程 源 顏蘇芊 李 斌 屈鑫凱

（1.西安工程大學(xué)，陜西西安，710048；2.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安，710001）

空調(diào)系統(tǒng)為紡織車(chē)間提供符合工藝需求的溫濕度環(huán)境，空調(diào)設(shè)備耗電占到生產(chǎn)成本的20%～25%［1］。紡織空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用自控技術(shù)不僅能保證車(chē)間溫濕度滿足工藝要求，而且對(duì)提高生產(chǎn)質(zhì)量、降低成本也有顯著的成效。但紡織空調(diào)自控系統(tǒng)存在以下特點(diǎn)：一是空調(diào)系統(tǒng)具有多工況性，不合理的分區(qū)使系統(tǒng)存在冷熱抵消現(xiàn)象；二是室外新風(fēng)的引入對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響較大［2］；三是紡織空調(diào)系統(tǒng)存在非線性、滯后性等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)不易滿足多種控制要求。

本研究采用基于專(zhuān)家PID 的紡織空調(diào)節(jié)能自控系統(tǒng)，利用PLC 控制器實(shí)現(xiàn)工況自動(dòng)選擇、風(fēng)窗智能開(kāi)度控制、送風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵自適應(yīng)調(diào)節(jié)等功能，對(duì)紡織空調(diào)自控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 紡織空調(diào)系統(tǒng)的控制方案

本紡織空調(diào)系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸送到PLC 中進(jìn)行分析與處理。PLC 首先進(jìn)行焓值比較自動(dòng)選擇不同的工況；接著根據(jù)“增小減大”原則優(yōu)先控制風(fēng)窗開(kāi)度；紡織空調(diào)系統(tǒng)中水泵頻率與車(chē)間相對(duì)濕度呈正相關(guān)性，送風(fēng)機(jī)頻率與車(chē)間溫度呈負(fù)相關(guān)性［3］，最后通過(guò)專(zhuān)家PID 算法對(duì)送風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵輸出頻率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，對(duì)紡織車(chē)間溫濕度進(jìn)行獨(dú)立控制。系統(tǒng)通過(guò)上述方案控制空調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，直到紡織車(chē)間溫濕度滿足設(shè)定要求，實(shí)現(xiàn)紡織空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

1.1 紡織空調(diào)系統(tǒng)分工況控制

本紡織空調(diào)自控系統(tǒng)根據(jù)室外氣象參數(shù)劃出高溫、過(guò)渡、寒冷3 個(gè)工況區(qū)域。PLC 控制器對(duì)室外空氣溫濕度進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)算焓值，通過(guò)比較焓值確定當(dāng)前工況區(qū)，根據(jù)不同工況區(qū)的要求，自動(dòng)采用不同的控制方式，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的設(shè)備，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié)。

高溫工況分區(qū)如圖2 所示，1-2-3-4 為高溫工況車(chē)間溫濕度允許波動(dòng)范圍，取控制范圍最低點(diǎn)1 和最高點(diǎn)4 計(jì)算出相應(yīng)的含濕量‘（考慮擋水板有0.5 g/kg 過(guò)水量），與飽和相對(duì)濕度線的交點(diǎn)為L(zhǎng)1 和L4，計(jì)算出兩點(diǎn)焓值hL1和hL4。當(dāng)室外空氣焓值大于hL1時(shí)，空調(diào)自控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入高溫工況運(yùn)行。1′-2′-3′-4′為過(guò)渡工況車(chē)間溫濕度允許波動(dòng)范圍，當(dāng)室外空氣焓值小于hL1時(shí)，空調(diào)自控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入過(guò)渡工況運(yùn)行。

圖2 高溫工況分區(qū)

寒冷工況分區(qū)如圖3 所示，1′′-2′-3′-4′為寒冷工況車(chē)間溫濕度允許波動(dòng)范圍，h1">為最低點(diǎn)1′′所 在 的 等 焓 線，hLd為 機(jī) 器 露 點(diǎn)Ld 所 在 的 等 焓線，根據(jù)紡織車(chē)間最小新風(fēng)比m 計(jì)算公式（1），得出寒冷工況判別焓值hWd，如公式（2）所示。

當(dāng)室外空氣計(jì)算焓值小于hWd時(shí)，空調(diào)自控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入寒冷工況運(yùn)行。當(dāng)室外空氣計(jì)算焓值大于hWd時(shí)，空調(diào)自控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入過(guò)渡工況運(yùn)行。

