粘膠纖維生產(chǎn)車間中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

李惠潔 段來(lái)科

（新鄉(xiāng)化纖股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

粘膠纖維生產(chǎn)車間中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

李惠潔 段來(lái)科

（新鄉(xiāng)化纖股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于產(chǎn)品的精度要求也不斷提高，生產(chǎn)工藝對(duì)車間內(nèi)溫度、濕度、風(fēng)速、潔凈度等參數(shù)的要求更是越來(lái)越高，因此對(duì)恒溫恒濕中央空調(diào)的使用要求也就越來(lái)越高。本自控系統(tǒng)應(yīng)用以化纖紡絲車間為設(shè)計(jì)背景，針對(duì)傳統(tǒng)中央空調(diào)調(diào)節(jié)方式的局限性，選用西門(mén)子S7-200PLC和安川H100變頻器,充分利用PLC、變頻器及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)紡絲車間的恒溫、恒濕的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，為紡絲的苛刻生產(chǎn)環(huán)境及有效節(jié)能提供了有力的保證。

中央空調(diào)；PLC；模糊控制；總線；變頻器

1 前言

在粘膠生產(chǎn)企業(yè)，長(zhǎng)、短絲生產(chǎn)車間均采用全新風(fēng)送風(fēng)方式，并要求車間一年四季保持恒溫恒濕。由于空調(diào)要處理的新風(fēng)量很大，車間內(nèi)又有大量的廢氣需要排出，所以車間內(nèi)的溫濕度一直處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化之中。空調(diào)控制的目的是在這個(gè)動(dòng)態(tài)變化中找到一個(gè)平衡點(diǎn)。但是溫濕度的平衡點(diǎn)受到室外溫濕度參數(shù)變化、送排風(fēng)量變化、水和汽參數(shù)變化、操作人員操作熟練程度等諸多因素的影響。而以前本文舉例公司的空調(diào)系統(tǒng)控制方式，還處于較落后人工手動(dòng)控制狀態(tài)，空調(diào)工每2小時(shí)巡回檢查一次，根據(jù)車間的溫濕度情況對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于許多參數(shù)隨時(shí)都在發(fā)生變化，空調(diào)操作工很難及時(shí)調(diào)整，使紡絲車間內(nèi)的溫濕度指標(biāo)的穩(wěn)定性受到很大影響，同時(shí)很難保障空調(diào)系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如何把自動(dòng)化控制與集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，提高空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，彌補(bǔ)人工調(diào)節(jié)的被動(dòng)性和盲目性，這是我們開(kāi)發(fā)研制空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要目的。

2 系統(tǒng)概述

本文舉例公司紡絲空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示，紡絲車間空氣調(diào)節(jié)采用全新風(fēng)送風(fēng)方式，作用大體可分為兩個(gè)：其一、滿足紡織生產(chǎn)工藝所適合的溫度、濕度條件；其二、保證生產(chǎn)工人擁有一個(gè)良好、健康的工作環(huán)境，這兩點(diǎn)具有同等的重要性。為了保證整個(gè)車間的溫、濕度控制質(zhì)量，在空調(diào)的溫濕度控制方面采取以下方式實(shí)現(xiàn)：（1）控制系統(tǒng)的溫濕度控制具有手、自動(dòng)功能，且進(jìn)行無(wú)擾切換。（2）控制系統(tǒng)對(duì)車間溫濕度、室外環(huán)境溫濕度，進(jìn)行多點(diǎn)取樣，通過(guò)智能化分析來(lái)進(jìn)行控制。（3）控制系統(tǒng)的溫濕度控制采用串級(jí)復(fù)合控制和模糊控制相結(jié)合的控制方式，使系統(tǒng)控制具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和快速性，有較高的控制精度。（4）控制系統(tǒng)有很完善的故障診斷和自動(dòng)報(bào)警處理功能。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)帶控制點(diǎn)流程圖

另外空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的其他功能：觸摸屏畫(huà)面數(shù)據(jù)顯示功能及溫濕度曲線記錄功能；在線對(duì)空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定功能；蒸汽量、用水量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能；設(shè)備開(kāi)停狀態(tài)遠(yuǎn)程顯示；具有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。

3 系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)的當(dāng)期設(shè)計(jì)內(nèi)容包含13個(gè)空調(diào)操作箱分站和2個(gè)上位機(jī)操作員站。其中空調(diào)操作箱分站采用西門(mén)子S7-200系列PLC為控制單元，并配置西門(mén)子smart line系列觸摸屏實(shí)現(xiàn)本地操作；上位機(jī)操作員站采用西門(mén)子WINCC組態(tài)軟件，根據(jù)系統(tǒng)要求，擔(dān)當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的集中控制中心的作用。S7-200分站配DP通訊模塊，上位機(jī)配置西門(mén)子5611DP通訊卡，使新增部分與老系統(tǒng)共同組成整個(gè)空調(diào)控制系統(tǒng)，由原有S7-300 PLC作為DP主站，S7-200 PLC及上位機(jī)操作員站為DP從站，通過(guò)PROFIBUS總線通訊方式組成一個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的集中控制。

