結合季節條件的PLC空調自控系統在紡織企業的應用

李 斌,顏蘇芊,張軍鵬

(1.陜西省現代建筑設計研究院,陜西 西安710048；2.西安工程大學,陜西 西安710048；3.甘肅省建筑設計研究院有限公司,甘肅 蘭州730030)

紡織空調作為一種工藝空調,首要任務是滿足紡織工藝生產需要。紡織車間設備、機器發熱量大,粉塵濃度高,為了消除車間余熱,保證空氣潔凈度,紡織企業空調系統一般規模大,能耗高[1]。通常紡織企業空調系統用電占企業總用電量的25%以上[2],是除工藝耗電外的主要用電部分。因此,使用自控系統實現紡織空調精細化及自動化控制對企業節能降耗十分重要。

以鹽城某紡織廠細紗車間空調系統為例,通過分析鹽城地區全年氣象參數,得到鹽城全年空調氣象調節區,研究了不同季節模式空調對空氣處理的處理過程；研究了PLC自控系統的功能及采用步進算法實現對各設備的精細控制；分析了增設結合季節條件的PLC自控系統后系統運行的穩定性、節能效果及經濟效益。

1 鹽城空調氣象調節區

鹽城地區季風氣候明顯,隨著季風的進退,空氣相對濕度變化有很明顯的季節性,夏季室外空氣溫度高且濕度大,冬季室外空氣溫度較低,過渡季和冬季室外空氣參數早晚變化很大[3-4]。根據鹽城射陽氣象站近三年以每3小時為間隔記錄的氣象參數,在焓濕圖上標記出對應點；用圓滑曲線將焓值極值點連接起來得到鹽城地區氣象包絡線；氣象包絡線為鹽城地區空調氣象調節區。

圖1 鹽城空調氣象調節區

由圖1可知,鹽城全年氣象參數焓值在h-d圖上呈現明顯的季節性聚集,特別是夏季和過渡季界限明顯,過渡季和夏季大體以h=70.4 kJ/kg等焓線為界,冬季和過渡季大體以h=25.8 kJ/kg為界。鹽城某紡織廠細紗車間溫度、濕度控制調節范圍如表1所示:

表1 車間內溫度、濕度控制參數

結合季節條件的PLC 自控系統,根據新風溫度、濕度與車間溫度、濕度控制參數進行比較,當新風焓值h w≥70.4 kJ/kg時自控系統運行夏季模式；當h w＜25.8 kJ/kg時自控系統運行冬季模式；除此之外,自控系統運行過渡季模式。

2 不同季節空調系統調節方案

空調采用多工況分區PLC 控制,可以充分利用室內外空氣能,避免冷熱抵消,達到節能的目的[5]。

2.1 夏季調節方案

采用夏季模式時,如圖2所示:圖中1-2-3-4為車間夏季溫濕度區間,h4為最高點4 所在的等焓線,取空調區域最高點4和最低點1處等含濕量線與相對濕度95%相交于L x4和L x1點,減去擋水板過水量為0.5 g/kg,得機械露點L x4'和L x1',h x4'和h x1'分別為機械露點L x4'和L x1'所在的等焓線。

圖2 夏季調節原理

當h w≥h4時,新風和回風按照1∶9混合,由噴淋室噴冷水對空氣進行除濕降溫處理；當h x4'≤h w＜h4時,使用全新風由噴淋室噴冷水進行除濕降溫處理；當h x1'≤h w＜h x4'時,使用100%新風噴淋循環水對空氣進行等焓加濕處理。當車間外新風溫度T x1'≤T≤T x4',且相對濕度φ≥95%時,水泵關閉,車間外空氣直接由風機送入車間內。

2.2 過渡季調節方案

過渡季空調溫濕度控制區間為1-2-3-4,如圖3所示,取空調區域最高點4和最低點1處等含濕量線與相對濕度95%相交于L g4和L g1點,減過水量為0.5 g/kg,得機械露點L g4'和L g1',h g4'和h g1'分別為機械露點L g4'和L g1'所在的等焓線。

當h g1'≤h w≤h g4'時,新風窗全開由噴淋室循環水等焓加濕處理；當h w＜h g1'時,新回風窗開度由步進算法計算調節,當車間外空氣溫度由高到低變化時,新風由100%逐漸變到10%。

