紡織空調PLC變頻控制與節能系統的設計和應用
王秀琳，蔣根才2， 胡國文（1鹽城工學院電氣工程學院，江蘇鹽城224003，2鹽城貝思特電氣有限公司，江蘇鹽城224005）
摘要：紡織空調可編程邏輯控制器( PLC)自控系統以PLC為控制中心，利用溫、濕度傳感器檢測室內、外的溫、濕度信號，與沒定值進行比較，根據比較結果，采用P1控制，自動調節新回風比、送風量、噴水量、加熱量和制冷量，使車間的溫度和相對濕度維持在生產工藝要求的范圍內，不僅提高r產品的產量和質量，同時節約了大景能量，具有較好的應用前景。
關鍵詞：溫度；相對濕度i變頻控制
中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：16736540(2009) 12-0034-05
O 引 言
紡織車間的溫度和相對濕度嚴重影響產品的產量和質量，因此空調系統是棉紡織生產過程中不可缺少的設施之一。目前，紡織空調大都采用人工調節，但由于是手動控制，忽略了溫度和濕度的相關性，對環境溫、濕度的控制不盡如人意，特別是梅雨季節，難以達到理想的工作環境，且能耗大，效率低，節能潛力得不到充分發揮。采用自控系統，對紡織空調進行溫、濕度自動調節，不僅提高了溫、濕度的控制精度，同時降低了能量損耗，紡織空調自動調節系統在紡織行業的應用已成為一種趨勢。
1 空氣調節系統組成及其基本原理
空氣調節系統主要由進風窗、噴水室、風道、加熱器、回風窗、通風機等部分組成，見圖1,進風窗：室外空氣由此進入空調室，進風窗設有固定百葉窗和調節風門，以供調節室外空氣量之用。噴水室：空調室送風系統的主要部分，在噴水室中有噴嘴、水池和擋水板。風道：供輸送和分配窒氣用。加熱器：作為冬天加熱空氣之用�？諝饧訜嵊袃煞N方式：一種是空氣被水處理前進行加熱，通常稱第一次加熱或預熱，一般在氣侯比較寒冷的地方為提高室外空氣的溫度以增加噴水室的加濕能力而采用的；另一種是空氣被水處理后進行的加熱，稱二次加熱，主要是補償車間熱量的不足。回風窗：在夏天，如車間內空氣的含熱量低于室外空氣的含熱量時，為了節約冷源，應該利用一部分回風；在冬天，室外氣溫較低，一般應該考慮使用回風以節約熱量消耗，因此在空調室送風系統內，常設有回風窗，其上裝有調節回風量的風門和過濾灰塵用的金屬濾網。通風機：室外空氣之所以能流經空調室送風系統而送入車間，主要是依靠風機工作時給空氣一定的壓力。
1進風窗；2進風閥；3回風過濾網；4同風淵節風門；5一次加熱器；6噴水排管；7循環水泵；8冷卻水泵；9擋水板；10補充水管；11網狀濾水器；12二次加熱器；13離心風機；l4電動機；15主風道；16支風道
為了減小室外氣侯變化對室內空氣狀態的影響，保持車間一定的溫、濕度，在空氣調節系統中，空氣在送人車間以前，一般根據室外的氣候條件和室內的要求先在空調室中進行處理。如夏天室外空氣溫度高而潮濕，冬天室外溫度低而干燥，如將室外空氣不經適當處理而送入車間，必然會造成夏天車間空氣溫度偏高或濕度偏大，冬天車間空氣溫度偏低或濕度偏小。采用空調室送風系纜后，夏天在將室外空氣送人車間之前，先在空調室內進行冷卻和去濕處理，冬天則先在空調內進行加熱和加濕處理，然后送入車間，這樣就能使車間保持合乎要求的空氣狀態。自控系統就是根據車間溫、濕度情況，對上述過程進行自動調節，達到****控制狀態。
現以鹽城眾想集團細紗車間為例介紹控制系統的設計過程。
2控制系統的硬件設計
控制系統依據溫、濕度傳感器檢測室內、外溫度和相對濕度信號，經A/D模塊轉換成對應的數字信號，供可編程邏輯控制器( PLC)采集，采樣值與設定值相比較，比較結果通過D/A模塊、PI調節器去控制變頻器調節風機、水泵的轉速以及一次加熱量和新回風量，以維持室內溫、濕度的穩定性。其主要組成有溫濕度變送器、控制器、變頻器、風機、水泵及各種執行器，如圖2所示。
