基于溫濕度智能控制的中央空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王志杰，張永江，王宏恩

（河南中煙工業(yè)有限責任公司洛陽卷煙廠，河南洛陽 471003）

0 引言

在卷煙產(chǎn)品的加工過程中，為滿足產(chǎn)品在制煙絲含水率、煙支硬度、原輔材料儲存質(zhì)量等方面的工藝標準，對環(huán)境的溫濕度要求較高，一般要求濕度標準偏差±3%RH、溫度標準偏差±2 ℃。卷煙產(chǎn)品的加工環(huán)境溫濕度指標由中央空調(diào)系統(tǒng)控制，在溫濕度指標波動超出標準偏差時，采取增濕除濕、增溫降溫等相應(yīng)措施，對環(huán)境溫濕度指標進行調(diào)控。為保證溫濕度指標，中央空調(diào)系統(tǒng)在運行過程中消耗了大量的水、電和蒸汽等能源。

1 控制系統(tǒng)優(yōu)化

以某卷煙工業(yè)企業(yè)為例，對其中央空調(diào)系統(tǒng)控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，以提高控制精度、降低能源消耗。

1.1 現(xiàn)狀分析

目前中央空調(diào)系統(tǒng)傳統(tǒng)程序運行，溫濕度控制尚可，但是執(zhí)行機構(gòu)動作太過于頻繁。從圖1 中加濕閥開度歷史趨勢來看，從0～100%間隔時間為5 min，從100%～0 間隔約5 min，系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)總是處于頻繁震蕩中。這樣的調(diào)節(jié)結(jié)果，雖然也可以保證溫濕度達到工藝要求，但長期運行必然帶來不良后果，管道上的調(diào)節(jié)閥門處于不間斷運行狀態(tài)，給相關(guān)閥門設(shè)備極大的壓力，大大影響相關(guān)設(shè)備的使用壽命。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)歷史趨勢

1.2 構(gòu)建PID 串級控制

由于該企業(yè)空調(diào)控制服務(wù)區(qū)域面積較大，再加上表冷器、加熱器及相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)的滯后作用，因此在溫濕度控制中系統(tǒng)的純滯后及慣性較大，如果單純地以溫濕度為控制對象來構(gòu)建PID、控制各執(zhí)行機構(gòu)，則系統(tǒng)可能會因為滯后的原因引起車間溫濕度超調(diào)及震蕩，此時應(yīng)當將送風參數(shù)引入控制回路構(gòu)成副回路和主回路共同組成串級控制。由于副回路的存在，與主回路構(gòu)成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可及時校正來自送風方面的干擾，穩(wěn)定控制系統(tǒng)，從而提高控制品質(zhì)。

1.3 優(yōu)化PID 參數(shù)

由于卷煙廠車間動態(tài)的熱物理特性和不斷變化的室外氣象條件的影響，固定的一組PID 參數(shù)很難保證全年任何時間段都能將車間溫濕度控制在正常范圍，因此對溫濕度控制回路的主要參數(shù)（P、Ti和Td）也應(yīng)隨之動態(tài)調(diào)整，以防較大的超調(diào)及震蕩現(xiàn)象出現(xiàn)。在軟件中采用變PID 參數(shù)、積分分離等自適應(yīng)模糊控制技術(shù)，自動修正PI 參數(shù)及調(diào)整PID 控制規(guī)律，可保障全年任何時間車間都能夠快速到達溫濕度高精度要求。在PID 調(diào)節(jié)邏輯中，還設(shè)置了PID 輸出和設(shè)備實際執(zhí)行的內(nèi)部反饋閉鎖回路，避免由于執(zhí)行器動作速度慢于PID 計算輸出造成的系統(tǒng)超調(diào)，進一步提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

1.4 空調(diào)指標控制優(yōu)化

K3 中央空調(diào)為儲絲房提供合格的溫濕度環(huán)境，工藝要求溫度26±2 ℃、相對濕度65%RH±3%RH，目前控制系統(tǒng)響應(yīng)足夠快，工藝要求允許偏差范圍相對較寬，可以利用一部分偏差作為控制偏差，在此范圍內(nèi)規(guī)劃最優(yōu)路徑。在此引入設(shè)定域控制技術(shù)，溫度允許偏差±2 ℃，濕度允許偏差±3%RH，選定溫度控制偏差為±1 ℃，濕度控制偏差為±1.2%RH。系統(tǒng)采用動態(tài)實時焓濕圖，輔助以優(yōu)化算法、區(qū)域目標控制優(yōu)化計算模塊，使空調(diào)控制參數(shù)在滿足工藝要求的前提下在一定范圍內(nèi)浮動，能顯著降低空調(diào)的能源消耗。

