系統(tǒng)集成控制技術(shù)在車間空調(diào)機(jī)組中的應(yīng)用

曲廣慶，王新偉，祝小斐

（青州卷煙廠，山東 青州 262500）

青州卷煙廠設(shè)置了14臺空調(diào)及新風(fēng)機(jī)組（見表1），并對其設(shè)置了“空調(diào)自控系統(tǒng)”，目的是為了完成所有設(shè)備的集中管理和環(huán)境控制，以實現(xiàn)下列三個目標(biāo)： （1） 通過對設(shè)備的有效管理和控制，可以使這些設(shè)備均工作在最佳狀態(tài)，既有利于提高設(shè)備的運(yùn)行壽命，又有利于節(jié)約能源。（2） 通過對所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控，可減輕操作、維修人員對設(shè)備巡視的勞動強(qiáng)度，又可避免一些人為因素可能對設(shè)備造成的不良影響。 （3） 控制車間內(nèi)溫度、濕度、壓差、空氣潔凈度，達(dá)到工藝要求。

選用Metasys系統(tǒng)對空調(diào)進(jìn)行自控設(shè)計。自控系統(tǒng)包括中央操作站、數(shù)字控制器 (DDC)。網(wǎng)絡(luò)是以集散理論為基礎(chǔ)的成熟的空調(diào)自動化系統(tǒng)。它具有結(jié)構(gòu)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展方便、軟件優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行、操作簡單等特點。系統(tǒng)共分三級，第一級為中央站，設(shè)于能源中控室；第二級為直接數(shù)字控制器（DDC），對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行就地控制；第三級為采集現(xiàn)場信號的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個現(xiàn)場控制器DDC采用分散控制的原則，分布在被控設(shè)備的附近，現(xiàn)場工作人員可以通過DDC上的顯示面板和操作面板就近操作或監(jiān)測被控設(shè)備。

針對卷煙廠各車間面積大、設(shè)備運(yùn)行發(fā)熱量大、空氣中懸浮超細(xì)煙塵多、溫濕度要求精度高等特點，選擇全空氣中央空調(diào)系統(tǒng)對空氣進(jìn)行混合、加熱、冷卻、加濕、除濕、過濾等處理，并在保證車間溫濕度參數(shù)的前提下做到節(jié)能運(yùn)行。

一、空調(diào)機(jī)組自控控制思路

依據(jù)多年的調(diào)試經(jīng)驗提出了一種多模多段的模糊PID控制方法，依據(jù)在不同時段的不同的空氣處理過程和處理方案，分為5個工況，如表2所示。然后按照表2確定控制器輸出，實現(xiàn)恒溫恒濕的變風(fēng)量調(diào)節(jié)。1通常代表夏季工況，5通常代表冬季工況，2、3、4同代表過渡季節(jié)三種可能出現(xiàn)的工況。

模糊PID算法可以根據(jù)不同的條件和要求用不同的模態(tài)進(jìn)行控制，即當(dāng)誤差大于某一閥值時，用比例控制，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過程；當(dāng)誤差小于某一閥值時，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼特性，減小響應(yīng)過程的超調(diào)；當(dāng)誤差達(dá)到平衡點附近時，采用PI控制，利用其積分作用的特點最終消除誤差。由此可以兼顧傳統(tǒng)的和模糊控制PID的優(yōu)點，實現(xiàn)精度高、適應(yīng)性好、抗干擾能力強(qiáng)、魯棒性好等特點?？刂瓶驁D如圖1所示。

表1 空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組設(shè)置

表2 邊界判斷條件及控制策略表

二、空調(diào)機(jī)組自動控制方案(以卷接包車間空調(diào)為例)

圖1 模糊控制PID圖

圖2 空調(diào)機(jī)組控制程序圖

1.現(xiàn)狀分析

卷接包車間占地7 000余m2，共配置了3臺空調(diào)，分布于空調(diào)一室、二室和五室。由于送回風(fēng)管道的布置，在物理上形成了三個南、中、北分區(qū)，分別由K-12空調(diào)、K-10空調(diào)及K-11空調(diào)負(fù)責(zé)。

2.專業(yè)對策

空調(diào)自控專業(yè)除采用傳統(tǒng)的控制模式，還需要如下設(shè)置： （1） 卷接包車間東西方向共4排立柱，每排19個。在每排立柱上間隔安裝溫濕度傳感器，安裝高度為1.7m，每排安裝9只，共36只。每排立柱錯對安裝溫濕度傳感器，形成互相交錯狀。 （2） 由于每排立柱的位置恰好在各空調(diào)分區(qū)的交界處，立柱上的傳感器測得的溫濕度信號也為交界處參數(shù)，因此在各分區(qū)的吊頂上安裝4只溫濕度傳感器，呈“S”形布置，共12只。 （3） 在各分區(qū)吊頂上安裝3只壓差傳感器，檢測室內(nèi)外空氣壓差，作為空調(diào)機(jī)組的變頻依據(jù)，共9只。 （4） 對上述溫濕度傳感器測得的信號根據(jù)安裝位置，作加權(quán)算法，取平均值作為空調(diào)機(jī)組K-10、K-11、K-12的送風(fēng)設(shè)定參數(shù)之一；同時實時檢測由于傳感器故障測出的假信號（過高或過低），并在計算中將該數(shù)據(jù)剔除。

3.控制程序框圖（圖2）

4.變頻程序

通過風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，一方面改變送風(fēng)量來保持室內(nèi)外壓差恒定，同時節(jié)約了電能。此次改造的空調(diào)機(jī)組均為雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，即一臺機(jī)組內(nèi)配置有送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)，而且個別機(jī)組內(nèi)的兩風(fēng)機(jī)功率不同。采用風(fēng)機(jī)變頻既要保證車間內(nèi)換氣次數(shù)的要求 （一般為8～10次/h），同時保證車間內(nèi)對外的正壓差。本方案采用如下控制方式：由車間的有效容積、換氣次數(shù)及空調(diào)送風(fēng)主管道的截面積計算出送風(fēng)的大致風(fēng)速設(shè)定值，同時以車間實際溫度和送風(fēng)溫度的差值修訂該風(fēng)速設(shè)定值，在送風(fēng)主管道上安裝風(fēng)速傳感器測量實際風(fēng)速，并作為控制器進(jìn)行PID計算的輸入?yún)?shù)。PID計算輸出控制送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使送風(fēng)風(fēng)速達(dá)到設(shè)定值。

通過車間內(nèi)的壓差傳感器的測量值與壓差設(shè)定值比較、PID計算，控制回風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而保持車間內(nèi)壓差恒定。

5.DDC控制柜的網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

針對受控點多、受控區(qū)域大、數(shù)據(jù)傳輸量大等特點優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，把溫濕度信號分6路上傳，加裝34個光端機(jī)，主線路、DDC控制柜之間用光纖連接，6路之間相互獨立，互不影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

三、結(jié)論

從DDC之間的信號傳輸以及上位機(jī)的聯(lián)網(wǎng)類型、變頻器諧波干擾、動力電源線干擾、供電電源、控制柜的位置、線槽的走向、接地等各個方面入手，成功解決了由于信號干擾帶來的不良影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、及時性，保證了空調(diào)自控項目的實施。

空調(diào)自控系統(tǒng)自2009年10月運(yùn)行以來，能夠在能源控制中心，自動、手動控制風(fēng)閥、蒸汽加溫加濕閥、高壓微霧加濕器、變頻器的啟停及運(yùn)行頻率，精確控制車間的溫濕度到達(dá)工藝技術(shù)指標(biāo)。