溫濕度傳感器：選用芬蘭維薩拉公司的HMW40Y型號，墻面式安裝，輸出4-20 mA電流信號，具有穩定性好、精度高、易于安裝、運行可靠等優點；控制器是控制系統的核心，經初步估算，PLC主控單元共需21個輸入點，24個輸出點，本著經濟、可靠、實用的原則，選用三菱公司FX2N-48M【2】型的PLC，并利用其四通道A/D和四通道D/A模塊完成模一數和數一模轉換；變頻器采用日本三墾公司產品，風機變頻器采用37 kW，兩臺水泵共用一臺11 kW變頻器。
3 系統軟件方案設計
空氣調節系統通常有兩種控制方案，一種是定露點控制，另一種為變風量變露點控制車間的相對濕度和溫度。定露點控制是用改變噴水溫度或新回風？昆合比控制送風露點，改變兩次加熱量控制車間溫度；此種方法應用在相對濕度控制精度要求不太高的場合，因為相對濕度的控制精度受溫度的影響，車間溫度發生變化時，露點溫度發生變化；同時，夏天，噴水室一方面要用冷水將空氣冷卻，但冷卻后空氣在送入車間前義要用加熱器加熱，這種冷熱對消，對節約能源是不利的。
變風量變露點控制由相對濕度控制和溫度控制兩個閉環組成。
(1)相對濕度的控制。通過調節送風量、噴水量和冷水量等措施使相對濕度維持在規定范圍內。冬季，空氣干燥，相對濕度較低時，首先PLC將采樣值與設定值相比較，根據偏差大小，通過PI調節器控制變頻器，增大水泵轉速，增大噴水量來提高空氣的相對濕度，如圖3所示；當頻率達到****，噴水量****時，相對濕度若仍偏低，此時需增大飽和濕空氣的送風量，進一步提高車間的相對濕度，控制框圖如圖4所示。
反之，當車間相對濕度較高時，首先減小飽和濕空氣的送風量，若濕空氣送風量達到最小，但相對濕度仍然偏高時，減小噴水量來降低相對濕度；特別在夏季或梅雨季節，空氣相對濕度很高，此時需向車間送冷凍水進行去濕，使車間相對濕度降
至要求的范圍內，如圖5所示。
(2)溫度控制。溫度調節是通過調節新回風比、一次加熱和冷凍水等措施使溫度控制在規定的范圍內。冬季，室外溫度較低時，為了充分利用車間能源，首先PLC根據采樣值與設定值的偏差值的大小，通過PI調節器控制變頻器調節新回風閥門開度，調節新回風比，增大回風量，調節車問溫度，如圖6所示；當回風量達到百分之九十（室內工作人員需要保證不少于百分之十的新風量）時，此時車間溫度若仍然較低時，開起一次加熱，調節蒸汽量，使車間溫度升高，如圖7所示。
春、秋兩季，主要是PLC通過PI調節器，調節新回風比，達到調節車間溫度的穩定；夏季，溫度較高時，需比較室、內外焓值大小，如室外焓值大于室內焓值，說明室外含熱量高于室內值，此時關閉新風，開起冷凍水降溫；如室外焓值小于室內焓值，說明室外含熱量低于室內值，此時調節新回風比，增大新風量，利用室外風冷卻，如新風量調至****，而溫度仍降不到要求，此時需采用冷凍水降溫，以達到****限度的節能，如圖8所示。上述各方框圖中．廠為變頻器的輸出頻率，“為反饋系數。
(3)含濕量和焓值計算。在溫度控制時，需比較室內、外焓值的大小，以確定控制方案。
含濕量：
式中：西——相對濕度；B-大氣壓；
對應于一定溫度下飽和空氣水蒸汽分壓力。不同溫度下的對應值，以表格形式存貯在數據寄存器中，計算時根據測量的溫度值，利用尋址的方式到對應昀數據寄存器中讀取，如果溫度不是整數，利用插入法確定對應的Pq.b的值。
焓：內含lkg干空氣的濕空氣所含的熱量。即濕空氣的含熱量等于濕空氣中干空氣的含熱量ig與水蒸氣的含熱量iq之和。
其中不同溫度下Pq.b查詢、含濕量和焓的計算分別編制三個子程序供多次調用。
