涂裝車間工藝供風(fēng)系統(tǒng)精益智能控制研究

鄭秋鵬、李竹青、劉鵬濤

（上汽通用東岳汽車有限公司，煙臺 264006）

0 引言

我司涂裝車間由德國杜爾公司于2012年建成，與眾多汽車合資企業(yè)的涂裝車間設(shè)備標準相同，穩(wěn)定運行多年，相關(guān)設(shè)備和工藝至今仍屬行業(yè)領(lǐng)先水平。涂裝車間對清潔度要求極為嚴格，車間內(nèi)的清潔度直接影響車身表面涂裝質(zhì)量。因此對于涂裝車間來說，工藝供風(fēng)系統(tǒng)是最重要的工藝系統(tǒng)之一。

為了保證車間內(nèi)溫度、濕度和清潔度，系統(tǒng)運行過程中需消耗大量能源，包括電、工藝熱水、工藝冷水、RO水（反滲透水，即純凈水）以及天然氣等。根據(jù)現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，工藝供風(fēng)系統(tǒng)耗能成本占整個涂裝車間的40%，是車間能源成本的大頭。如何引入先進控制技術(shù)和控制理念，使系統(tǒng)智能化、精益化運行，降低工藝供風(fēng)系統(tǒng)能耗，一直是筆者的研究方向。

1 工藝供風(fēng)系統(tǒng)研究

涂裝車間工藝供風(fēng)系統(tǒng)共有三大系統(tǒng)：噴房供風(fēng)系統(tǒng)，專為噴漆室供風(fēng)；工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)，為打磨線、密封線等有生產(chǎn)人員操作的工作室體供風(fēng)；車間供風(fēng)系統(tǒng)，為車間噴漆室和工作室體外的其他區(qū)域供風(fēng)。各系統(tǒng)的工藝要求不同，組成系統(tǒng)的功能單元也各不相同，所消耗的能源也各不相同[1]。各系統(tǒng)所包含功能單元如表1所示。

表1 工藝供風(fēng)系統(tǒng)功能單元組成

從能源消耗的角度進行分析：制熱單元，消耗天然氣；制冷單元消耗電能；除濕單元消耗蒸汽；增濕單元消耗純水和電能。

該工藝供風(fēng)系統(tǒng)建于11年前，系統(tǒng)的控制理念和方法比較傳統(tǒng)。能否對系統(tǒng)引入先進的控制理念，實現(xiàn)系統(tǒng)智能化、柔性化、精益化運行，是本文研究的重點。

2 精益智能控制

2.1 溫濕度智能控制

2.1.1 問題分析

當前工藝供風(fēng)系統(tǒng)的溫度、濕度設(shè)定值均為固定值。當外界環(huán)境變化，系統(tǒng)的溫濕度設(shè)定值不變，導(dǎo)致系統(tǒng)消耗過多的能源，設(shè)備運行不經(jīng)濟。圖1所示為生產(chǎn)日24 h外界溫度與設(shè)定溫度曲線圖，圖中陰影部分即代表所需消耗能源，陰影部分越大表示消耗的能源越多。夜間外界溫度低，系統(tǒng)需要使用天然氣對新風(fēng)進行加熱升溫；白天外界溫度高，系統(tǒng)需要使用冷水對新風(fēng)進行制冷降溫。外界溫度和設(shè)定溫度差距越大，調(diào)節(jié)過程中所消耗的能源越多。

圖1 生產(chǎn)日24 h外界溫度與設(shè)定溫度曲線圖

2.1.2 解決方案

基于問題分析，節(jié)約能耗的核心思路是設(shè)法減小24 h外界溫度與設(shè)定溫度曲線圖中的陰影面積。而改進控制的邏輯，就是聚焦工藝許可范圍控制，不再進行單一設(shè)定點控制。如圖2所示，參數(shù)設(shè)置由恒定值改進為控制區(qū)間值。這樣當外界溫濕度變化時，系統(tǒng)能夠根據(jù)外界變化，在設(shè)定區(qū)間內(nèi)自動設(shè)定最佳設(shè)定點，動態(tài)性地對溫度進行調(diào)整。簡而言之，當外界溫度高時，在工藝許可范圍內(nèi)調(diào)高系統(tǒng)設(shè)定值；當外界溫度低時，在工藝許可范圍內(nèi)調(diào)低溫度設(shè)定值。

圖2 溫濕度智能控制原理圖

對于PLC控制器編程，通過調(diào)節(jié)燃氣閥門開度、冷水盤管閥門開度和噴淋泵的運行頻率，來對控制供風(fēng)單元出風(fēng)口溫濕度進行控制。編程思路為：供風(fēng)單元出風(fēng)口溫濕度在工藝許可范圍內(nèi)，最大限度地降低閥門開度和泵的運行頻率[2]。也就是通過智能改變溫濕度的設(shè)定值，確保其在工藝許可范圍內(nèi)，使燃氣和冷水盤管的閥門開度最小，噴淋泵的運行頻率最小，從而最大限度降低公用動力介質(zhì)的消耗，節(jié)約能源。