在本系統(tǒng)中，下位機(jī)PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備連接，這些設(shè)備包括傳感檢測(cè)元件、電磁閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，在現(xiàn)場(chǎng)可以進(jìn)行系統(tǒng)控制、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示。上位機(jī)采用工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)與打印機(jī)，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和打印，它包含下位機(jī)的所有功能。所有受控對(duì)象的狀態(tài)及控制信號(hào)均在集中控制室實(shí)現(xiàn)。為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，系統(tǒng)使用正版的STEP7 V5.3以上版本和WINCC V6.0以上版本的組態(tài)軟件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 操作員站

操作員站上位機(jī)采用WINCC軟件系統(tǒng)，對(duì)本系統(tǒng)內(nèi)的所有空調(diào)控制箱進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，保持系統(tǒng)完整性。根據(jù)操作要求，制作監(jiān)控畫(huà)面，具備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視、工藝參數(shù)監(jiān)視、重要工藝參數(shù)歷史記錄、操作歷史記錄、故障歷史記錄、參數(shù)越限報(bào)警、報(bào)警匯總表、工藝報(bào)表、密碼保護(hù)等功能，畫(huà)面生動(dòng)形象，可以使用戶方便地啟停各個(gè)控制設(shè)備；能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各個(gè)分站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，顯示控制設(shè)備的溫度、壓力以及運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)曲線，便于對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，使用戶對(duì)設(shè)備情況有一個(gè)清晰的了解；并對(duì)近一個(gè)月的運(yùn)行、操作以及故障歷史記錄情況進(jìn)行保存，方便用戶對(duì)以往的運(yùn)行狀況進(jìn)行跟蹤，；監(jiān)控系統(tǒng)可以和打印設(shè)備連接，便于數(shù)據(jù)的打印，并且可以根據(jù)要求設(shè)定自動(dòng)定時(shí)打印。

3.2 空調(diào)操作箱S7-200從站

3.2 .1 硬件部分

控制箱采用S7-200PLC+Smart1000觸摸屏方式。CPU采用西門(mén)子S7-200系列224XP CPU模塊，并按照不同分站的點(diǎn)數(shù)要求配置I/O模塊，且I/O點(diǎn)數(shù)配置余量≥20%。PLC還配置有DP通訊模塊EM277，使200的PLC作為從站掛接到PROFIBUS DP總線上。采用西門(mén)子直流電源供電，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

操作箱的本地操作由安裝在柜門(mén)上的西門(mén)子Smart1000觸摸屏完成，觸摸屏連接到S7-200 CPU的通訊口上。操作箱對(duì)外部模擬信號(hào)的采集需經(jīng)由信號(hào)隔離器進(jìn)行隔離，主要模擬信號(hào)包括：變頻反饋0-10V、其他4-20mA等。數(shù)字量信號(hào)均為DC24V信號(hào)。

3.2 .2 軟件部分

空調(diào)控制箱的軟件設(shè)計(jì)包含PLC程序和觸摸屏組態(tài)兩部分，軟件設(shè)計(jì)保證達(dá)到溫、濕度的設(shè)計(jì)參數(shù)。控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的模糊控制方式，利用現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集設(shè)備對(duì)受控對(duì)象的過(guò)程值取樣并與設(shè)定參數(shù)比較，經(jīng)過(guò)模糊PID運(yùn)算得到控制輸出量，經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)由反饋值檢驗(yàn)控制結(jié)果并自動(dòng)調(diào)整控制器的輸出，實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象的穩(wěn)態(tài)。同時(shí)系統(tǒng)配置時(shí)間通道控制，根據(jù)季節(jié)和機(jī)器運(yùn)行情況，自控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置冬夏轉(zhuǎn)換工況以及過(guò)渡季工況。根據(jù)季節(jié)不同設(shè)置不同的運(yùn)行工藝，使系統(tǒng)在季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)能自動(dòng)做出調(diào)整。

控制系統(tǒng)配置靈活的手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能及集控/就地轉(zhuǎn)換功能。對(duì)變頻器的控制設(shè)置三檔功能，自動(dòng)/手動(dòng)/禁止。禁止時(shí)，變頻器不受任何設(shè)備控制；手動(dòng)時(shí)，只受觸摸屏操作控制；自動(dòng)時(shí)，由PLC系統(tǒng)自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)閥的控制設(shè)置兩檔功能，自動(dòng)/手動(dòng)。手動(dòng)時(shí)，只受觸摸屏操作控制；自動(dòng)時(shí)，由PLC系統(tǒng)自動(dòng)控制。