(4)參數設置：包括D/A模塊和A/D模塊參數設置。D/A模塊參數設置包括：D/A模塊的識別碼沒置為2010，H1111寫入BFM#O建立四輸入通道，預設范圍設為4 -20 mA。VD模塊參數設置包括：A/D模塊的識別碼設為3020，H0000寫入BFM#0，建立四通道輸出，I/O口調整禁止。
(5) PID調節器的設計。包括一次加熱、新回風量、冷水量和飽和濕空氣送風量等PID參數設計。
式中：Kp——比例增益；KI —積分增益；KD —微分增益。
其中比例項可以改善系統的動態響應速度，積分項的作用是消除靜差，微分項有緩和輸出值激烈變化的效果。本系統只使用比例加積分環節，即PI調節器。為了提高系統的響應速度，同時又減小系統的超調量，每個PI調節器分別設置兩組參數；當設定量與反饋量偏差較大，即|e|>|e0|時，為了提高響應速度，比例增益Kp較大，積分增益K1也較大；當設定量與反饋量偏差較小，即|e|<|e0|時，此時為了減小系統超調量，Kp較小，KI也較小。這樣既能提高車間溫、濕度的控制精度，又能提高系統的響應速度，得到較好的控制效果。軟件流程圖如圖9所示。
（6）故障檢測與報警：系統能夠檢測風機故障、水泵故障、繼電保護故障，并進行相應的保護和報警。
4 系統節能分析
由電動機原理可知，異步電動機的轉速：
式中：n——電動機轉速； s——轉差率；f——電動機供電頻率。
根據流體力學的基本定律【3】可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，即：
TL=KTnL2 (4)
軸功率與轉速的三次方成正比，即：
由式(3)可知，異步電動機的轉速n與電濼頻率成正比，改變電源頻率，即可改變電動機的轉速。脈寬調制( PWM)變頻調速器可將50 Hz的交流電源進行整流處理，通過驅動電路，可在輸出端得到頻率在0 - 50 Hz之間變化的交流電源。當轉速降低，由式(4)~(5)可知，風機、泵類的轉矩和軸功率顯著減��；同時電動機在低頻運行時，為了保汪電動機具有足夠的帶負載能力，變頻調速時保持U/f= const，可見，變頻器的輸出頻率下降時，輸出電壓也下降，從而電機的輸入功率減小，電動機的工作效率升高。因此，采用變頻調速技術，PLC控制變頻器根據車間需要的流量或風量自動調節電機的轉速，實現無級平滑調速，可取得顯著的節能效果。
5運行結果
2007年12月，鹽城眾想集團安裝了一套空調自動控制系統，使用一年來取得了令人滿意的效果。為了獲得準確數據，在車間安裝一臺溫、濕度自動繪圖儀，其記錄曲線表明：車間溫度精度為±1攝氏度，相對濕度精度為百分之±3，車間溫度和相對濕度可設定；使用自控系統后，車間人員還記錄了從2007年12月8日至2008年l2月25日車間的用電量，如表1所示，從表中可知：風機節電率為百分之26. 78；水泵節電率為49 43百分之，合計節電率為百分之35，從記錄的數據來看，無論是溫、濕度控制精度，還是節能效率都取得了令人滿意的效果。
6 結 束
本文介紹了一種基于PLC變頻控制的紡織空調系統，根據室內外溫、濕度信號，自動調節送風量、噴水量、加熱量和制冷量，維持車間溫、濕度的穩定性，特別是梅雨時節，在高溫高濕情況下，仍能保持車間較高的溫、濕度穩定性，解決了紡織廠濕度大，溫度高，斷頭多，工人難于工作的困難；同時利用對風機、水泵變頻調速，達到節能降耗的目的。目前，該設備已投入市場使用，現場實際運行表明：其溫、濕度控制精度較高，節能效果顯著，自動化程度高，價格遠低于同類進口設備。該系統幣場潛力較大，經濟效率顯著，將有較好的應用前景。
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