圖3 寒冷工況分區(qū)

根據(jù)比較室外空氣計(jì)算焓值得出全年工況分區(qū)：當(dāng)hW>hL1時(shí)，高溫工況；當(dāng)hWd

1.2 紡織空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)窗控制

合理利用新風(fēng)，可以有效降低紡織廠空調(diào)的能耗。不管何時(shí)，只要室外空氣參數(shù)適宜，當(dāng)新風(fēng)具有冷卻和加濕能力的時(shí)候，引入新風(fēng)可以降低水泵和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率。因此，制定合理的新風(fēng)窗開(kāi)度，可以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。

（1）在高溫工況時(shí)，當(dāng)室外空氣焓值hW>hL4時(shí)，若室外空氣焓值hW大于室內(nèi)空氣焓值hN，車(chē)間外空氣的焓值過(guò)高，應(yīng)關(guān)掉新風(fēng)，這時(shí)新風(fēng)窗關(guān)閉（10%），地排風(fēng)窗全開(kāi)（90%），由噴淋室冷凍水進(jìn)行除濕降溫處理；若室外空氣焓值hW小于室內(nèi)空氣焓值hN，為了節(jié)約冷量，應(yīng)該關(guān)掉回風(fēng)，采用最大新風(fēng)運(yùn)行，新風(fēng)窗全開(kāi)（90%）且地排風(fēng)窗全關(guān)（10%），由噴淋室冷凍水進(jìn)行除濕降溫處理。當(dāng)室外空氣焓值hL4>hW>hL1時(shí)，新風(fēng)窗全開(kāi)（90%）且地排風(fēng)窗全關(guān)（10%），冷凍水關(guān)閉，由噴淋室循環(huán)水進(jìn)行等焓加濕處理。

（2）在過(guò)渡工況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)充分利用新風(fēng)冷量，根據(jù)公式（3）計(jì)算送風(fēng)量。

式中：G 為送風(fēng)量（m3/s）；Q 為車(chē)間余熱量（W）；hN為車(chē)間焓值（kJ/kg）；hSF為送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)焓值（kJ/kg）?？芍?dāng)車(chē)間余熱量和車(chē)間焓值不變時(shí)，送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)焓值越低所需的送風(fēng)量越少。本研究采用的送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)焓值hSF的求解過(guò)程如圖4 所示。

圖4 送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)焓值計(jì)算

圖4 中1′-2′-3′-4′為過(guò)渡工況車(chē)間溫濕度允許波動(dòng)范圍，取控制范圍最低點(diǎn)1′和最高點(diǎn)4′，計(jì)算出相應(yīng)的含濕量d1‘和d4‘（考慮擋水板有0.5 g/kg 過(guò)水量），與飽和相對(duì)濕度線的交點(diǎn)為O1‘和O2‘，計(jì)算出兩點(diǎn)焓值h1和h2。紡織車(chē)間送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)焓值hSF的計(jì)算如公式（4）所示。

計(jì)算送風(fēng)機(jī)器露點(diǎn)焓值應(yīng)盡可能接近h1，取20%余量以確保送風(fēng)可以沿?zé)釢癖染€送入過(guò)渡工況車(chē)間溫濕度允許波動(dòng)范圍。根據(jù)新回風(fēng)比例得到過(guò)渡工況新風(fēng)窗的最佳開(kāi)度Ox如公式（5）所示。

式中：Ox為車(chē)間新風(fēng)窗開(kāi)度（%）；Ki為新風(fēng)窗調(diào)節(jié)系數(shù)；hN為紡織車(chē)間內(nèi)空氣焓值（kJ/kg）；hW為新風(fēng)焓值（kJ/kg）；ΔO 為新風(fēng)窗開(kāi)度調(diào)節(jié)偏差（%）。

