涂裝車間烘房智能開關(guān)機(jī)控制淺談

鄭秋鵬，孟慶軍，王維剛（上汽通用東岳汽車有限公司，山東 煙臺 264006）

涂裝車間烘房智能開關(guān)機(jī)控制淺談

鄭秋鵬，孟慶軍，王維剛
（上汽通用東岳汽車有限公司，山東 煙臺 264006）

通過對烘房開關(guān)機(jī)步驟研究，闡述了烘房智能開關(guān)機(jī)控制方案，介紹了通過創(chuàng)新求節(jié)能的科學(xué)節(jié)能新途徑。關(guān)鍵詞：烘房；智能；控制；開關(guān)機(jī)

烘房是整車廠涂裝車間的主要工藝設(shè)備，用于給噴漆后車體進(jìn)行烘烤。烘房是涂裝車間的主要耗能設(shè)備，數(shù)量眾多的大型風(fēng)機(jī)和燃燒器消耗著巨大的電能和天然氣[1]。為減少生產(chǎn)過程中的能源消耗，深入研究烘房的開關(guān)機(jī)步驟與升溫曲線，探索出烘房智能開關(guān)機(jī)控制方式，極大的減少了烘房開關(guān)機(jī)過程中的能源消耗。

1 烘房簡介

烘房使用天然氣作為加熱源，升溫到設(shè)定溫度。當(dāng)前烘房的加熱方式主要有兩種：(1)集中加熱分段控溫。（2）分段加熱。

集中加熱分段控溫方式：使用一個大燃燒爐對烘房廢氣進(jìn)行加熱，將油漆揮發(fā)物焚燒使其潔凈化，溫度高達(dá)650℃以上；加熱后的高溫空氣通向烘房各模段，通過比例調(diào)節(jié)閥控制給各模段進(jìn)行換熱。

分段加熱方式：烘房的每個模段均使用一個小燃燒器進(jìn)行加熱，通過控制每個小燃燒器火焰的大小來控制模段的溫度，烘房內(nèi)混合油漆揮發(fā)物的氣體通過廢氣風(fēng)機(jī)排到廢氣處理裝置進(jìn)行凈化。

集中加熱分段控溫方式的優(yōu)點是耗能小，不需要額外的廢氣處理裝置；分段加熱方式的優(yōu)點是控制靈活，運行可靠性強(qiáng)，對生產(chǎn)影響小。本文所介紹的智能開關(guān)機(jī)就是針對采用分段加熱方式的烘房。

2 智能開機(jī)控制

烘房傳統(tǒng)開機(jī)步驟為：（1）廢氣風(fēng)機(jī)、新風(fēng)風(fēng)機(jī)開啟。（2）循環(huán)風(fēng)機(jī)全部開啟，進(jìn)行開機(jī)預(yù)吹掃。（3）全部小燃燒器同時開啟，烘房升溫。（4）烘房到達(dá)工藝溫度后，開啟強(qiáng)冷區(qū)，開機(jī)完成。

烘房傳統(tǒng)開機(jī)步驟存在能源浪費，具有優(yōu)化空間。開機(jī)步驟前兩步預(yù)吹掃涉及安全方面，不能更改。第三步與第四步烘房升溫與強(qiáng)冷區(qū)開啟都存在待機(jī)浪費，是優(yōu)化的方向。

升溫的優(yōu)化：通過研究烘房開機(jī)過程中的升溫曲線發(fā)現(xiàn)，烘房各模段的小燃燒器同時開啟，各模段同時開始升溫，但是達(dá)到工藝溫度的時間不同。有的模段很快就到達(dá)工藝溫度，有的則需要加熱很長時間，而且提前到溫的模段，小燃燒器還會一直加熱來維持工藝溫度（圖1）。

如何消除小燃燒器的待機(jī)浪費？經(jīng)分析，導(dǎo)致上述差異的原因主要有幾點：

（1）每個模段的初始溫度不同：烘房從關(guān)機(jī)到再次開機(jī)每個模段的散熱速率不同，長時間停產(chǎn)模段的初始溫度基本一致，大約為30℃左右；生產(chǎn)期間差異較大，烘房內(nèi)模段為90℃，新風(fēng)則只有30℃。

（2）每個小燃燒器的升溫速率不同：雖然烘房每個模段的升溫速率設(shè)定值都是0.1℃/s，但是燃燒器個體之間的差異導(dǎo)致了升溫速率的差異。

（3）目標(biāo)溫度設(shè)定值不同：根據(jù)各模段的作用和所處的位置，模段的工藝溫度設(shè)定值不盡相同；預(yù)加熱段的設(shè)定溫度普遍偏低，加熱段的設(shè)定值比保溫段要高，輻射段的設(shè)定值比對流段高，加熱一區(qū)的設(shè)定值比加熱二區(qū)的要高。

（4）烘房內(nèi)風(fēng)平衡對模段升溫速率的影響：烘房內(nèi)的風(fēng)平衡為“兩端供，中間排”，即新風(fēng)的補(bǔ)給主要是在烘房的進(jìn)出口，目的是形成氣封防止熱氣外溢和產(chǎn)生冷凝；排氣是在加熱段和保溫段之間。因此，越靠近烘房兩側(cè)的模段升溫速率受烘房內(nèi)風(fēng)平衡的影響就越大，升溫慢；而烘房中部的模段則升溫快。

