基于信息物理系統(tǒng)的環(huán)錠紡紗智能車間溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制方法

殷士勇，鮑勁松，孫學(xué)民，王佳鋮

(東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

溫濕度是影響紗線產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素之一，它與纖維的回潮率、張力等性能之間有密切的關(guān)系[1-2]，對紗線生產(chǎn)有很大影響[3]，因此，環(huán)錠紡紗線生產(chǎn)過程中各工序尤其是并條、粗紗、細(xì)紗和絡(luò)筒對生產(chǎn)環(huán)境中溫濕度的要求相當(dāng)高。

早期的紡紗廠采用自然通風(fēng)等簡單的方法調(diào)節(jié)生產(chǎn)環(huán)境的溫度，雖然一定程度改善了溫度的平衡，但效果不明顯，在這種環(huán)境下生產(chǎn)出的紗線質(zhì)量也不高。隨著紡紗廠空調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展以及自動化技術(shù)水平的不斷提高，紡紗車間溫度的自動調(diào)控技術(shù)也得到了長足發(fā)展。董桂芹[4]從控制角度出發(fā)，對空調(diào)運行節(jié)能及合理利用能源方面進(jìn)行合理優(yōu)化，實現(xiàn)對車間溫度有效精準(zhǔn)控制。王艷霞[5]提出全年溫濕度自動控制模式，并分析出不同焓值區(qū)對應(yīng)的不同溫濕度控制策略。薛永飛[6]從控制的角度研究了紡織廠空氣調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)環(huán)境內(nèi)的空氣保持一定的溫度、濕度、流動速度和清新度。李新禹等[7]為解決細(xì)紗車間能量消耗過大的問題，提出溫濕度獨立控制解決方法，不僅能滿足生產(chǎn)工藝要求, 而且節(jié)省了大約 68%的冷負(fù)荷。潘榮昌等[8]分析了新型紡織廠溫濕度自動控制系統(tǒng)的原理、功能、系統(tǒng)組成及軟硬件設(shè)計。Di等[9]為能夠準(zhǔn)確地獨立控制溫度和濕度，解決能源過度消耗的問題，引入了溫和濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)。以上方法都是從設(shè)備角度對溫度控制，沒有達(dá)對溫度的精準(zhǔn)控制，而在智能車間中溫度的控制顯得十分必要，如何精準(zhǔn)控制紡紗生產(chǎn)過程中的溫度是環(huán)錠紡紗智能車間亟需解決的問題。

進(jìn)入工業(yè)4.0時代，信息物理系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等不斷滲透到制造領(lǐng)域中。信息物理系統(tǒng)(CPS)是一個集計算、網(wǎng)絡(luò)和物理世界的復(fù)雜系統(tǒng)，通過計算技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的深度融合和協(xié)作，以數(shù)字化方式在信息世界中呈現(xiàn)物理世界，實現(xiàn)信息世界和物理世界的統(tǒng)一[10-11]。目前，CPS系統(tǒng)正逐步應(yīng)用到智能電網(wǎng)[12]、航空航天[13]、城市軌道交通[14]、汽車制造[15]、化工生產(chǎn)[16]、鋼鐵制造[17]等領(lǐng)域。本文提出基于CPS的環(huán)錠紡紗智能車間的溫度控制方法，通過對環(huán)錠紡紗溫度大數(shù)據(jù)的分析，形成對空調(diào)出風(fēng)量、加熱量等參數(shù)的實時調(diào)節(jié)策略，實現(xiàn)對溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制。

1 溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制架構(gòu)

基于CPS的概念及特征[18]，結(jié)合企業(yè)目前溫度控制現(xiàn)狀，在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，提出基于CPS的環(huán)錠紡紗智能車間溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制架構(gòu)，如圖1所示。該架構(gòu)分為4層，即為物理層、通信層、信息層和控制層。感知與紡紗溫度相關(guān)的各物理實體，通過紡紗工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將獲得的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊徏啘囟葦?shù)據(jù)平臺，再對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行智能計算，形成物理實體的鏡像，達(dá)到對空調(diào)設(shè)備出風(fēng)量和出風(fēng)方向等參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對環(huán)錠紡紗智能車間溫度的閉環(huán)精準(zhǔn)控制。

物理層主要是與溫度相關(guān)的物理實體，如墻面(包括屋頂)、窗戶、機(jī)器設(shè)備、人體、照明設(shè)備、空調(diào)、噴頭等，這些物理實體是紡紗車間溫度數(shù)據(jù)的采集點。