2.3 冬季調節方案

冬季模式運行時,冬季模式車間空調區域1-2-3-4,取空調區域最低點1 處等含濕量線與相對濕度90%相交于L1點,h1為最低點機器露點L1所在的等焓線。

圖3 過渡季調節原理

圖4 冬季調節原理

新風和回風按照1∶9混合,噴淋室噴循環水等焓加濕處理。對鹽城近三年冬季氣象參數進行分析發現,鹽城地區冬季無需對空氣預熱。

3 空調自控系統配置及功能

鹽城某紡織廠細紗車間空調系統溫濕度測點分布位置為:新風、混風、工藝回風、機器露點和車間；在噴淋室回水池設置水溫探頭；在送風機、工藝回風機、地排風機、循環水泵和冷凍水泵上加裝變頻器；在新風窗、工藝回風窗和地排風窗加裝風閥執行器。

自控系統實時采集所有溫度、濕度傳感器測量數據,每5 min在控制器PLC 內根據自控算法計算出設置值與測量值的差值,再根據差值PLC 進行計算后,發出指令到執行器來調節空調系統各設備的運行狀態及大小。自控系統人機主界面上側按鈕包括系統運行模式(過渡季、夏季、冬季),當自控系統運行哪個模式時,對應按鈕會不停閃爍。界面最下側按鈕從左到右分別為:設備狀態、數據一覽、報警信息、信息趨勢、風窗控制、電機控制、溫濕度設定和修正系數設定,點擊主界面上的各子界面按鈕即可進入各子界面。

從設備狀態模塊查看空調系統各設備的運行狀態,有運行、停止兩種,控制模式有手動、自動；數據一覽模塊可以查看各設備的實時數據,同時該模塊可以通過輸出值與返回值之差判斷自控系統各設備是否正常運行；信息趨勢模塊將空調系統各設備生成運行狀態曲線并且保留,可以判斷設備運行是否正常,車間溫、濕度是否穩定；溫濕度設定可以根據車間紡紗種類調整目標溫度和相對濕度。

4 自控系統主要設備算法

分季節PLC自控系統采用步進算法對各設備進行控制。步進算法根據傳感器測量值與設置值之差進行劃步,調節各設備運行狀態,使車間溫度值、濕度值逐步接近控制目標,這種算法能夠有效避免設備變頻器頻率和執行器開度來回跳動。該系統各個風機根據溫度偏差值進行控制；循環水泵根據相對濕度偏差值來控制；新風窗和地排風窗開度根據新風焓值和車間焓值的偏差值來控制,工藝風窗開度根據濕度偏差來控制[6-7]。各設備具體的算法如下:

4.1 風機、水泵頻率計算

式中:f(t-1)—上一時刻設備運行頻率,Hz；k i—修正系數(取值范圍0～1,初始值為0.5)；fmax、fmin—設備頻率上、下限,Hz；Smax、Smin—車間目標溫、濕度上下限；Psp、Ppv—車間目標、實測溫濕度。

4.2 風窗開度計算

4.2.1 新風窗開度調節算法

式中:k i—修正系數；h n、h mb、h w—車間實測、目標機器露點、新風溫濕度計算的焓值,kJ/kg。

4.2.2 地排風窗開度調節算法

4.2.3 工藝風窗開度調節算法

式中:O(t-1)—上一時刻工藝風窗開度。

5 空調自控系統的穩定性及經濟效益分析

對自控系統安裝一年內新風及車間日平均溫濕度進行測試,車間溫濕度波動情況見圖5。

圖5 車間內外溫、濕度變化曲線

當溫濕度傳感器需清理時,車間溫濕度偶有跳躍。其它時間車間溫濕度在規定范圍內有小范圍波動。對全年運行間隔2小時數據進行分析,如圖6和圖7所示可以看出,車間溫度誤差在±0.7 ℃以內,相對濕度誤差在±3%以內,車間溫濕度基本穩定。

圖6 溫度差累積曲線圖

圖7 濕度差累積曲線圖

安裝自控系統前后,空調各月耗電量見表2。

未安裝自控系統時,空調系統年耗電量為552 300 k W·h,安裝自控系統后年耗電469 660 k W·h,年節電量為82 640 k W·h。按照鹽城某紡織廠電價0.6元/k W·h來計算,安裝自控系統后,該空調室每年可節約電費49 584元,節能及經濟效益明顯。

表2 安裝自控系統前后空調耗電量對比

6 結論

(1)根據鹽城地區氣候特點,將空調自控系統分為夏季、過渡季和冬季3個調節區,各區域采用不同的控制模式,系統溫濕度波動小,車間溫濕度相對穩定。

(2)細紗車間空調系統自控結合鹽城地區季節條件并采用步進算法調節設備運行狀態,能夠對車間溫濕度進行精細控制。

(3)鹽城某紡織廠采用結合季節條件的PLC 自控系統后,系統穩定性提高的同時,耗電量較手動調節明顯降低,年節電82 640k W·h,若按照該廠工業用電電價0.6元/k W·h計算,安裝自控系統后每年可節電49 584元。