(中原工學(xué)院,鄭州 451191)
空調(diào)系統(tǒng)的有效運行是棉紡企業(yè)實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量,提高工人勞動條件的重要保證。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,將自動控制技術(shù)引入紡織空調(diào)系統(tǒng)中是十分必要的[1]。棉紡廠空調(diào)的基本任務(wù)是保持生產(chǎn)車間內(nèi)滿足生產(chǎn)工藝要求的溫濕度,并在允許的范圍內(nèi)波動。
某棉紡廠成立于上世紀(jì)90年代,該棉紡廠空調(diào)改造系統(tǒng)中,共包含四個車間,分別為梳棉車間、粗紗車間、細(xì)紗車間和自絡(luò)車間。幾個車間共用一套壓入式空調(diào)室送風(fēng)系統(tǒng)[2],系統(tǒng)設(shè)備全部和溫濕度調(diào)節(jié)由空調(diào)操作工負(fù)責(zé)。一直依靠經(jīng)驗來啟停噴淋水泵、調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率和開關(guān)新風(fēng)調(diào)節(jié)窗,重復(fù)工作量大,且控制效果差,造成了棉紡廠溫濕度經(jīng)常不能滿足工藝要求,產(chǎn)品質(zhì)量較低,影響效率且能耗較高。為此,企業(yè)提出改造該空調(diào)系統(tǒng),實現(xiàn)溫濕度的自由設(shè)定,滿足調(diào)節(jié)精度,以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
根據(jù)企業(yè)要求,空調(diào)系統(tǒng)加熱部分無需改造,在每個車間及室外分別安裝一套溫濕度傳感變送器。噴淋室風(fēng)機變頻器通過人機界面進(jìn)行頻率設(shè)置、兩臺噴淋水泵、兩個新風(fēng)調(diào)節(jié)窗采用專用的數(shù)字執(zhí)行器通過PLC進(jìn)行控制。
棉紡廠要求實時采集各個車間及戶外環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù),并根據(jù)車間的綜合溫濕度,自動調(diào)節(jié)噴淋水泵的啟停、調(diào)節(jié)窗的開度。當(dāng)車間綜合濕度超出設(shè)定值時,控制兩臺噴淋水泵按照一定的規(guī)律停止。當(dāng)車間綜合溫度超過設(shè)定值時,控制兩個調(diào)節(jié)窗按照設(shè)定的動態(tài)調(diào)節(jié)開度開啟調(diào)節(jié)窗。
該空調(diào)系統(tǒng)改造不涉及回風(fēng)控制、加熱冷卻控制等,且溫濕度調(diào)節(jié)溫系統(tǒng)綜合溫濕度調(diào)整,相對簡單。但根據(jù)要求,應(yīng)在盡量降低成本的前提下,將綜合溫度控制在±2℃,綜合濕度控制在±2%RH,實現(xiàn)系統(tǒng)信息的實時監(jiān)控,且兼顧設(shè)備的可靠性、安全性及操作方便。
該系統(tǒng)要求具備以下功能:1)手動、自動自由選擇;2)調(diào)節(jié)窗自由選擇,開度可以手動自由調(diào)節(jié);3)溫濕度實時采集和顯示;4)自由設(shè)定溫濕度及上下限;5)自動時,自由設(shè)定步進(jìn)開關(guān)調(diào)節(jié)窗角度等。
根據(jù)工藝和功能要求,設(shè)計出系統(tǒng)控制總體方案,如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)總體方案
該方案手動自動切換通過控制柜上的切換按鈕實現(xiàn),在手動模式下,通過控制柜上的開關(guān)按鈕實現(xiàn)設(shè)備的手動啟動和停止。在自動模式下,所有設(shè)備控制通過PLC程序控制。PLC實時采集各個車間及室外的溫濕度,并對各數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和求平均值。并根據(jù)PLC控制算法和邏輯,控制噴淋水泵的啟動和停止,結(jié)合調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)廠區(qū)的濕度;廠區(qū)溫度控制主要通過調(diào)節(jié)窗的自動動態(tài)調(diào)節(jié)實現(xiàn)。人機界面(HMI)負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和傳輸??蛇M(jìn)行工藝參數(shù)的相應(yīng)設(shè)置,結(jié)合PLC程序?qū)崿F(xiàn)對棉紡廠內(nèi)噴淋水泵、調(diào)節(jié)窗、變頻風(fēng)機和指示燈等現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控;達(dá)到調(diào)節(jié)棉紡廠空氣質(zhì)量目的。
根據(jù)總體方案,本系統(tǒng)選用西門子新一代小型可編程控制器S7-200 SMART作為核心處理器。該系列CPU模塊本體標(biāo)配以太網(wǎng)接口,集成了強大的以太網(wǎng)通信功能,普通網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中,且可方便的與西門子SMART系列觸摸屏進(jìn)行通信,方便快捷,省去了專用編輯電纜。人機界面選用西門子精彩面板SMART LINE V3,該面板可以與S7-200 SMART PLC組成自動化控制與人機交互平臺,便于組態(tài)和操控。風(fēng)機采用原有富士變頻器驅(qū)動;溫濕度變送器采用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司的相應(yīng)型號,其中車間內(nèi)變送器選用防爆型。