圖1 烘房升溫曲線

通過對烘房各模段升溫差異的詳細(xì)分析，得到如果各模段都在同一時間到溫，那么就不存在待機(jī)浪費，需要對小燃燒器的開啟時間精確控制。

觀察升溫曲線，可看出溫度與升溫時間基本成正比關(guān)系，假定模段的當(dāng)前溫度為T，模段的目標(biāo)溫度為T0，小燃燒器的升溫速率為v，烘房內(nèi)風(fēng)風(fēng)平衡對模段升溫速率影響系數(shù)為k，由上述4個參數(shù)可計算出模段的升溫時間t，

t=k（T0- T）/ v

計算各模段的升溫時間t1，t2，t3… tn，比較得到最長升溫時間tm（1≤m≤n）。由此可得小燃燒器的延時開啟時間為tn' ,

tn' = tm- tn

通過控制各模段的小燃燒器延時tn' 啟動，可以實現(xiàn)模段同步到溫的功能。

溫度T通過安裝在模段出口的溫度傳感器可以實時監(jiān)控；T0為系統(tǒng)設(shè)定值可以獲取；v可以通過模段升溫歷史曲線計算得到；k為修正系數(shù)。

強(qiáng)冷區(qū)開啟的優(yōu)化：烘房強(qiáng)冷區(qū)的作用是給高溫車體進(jìn)行快速降溫，使車體在進(jìn)入下一個工位時不會因為溫度高而對工人操作產(chǎn)生影響。

通過計算開線第一輛車進(jìn)入烘房的運行數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)谝惠v車運行到強(qiáng)冷區(qū)前時開啟強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)，這樣可以有效的消除強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)的空轉(zhuǎn)，節(jié)約電能。

3 智能關(guān)機(jī)控制

烘房傳統(tǒng)關(guān)機(jī)是當(dāng)烘房內(nèi)最后一輛車離開烘房后烘房才進(jìn)行關(guān)機(jī)，關(guān)機(jī)步驟為：

（1）關(guān)閉小燃燒器和強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)。

（2）烘房進(jìn)行后吹掃，降溫。

（3）溫度降到設(shè)定值時各循環(huán)風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

（4）新風(fēng)風(fēng)機(jī)、廢氣風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

同樣對烘房傳統(tǒng)關(guān)機(jī)步驟進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)關(guān)機(jī)過程中也存在浪費，具有優(yōu)化空間，優(yōu)化的方向依然是小燃燒和強(qiáng)冷區(qū)。

小燃燒器優(yōu)化：最后一輛車從進(jìn)入烘房到離開烘房，期間所有燃燒器都是一直開啟的。對于第一模段而言，最后一輛車經(jīng)過后再無車輛，該模段小燃燒器空載運行時間長達(dá)35~40 min。由此可見在生產(chǎn)的最后階段烘房的小燃燒器存在空載浪費。

為了消除小燃燒器的空載浪費，可以對烘房實施分步關(guān)機(jī)：當(dāng)生產(chǎn)最后一輛車進(jìn)入烘房，系統(tǒng)會實時記錄車體位置信息，當(dāng)最后一輛車經(jīng)過第一個模段后，將該模段的小燃燒器關(guān)閉。同理最后一輛車所經(jīng)過的模段，小燃燒器都會依次關(guān)閉。當(dāng)最后一輛車離開烘房后，烘房正常關(guān)機(jī)。

通過上述優(yōu)化解決了小燃燒器空載運行浪費，對車體烘烤質(zhì)量也不會產(chǎn)生任何影響。

強(qiáng)冷區(qū)的優(yōu)化：從強(qiáng)冷區(qū)的作用來分析，強(qiáng)冷區(qū)給車體快速降溫的目的是不影響正常生產(chǎn)。最后一輛車即使離開烘房，由于已經(jīng)結(jié)束生產(chǎn)，也不會到達(dá)下一個生產(chǎn)工位，因此強(qiáng)冷風(fēng)機(jī)是可以提前關(guān)閉的。

每一條烘房的后面都有一個大的車體緩存區(qū)，用來存儲車輛，為保證連續(xù)生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用。緩存區(qū)的車體數(shù)量通過系統(tǒng)進(jìn)行記錄，用n表示。生產(chǎn)部門每天的產(chǎn)量，用N表示；生產(chǎn)工位每日的生產(chǎn)數(shù)量，用N'表示。當(dāng)生產(chǎn)即將結(jié)束時，如果緩存區(qū)的車輛足以支持到生產(chǎn)結(jié)束，即可關(guān)閉強(qiáng)冷區(qū)。提前關(guān)閉強(qiáng)冷區(qū)可以使用公式計算：N' =N-n

即，當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)量等于目標(biāo)產(chǎn)量與緩存區(qū)計數(shù)之差時，可以關(guān)閉強(qiáng)冷區(qū)，減少不必要的運行浪費。

4 效益分析

引入烘房智能開關(guān)機(jī)后，年可節(jié)約天然氣7.2萬m3，年可節(jié)約電能76萬kw.h，共可節(jié)約運行費用82萬元（表1）。

表1 節(jié)能效果分析表

5 總結(jié)

引入烘房智能開關(guān)機(jī)控制思想，極大地減少能源的浪費，節(jié)約車間運行成本[2]。智能開關(guān)機(jī)的思想在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，不僅在烘房開關(guān)機(jī)的應(yīng)用可以在國內(nèi)進(jìn)行推廣，而且還能引入到其它工藝設(shè)備的開關(guān)機(jī)中，為國家大力倡導(dǎo)的節(jié)能減排提供新思路。

[1] 陳寶歌. 轎車涂裝車間烘房現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢簡介[J]. 汽車工藝與材料，2011(10):58~62.

[2] 葉永偉, 江葉峰, 陳貴,等. 涂裝車間烘房系統(tǒng)能耗研究[J].機(jī)械制造，2010,48(2):59~62.

TQ 639.6

A

1671-0711（2016）07（下）-0077-02