張軍鵬 顏蘇芊 張 風(fēng) 周步軍

(1.西安工程大學(xué)，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(huán)境問題日益嚴(yán)重，紡織廠作為工藝性廠房是能耗較大的行業(yè)，紡織廠空調(diào)系統(tǒng)用電量占整個(gè)紡織企業(yè)用電量的25%以上[1]，實(shí)現(xiàn)紡織空調(diào)系統(tǒng)精確自動(dòng)化控制，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)乃至整個(gè)企業(yè)的節(jié)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(diào)系統(tǒng)要用一定量的新風(fēng)，所以空調(diào)系統(tǒng)受新風(fēng)影響很大；二是車間生產(chǎn)過程中溫濕度穩(wěn)定性要求高，不允許因自控系統(tǒng)控制精度不夠而對(duì)車間溫濕度產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象；三是車間之間溫濕度存在交叉耦合性，對(duì)于精確自動(dòng)控制有一定的難度[2-4]。在滿足生產(chǎn)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能自控已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。本文提出了一種分季節(jié)PLC步進(jìn)算法節(jié)能自控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱分季節(jié)步進(jìn)算法自控系統(tǒng))，對(duì)車間溫濕度進(jìn)行獨(dú)立控制，系統(tǒng)根據(jù)車間內(nèi)外空氣參數(shù)變化，快速調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備頻率和開度，最大限度節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)用電量。

1 分季節(jié)步進(jìn)算法自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)

1.1 車間內(nèi)外空調(diào)溫濕度控制參數(shù)

本系統(tǒng)在鹽城某紡織車間安裝運(yùn)行，根據(jù)鹽城近兩年的氣象參數(shù)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)得到夏季車間外焓值最高點(diǎn)Wxz，其干球溫度33.2℃，相對(duì)濕度86%；冬季車間外焓值最低點(diǎn)Wdz，其干球溫度-4.9 ℃，相對(duì)濕度62%。車間內(nèi)溫濕度控制范圍與空調(diào)系統(tǒng)能耗緊密相關(guān)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和車間歷年運(yùn)行參數(shù)，在夏季、過渡季和冬季三種模式下溫濕度調(diào)節(jié)范圍見表1。

表1車間內(nèi)空調(diào)溫濕度控制參數(shù)

季節(jié)模式溫度/℃相對(duì)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(jié)調(diào)節(jié)過程

紡織廠全年都采用共同的空氣調(diào)節(jié)設(shè)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(nèi)空氣焓值,在采用10%新風(fēng)混合后需由空調(diào)室等焓加濕處理；夏季車間外空氣焓值大多時(shí)候高于車間內(nèi)空氣焓值，在采用20%新風(fēng)混合后需由空調(diào)室除濕降溫處理；過渡季節(jié)車間外早晚溫濕度波動(dòng)幅度很大，空調(diào)系統(tǒng)中,新回風(fēng)窗開啟需由步進(jìn)算法確定開啟度的大小，混合空氣需由空調(diào)室等焓加濕處理。對(duì)不同的車間內(nèi)、外空氣狀態(tài)，空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式不盡相同，在確保車間生產(chǎn)的前提下，本自控系統(tǒng)按季節(jié)將空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)控制，最大限度地節(jié)約能源。

1.2.1 夏季模式調(diào)節(jié)過程

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

圖1 夏季模式分區(qū)調(diào)節(jié)原理圖

表2夏季模式溫濕度分區(qū)調(diào)節(jié)方案

h-d分區(qū)邊界條件新風(fēng)使用量/%回風(fēng)使用量/%冷水泵循環(huán)泵123hw≥h4hx4′≤hw

圖2 夏季模式自控流程圖

1.2.2 過渡季模式調(diào)節(jié)過程

過渡季模式分區(qū)調(diào)節(jié)原理如圖3所示。1-2-3-4過渡季車間空調(diào)區(qū)域，取空調(diào)區(qū)域最高點(diǎn)4和最低點(diǎn)1處等含濕量線與相對(duì)濕度95%相交于Lg4和Lg1點(diǎn)，取過水量為0.5 g/kg，得機(jī)械露點(diǎn)Lg4′和Lg1′,hg4′和hg1′分別為機(jī)械露點(diǎn)Lg4′和Lg1′所在的等焓線。過渡季模式溫濕度分區(qū)調(diào)節(jié)方案見表3，對(duì)鹽城近兩年氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)，過渡季模式不存在hw>hg4′的情況，當(dāng)hg1′≤hw≤hg4′時(shí)，取100%新風(fēng)由噴淋室循環(huán)水等焓加濕處理；當(dāng)hw

