涂裝車間工藝供風系統精益智能控制研究

摘要：本文主要介紹汽車行業整車工廠涂裝車間工藝供風系統智能控制技術的研究與應用，通過引入先進的控制理念，實現工藝供風系統智能化、柔性化和精益化運行。文章對系統運行狀態的深入研究，提出研究目標。在方案論證和實施驗證過程中，采取理論結合實際同時實際修正理論的方法，確保研究方案最優。自主開發溫濕度智能控制功能、智能休息模式和供風加熱模式精益運行，形成一套完整的精益智能控制系統，提高設備運行效率，節約設備運行成本。

關鍵詞：涂裝車間；智能控制；精益；休息模式；加熱模式

中圖分類號：U468.2+2 文獻標識碼：A

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的涂裝車間設備標準相同，穩定運行多年，相關設備和工藝至今仍屬行業領先水平。涂裝車間對清潔度要求極為嚴格，車間內的清潔度直接影響車身表面涂裝質量。因此對于涂裝車間來說，工藝供風系統是最重要的工藝系統之一。

為了保證車間內溫度、濕度和清潔度，系統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。根據現場實際運行數據統計，工藝供風系統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和控制理念，使系統智能化、精益化運行，降低工藝供風系統能耗，一直是筆者的研究方向。

1 工藝供風系統研究

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

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。該工藝供風系統建于11 年前，系統的控制理念和方法比較傳統。能否對系統引入先進的控制理念，實現系統智能化、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

當前工藝供風系統的溫度、濕度設定值均為固定值。當外界環境變化，系統的溫濕度設定值不變，導致系統消耗過多的能源，設備運行不經濟。圖1 所示為生產日24 h 外界溫度與設定溫度曲線圖，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，系統需要使用天然氣對新風進行加熱升溫；白天外界溫度高，系統需要使用冷水對新風進行制冷降溫。外界溫度和設定溫度差距越大，調節過程中所消耗的能源越多。

2.1.2 解決方案

基于問題分析，節約能耗的核心思路是設法減小24 h 外界溫度與設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，不再進行單一設定點控制。如圖2 所示，參數設置由恒定值改進為控制區間值。這樣當外界溫濕度變化時，系統能夠根據外界變化，在設定區間內自動設定最佳設定點，動態性地對溫度進行調整。簡而言之，當外界溫度高時，在工藝許可范圍內調高系統設定值；當外界溫度低時，在工藝許可范圍內調低溫度設定值。

對于PLC 控制器編程，通過調節燃氣閥門開度、冷水盤管閥門開度和噴淋泵的運行頻率，來對控制供風單元出風口溫濕度進行控制。編程思路為：供風單元出風口溫濕度在工藝許可范圍內，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定值，確保其在工藝許可范圍內，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的消耗，節約能源。

由于每日環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，建立歷史數據統計設定值預判模型，用于溫濕度基礎設定值的設定，使系統更加智能地進行溫濕度控制。設定值預判模型的建立，使溫濕度的基礎設定值隨外界變化成為了可能。

設定值預判模型的建立思路為：系統自動記錄每次開機完成后溫濕度實際值，形成設定值的歷史數據參考；而系統下一次開機時，會通過歷史數據計算，對溫濕度基礎設定值進行修正。如圖3 所示，前5 天開機后溫度T 1、T 2、 T 3 、T 4 和T 5 分別30.0℃、25.0℃、27.0℃、23.0℃和22.0℃，則本次開機后的溫度設定值為：

T =（T 1+T 2+T 3+T 4+T 5）/5=25.4℃

將計算后的溫度值T 與最大設定值Tmax 和最小設定值Tmin進行比較，如果Tmin ＜T ＜Tma（x 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 為改進后生產日24 h 外界溫度與設定溫度曲線圖。從圖中可以看出，系統采用溫濕度智能控制后，設定溫度在工藝許可范圍內上下浮動，相應的陰影部分面積大幅度減小，系統消耗的能源大幅降低。