由于每日環(huán)境的平均溫度是變化的，尤其是春季和秋季溫度變化較大。為了解決這個問題，建立歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計設(shè)定值預(yù)判模型，用于溫濕度基礎(chǔ)設(shè)定值的設(shè)定，使系統(tǒng)更加智能地進行溫濕度控制。設(shè)定值預(yù)判模型的建立，使溫濕度的基礎(chǔ)設(shè)定值隨外界變化成為了可能。

設(shè)定值預(yù)判模型的建立思路為：系統(tǒng)自動記錄每次開機完成后溫濕度實際值，形成設(shè)定值的歷史數(shù)據(jù)參考；而系統(tǒng)下一次開機時，會通過歷史數(shù)據(jù)計算，對溫濕度基礎(chǔ)設(shè)定值進行修正。如圖3所示，前5天開機后溫度T1、T2、T3、T4和T5分別30.0℃、25.0℃、27.0℃、23.0℃和22.0℃，則本次開機后的溫度設(shè)定值為：

圖3 預(yù)判模型原理圖

T=（T1+T2+T3+T4+T5）/5=25.4℃

將計算后的溫度值T與最大設(shè)定值Tmax和最小設(shè)定值Tmin進行比較，如果Tmin＜T＜Tmax（例如20.0℃＜25.4℃＜26.0℃），則將25.4℃賦值Tset。如果計算后的溫度值T＞Tmax，則將Tmax賦值Tset；反之，如果計算后的溫度值T＜Tmin，則將Tmin賦值Tset。

2.1.3 試驗驗證

圖4為改進后生產(chǎn)日24 h外界溫度與設(shè)定溫度曲線圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)采用溫濕度智能控制后，設(shè)定溫度在工藝許可范圍內(nèi)上下浮動，相應(yīng)的陰影部分面積大幅度減小，系統(tǒng)消耗的能源大幅降低。

圖4 改進后生產(chǎn)日24 h外界溫度與設(shè)定溫度曲線圖

2.2 智能休息模式

2.2.1 問題分析

工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)開機后一直滿負荷運行，直到生產(chǎn)結(jié)束才關(guān)機。白班、中班生產(chǎn)吃飯時間均為30 min，生產(chǎn)吃飯時生產(chǎn)線長時間停線，但工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)一直滿負荷運行，存在能源浪費情況。因此，可以通過長停線時降低系統(tǒng)的運行負荷，達到節(jié)約能源的目的。但是，這樣改進存在2方面問題。

一是涂裝車間由于工藝及潔凈度要求[3]，需要保持車間微正壓。工作區(qū)供風(fēng)單元降頻運行，會破壞車間原有的風(fēng)平衡，需要對風(fēng)平衡重新規(guī)劃，保證車間內(nèi)正壓。由于大部分排風(fēng)機非變頻控制，又增加了風(fēng)平衡調(diào)整的難度。

二是由于生產(chǎn)時間的變化，為保證智能休息模式的運行，不給生產(chǎn)人員增加額外操作，需要系統(tǒng)智能判斷生產(chǎn)吃飯時間，切換休息模式。

2.2.2 解決方案

首先，長停線時，系統(tǒng)降頻運行，通過計算各生產(chǎn)區(qū)域的供排風(fēng)風(fēng)量變化，平衡各區(qū)域供排風(fēng)，重新規(guī)劃車間風(fēng)平衡，最終保證車間內(nèi)為正壓。需要注意的是，為了最大限度提高生產(chǎn)效率，車間采用生產(chǎn)錯時吃飯的辦法：一工段先吃飯，二、三工段后吃飯；或者二、三工段先吃飯，一工段后吃飯。錯時吃飯的先后順序周期性交換，但存在吃飯時間重疊的情況。因此，重新規(guī)劃車間風(fēng)平衡的難度在于，需要確保3種模式下車間均為正壓。

其次，由于車間生產(chǎn)時間是根據(jù)產(chǎn)量制定，生產(chǎn)吃飯時間也根據(jù)生產(chǎn)時間進行相應(yīng)調(diào)整。因此如何自動精確判斷生產(chǎn)吃飯時間與生產(chǎn)短休息時間的區(qū)別，這是調(diào)整的難點。因此在具體編寫程序邏輯時，引入模糊控制方法，先判斷生產(chǎn)吃飯時間區(qū)段，然后通過生產(chǎn)線運行信號和室體燈照明狀態(tài)，精確判斷生產(chǎn)吃飯時間。

通過上述方案建立智能休息模式，在長停線時供風(fēng)系統(tǒng)能夠自動激活，減少能源浪費。各供風(fēng)單元運行調(diào)整狀態(tài)如表2所示。

