應(yīng)用焓值分析的車間溫濕度分區(qū)控制

葉宇程，趙旭輝

（河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

應(yīng)用焓值分析的車間溫濕度分區(qū)控制

葉宇程，趙旭輝

（河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

針對(duì)汽車涂裝車間溫濕度空調(diào)恒溫恒濕控制的特點(diǎn)，提出了一種基于焓濕圖的焓值分析計(jì)算方法，該方法根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)溫濕度將焓濕圖分為8個(gè)分區(qū)，代表不同的環(huán)境溫濕度狀態(tài)，結(jié)合多模型控制器切換技術(shù)，使空調(diào)設(shè)備在運(yùn)行中可以根據(jù)進(jìn)風(fēng)的溫濕度狀態(tài)，實(shí)時(shí)、自動(dòng)地切換相應(yīng)控制策略。該方法很好地解決了控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫濕度波動(dòng)的適應(yīng)性問題，改善了多閥門控制間的相互干擾。在某汽車公司的測(cè)試效果遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度誤差小于±0.5℃、濕度誤差小于±1%。

焓濕圖；涂裝車間；空調(diào)系統(tǒng)；恒溫恒濕控制

0 引言

涂裝車間噴漆室的空調(diào)溫濕度控制有其特殊要求：一是空調(diào)進(jìn)風(fēng)方式為全新自然風(fēng)，受外界天氣影響很大；二是生產(chǎn)過程中溫濕度穩(wěn)定性要求高，不允許因控制切換產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象；三是多個(gè)閥門的溫濕度控制之間存在交叉耦合［1－2］。中國(guó)工業(yè)上目前大多數(shù)的工業(yè)潔凈空調(diào)都采用定風(fēng)量空調(diào)，其控制分為4個(gè)單獨(dú)回路控制，即升溫、降溫、加濕和除濕4個(gè)過程［3］；在恒溫恒濕類空調(diào)工程中，為了控制相對(duì)濕度，現(xiàn)有方法基本上是先將空氣（新風(fēng)和回風(fēng)）的溫度一直降低到必要的露點(diǎn)溫度以下，以除去其中的水分，然后再行加熱升溫，以保持室內(nèi)的相對(duì)濕度［4］，該方式能耗較大，逐漸被國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策所限制。針對(duì)空調(diào)進(jìn)風(fēng)溫濕度不確定問題，文獻(xiàn)［4］分析對(duì)比了常見的幾種固定露點(diǎn)和無露點(diǎn)恒溫恒濕控制方式，引入了變露點(diǎn)串級(jí)模糊控制法，以提高空調(diào)控制精度和加快調(diào)節(jié)過渡過程。文獻(xiàn)［5－7］提出了通過多模型控制器切換的方法及算法，解決類似的多模型控制問題。文獻(xiàn)［8］提出了利用焓濕圖（hd圖）的多工況分區(qū)控制策略，根據(jù)不同季節(jié)人工切換控制模式，該方法仍沒有解決晝夜陰晴等天氣變化對(duì)控制穩(wěn)定性的影響。針對(duì)涂裝車間噴漆室空調(diào)恒溫恒濕控制的特點(diǎn)與要求，本文提出了一種焓值分析方法，根據(jù)控制目標(biāo)溫濕度將焓濕圖分為8個(gè)分區(qū)，在控制過程中根據(jù)空調(diào)進(jìn)風(fēng)的溫濕度參數(shù)，計(jì)算出環(huán)境狀態(tài)，結(jié)合多模型控制策略自動(dòng)切換達(dá)到環(huán)境自適應(yīng)控制的目的，分區(qū)確定的控制策略簡(jiǎn)化了閥門控制，改善了多閥門控制之間的相互干擾情況。在河北某汽車公司的涂裝車間進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，具有較好的效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)組成見圖1。整個(gè)空調(diào)溫濕度控制系統(tǒng)主要分為表冷段、加熱段、噴淋段3個(gè)控制段。進(jìn)入表冷段和加熱段的冷水量和熱蒸汽分別由他們各自管路上的冷、熱水調(diào)節(jié)閥來控制，噴淋段的噴淋量由變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)控制。各閥門的控制量由上位機(jī)傳遞至可編程邏輯控制器（PLC）執(zhí)行，入口和出口的溫濕度測(cè)量值也經(jīng)由PLC傳遞至上位機(jī)做為控制計(jì)算的參數(shù)依據(jù)。

圖1 硬件系統(tǒng)組成

2 控制原理

2.1 焓濕圖分區(qū)

