全能處理空氣，配置靈活，適用于大小不同的恒溫室。

(1)對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理(預(yù)冷、預(yù)熱)。新風(fēng)預(yù)冷、預(yù)熱處理，使得新風(fēng)溫度恒定在5-15度區(qū)域，減少外界負(fù)荷變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的影響。

(2)溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)。溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的基本組成為：處理顯熱的系統(tǒng)與處理潛熱的系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)節(jié)、分別控制室內(nèi)的溫度和濕度，即利用濕度控制系統(tǒng)承擔(dān)建筑全部的潛熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)濕度的控制;利用溫度控制系統(tǒng)，處理剩余的建筑冷(熱)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

溫濕度獨(dú)立控制可以滿足不同房間熱濕比變化的要求，克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)溫濕度難以同時(shí)滿足、室內(nèi)濕度偏高或偏低的現(xiàn)象。室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)采用顯熱處理方式，消除了冷凝水盤(pán)提高了室內(nèi)空氣品質(zhì)。

(3)冷凍水溫度的恒定。來(lái)自能源中心的冷水(7℃/12℃)會(huì)受到諸多因素的影響而變得不穩(wěn)定，使得空調(diào)機(jī)組夏季處理的冷量、濕量也變的相對(duì)不穩(wěn)定。

空調(diào)系統(tǒng)采用板式換熱器，將去往空調(diào)系統(tǒng)的冷水與來(lái)自能源中心的冷水分隔開(kāi)，彼此通過(guò)換熱器進(jìn)行能量的傳遞，此舉能夠有效避免能源中心的冷水的不穩(wěn)定而給系統(tǒng)的溫濕度帶來(lái)干擾。

(4)送風(fēng)溫差。恒溫空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫差大小，除與恒溫精度直接有關(guān)外，還與送風(fēng)方式、送風(fēng)口形式和安裝高度有關(guān)。機(jī)工工業(yè)恒溫室的送風(fēng)溫差可參照下表取用(表1）。

(5)送風(fēng)均勻性。恒溫室氣流組織的基本形式有三種，即上送下回、側(cè)送側(cè)回和上送上回，可根據(jù)恒溫精度要求、恒溫室高度、風(fēng)管布置狀況、美觀要求以及投資費(fèi)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(jù)建筑情況并結(jié)合系統(tǒng)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(yīng)單側(cè)上部送風(fēng)，同側(cè)下部回風(fēng)。送風(fēng)射流作用距離7～9m，一般不大于12m，并對(duì)射流的溫、速度衰減用精確計(jì)算，保證工作區(qū)處于回流區(qū)。恒溫精度±0.5時(shí)，最好不采用側(cè)送側(cè)回形式，如采用，氣流宜貼附，并對(duì)射流進(jìn)行計(jì)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(shí)，可采用散流器、雙層百葉式風(fēng)口和孔板送風(fēng)，頂送、下部回風(fēng)，吊頂較低或恒溫精度±0.1℃時(shí)，根據(jù)具體情況，采用貼附型散流器或孔板頂送、下部均勻回風(fēng)。精度±0.1～0.2℃的恒溫室應(yīng)設(shè)置回風(fēng)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(shè)置恒溫套間，采用孔板頂送，回風(fēng)隔套下部均勻回風(fēng)。恒溫套間單獨(dú)設(shè)置恒溫空調(diào)系統(tǒng)，保持恒溫精度±0.5℃。

⑤末端電加熱、SCR控制精度，在空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)支管(靠近風(fēng)口處)設(shè)置末端電加熱器(無(wú)級(jí)調(diào)節(jié))，能夠精確調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度，對(duì)于送風(fēng)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(shí)候要放有一定的余量，盡量使得落在20%～80%這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)。

5 高精度控制策略

實(shí)現(xiàn)恒溫要求除涉及建筑熱工和空氣調(diào)節(jié)外，高精度控制策略是非常非常重要的環(huán)節(jié)。引起恒溫室溫度波動(dòng)的原因是來(lái)自各種擾動(dòng)，如圍護(hù)物不穩(wěn)定傳熱，送風(fēng)溫度波動(dòng)(以上為外擾)，內(nèi)部發(fā)熱量(設(shè)備、人員、燈光)的變化(內(nèi)擾)等等。自控的任務(wù)是消除各種擾動(dòng)，保持室溫穩(wěn)定在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)。對(duì)于高精度恒溫室，建筑和空調(diào)已采取多種措施減少外擾影響，采取相應(yīng)措施(如引流局部熱源，采用隔熱罩等)減少內(nèi)擾影響也十分重要，而高精度控制策略是保證恒溫的關(guān)鍵，根據(jù)恒溫精度要求，采用調(diào)節(jié)性能與之相適應(yīng)的自控裝置。必要時(shí)，亦可采用分區(qū)控制方式，以保證恒溫區(qū)溫度場(chǎng)的均勻性。