圖3 過渡季模式分區(qū)調(diào)節(jié)原理圖

表3過渡季模式溫、濕度分區(qū)調(diào)節(jié)方案

h-d分區(qū)邊界條件新風(fēng)使用量/%回風(fēng)使用量/%循環(huán)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(diào)節(jié)過程

冬季模式分區(qū)調(diào)節(jié)原理如圖5所示。1-2-3-4為冬季車間空調(diào)區(qū)域，h1為最低點(diǎn)機(jī)器露點(diǎn)L1所在的等焓線。冬季模式溫濕度分區(qū)調(diào)節(jié)方案見表4，當(dāng)hw≥h1時(shí)，取100%新風(fēng)由噴淋室循環(huán)水等焓加濕處理；當(dāng)hw

圖5 冬季模式分區(qū)調(diào)節(jié)原理圖

表4冬季溫濕度分區(qū)調(diào)節(jié)方案

h-d分區(qū)邊界條件新風(fēng)使用量/%回風(fēng)使用量/%循環(huán)泵12hw≥h1hw

圖6 冬季模式自控流程圖

2 分季節(jié)步進(jìn)算法自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由DVP60ES200R型臺(tái)達(dá)PLC可編輯控制器、DOP-B07S4型觸摸屏、空氣參數(shù)檢測(cè)裝置和空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行裝置4部分組成?？諝鈪?shù)檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車間內(nèi)外溫濕度、露點(diǎn)溫濕度、工藝排風(fēng)溫濕度和噴淋室回水池溫度，實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)由總線傳輸至PLC根據(jù)內(nèi)置算法進(jìn)行運(yùn)算，控制空調(diào)系統(tǒng)執(zhí)行裝置改變風(fēng)窗的開度、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和水泵的頻率，最終通過節(jié)能算法將車間溫濕度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

2.2 自控系統(tǒng)步進(jìn)算法

因?yàn)檐囬g溫濕度之間存在耦合性，本系統(tǒng)采用PLC步進(jìn)算法將車間溫濕度進(jìn)行獨(dú)立控制，以達(dá)到對(duì)車間溫濕度實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)軟件內(nèi)部設(shè)置焓值計(jì)算和參數(shù)修改等模塊，在觸摸屏上設(shè)置車間溫濕度設(shè)定界面、空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)界面、修正參數(shù)界面等，操作人員可以實(shí)時(shí)觀察和修改空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)。

該系統(tǒng)采用PLC步進(jìn)算法，在不損失控制計(jì)算精度的情況下，提高了系統(tǒng)的計(jì)算速度和空調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)車間內(nèi)外溫濕度變化率對(duì)空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行智能控制，PLC步進(jìn)算法見公式(1)。

(1)

式中：Ft為PLC輸出值；F(t-1)為PLC上一時(shí)刻輸出值；Ki為修正系數(shù)(取值范圍0～1，初始值為0.5)；Fmax為設(shè)備頻率(開度)最大值；Fmin為設(shè)備頻率(開度)最小值；Pmax為車間空氣參數(shù)設(shè)定上限；Pmin為車間空氣參數(shù)設(shè)定下限；Pmv為車間空氣參數(shù)實(shí)測(cè)值；Pobj為車間空氣參數(shù)控制目標(biāo)值。

2.2.1 車間新回風(fēng)比例調(diào)節(jié)

新風(fēng)的引入對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響較大[6]?？照{(diào)系統(tǒng)中新回風(fēng)比例變化對(duì)車間溫濕度和車間壓力都有很大影響。新回風(fēng)比例根據(jù)車間外空氣焓值所在區(qū)域進(jìn)行響應(yīng)的調(diào)節(jié)。3種模式都對(duì)新風(fēng)窗采用PLC步進(jìn)算法進(jìn)行控制，由于車間焓值差和新回風(fēng)比例呈正相關(guān)，計(jì)算值取正,F表示新風(fēng)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(fēng)量基本保持不變，地排風(fēng)窗和新風(fēng)窗聯(lián)動(dòng)控制，控制算法見公式(2)。