（3）在寒冷工況，當(dāng)室外空氣焓值hW

為了保持車(chē)間微正壓，地排風(fēng)窗和新風(fēng)窗聯(lián)動(dòng)控制，控制算法如公式（6）所示［4］。

式中：Od為地排風(fēng)窗開(kāi)度（%）。

1.3 專(zhuān)家PID 控制算法

紡織車(chē)間溫濕度控制具有滯后性、非線性、時(shí)變性等特征，所以傳統(tǒng)PID 控制無(wú)法保證控制精確性和穩(wěn)定性，預(yù)期效果不理想［5］。將專(zhuān)家控制規(guī)則引入到常規(guī)PID 控制中，使系統(tǒng)具有一定自適應(yīng)性，使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)更及時(shí)、精度更高。

t，d 分別為系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度允許波動(dòng)范圍中間值；tC，dC分別為紡織車(chē)間實(shí)測(cè)溫濕度；e（t），e（d）分別為溫度誤差、濕度誤差。系統(tǒng)根據(jù)誤差值，通過(guò)專(zhuān)家PID 算法控制風(fēng)機(jī)、水泵輸出頻率對(duì)車(chē)間溫濕度進(jìn)行獨(dú)立控制。

以紡織車(chē)間溫度控制為例，紡織車(chē)間溫度控制采用專(zhuān)家PID 算法時(shí)有以下3 種情況。

（1）當(dāng)|e(t)|>M1，且e(t)Δe(t)>0 時(shí)，溫度誤差的絕對(duì)值在向增大的方向變化，這時(shí)誤差較大，控制器應(yīng)實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，此時(shí)PLC控制器輸出如公式（7）所示。

式中：e(t)為當(dāng)前采樣時(shí)刻紡織車(chē)間溫度誤差；e(t-1)和e(t-2)為前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻紡織車(chē)間溫度誤差；Δe(t)=e(t)-e(t-1)為當(dāng)前采樣時(shí)刻紡織車(chē)間溫度誤差變化量；f (k)為當(dāng)前PLC 控制器的輸出頻率；f (k-1)為前一時(shí)刻PLC 控制器輸出頻率；M1為設(shè)定的誤差界限；k1為增益放大系數(shù)（>1）；k2為抑制系數(shù)（<1）；kp為比例系數(shù)；ki為積分增益；kd為微分增益。

（2）當(dāng)|e(t)|>M1，且e(t)Δe(t)<0 時(shí)，溫度誤差的絕對(duì)值在向減小的方向變化，這時(shí)應(yīng)減小控制作用，此時(shí)PLC 控制器輸出如公式（8）所示。

（3）當(dāng)|e(t)|

2 紡織空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)信號(hào)類(lèi)型分為模擬量輸入/輸出（AI/AO）和數(shù)字量輸入/輸出（DI/DO）。本紡織空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)控和控制的對(duì)象主要包括：新風(fēng)溫濕度、混合點(diǎn)溫濕度、機(jī)器露點(diǎn)溫濕度、車(chē)間溫濕度、工藝回風(fēng)溫濕度、水池溫度；送風(fēng)機(jī)、工藝回風(fēng)機(jī)、地排風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、冷凍水泵；新風(fēng)閥、地吸風(fēng)閥、工藝回風(fēng)閥、冷凍水閥門(mén)。具體控制點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 紡織空調(diào)自控系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

控制點(diǎn)數(shù)是選擇PLC 的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于上述系統(tǒng)選擇AS332T?A 型PLC。同時(shí)選擇六組模擬輸入/輸出擴(kuò)展模塊，一組數(shù)位輸入模塊，擴(kuò)展后系統(tǒng)有模擬輸入點(diǎn)24 個(gè)，模擬輸出點(diǎn)12個(gè)，數(shù)字輸入點(diǎn)32 個(gè)，數(shù)字輸出點(diǎn)16 個(gè)，留有15%擴(kuò)展余地，便于以后系統(tǒng)擴(kuò)展和改造［6］。

2.2 系統(tǒng)PLC 程序設(shè)計(jì)

2.2.1 工況分區(qū)程序

PLC 實(shí)現(xiàn)工況自動(dòng)分區(qū)功能的程序包括溫濕度采集、焓值計(jì)算、工況選擇。圖5 為室外溫度和濕度采集程序，IN 為溫度和濕度信號(hào)輸入，模擬 量 輸 入 地 址 分 別 為PIW915、PIW916，SX 和XX 為采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)最大和最小的量程值，OUT為溫度和濕度信號(hào)輸出，存放在數(shù)據(jù)寄存器中。圖6 為室外焓值計(jì)算程序，T 和RH 分別為室外溫濕度信號(hào)，I 為計(jì)算的室外焓值輸出。圖7 為焓值比較程序，I 為室外焓值，GW 和HL 分別為設(shè)定的高溫和寒冷工況判別焓值，通過(guò)比較焓值來(lái)執(zhí)行不同的控制策略。

