基于負壓和溫濕度監測的定型機低碳節能控制

李繼松,徐功林,袁 霏,蔣天翔

(1.科德寶寶翎襯布(南通)有限公司,江蘇 南通 226000;2.南通職業大學 電子信息工程學院,江蘇 南通 226000)

2021年5月26日召開的碳達峰碳中和工作領導小組第一次全體會議強調,實現碳達峰、碳中和,是我國實現可持續發展、高質量發展的內在要求,也是推動構建人類命運共同體的必然選擇。圖1為2021年全球碳項目(GCP)統計的全球歷年碳排放總量數據,中國實現碳達峰、碳中和的鄭重承諾向國際社會表明了中國經濟轉型的方向和決心,這也將給中國發展帶來一系列新挑戰和新機遇。到2060年實現碳中和,為實現這一目標,中國的減排CO2速度和力度將遠超發達國家,能源轉型也必遭陣痛。加強能源效率的提升,電氣化技術等領域的突破性進展,將極大提升國家和企業核心競爭力。

圖1 全球碳排放總量

面對節能減排的要求,國內企業也在不斷提升自身設備的改進。目前根據環保要求,紡織印染行業定型機均普遍采用煙氣凈化裝置排煙,確保符合環保管控的排放標準。定型機的加熱多采用以天然氣燃燒器供給烘箱加熱方式。通常一臺定型機十節烘箱加熱,依據德國WEISHAUPT威索燃燒器手冊參數,單臺每小時最大可消耗150萬kcal熱能,同時根據實際生產能源數據記錄可換算得到每臺定型機平均每天消耗天然氣量在800～1 000 m3。

如圖2所示,正常工藝生產時,烘箱內產生的熱氣經過引風管道至煙氣凈化高壓靜電箱處理后,排出至外界環境。煙氣凈化裝置的末端安裝有一臺大功率的引風機,它負責讓煙氣管道產生一定的引風負壓。這樣在正常生產過程中,定型機烘箱內產生的煙氣才能及時沿著煙氣支路管道匯總至主風管道,最終經廢氣處理裝置排出至室外。如果操作員設置引風機的轉速過低,將導致排煙管道負壓不足,定型機內面料所蒸發的水汽不能及時排出,將造成工藝質量問題或生產效率低下。同時煙氣管道不通暢,定型機烘箱內有時會造成煙氣堵塞,導致燃燒器燃燒不充分,甚至極可能產生爆炸的風險。為了工藝安全與質量,操作人員通常會將引風機頻率設置恒定且為滿頻率。雖然這樣可以避免以上質量和安全問題,但快速的空氣流動,會將定型機內的燃燒熱量迅速抽走,增加定型機燃燒器的工作負荷,即增加整個定型機系統CO2的排放量,不利于低碳環保和節能減排。

圖2 煙氣凈化原理運行圖

1 溫濕度、負壓監測控制設計

針對以上問題,必須要找到一種控制方法能夠穩定地控制煙氣凈化的管道負壓值在合理的范圍內,既能夠有效地排除烘箱的濕熱蒸汽,又能夠保證烘箱內不結露滴水,從而最小化地消耗天然氣的用量,按需進行自動調節引風機的輸出功率,同時還能減小能耗。

如圖3所示,設計在定型機與煙氣凈化裝置連接的煙氣管道上安裝高精度的負壓傳感器。負壓傳感器量程在煙氣管道工作的壓力范圍之內-200～200 Pa,這是根據實際測量值選擇的精度范圍。負壓傳感器檢測口通過橡皮管連入主管道,另一側連入外界大氣,形成負壓差值。傳感器的工作電壓是直流24 V,可輸出電流信號范圍4～20 m A。這樣的直流信號可方便傳輸至煙氣凈化控制系統FX3u-16MR PLC擴展模塊FX3U-4AD,是專門用于模擬信號的接收單元。這樣PLC即可獲取A/D轉換后的數字量0～4 000范圍值,經過線性運算可得到實際的管道負壓值[1]。再通過PID程序算法自動調整至操作員設定的負壓值。為了進一步優化整體系統的CO2減排能力和低能耗效果,針對兩個定型機為一組煙氣凈化裝置,設計在排風機進風管道口安裝有溫濕度傳感器,用于監測定型機烘箱內的濕度和溫度,同時根據監測的濕度值驗算出結露的臨界點,采用PID的程序算法將定型機排風機的頻率調節至最佳輸出功率,從而保證烘箱的熱量高效且不浪費。