Od=100%-Qx

(2)

式中：Od為地排風(fēng)窗開度；Ox為新風(fēng)窗開度。

2.2.2 工藝風(fēng)窗開度調(diào)節(jié)

經(jīng)過對(duì)歷年車間空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)和已安裝自控系統(tǒng)的紡織空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，空調(diào)室工藝回風(fēng)使用量決定著空調(diào)噴淋室對(duì)空氣的加濕效果。在夏季模式時(shí)，工藝回風(fēng)窗全關(guān)，工藝回風(fēng)全部外排。在冬季和過渡季模式運(yùn)行時(shí)，工藝風(fēng)窗開度與車間實(shí)時(shí)相對(duì)濕度和設(shè)定目標(biāo)相對(duì)濕度之差呈正相關(guān)，對(duì)工藝風(fēng)窗采用PLC步進(jìn)算法(1)進(jìn)行控制時(shí)計(jì)算值取正，F(xiàn)表示工藝風(fēng)窗開度，P表示相對(duì)濕度。

2.2.3 車間相對(duì)濕度控制

空調(diào)系統(tǒng)中水泵頻率與車間相對(duì)濕度呈正相關(guān)[7]，3種模式都對(duì)循環(huán)水泵采用PLC步進(jìn)算法進(jìn)行控制。其中在夏季模式時(shí)，當(dāng)循環(huán)水泵頻率達(dá)到上限時(shí)，車間溫濕度探頭檢測(cè)到車間濕度還是沒有達(dá)到車間設(shè)定濕度下限時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出命令到冷凍水泵變頻器開啟冷凍水泵，冷凍水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)車間溫濕度探頭檢測(cè)車間濕度超過車間設(shè)定濕度上限時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出命令到冷凍水泵變頻器關(guān)閉冷凍水泵。

2.2.4 車間溫度控制

紡織空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)頻率與車間溫度呈負(fù)相關(guān)性,3種模式都對(duì)送風(fēng)機(jī)采用PLC步進(jìn)算法進(jìn)行控制，由于系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，車間要處于微正壓狀態(tài)，所以地排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，控制算法見公式(3)。

Fd=Fs+ΔF

(3)

式中：Fd為地排風(fēng)機(jī)頻率(Hz)；Fs為同時(shí)刻送風(fēng)機(jī)頻率(Hz)；ΔF為地排風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)頻率差(Hz)。

為了調(diào)節(jié)車間內(nèi)正壓,將地排風(fēng)機(jī)與送風(fēng)機(jī)頻率差換算成正壓調(diào)節(jié)系數(shù)β，見公式(4)。其中20為風(fēng)機(jī)頻率最大值與最小值之差。當(dāng)車間處于負(fù)壓時(shí)將β值調(diào)大，當(dāng)車間正壓大時(shí)將β值調(diào)小，β在0到100%之間取值。

(4)

3 分季節(jié)步進(jìn)算法自控系統(tǒng)運(yùn)行情況

通過一年多的運(yùn)行，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車間溫濕度的實(shí)時(shí)精確調(diào)節(jié)，特別是當(dāng)車間外溫濕度變化幅度很大時(shí)，系統(tǒng)能夠快速調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備頻率和開度，使車間溫濕度保持穩(wěn)定。

3.1 車間溫濕度調(diào)節(jié)過程

車間實(shí)時(shí)溫度為33.7 ℃，高于設(shè)定溫度33 ℃，如圖7所示。此時(shí)車間溫濕度探頭將采集到的信號(hào)傳輸?shù)絇LC，PLC經(jīng)過計(jì)算后發(fā)出命令到送風(fēng)機(jī)變頻器、地排風(fēng)機(jī)變頻器、新風(fēng)窗執(zhí)行器和地排風(fēng)窗執(zhí)行器，送風(fēng)機(jī)和地排風(fēng)機(jī)頻率增大、新風(fēng)窗開度增大、地排風(fēng)窗開度減小，系統(tǒng)等待5 min后，PLC系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算值進(jìn)行判斷，如果車間實(shí)時(shí)溫度還是高于車間設(shè)定溫度，PLC系統(tǒng)會(huì)再一次發(fā)出命令到送風(fēng)機(jī)變頻器、地排風(fēng)機(jī)變頻器、新風(fēng)窗執(zhí)行器和地排風(fēng)窗執(zhí)行器，進(jìn)行同樣的動(dòng)作直至車間實(shí)時(shí)溫度等于設(shè)定溫度。反之則送風(fēng)機(jī)和地排風(fēng)機(jī)頻率減小、新風(fēng)窗開度減小、地排風(fēng)窗開度增大。