圖5 室外溫、濕度采集程序

圖6 焓值計(jì)算程序

圖7 焓值比較程序

2.2.2 風(fēng)窗開(kāi)度程序

主要介紹過(guò)渡工況新風(fēng)窗算法程序，如圖8所示。hw為室外計(jì)算焓值，hN為室內(nèi)計(jì)算焓值，同時(shí)對(duì)O、Omin、Omax 進(jìn)行初始賦值，Ot 為新風(fēng)窗輸出開(kāi)度，存放在D24、D26 中。

圖8 過(guò)渡工況新風(fēng)窗開(kāi)度程序

2.2.3 專(zhuān)家PID 算法程序

PLC 實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家PID 算法程序如圖9 所示。變量存儲(chǔ)區(qū)的W10 存儲(chǔ)e（t），W20 存儲(chǔ)e（t）的絕對(duì)值，W11 存儲(chǔ)Δe（t），W21 存儲(chǔ)e（t）×Δe（t）。根據(jù)設(shè)定規(guī)則運(yùn)用比較指令進(jìn)行偏差分區(qū)，對(duì)不同的分區(qū)調(diào)用相應(yīng)的子程序。根據(jù)1.3 所述規(guī)則，SBR_0 根據(jù)情況1 進(jìn)行控制，SBR_1 根據(jù)情況2進(jìn)行控制，SBR_2 根據(jù)情況3 進(jìn)行控制。

圖9 專(zhuān)家PID 算法程序

3 紡織廠空調(diào)自控系統(tǒng)節(jié)能分析

本系統(tǒng)結(jié)合寧夏某紡織車(chē)間現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是當(dāng)車(chē)間外溫濕度波動(dòng)較大，車(chē)間內(nèi)溫濕度不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)可以快速調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備，使車(chē)間溫濕度穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)。

3.1 車(chē)間溫濕度控制效果

寧夏某紡織廠采用本研究所述控制方案對(duì)空調(diào)自控系統(tǒng)進(jìn)行改造，系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖10 所示。表2中是分別取1月、5月、8月每天8點(diǎn)的車(chē)間溫濕度數(shù)據(jù)，來(lái)說(shuō)明3 種工況的運(yùn)行效果。由表2 可以看出，車(chē)間溫濕度均在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)并且非常穩(wěn)定。從全年運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，空調(diào)自控系統(tǒng)可將車(chē)間溫度控制在±0.7 ℃；相對(duì)濕度控制在±2.5%。

表2 車(chē)間溫濕度調(diào)節(jié)范圍

圖10 空調(diào)自控系統(tǒng)監(jiān)控界面

3.2 空調(diào)自控系統(tǒng)耗電量分析

寧夏某紡織車(chē)間采用本研究所述控制方案對(duì)空調(diào)自控系統(tǒng)進(jìn)行改造后，不但能滿足車(chē)間溫濕度要求，并且使系統(tǒng)能耗明顯降低。取1 月、5月、8 月的耗電量代表3 種運(yùn)行工況與改造前系統(tǒng)耗電量進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。與改造前的系統(tǒng)相比，改造后的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，寒冷工況節(jié)電率為8.09%，過(guò)渡工況節(jié)電率為12.30%，高溫工況節(jié)電率為6.93%，由于過(guò)渡工況引入風(fēng)窗節(jié)能算法，節(jié)電率優(yōu)于寒冷和高溫工況。

表3 車(chē)間溫濕度調(diào)節(jié)范圍

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究結(jié)合紡織車(chē)間現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備，進(jìn)行控制系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)空調(diào)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用基于專(zhuān)家PID 的紡織空調(diào)節(jié)能自控系統(tǒng)，首先利用焓值計(jì)算和比較功能進(jìn)行全年多工況自動(dòng)分區(qū)，接著采用風(fēng)窗智能控制合理利用新風(fēng)冷量，然后通過(guò)專(zhuān)家PID 算法對(duì)送風(fēng)機(jī)和循環(huán)水泵輸出頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了寧夏某紡織車(chē)間溫濕度的精確控制，滿足了生產(chǎn)工藝要求并且節(jié)能效果明顯。