操作箱的本地操作均由柜面觸摸屏操作，可根據(jù)使用單位習(xí)慣制作適合的監(jiān)視及操作畫(huà)面，具備工藝參數(shù)監(jiān)視、參數(shù)修改、操作記錄、報(bào)警記錄、密碼保護(hù)等功能。頁(yè)面均為中文頁(yè)面，方便用戶使用。

系統(tǒng)的報(bào)警設(shè)置除配有聲光報(bào)警器外，還可以在觸摸屏顯示中文報(bào)警信息，當(dāng)工藝參數(shù)超限后，可以起到警示功能并引導(dǎo)用戶找出報(bào)警原因，還可以對(duì)報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)或延時(shí)接觸以及聲光實(shí)驗(yàn)功能。

3.3 網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)采用PROFIBUS DP總線網(wǎng)絡(luò)，其傳輸率為9.6K-12Mbit/s，主站S7-300 CPU支持從站個(gè)數(shù)為32個(gè)，符合系統(tǒng)要求。PROFIBUS的特別之處在于其高度的數(shù)據(jù)安全性：工業(yè)級(jí)屏蔽雙絞線，光纖電纜，紅外傳輸及無(wú)線通訊方式；高度的靈活性：系統(tǒng)提供各種接口滿足不同的需求，支持總線型、星型、環(huán)形等各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通過(guò)光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)方案

圖3 空調(diào)系統(tǒng)溫度控制方案框圖

為了適應(yīng)化纖產(chǎn)品愈來(lái)愈高的質(zhì)量要求，車間溫濕度調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)一定要采用新技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、現(xiàn)代化、智能化，所以我們?cè)谲囬g溫度控制方面采用了串級(jí)模糊PID控制的方法，如圖3。下面以溫度檢測(cè)與控制為例來(lái)具體進(jìn)行說(shuō)明。

模糊PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可控式PID系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，其原理如圖4所示。參數(shù)可控式PID控制器完成對(duì)系統(tǒng)的直接控制，模糊控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)PID3個(gè)控制參數(shù)（Kp、Ki及Kd）的在線自動(dòng)修正。4.2PID參數(shù)調(diào)整規(guī)則

圖4 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字式PID控制器一般用以下函數(shù)表示：

式中：e（k）為系統(tǒng)誤差，ec（k）為系統(tǒng)誤差變化量；Kp為比例作用系數(shù)，影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和精度；Ki為積分作用系數(shù)，影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度；Kd為微分作用系數(shù)，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。通常情況下，針對(duì)不同的e和ec，KP，Ki和Kd的選擇遵循以下原則：

（1）當(dāng)|e|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，KP與Ki均應(yīng)取得大些；同時(shí)，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩,|ec|較大時(shí)，Kd取較小值；|ec|較小時(shí)，Kd取值則較大。

（2）當(dāng)|e|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kd應(yīng)取較小值；同時(shí)Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，也應(yīng)取較小值。

（3）當(dāng)|e|較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)取較小的Kd與較大的Kd。同時(shí)，為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大超調(diào)，應(yīng)限制積分作用，通常取Ki=0。

5 -羥色胺和 5-HIAA 均為內(nèi)源性物質(zhì)，難以獲得不含 5-羥色胺和 5-HIAA 的空白腦脊液，因此在方法學(xué)驗(yàn)證和制備隨行標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，必須將大鼠空白腦脊液中待測(cè)物的峰面積作為本底扣除，以排除內(nèi)源性物質(zhì)的干擾。不同大鼠腦脊液中待測(cè)物濃度可能不同，將多只大鼠腦脊液均勻混合作為空白腦脊液，能避免個(gè)體差異對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。本文中的大鼠腦脊液均為同一時(shí)間段采集，可以忽略節(jié)律對(duì)待測(cè)物濃度的影響。

模糊PID控制器的本質(zhì)就在于通過(guò)模糊推理，根據(jù)不同的e和ec，在線實(shí)時(shí)修訂3個(gè)PID作用系數(shù)，即可制定出ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊控制規(guī)則。

4.3 試驗(yàn)仿真結(jié)果

根據(jù)大量的理論依據(jù)和實(shí)踐，得出實(shí)際系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型，通過(guò)在PC機(jī)上編程分別得出常規(guī)PID和模糊PID系統(tǒng)曲線圖，如圖5（a）和（b）所示。