1.5 表冷器溫濕分控

傳統(tǒng)空調(diào)在除濕過程中將氣流降低至露點溫度，除濕后再行加熱，造成除濕季空調(diào)機組運行內(nèi)部損耗嚴重。由于空氣中的水汽主要由新風帶入，而新風入口一般在空調(diào)的上部，新風帶入的水汽基本分布于氣流的中上層。只要對空調(diào)表冷器結(jié)構(gòu)稍作變更，將表冷器分為兩層：上層容量約為原表冷器的2/3，下層容量約為原表冷器的1/3；上層作為除濕表冷器，下層作為輔助降溫表冷器，即可在除濕工況中實現(xiàn)溫、濕分層控制，中央空調(diào)智慧節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)可以給出最優(yōu)控制路徑，實時指導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)控制方向。

2 效果分析

2.1 控制程序結(jié)果驗證

切換到新程序運行，從圖2 可看出系統(tǒng)穩(wěn)定后的歷史趨勢?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)歷2～3 個震蕩周期后，震蕩幅度逐漸減小，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運行中，工藝參數(shù)符合要求，執(zhí)行機構(gòu)（加濕閥門）運行正常。

圖2 優(yōu)化后控制系統(tǒng)震蕩趨勢圖

2.2 溫濕分控節(jié)能分析

將表冷器分為除濕表冷器和降溫表冷器，可利用回風的熱能對除濕工況的氣流加溫，有顯著的節(jié)能效果。圖3 為兩種運行方式的仿真計算結(jié)果對比。由圖3 可知，經(jīng)典方式耗能470.8 kW，溫濕分控耗能357 kW，所以節(jié)能百分比k=（470.8-357）/470.8×100%=24.2%。

圖3 經(jīng)典控制與溫濕分控的仿真計算對比

2.3 溫濕度指標調(diào)整對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

對環(huán)境溫濕度調(diào)整前后成品梗絲和煙絲質(zhì)量指標進行統(tǒng)計、對比，結(jié)果如表1所示。

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出：

表1 濕度調(diào)整前后成品梗絲和煙絲結(jié)果對比

（1）不同環(huán)境濕度控制下，各工序指標完成情況沒有明顯規(guī)律，能力指數(shù)的完成情況也變化不大。

（2）從成品梗絲和成品煙絲的結(jié)構(gòu)、填充值對比情況來看，隨著生產(chǎn)環(huán)境濕度的增加，梗絲整絲率和填充值降低趨勢，而碎絲率有增加趨勢；長河之韻和銀河之光兩牌號煙絲碎絲率有隨環(huán)境濕度增加而降低的趨勢，而兩牌號煙絲的整絲率和填充值變化趨勢相反。

隨著環(huán)境相對濕度的變化，梗絲和煙絲的結(jié)構(gòu)和填充值雖然產(chǎn)生一定的變化，但從其變化規(guī)律和變化量來看，均可認為是批次間的差異造成的，因此認為，制絲車間環(huán)境相對濕度在52.5%RH～67.5%RH 可以滿足工藝技術(shù)條件。

3 結(jié)束語

通過優(yōu)化中央空調(diào)軟件PID 算法，依托PLC 與人機交互技術(shù)，使空調(diào)機組控制最優(yōu)路徑下達執(zhí)行，同時傳遞基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給軟件系統(tǒng)進行實時分析：使空調(diào)系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，采用設(shè)定域控制，找出當前工況下最佳的節(jié)能點；采用溫濕分控技術(shù)，大大降低空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)耗；對表冷器進行溫濕分控改造，達到溫濕分控的目的。軟件和硬件的相互結(jié)合，使系統(tǒng)能夠選擇最合理、最節(jié)能的熱濕處理執(zhí)行機構(gòu)進行增溫降溫、增濕除濕等操作，對環(huán)境溫濕度指標進行調(diào)控，在保證工藝標準的前提下節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量。