圖7 車間溫度高于設(shè)定溫度界面

車間實(shí)時(shí)相對(duì)濕度為53.9%，高于設(shè)定相對(duì)濕度51%,如圖8所示。此時(shí)車間溫濕度探頭采集到的信號(hào)傳輸?shù)絇LC,PLC經(jīng)過計(jì)算后發(fā)出命令到循環(huán)水泵變頻器、新風(fēng)窗執(zhí)行器、地排風(fēng)窗執(zhí)行器和工藝回風(fēng)窗執(zhí)行器，循環(huán)水泵頻率減小、新風(fēng)窗開度增大、地排風(fēng)窗開度增大、工藝風(fēng)窗開度減小，系統(tǒng)等待5 min后，PLC系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算值進(jìn)行判斷，如果車間實(shí)時(shí)相對(duì)濕度還是高于車間設(shè)定相對(duì)濕度，PLC系統(tǒng)會(huì)再一次發(fā)出命令到循環(huán)水泵變頻器、新風(fēng)窗執(zhí)行器、地排風(fēng)窗執(zhí)行器和工藝回風(fēng)窗執(zhí)行器，進(jìn)行同樣的動(dòng)作直至車間實(shí)時(shí)相對(duì)濕度等于設(shè)定相對(duì)濕度。反之則循環(huán)水泵頻率增大、新風(fēng)窗開度減小、地排風(fēng)窗開度減小、工藝風(fēng)窗開度增大。

圖8 車間相對(duì)濕度高于設(shè)定相對(duì)濕度界面

3.2 車間內(nèi)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(fēng)擾動(dòng)大，在冬季模式車間目標(biāo)溫度為33 ℃，目標(biāo)相對(duì)濕度為51%。如圖9和圖10所示，取冬季1月每天7點(diǎn)左右車間溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從圖中可以看出系統(tǒng)對(duì)車間溫濕度控制穩(wěn)定，車間溫濕度穩(wěn)定在設(shè)定值附近，并且調(diào)節(jié)十分迅速。分析現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)，車間相對(duì)濕度誤差在3個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)、溫度誤差在±0.7 ℃以內(nèi)。

圖9 車間內(nèi)外溫度變化圖

圖10 車間內(nèi)外相對(duì)濕度變化圖

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果分析

自本系統(tǒng)在鹽城某紡織車間安裝運(yùn)行以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)精確地調(diào)節(jié)車間溫濕度，空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)和水泵頻率能夠及時(shí)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)和水泵運(yùn)行頻率在合理范圍運(yùn)行，最大限度節(jié)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(jìn)行比較，平均節(jié)電率為8.21%，隨著系統(tǒng)不斷優(yōu)化調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)的節(jié)電效果會(huì)更加明顯。

表5空調(diào)自控系統(tǒng)節(jié)電統(tǒng)計(jì)表

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

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文提出的分季節(jié)PLC步進(jìn)算法節(jié)能自控系統(tǒng)，能夠精確調(diào)節(jié)紡織車間溫濕度，且可以滿足生產(chǎn)要求。

(2)本系統(tǒng)將全年工況按照季節(jié)分別控制，將夏季模式分為三個(gè)區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)，考慮到夏季連續(xù)陰雨天，車間外空氣溫度低、相對(duì)濕度大，車間外空氣可以不經(jīng)過空調(diào)室處理直接送入車間使用，利于節(jié)能；在冬季和過渡季節(jié)都為兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)車間外空氣焓值小于車間空氣焓值時(shí)，新回風(fēng)比例采用新回風(fēng)步進(jìn)算法調(diào)節(jié)。

(3)采用分季節(jié)PLC步進(jìn)算法對(duì)紡織空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，做到了對(duì)車間溫濕度實(shí)時(shí)精確控制，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)車間相對(duì)濕度誤差控制在3個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)、溫度誤差控制在±0.7 ℃以內(nèi)。通過與去年空調(diào)系統(tǒng)耗電量相比，本系統(tǒng)在2019年前3個(gè)月節(jié)電率為8.21%。