分區(qū)的方法是根據(jù)控制的目標(biāo)溫濕度范圍，利用等焓線、等濕線、等溫線和等相對(duì)濕度線等，通過計(jì)算將焓濕圖分為8個(gè)區(qū)。圖2為h-d焓濕圖的分區(qū)示意圖，圖2中，橫坐標(biāo)為空氣焓濕量d，縱坐標(biāo)為溫度t，斜線為等焓線h，包絡(luò)線為等濕度線，每個(gè)區(qū)代表不同的環(huán)境溫濕度狀態(tài)，用以明確空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)溫濕度狀態(tài)與調(diào)控目標(biāo)之間的關(guān)系。圖2中第8區(qū)為控制目標(biāo)區(qū)，要先根據(jù)目標(biāo)溫濕度的設(shè)定范圍計(jì)算出該區(qū)邊界，計(jì)算方法如下［9－10］：

圖2 焓濕圖分區(qū)

空氣溫度t和相對(duì)濕度φ信號(hào)由溫濕度傳感器測(cè)得。飽和空氣的水蒸氣分壓力Pq，b計(jì)算公式為：

式中，

空氣含濕量d計(jì)算公式為：

式中，B為大氣壓力；φ為相對(duì)濕度。

濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物，濕空氣的比焓是相對(duì)于單位質(zhì)量干空氣的：

確定1區(qū)和2區(qū)的分界線hd時(shí)，對(duì)應(yīng)于空氣含濕量d1的露點(diǎn)溫度tl要單獨(dú)計(jì)算：

所以hd計(jì)算公式為：

由以上公式分別確定出d1、d3、hd、h1、hx后，結(jié)合目標(biāo)溫濕度即可劃分出圖2中8個(gè)分區(qū)。然后，由進(jìn)風(fēng)口的t、φ及對(duì)應(yīng)的h、d，即可隨時(shí)確定空調(diào)工作在哪一個(gè)區(qū)中。

2.2 多模型分區(qū)控制

2.2.1 控制策略

由溫濕度的控制目標(biāo)將整個(gè)焓濕圖劃分為8個(gè)分區(qū)，代表8種不同環(huán)境溫濕度狀況，對(duì)應(yīng)各控制模型。各控制模型通過不同的閥門組合控制策略實(shí)現(xiàn)，在確定分區(qū)控制模型時(shí)還要考慮溫濕度的耦合情況，以2區(qū)的加熱閥和噴淋閥聯(lián)控為例，既有溫度較高濕度較低的情況，也有溫度較低濕度較高的情況，前一種情況加熱閥是關(guān)閉的，噴淋加濕的過程就附帶有降溫的功能，后一種情況下，加熱的過程也有減小相對(duì)濕度的效果。

本系統(tǒng)中，冷水閥在不同分區(qū)承擔(dān)調(diào)溫和調(diào)濕兩種不同功能，在控制器中根據(jù)其功能的不同分別有調(diào)溫和調(diào)濕兩套不同的含比例、積分和微分的控制（PID）參數(shù)，分別針對(duì)各自的控制功能。不同分區(qū)的控制策略如表1所示。從表1中可以看出：不論何種情況最多只有兩個(gè)閥門同時(shí)工作，既加強(qiáng)了系統(tǒng)的可控性，也減小了閥門間的相互干擾，有效降低了能耗。

圖3為多模型控制的分區(qū)識(shí)別與自動(dòng)切換功能框圖，按空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)空氣溫濕度，計(jì)算判斷其所屬分區(qū)，再依照多模型控制器切換規(guī)則，切入相應(yīng)的控制器。圖3中各控制器為不同的閥門控制組合，均為增量式PID控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的累積功能采用軟件實(shí)現(xiàn)（利用算式u（k）＝u（k－1）＋△u（k）程序化來完成），各閥門控制量為0～100的開度值，由PLC換算為實(shí)際的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)。

表1 分區(qū)控制策略表

圖3 多控制器切換控制方案

2.2.2 控制程序

依照分區(qū)方法、分區(qū)策略及切換規(guī)則，本文編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度自動(dòng)控制。開發(fā)軟件為VC2008，控制程序和空調(diào)設(shè)備之間通過PLC交換溫濕度傳感器數(shù)據(jù)和閥門開度指令，與PLC的數(shù)據(jù)交換采用RSLinx OPC服務(wù)器訪問方式。控制程序運(yùn)行界面上部為進(jìn)出風(fēng)和控制目標(biāo)的溫濕度及焓值顯示，還有各個(gè)閥門的PID控制參數(shù)；左下部為圖形劃分區(qū)顯示，可在分區(qū)圖上用紅色五星動(dòng)態(tài)標(biāo)記空調(diào)進(jìn)風(fēng)所在分區(qū)；右下部為系統(tǒng)溫濕度監(jiān)控界面，程序運(yùn)行時(shí)后臺(tái)記錄的數(shù)據(jù)不僅有進(jìn)、出風(fēng)溫濕度，還有各個(gè)閥門的開度。界面上二次加熱閥作為輔助加熱裝置只是在部分空調(diào)設(shè)備上才有，在2區(qū)、4區(qū)、7區(qū)加熱需求較小的時(shí)候，替代一次加熱閥工作。