通信層通過部署在與溫度相關(guān)物理實體上的高性能傳感器采集各物理實體的實時溫度數(shù)據(jù)，并由紡紗工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將所有實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔拥募徏啘囟葦?shù)據(jù)平臺。

信息層有3個子層，分別是：紡紗溫度數(shù)據(jù)平臺層、智能計算層、鏡像層。紡紗溫度數(shù)據(jù)平臺層主要是接收由通信層傳輸過來的實時數(shù)據(jù)，通過過濾、清洗、映射等方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合；智能計算層主要是采用數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，形成溫度調(diào)節(jié)的領(lǐng)域知識；鏡像層是通過領(lǐng)域知識重構(gòu)來建立物理實體的數(shù)字孿生模型，將物理實體的鏡像呈現(xiàn)在信息層，以實現(xiàn)決策支持。

控制層根據(jù)與環(huán)錠紡紗溫度相關(guān)的物理實體的鏡像，調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備出風(fēng)量、出風(fēng)方向或加熱量等參數(shù)，實現(xiàn)對環(huán)錠紡紗智能車間溫度的閉環(huán)精準(zhǔn)控制。

圖1 基于CPS的環(huán)錠紡紗智能車間溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制架構(gòu)Fig.1 Architecture of temperature closed-loop precision control based on CPS for intelligent workshop of ring spinning

2 溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制方法

表1示出環(huán)錠紡紗各工藝對溫度的不同要求。根據(jù)不同的要求，需要對各智能車間的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

表1 環(huán)錠紡紗車間溫度控制范圍Tab.1 Temperature control range of each main progres workshop of ring spinning ℃

2.1 車間冷熱負(fù)荷模型

2.1.1通過墻面(或屋頂)傳入車間內(nèi)的熱量

墻面(或屋頂)因太陽輻射，會形成由室外至室內(nèi)的熱流，從而有熱量進(jìn)入室內(nèi)。由墻面(或屋頂)傳入車間內(nèi)的熱量為：

Qq=4.04×10-5KFρJ1α

式中：Qq為通過墻面(或屋頂)太陽輻射傳入車間內(nèi)的熱量，kW；K為墻面(或屋頂)傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為墻面(或屋頂)的實際傳熱面積，m2；ρ為墻面(或屋頂)表面對太陽輻射的吸熱系數(shù)；J1為當(dāng)?shù)氐奶栞椛湔斩?，W/m2，一般取中午12時水平面上的值；α為墻面(或屋頂)太陽輻射熱熱遷移系數(shù)，天窗排風(fēng)α=0.5，側(cè)墻排風(fēng)α=0.8，下排風(fēng)α=1.0。

2.1.2通過窗戶傳入車間內(nèi)的熱量

除墻體以導(dǎo)入熱量外，窗戶也可以將太陽輻射的熱量導(dǎo)入生產(chǎn)車間內(nèi)，以玻璃窗戶為例，其導(dǎo)入的熱量為：

Qc=XmXzJtS

式中：Qc為通過玻璃窗戶太陽輻射傳入車間內(nèi)的熱量，kW；Xm為窗的有效面積系數(shù)；Xz為窗的遮陽系數(shù)，一般紡紗廠不用遮陽，因此，Xz=1；Jt為透過當(dāng)?shù)氐奶栞椛湔斩?，W/m2；S為含窗框在內(nèi)的面積，m2。

2.1.3紡紗生產(chǎn)車間機(jī)器設(shè)備的散熱量

環(huán)錠紡紗智能車間機(jī)器設(shè)備的發(fā)熱量包括2部分：一部分是電機(jī)本身散發(fā)的熱量，散入車間空氣中；另一部分是變成機(jī)械能，再因機(jī)械各部件之間或部件與紗線之間的摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能散入車間空氣中。因此，機(jī)器設(shè)備的發(fā)熱量最終均轉(zhuǎn)化為空氣中的熱量，其計算公式為：

Qj=103nηNeφα

其中：Qj為機(jī)器的散熱量，W；n為機(jī)器的數(shù)量；η為安裝系數(shù)，即機(jī)器實耗功率與安裝功率之比，一般為0.7～0.9；NNe為電動機(jī)的銘牌額定功率，kW；φ為同時運轉(zhuǎn)系數(shù)，即開動機(jī)器數(shù)與全部機(jī)器數(shù)之比，φ=0.85～0.95；α為熱遷移系數(shù)，即進(jìn)入車間的熱量與中歐散熱量之比，清花車間α=0.9，細(xì)紗車間有斷頭吸棉而不用回風(fēng)α=0.92，有電動機(jī)通風(fēng)并排出室外α=0.9，其他車間均取α=1.0。