圖3 改進后的控制系統

圖4為負壓傳感器與FX3U-4AD模塊的硬件接線圖,負壓傳感器兩線制輸出電流信號,AD模塊須短接V+和I+端子形成電流信號模式。

圖4 負壓傳感器與FX3U-4AD模塊接線

為了方便員工操作控制,通信線連接三菱PLC至威倫觸摸屏,在觸摸屏中狀態控制畫面,可以顯示當前的負壓數值和引風機的頻率。為了實現穩定的負壓控制,可以人工在觸摸屏中輸入管道負壓的“目標值”,觸摸屏將該設定的目標值傳輸給PLC后,由PLC內部的PID程序演算進而控制引風機的變頻器輸出頻率。

如圖5所示,溫濕度傳感器采用探頭型WP-02,可測量溫度范圍在0～200℃,濕度范圍0%～100%相對濕度值,傳感器采用24 V電源驅動,內部接線端子上設置有485通信的AB接口,默認通信參數為19200,N,8,1,用于接入觸摸屏的COM1串口輸入信號,通過讀寫對應的地址顯示[2]。

圖5 溫濕度傳感器安裝與接線

2 軟件程序控制設計

溫濕度傳感器通信模式下,寄存器地址1為濕度值,數值范圍0～10 000對應0%～100%值,寄存器地址2為溫度值,數值范圍0～20 000對應溫度值0～200℃。數據的精度已達到0.01,且數據采集刷新時間為2 s,已足夠用于管道或烘箱的數據監測標準[3]。

如圖6所示,PLC程序中的PID算法程序可直接調用。D100寄存器為負壓目標值,D200寄存器為負壓測定值,D300寄存器為PID參數集,D350寄存器為控制輸出值。其中D300～D306需要在線同步調試輸入數值用以獲取穩定的PID曲線。D350需要線性轉換并疊加基礎值,才能得到輸出變頻器的頻率值[4]。

圖6 負壓PID控制運算程序

在FX3U-16MR內部的PID程序中,還需要設定負反饋的模式,以及設定P和I的參數。通過在線調節或觸摸屏中臨時調節該PID系統,PLC不斷接收“當前負壓值”并和“目標值”進行負反饋運算。最后可以動態給定正確的頻率值至引風機變頻器,從而達到穩定的負壓值控制。

為了實現更加精準的頻率輸出控制,如圖7所示,引風機的變頻器使用三菱F840-30k W系列。直接采用三菱通信協議模式控制變頻器的輸出頻率值,PLC端使用FX3u-485BD板直接與變頻器建立硬件通信線路。通信設置上PLC與變頻器均使用相同的波特率19 200,偶校驗,停1位7數據包。由于引風機的功率達到30 k W級別,運行前還需要將電機參數輸入變頻器進行電機調諧,以使變頻器和風機運行特性達到最佳[5]。

圖7 引風機變頻控制系統

變頻器使用參數修正如下:

PR331=1(變頻器站地址為1)

PR332=192(波特率為19200)

PR333=10(停1位8數據包)

PR334=2(偶校驗)

PR335=Pr336=9999(通訊延遲設置)

PR338=1(變頻器啟停信號使用外部端子命令)

PR339=0(變頻器頻率設定使用通訊方式)

Pr340=1(變頻器運行采用通訊控制模式)

Pr549=0(采用三菱通訊協議)

由于引風機的功率達到30 k W級別,運行前還需要將電機參數輸入變頻器進行電機調諧,以使變頻器和風機運行特性達到最佳,可通過使用三菱FR-Configurator軟件在線觀測運行數據[6]。綜上所述,通過使用高精度的負壓傳感器監測控制主排氣管道上的負壓,以及使用溫濕度傳感器安裝于定型機的排風管進風口和烘箱上,監測必要的濕度點,結合PLC的PID算法控制程序,從而達到精確有效控制定型機的排氣量,既保證了工藝質量,又保證了最低排濕量,總體上減少天然氣的耗用和大功率風機的電能耗用,實現雙贏的效果。

3 應用效果

通過管道煙氣的負壓PID系統控制調整,煙氣凈化的引風機頻率值浮動不大。當負壓設定值在-120 Pa時較為符合生產工藝要求。此時管道的實際負壓值能夠穩定并保持,不會隨定型機的運行變化而波動太大。通過多次的天然氣和電能耗用的數據收集,天然氣的耗用和用電量已經明顯下降。如圖8所示,紅色柱狀為定型機初始耗用狀態,藍色為安裝了PID負壓控制系統的耗用情況,單臺定型機的每班次天然氣耗用量能夠穩定在240 m3左右,同時引風機的電量耗用穩定在100 k W·h左右,相比于紅色的柱狀曲線已減少很多。

圖8 用電量和天然氣能源耗用數據前后對比

4 結束語

通過使用溫濕度和負壓傳感器監測的PID反饋控制引風機頻率,不僅可以有效滿足定型機的安全穩定運行要求。同時在保證生產工藝質量的前提下,還能夠從成本控制上顯著減少電能和天然氣能源的實際耗用,實現節能碳減排的目標。