圖5 溫度曲線圖

從圖中看出模糊PID溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)于溫室溫度的變化調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)，顯示了很好的控制效果。具體表現(xiàn)為變頻器的頻率上升和下降更為平穩(wěn)，基本沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)采用傳統(tǒng)PID時(shí)頻率的跳躍式上升和下降情況。

5 方案實(shí)施效果

此套自控系統(tǒng)投入使用后，在節(jié)約能源、穩(wěn)定溫濕度指標(biāo)、降低操作工勞動(dòng)等方面都大有好處。

5.1 節(jié)約能源方面

車間溫度指標(biāo)要求為26-28±2℃，相對(duì)濕度指標(biāo)要求為67±3%。這樣溫度有4℃波動(dòng)范圍，相對(duì)濕度有6%的波動(dòng)范圍，也就是說(shuō)溫度高4℃或低4℃，相對(duì)濕度高6%或低6%均滿足指標(biāo)要求，但是在這全部滿足指標(biāo)要求，但是在這全新風(fēng)大風(fēng)量的空調(diào)系統(tǒng)控制溫度每高1℃或低1℃節(jié)省能量就相當(dāng)可觀，更何況是4℃。所以通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)溫濕度控制參數(shù)的設(shè)定，使溫濕度指標(biāo)始終保持在某個(gè)合理范圍內(nèi)波動(dòng)，既能保證溫濕度指標(biāo)均衡穩(wěn)定，又能節(jié)省大量的冷能或熱能。

（1）由于本套自控系統(tǒng)不支持空調(diào)系統(tǒng)既加熱同時(shí)又降溫的操作，這就徹底杜絕了在過(guò)渡季節(jié)，人工手動(dòng)操作經(jīng)常的出現(xiàn)前面開(kāi)著加熱器升溫，后面開(kāi)著冷水降溫的不合理現(xiàn)象，減少了冷熱能的相互抵消。

（2）由于自控系統(tǒng)高精度的溫濕度控制，避免了原手動(dòng)操作時(shí)，受操作工熟練程度、室外空氣參數(shù)變化、水、汽參數(shù)變化等因素影響造成溫濕度指標(biāo)忽高忽低，從而節(jié)約了大量能源。

（3）原手動(dòng)控制為穩(wěn)定濕度，一年四季都開(kāi)噴淋泵，現(xiàn)在噴淋泵僅在夏季降溫時(shí)用，可節(jié)約噴淋泵所用電能和所造成熱能損耗。

5.2 穩(wěn)定溫濕度指標(biāo)

該控制系統(tǒng)對(duì)車間內(nèi)溫濕度、風(fēng)道內(nèi)溫濕度、室外環(huán)境溫濕度進(jìn)行多點(diǎn)取樣、綜合進(jìn)行智能化分析，然后指令執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)還具有對(duì)水汽壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)壓力變化由控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓δ堋＿@樣就杜絕或減小了人為因素或其他不確定因素對(duì)溫濕度指標(biāo)的影響，確保了溫濕度指標(biāo)的穩(wěn)定，溫度精度達(dá)到±0.5℃，相對(duì)濕度精度達(dá)到±1-2%。

5.3 降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度

由于車間溫濕度均由自控系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)參數(shù)的變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使操作工免去了上下跑著看溫濕度指標(biāo)、調(diào)閥門(mén)的繁鎖勞動(dòng)，讓操作工有充分時(shí)間巡回設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備事故隱患，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

空調(diào)自動(dòng)系統(tǒng)2011年12月在氨綸空調(diào)安裝投入使用后，車間內(nèi)溫濕度指標(biāo)得到了很好控制。經(jīng)過(guò)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)使用前后車間溫濕度數(shù)據(jù)的對(duì)比分析可看出：同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度在一天內(nèi)高溫與低溫的差值,自控前為2.5℃，自控后為0.5℃；相對(duì)濕度在自控后高值與低值差值僅為1.5%。如此高的溫濕度控制精度顯示出該控制系統(tǒng)是一個(gè)功能較強(qiáng)、性能較好、高可靠性的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

總之，從該自動(dòng)控制系統(tǒng)在集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用效果看，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，解決了原人工手動(dòng)操作中的浪費(fèi)能源多、溫濕度指標(biāo)波動(dòng)大的問(wèn)題。但是也有一些不足之處，需在今后使用中逐步加以完善。

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[4]王振宇,成立.基于模糊控制的溫室調(diào)節(jié)裝置的研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版,2006.

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［6］Siemens，Wincc通訊手冊(cè)，1999.9.

［7］Siemens，S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè)，2005.8.

TQ341

A

1003-5168(2014)03-0099-03

李惠潔（1960.11—），女，工程師，研究方向：電氣儀表及自動(dòng)化控制。