2.1.4照明設(shè)備散熱量

目前，環(huán)錠紡紗智能車間的照明設(shè)備一般使用日光燈，其能耗絕大部分變成熱量散發(fā)到車間中，其熱量計算公式為：

Qz=N1+N2

其中：Qz為照明設(shè)備的散熱量，kW；N1為日光燈的功率，kW；N2為鎮(zhèn)流器消耗的功率，kW，一般是日光燈的20%～25%，若電子鎮(zhèn)流器可以忽略不計。

2.1.5人體散熱量

在環(huán)錠紡紗智能車間里，工人要不斷散發(fā)熱量才能維持正常的體溫。工人人體散熱量與勞動強(qiáng)度和車間溫度有關(guān)，其計算公式為：

Qr=nq

式中：Qr為人體總散熱量；n為車間內(nèi)工人人數(shù)；q為每人散發(fā)的總熱量，W/人。

2.1.6夏季車間冷負(fù)荷

夏季，環(huán)錠紡紗智能車間的最大散熱量是在白天，一般不需要考慮照明設(shè)備的散熱量，所以，其冷負(fù)荷為：

Ql=Qq+Qc+Qj+Qr

對于無窗廠房而言，不需要考慮通過窗戶的導(dǎo)入的熱量，但需要考慮照明散熱量，所以，夏季車間冷負(fù)荷為：

Ql=Qq+Qz+Qj+Qr

2.1.7冬季車間熱負(fù)荷

冬季，由于車間內(nèi)溫度比室外高，所以熱量由內(nèi)向外傳出，同時冬季太陽輻射一般可以忽略，所以，冬季車間熱負(fù)荷為：

Qre=Qs-Qz-Qj-Qr

式中，Qs為冬季車間內(nèi)通過墻面(或屋頂)和窗戶傳出的熱量，W。

2.2 溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制模型

環(huán)錠紡紗生產(chǎn)過程中，智能車間室內(nèi)冷(熱)負(fù)荷是不斷變換的，如果空調(diào)系統(tǒng)在運行過程中不作相應(yīng)的調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)不到位，有可能浪費能源或者使車間內(nèi)空氣指標(biāo)嚴(yán)重影響環(huán)錠紡紗線的質(zhì)量。本文提出基于CPS的環(huán)錠紡紗智能車間溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制方法，如圖2所示。

圖2 基于CPS的環(huán)錠紡紗智能車間溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制Fig.2 Precision control of temperature closed-loop based on CPS for intelligent workshop of ring spinning

步驟1：感知物體實體的溫度，采集環(huán)錠紡紗智能車間的溫度數(shù)據(jù)；

步驟2：通過環(huán)錠紡紗工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳輸采集的溫度數(shù)據(jù)到環(huán)錠紡紗溫度大數(shù)據(jù)平臺；

步驟3：基于智能計算對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

步驟4：形成智能車間物理實體的鏡像以及車間溫度控制策略；

步驟5：由控制策略實時對出風(fēng)量、出風(fēng)方向或加熱量等參數(shù)的調(diào)節(jié)，形成環(huán)錠紡紗智能車間對溫度的精準(zhǔn)控制，再進(jìn)入步驟1。

3 案例及分析

3.1 案例描述

本文以山東某鋼結(jié)構(gòu)全封閉的智能紡紗工廠的細(xì)紗車間為例，該車間長為105 m，寬為75 m，有1 680錠細(xì)紗機(jī)30臺，單臺細(xì)紗機(jī)的額定功率為20 kW；照明采用功率為18 W、電子鎮(zhèn)流器的節(jié)能日光燈600盞；車間用工10人，工作處于中等勞動強(qiáng)度；在同一側(cè)墻面有2臺空調(diào)機(jī)。

車間內(nèi)熱量計算：

1)對于保溫性能較好的鋼結(jié)構(gòu)全封閉車間而言，通過墻面(或屋頂)和窗戶傳進(jìn)/出的熱量可以忽略不計，即Qq=Qc=0；

2)車間內(nèi)機(jī)器散熱量：Qj=103nηNNeφα=1 000×30×0.8×20×0.965×0.9=416 880 W；

3)照明設(shè)備的散熱量：Qz=N1+N2=600×18=10 800 W；

4)車間工人人體散熱量：Qr=nq=10×198 =1 980 W。

3.2 仿真效果及分析

本文選擇夏季(7月份)和冬季(1月份)對環(huán)錠紡紗智能車間的溫度控制進(jìn)行仿真，是因為在這2個季節(jié)，環(huán)錠紡紗線對溫度的要求不同，并且冬季室內(nèi)外溫差大，溫度控制控制上要復(fù)雜多。在Think station服務(wù)器，Windows 10操作系統(tǒng)，Intel(R)Xeon(R)CPU E-52603v4@1.7 GHz, 32.0G RAM環(huán)境下，通過FLUENT軟件計算，分別對的環(huán)錠紡紗智能車間的氣流、溫度進(jìn)行仿真。