2.2 智能休息模式

2.2.1 問題分析

工作區供風系統開機后一直滿負荷運行，直到生產結束才關機。白班、中班生產吃飯時間均為30 min，生產吃飯時生產線長時間停線，但工作區供風系統一直滿負荷運行，存在能源浪費情況。因此，可以通過長停線時降低系統的運行負荷，達到節約能源的目的。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。工作區供風單元降頻運行，會破壞車間原有的風平衡，需要對風平衡重新規劃，保證車間內正壓。由于大部分排風機非變頻控制，又增加了風平衡調整的難度。

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

2.2.2 解決方案

首先，長停線時，系統降頻運行，通過計算各生產區域的供排風風量變化，平衡各區域供排風，重新規劃車間風平衡，最終保證車間內為正壓。需要注意的是，為了最大限度提高生產效率，車間采用生產錯時吃飯的辦法：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，重新規劃車間風平衡的難度在于，需要確保3 種模式下車間均為正壓。

其次，由于車間生產時間是根據產量制定，生產吃飯時間也根據生產時間進行相應調整。因此如何自動精確判斷生產吃飯時間與生產短休息時間的區別，這是調整的難點。因此在具體編寫程序邏輯時，引入模糊控制方法，先判斷生產吃飯時間區段，然后通過生產線運行信號和室體燈照明狀態，精確判斷生產吃飯時間。

通過上述方案建立智能休息模式，在長停線時供風系統能夠自動激活，減少能源浪費。各供風單元運行調整狀態如表2 所示。

2.2.3 試驗驗證

工作區供風系統增加休息模式，系統能夠自動識別生產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），當系統切換休息模式時，相關供、排風機自動關閉或降頻運行[4]。休息模式時，通過對車間36 個門進行測試，均為正壓。智能休息模式的運行狀態，可以通過生產現場的狀態指示燈和上位監控系統狀態顯示進行查看。模式的切換系統能夠自動切換，也可以通過現場操作按鈕和上位監控系統進行手動切換。

2.3 加熱模式精益運行

2.3.1 問題分析

工作區供風系統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生，蒸汽是由外部供應。通過對站房蒸汽換熱數據進行記錄，根據熱量計算公式（Q = cmΔt）計算出平均1 t 蒸汽產生的熱量為3 199 050 kJ，1 m3 天然氣可產生36 000 kJ 的熱量。假設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根據以上計算結果可知，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。

2.3.3 實施驗證

改進工作區供風系統的加熱模式。在硬件方面，制冷單元盤管原來的設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的掌握與研究，發現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。通過對工作區供風系統加熱模式改進，可以根據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，年可節約蒸汽1 257 t，節約用電32.3 萬度，節約天然氣5.3 萬m3，節約費用76.9 萬元；采用智能休息模式，年可節約蒸汽167 t，節約用電21.0 萬度，節約費用18.3 萬元。這2 項每年節約費用共計95.2 萬元。此外，采用加熱模式精益運行，根據實際天然氣和蒸汽單價，計算選擇低價能源，還能夠進一步節約設備運行成本（表3）。

4 結束語

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

【參考文獻】

[1] 李偉， 李曉明. 涂裝車間噴漆室工藝空調系統的設計及調試[C]// 中國汽車工程學會.2018 中國汽車工程學會年會論文集. 機械工業出版社，2018：1791-1796.

[2] 舒健， 李光. 通風系統（HVAC） 節能改進在涂裝車間的應用[J]. 汽車實用技術，2018（06）：57-59.

[3] 周增華. 汽車涂裝車間環境的清潔維護及管理模式[J]. 汽車研究與開發，2005（06）：45-46.

[4] 羅時律， 權金寶. 油漆涂裝車間廠房通風設計中的問題與措施[J]. 科學與財富，2013（4）：212-212.

[5] 趙宏偉. 涂裝車間能源降耗分析和研究[J]. 現代涂料與涂裝，2018，21（07）：45-48+59.

作者簡介：

鄭秋鵬，本科，工程師，研究方向為涂裝工藝的供風系統、烘房系統、RTO、VOC 廢氣處理系統和車間設備數字化和智能化系統開發。

李竹青，本科，工程師，研究方向為涂裝工藝的供風系統、噴漆機器人系統、干式文丘里系統和工藝設備精益生產開動率提升。

劉鵬濤，本科，工程師，研究方向為涂裝工藝的供風系統、涂膠機器人系統和輸調漆系統。