3 試驗(yàn)

本文算法與控制程序，在河北某汽車制造廠涂裝車間做了設(shè)備運(yùn)行試驗(yàn)。該廠涂裝車間共有16臺(tái)空調(diào)機(jī)組，其中4臺(tái)帶有二次加熱裝置，用于噴漆室溫濕度控制，其他為車間送風(fēng)空調(diào)，由于企業(yè)正在生產(chǎn)中，只有車間送風(fēng)空調(diào)允許試驗(yàn)，本文的試驗(yàn)對(duì)象為13＃車間空調(diào)機(jī)組，沒有二次加熱閥。試驗(yàn)時(shí)間為冬季（1區(qū)，一次加熱與噴淋同時(shí)工作）。

圖4為實(shí)測(cè)的一個(gè)溫濕度控制試驗(yàn)結(jié)果，目標(biāo)溫度24℃、濕度55%，采樣與控制周期為1 s。溫度約110 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)誤差保持在±0.5℃以內(nèi)，濕度約150 s進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)誤差保持在±1%以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)方案中（溫度小于±1℃，濕度小于±5%，30 min進(jìn)入穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）的技術(shù)要求。

出于安全與節(jié)能運(yùn)行的考慮，在保證溫濕度情況下，企業(yè)還要求控制過程中閥門動(dòng)作要盡量平滑，通過對(duì)PID控制算法與參數(shù)的調(diào)整可以很好地改善閥門的動(dòng)作平滑性。圖5是溫濕度響應(yīng)與圖4基本相同的前提下，不同控制算法對(duì)閥門動(dòng)作的影響，圖5中曲線分別是噴淋閥和加熱閥的閥門開度，圖5a為控制周期1 s的效果，圖5b是控制周期2 s且輸出濾波的效果，圖5c是控制周期2 s時(shí)含比例、積分的控制（PI）效果。由圖5可看出：適當(dāng)?shù)目刂屏枯敵鰹V波、加大控制周期和PI控制都可明顯改善閥門動(dòng)作平滑性，但對(duì)控制精度有一定影響，需要綜合考慮設(shè)備性能和控制指標(biāo)要求，最終采用的方案是2 s控制周期，輸出控制量濾波。

圖4 溫濕度控制曲線

圖5 不同情況下閥門動(dòng)作對(duì)比

4 結(jié)論

采用焓值分析的方法，根據(jù)設(shè)定的溫濕控制目標(biāo)將環(huán)境狀態(tài)焓濕圖分為8個(gè)區(qū)，既實(shí)現(xiàn)了控制分區(qū)與控制目標(biāo)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，又涵蓋了全部環(huán)境溫濕度條件；多模型控制器切換技術(shù)，使空調(diào)系統(tǒng)能根據(jù)進(jìn)風(fēng)口的溫濕度，實(shí)時(shí)確定環(huán)境狀態(tài)，自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化；不同的閥門控制組合和調(diào)節(jié)策略，細(xì)化了溫濕度的調(diào)節(jié)過程和控制策略，簡(jiǎn)化了控制對(duì)象，使控制更平穩(wěn)、節(jié)能、高效。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠在3 min內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，比原系統(tǒng)的7～9 min的時(shí)間效率提高一倍多，且能保證溫度穩(wěn)態(tài)誤差小于±0.5℃，濕度穩(wěn)態(tài)誤差小于±1%，顯著優(yōu)于原來±1℃的溫度穩(wěn)態(tài)誤差和±3%的濕度穩(wěn)態(tài)誤差。

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TU83

A

1672－6871（2014）04－0064－04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60904023）；國(guó)家航空科學(xué)基金項(xiàng)目（20110142003）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2013T60670）；河南省高校科技創(chuàng)新人才支持計(jì)劃基金項(xiàng)目（13HASTIT038）；河南省科技攻關(guān)基金項(xiàng)目（132102210247）

葉宇程（1968－），男，河南洛陽人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù).

2013－12－27