3.2.1氣流場仿真結(jié)果及分析

圖3示出環(huán)錠紡紗智能車間中因溫度調(diào)節(jié)后所形成的氣流場云圖。

圖3 環(huán)錠紡紗智能車間氣流場速度云圖Fig.3 Cloud diagram of airflow field in intelligent workshop of ring spinning.(a) Summer; (b) Winter

可以看出，在氣流在風(fēng)口處形成受限射流，隨著空氣射流與車間室內(nèi)空氣不斷進(jìn)行動量與質(zhì)量交換，車間室內(nèi)的空氣不斷被卷入，又因為與更多的空氣進(jìn)行動量交換使得氣流速度不斷下降。相比夏季智能車間室內(nèi)外溫差，冬季智能車間室內(nèi)外溫差更大，所以氣流速度要快些，氣流在室內(nèi)不斷上升，在頂部氣流速度變大；但總體上來看，環(huán)錠紡智能車間能保持氣流場分布均勻，這也是智能車間內(nèi)空氣溫度保持均勻平衡的主要原因。

3.2.2溫度場仿真結(jié)果及分析

圖4示出環(huán)錠紡紗智能車間溫度場云圖。夏季，細(xì)紗車間室內(nèi)溫度比設(shè)定工的藝溫度要高，需要降低室內(nèi)溫度，而此時室外的溫度比室內(nèi)的溫度還要高，直接通風(fēng)不可行；根據(jù)室內(nèi)溫度分析，在2個風(fēng)口排進(jìn)20 ℃的冷風(fēng)對室內(nèi)溫度進(jìn)行降溫，以保證室內(nèi)溫度控制在(31±1) ℃。冬季，車間室內(nèi)溫度比設(shè)定工藝溫度要低，在2個風(fēng)口排進(jìn)31 ℃的暖風(fēng)，通過升溫以達(dá)到工藝溫度(25±1) ℃的要求。

圖4 環(huán)錠紡紗智能車間溫度場云圖Fig.4 Cloud diagram of temperature field of intelligent workshop of ring spinning.(a) Summer; (b) Winter

圖5 實測溫度數(shù)據(jù)與模擬溫度數(shù)據(jù)的對比Fig.5 Comparison between measured temperature data and simulated temperature data.(a) Summer; (b) Winter

3.3 對比分析

為精準(zhǔn)控制環(huán)錠紡紗智能車間的溫濕度，同時也為了對比模擬結(jié)果，對智能車間進(jìn)行了溫度隨時間變化的測試實驗(如圖5所示)。

通過采用多通路溫度巡檢儀，在細(xì)紗車間內(nèi)部截面上設(shè)置溫度探頭，每分鐘數(shù)據(jù)直接傳動到環(huán)錠紡紗溫度大數(shù)據(jù)平臺上，對比24 h內(nèi)的實測平均值與仿真值。

由圖 5 可以看出，環(huán)錠紡紗智能車間內(nèi)夏季溫度明顯高于冬季溫度，其實測平均溫度值和實驗?zāi)M值分別在(31±1) ℃和(25±1) ℃的范圍內(nèi)波動，同時實測值與模擬值相差，不超過±0.62 ℃，主要是由測量儀器的精準(zhǔn)度和簡化的模型引起的?？傊?，隨著時間的推移，智能車間溫度的精準(zhǔn)控制在2 ℃以內(nèi)波動。

4 結(jié) 論

本文提出基于信息物理系統(tǒng)的環(huán)錠紡紗智能車間的溫度控制方法，通過對環(huán)錠紡紗溫度大數(shù)據(jù)的分析，形成對空調(diào)出風(fēng)量、加熱量等參數(shù)的實時調(diào)節(jié)策略，實現(xiàn)溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制。首先，提出溫度閉精準(zhǔn)控制架構(gòu)，該架構(gòu)分為物理層、通信層、信息層和控制層4層；然后，建立環(huán)錠紡紗智能車間冷熱負(fù)荷模型并提出溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制策略；最后通過案例仿真所提方法在智能車間的氣流場和溫度場。由實測平均溫度值與模擬溫度值作對比，結(jié)果表明，本文所提方法可以將智能車間溫度精準(zhǔn)控制在2 ℃內(nèi)波動。

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