經(jīng)統(tǒng)計,系統(tǒng)需要數(shù)字量輸入點6個,數(shù)字量輸出點8個,模擬量輸入點11個,模擬量輸出點3個。其中,PLC的數(shù)字量輸入點為手動自動切換、接觸器變頻器動作反饋等;模擬量輸入點為10個溫濕度信號和1個變頻器頻率輸出信號。PLC模擬量輸出點為2個調(diào)節(jié)窗執(zhí)行機構(gòu)開度控制信號和1個變頻器頻率設(shè)定信號;數(shù)字量輸出交流接觸器、繼電器、指示燈等。主要器件清單如表1所示。
表1 主要器件清單
系統(tǒng)程序設(shè)計的核心是溫度控制和濕度控制。系統(tǒng)通電后,PLC載入觸摸屏上一次斷電前HMI設(shè)置的溫濕度設(shè)定值、溫濕度上下限、溫度調(diào)整時間、調(diào)節(jié)窗步進(jìn)開度等數(shù)據(jù)(首次上電啟動時,載入程序編寫的默認(rèn)設(shè)定值),同時,實時采集各個傳感器的數(shù)據(jù),分別對廠區(qū)溫度和濕度進(jìn)行求平均值。利用設(shè)定值和平均值之間的偏差,采用閉環(huán)控制算法,實現(xiàn)溫濕度的控制。
由于棉紡廠溫度控制為大慣性、大滯后控制系統(tǒng),因此,用傳統(tǒng)的PID控制器難以取得令人滿意的效果,且在PID控制過程中,數(shù)字執(zhí)行器長期處于連續(xù)調(diào)節(jié)狀態(tài),動作頻繁,故障率較高。為了提高控制精度和提高系統(tǒng)的可靠性,設(shè)計了實時監(jiān)測定時調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制算法,該算法結(jié)合邏輯控制,效果良好。
溫度控制流程圖如圖2所示。在車間溫度超過設(shè)定溫度死區(qū)上限時,驅(qū)動降溫操作。若車間溫度超過設(shè)定上限,則說明此時車間溫度急需降溫,則此時應(yīng)快速打開車間窗戶啟動降溫操作。在冬季,如果車間溫度大于室外溫度20℃,則說明室內(nèi)外溫差大,調(diào)節(jié)窗1開度初始化為40%;如果車間溫度與室外溫度差值不大于20℃,則判斷為溫差不大,調(diào)節(jié)窗1開度初始化為80%,然后進(jìn)入定時步進(jìn)開窗程序,調(diào)節(jié)窗1開度達(dá)到設(shè)定上限時,定時步進(jìn)控制調(diào)節(jié)窗2開啟。在車間溫度低于設(shè)定溫度死區(qū)下限時,驅(qū)動定時步進(jìn)關(guān)窗操作。若車間溫度低于設(shè)定下限,則說明此時車間溫度較低,則此時直接驅(qū)動兩個調(diào)節(jié)窗關(guān)閉。
圖2 溫度控制流程圖
圖3 濕度控制流程圖
濕度控制流程圖如圖3所示。其中,噴淋泵1為主噴淋水泵,功率較大;噴淋泵2為輔助噴淋水泵,功率較小。通常情況下,在車間濕度低于設(shè)定濕度死區(qū)值時,通過啟動噴淋泵2增加濕度;若濕度低于設(shè)定下限,則噴淋泵2啟動后,啟動主噴淋泵1,快速提升車間濕度。反之,當(dāng)車間濕度大于設(shè)定死區(qū)值時,通常通過關(guān)閉噴淋泵2降低濕度;若濕度超過設(shè)定下限,則噴淋泵2關(guān)閉后,關(guān)閉主噴淋泵1,快速降低車間濕度。
本系統(tǒng)的人機界面采用西門子公司的WinCC flexible SMART V3進(jìn)行編輯。觸摸屏選用西門子SMART系列觸摸屏,型號為SMART1000 IE V3。觸摸屏與PLC采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機界面包括主畫面、操作與設(shè)定畫面、參數(shù)設(shè)定與上下限、報警畫面等組成。分別實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)與動畫、溫度調(diào)節(jié)時間等的設(shè)置及設(shè)備基本操作、系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置、報警記錄等功能。
圖4 系統(tǒng)主畫面
圖4所示為系統(tǒng)主畫面。將廠區(qū)各個車間的實際布局體現(xiàn)在主畫面上;顯示車間綜合實時溫濕度及設(shè)定值;實時顯示各個車間的動態(tài)溫濕度。同時,設(shè)置簡單動畫,動態(tài)描述循環(huán)風(fēng)流動。
圖5 參數(shù)設(shè)定與上下限
圖5為參數(shù)設(shè)置與上下限畫面,該畫面主要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,包括溫濕度目標(biāo)值設(shè)定、上下限設(shè)定;調(diào)節(jié)窗最大最小開度,步進(jìn)開關(guān)角度設(shè)定等。這些參數(shù)設(shè)定后,自動傳送到PLC的相應(yīng)寄存器,用于程序控制。
本文根據(jù)某棉紡廠空調(diào)改造的工藝要求,設(shè)計了基于西門子S7-200 SMART處理器、SMART1000 IE V3觸摸屏、變頻器、溫濕度傳感器等構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)方案和軟硬件設(shè)計方法及控制算法。系統(tǒng)具有可靠性高、人機界面好,操作簡單,抗干擾性能強等特點,各項性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求。經(jīng)過幾個月的應(yīng)用,該廠車間綜合溫濕度控制滿足了企業(yè)的要求,實現(xiàn)了空調(diào)控制系統(tǒng)的自動化,提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,節(jié)約了電能、降低了工人勞動強度。