表2 工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整前后運行狀態(tài)

2.2.3 試驗驗證

工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)增加休息模式，系統(tǒng)能夠自動識別生產(chǎn)吃飯時間并進行模式切換。通過休息模式運行簡圖可以看出（圖5），當系統(tǒng)切換休息模式時，相關(guān)供、排風(fēng)機自動關(guān)閉或降頻運行[4]。休息模式時，通過對車間36個門進行測試，均為正壓。

圖5 智能休息模式運行簡圖

智能休息模式的運行狀態(tài)，可以通過生產(chǎn)現(xiàn)場的狀態(tài)指示燈和上位監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)顯示進行查看。模式的切換系統(tǒng)能夠自動切換，也可以通過現(xiàn)場操作按鈕和上位監(jiān)控系統(tǒng)進行手動切換。

2.3 加熱模式精益運行

2.3.1 問題分析

工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)制熱單元使用燃燒器進行加熱，制冷單元使用盤管通冷水進行制冷。在冬季時，制冷單元的盤管也可以通熱水進行加熱，關(guān)鍵是要計算使用天然氣加熱和使用熱水加熱的成本。

2.3.2 解決方案

筆者所在涂裝車間的熱水是由公用動力站房通過蒸汽換熱產(chǎn)生，蒸汽是由外部供應(yīng)。通過對站房蒸汽換熱數(shù)據(jù)進行記錄，根據(jù)熱量計算公式（Q=cmΔt）計算出平均1 t蒸汽產(chǎn)生的熱量為3 199 050 kJ，1 m3天然氣可產(chǎn)生36 000 kJ的熱量。假設(shè)蒸汽和熱水的管路損耗按照8%計算，則1 t蒸汽和1.00 m3天然氣的熱量比如下：

3 199 050×（1-0.08）/36 000 = 81.75

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，1 t蒸汽的熱值相當于81.75 m3的天然氣。以1.00 m3天然氣單價為X軸，以1 t蒸汽單價為Y軸，繪出天然氣和蒸汽精益曲線（圖6）。天然氣和蒸汽精益曲線使用方法如下：在A時，1.00 m3天然氣單價為3.9元，1 t蒸汽單價為180.0元，在精益曲線中可以看出，使用蒸汽更精益；在B時，1.00 m3天然氣單價為3.5元，1 t蒸汽單價為350.0元，在精益曲線中可以看出，使用天然氣更精益。

圖6 智能休息模式運行簡圖

2.3.3 實施驗證

改進工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)的加熱模式。在硬件方面，制冷單元盤管原來的設(shè)計上有熱水管路引入，用于冬季防凍功能。因此可以直接利用原有的冷水盤管，冬季通熱水進行加熱。在軟件方面，增加盤管熱水加熱功能和PID控制。同時，增加加熱模式的切換功能，可以對天然氣加熱和熱水加熱自由切換，根據(jù)天然氣和蒸汽精益曲線選擇成本更低的能源進行加熱[5]。

本研究通過對能源系統(tǒng)的掌握與研究，發(fā)現(xiàn)了天然氣與蒸汽價格差異帶來的運營成本降低空間；對比單位熱量價格，對使用能源方面提供了選擇方法。通過對工作區(qū)供風(fēng)系統(tǒng)加熱模式改進，可以根據(jù)天然氣和蒸汽的價格變化，自由選擇低價能源。

3 研究價值

本研究通過采用溫濕度智能控制，年可節(jié)約蒸汽1 257 t，節(jié)約用電32.3萬度，節(jié)約天然氣5.3萬m3，節(jié)約費用76.9萬元；采用智能休息模式，年可節(jié)約蒸汽167 t，節(jié)約用電21.0萬度，節(jié)約費用18.3萬元。這2項每年節(jié)約費用共計95.2萬元。

此外，采用加熱模式精益運行，根據(jù)實際天然氣和蒸汽單價，計算選擇低價能源，還能夠進一步節(jié)約設(shè)備運行成本（表3）。

表3 實施精益智能控制后的能源節(jié)約統(tǒng)計

4 結(jié)束語

涂裝車間是整車廠能耗大戶，工藝供風(fēng)系統(tǒng)能耗在涂裝車間占有很大比重。本研究突破傳統(tǒng)控制思路的限制，通過建立溫濕度智能調(diào)溫系統(tǒng)、智能休息模式和加熱模式精益運行三個方面，實現(xiàn)車間工藝供風(fēng)系統(tǒng)智能化、精益化創(chuàng)新改進。通過這次改進，提高了設(shè)備利用效率，節(jié)約能源消耗，降低車間運行成本。本研究聚焦工藝標準和設(shè)備負荷，探索出新的節(jié)能方法，為同行業(yè)提供了樣板和范例。同時，通過充分的控制知識儲備、開闊的思路和多次的現(xiàn)場測試，確保把風(fēng)險控制在最低。