5.1 系統(tǒng)誤差的概念

任何精密的控制系統(tǒng)都會(huì)存在一定的誤差，系統(tǒng)誤差是一個(gè)累積誤差，主要由以下幾個(gè)方面組成：測(cè)量誤差、傳感器轉(zhuǎn)換誤差、開(kāi)關(guān)切換誤差、A/D轉(zhuǎn)換誤差等。由于控制誤差實(shí)際為累積誤差，因此只有當(dāng)傳感器的誤差+信號(hào)轉(zhuǎn)輸?shù)恼`差+A/D轉(zhuǎn)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(dá)到控制要求。如當(dāng)傳感器(Moore的TDY室內(nèi)溫度傳感器)在20℃的誤差為0.009℃;由于為電流信號(hào)(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(zhuǎn)換為12位，其分辨率為1/4096=0.0002441;如此時(shí)計(jì)算機(jī)上顯示的室內(nèi)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(tǒng)誤差應(yīng)從以下三個(gè)方面著手：(1)減少外界環(huán)境的影響;(2)減少硬件系統(tǒng)的影響;(3)優(yōu)化控制策略。

5.2 傳感器的選擇原則

傳感器的技術(shù)指標(biāo)：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(fù)性以及調(diào)節(jié)分辨率的影響;②穩(wěn)定性;③響應(yīng)(上升)時(shí)間;④環(huán)境溫度影響;⑤分辨率。

上述原則中，重點(diǎn)考慮穩(wěn)定性和分辨率。

5.3 傳輸方式

雖然采用的是測(cè)量精度很高的儀器，考慮到電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)儀器內(nèi)部電路的干擾，測(cè)量值必然會(huì)產(chǎn)生偏移，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)反饋量的精度也無(wú)法得到保證，從而影響控制量，同時(shí)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)匠炭仉娫吹碾娏髦狄矔?huì)受到影響。要解決這個(gè)問(wèn)題，可以考慮在整個(gè)硬件系統(tǒng)的最前端使用濾波電源，降低電網(wǎng)對(duì)硬件電路的影響。

系統(tǒng)應(yīng)減少A/D或D/A轉(zhuǎn)換，采用數(shù)字量型號(hào)傳遞信號(hào)(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(tǒng)的算法，或者是采用將幾種算法結(jié)合起來(lái)的方法，充分利用它們的優(yōu)點(diǎn)避免其缺點(diǎn)，通過(guò)不斷地調(diào)整找到最佳的控制策略(圖2-4）。

高精密恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，需對(duì)干擾做定量分析，只有做到步步測(cè)量，步步控制，才能達(dá)到預(yù)想的控制結(jié)果。

5.5 精密的執(zhí)行

執(zhí)行器(如閥門(mén))開(kāi)度控制，Scr控制需選擇線性段如圖5所示。

在第一段，反應(yīng)太快;在第三段，反應(yīng)過(guò)于平緩。中間段基本接近線性。

6 結(jié)語(yǔ)

恒溫空調(diào)設(shè)計(jì)是一門(mén)綜合技術(shù)，相關(guān)專(zhuān)業(yè)須協(xié)調(diào)一致，首先應(yīng)有符合恒溫要求的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這是創(chuàng)造恒溫環(huán)境的前提。任何忽視圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性或降低熱工要求，都將造成嚴(yán)重后果。良好的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)恒溫恒濕的關(guān)鍵，離開(kāi)空調(diào)談自控毫無(wú)意義;高精度控制策略是實(shí)現(xiàn)精度控制的重要手段和保證，兩者缺一不可。它們的綜合應(yīng)用才能使系統(tǒng)可靠、節(jié)能運(yùn)行。實(shí)踐證明，只有大家協(xié)調(diào)一致，處理好各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，才能使工程取得成功，任何疏漏都將會(huì)給工程造成缺陷或?qū)е率　?/p>