（中原工學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)的有效運(yùn)行是棉紡企業(yè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，提高工人勞動條件的重要保證。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將自動控制技術(shù)引入紡織空調(diào)系統(tǒng)中是十分必要的[1]。棉紡廠空調(diào)的基本任務(wù)是保持生產(chǎn)車間內(nèi)滿足生產(chǎn)工藝要求的溫濕度，并在允許的范圍內(nèi)波動。

某棉紡廠成立于上世紀(jì)90年代，該棉紡廠空調(diào)改造系統(tǒng)中，共包含四個車間，分別為梳棉車間、粗紗車間、細(xì)紗車間和自絡(luò)車間。幾個車間共用一套壓入式空調(diào)室送風(fēng)系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)設(shè)備全部和溫濕度調(diào)節(jié)由空調(diào)操作工負(fù)責(zé)。一直依靠經(jīng)驗(yàn)來啟停噴淋水泵、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率和開關(guān)新風(fēng)調(diào)節(jié)窗，重復(fù)工作量大，且控制效果差，造成了棉紡廠溫濕度經(jīng)常不能滿足工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量較低，影響效率且能耗較高。為此，企業(yè)提出改造該空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的自由設(shè)定，滿足調(diào)節(jié)精度，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 系統(tǒng)組成與控制方案簡介

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)組成及工藝要求

根據(jù)企業(yè)要求，空調(diào)系統(tǒng)加熱部分無需改造，在每個車間及室外分別安裝一套溫濕度傳感變送器。噴淋室風(fēng)機(jī)變頻器通過人機(jī)界面進(jìn)行頻率設(shè)置、兩臺噴淋水泵、兩個新風(fēng)調(diào)節(jié)窗采用專用的數(shù)字執(zhí)行器通過PLC進(jìn)行控制。

棉紡廠要求實(shí)時采集各個車間及戶外環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)車間的綜合溫濕度，自動調(diào)節(jié)噴淋水泵的啟停、調(diào)節(jié)窗的開度。當(dāng)車間綜合濕度超出設(shè)定值時，控制兩臺噴淋水泵按照一定的規(guī)律停止。當(dāng)車間綜合溫度超過設(shè)定值時，控制兩個調(diào)節(jié)窗按照設(shè)定的動態(tài)調(diào)節(jié)開度開啟調(diào)節(jié)窗。

該空調(diào)系統(tǒng)改造不涉及回風(fēng)控制、加熱冷卻控制等，且溫濕度調(diào)節(jié)溫系統(tǒng)綜合溫濕度調(diào)整，相對簡單。但根據(jù)要求，應(yīng)在盡量降低成本的前提下，將綜合溫度控制在±2℃，綜合濕度控制在±2%RH，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的實(shí)時監(jiān)控，且兼顧設(shè)備的可靠性、安全性及操作方便。

1.2 控制總體方案

該系統(tǒng)要求具備以下功能：1）手動、自動自由選擇；2）調(diào)節(jié)窗自由選擇，開度可以手動自由調(diào)節(jié)；3）溫濕度實(shí)時采集和顯示；4）自由設(shè)定溫濕度及上下限；5）自動時，自由設(shè)定步進(jìn)開關(guān)調(diào)節(jié)窗角度等。

根據(jù)工藝和功能要求，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)控制總體方案，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體方案

該方案手動自動切換通過控制柜上的切換按鈕實(shí)現(xiàn)，在手動模式下，通過控制柜上的開關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備的手動啟動和停止。在自動模式下，所有設(shè)備控制通過PLC程序控制。PLC實(shí)時采集各個車間及室外的溫濕度，并對各數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和求平均值。并根據(jù)PLC控制算法和邏輯，控制噴淋水泵的啟動和停止，結(jié)合調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)廠區(qū)的濕度；廠區(qū)溫度控制主要通過調(diào)節(jié)窗的自動動態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。人機(jī)界面（HMI）負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和傳輸?？蛇M(jìn)行工藝參數(shù)的相應(yīng)設(shè)置，結(jié)合PLC程序?qū)崿F(xiàn)對棉紡廠內(nèi)噴淋水泵、調(diào)節(jié)窗、變頻風(fēng)機(jī)和指示燈等現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；達(dá)到調(diào)節(jié)棉紡廠空氣質(zhì)量目的。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案，本系統(tǒng)選用西門子新一代小型可編程控制器S7-200 SMART作為核心處理器。該系列CPU模塊本體標(biāo)配以太網(wǎng)接口，集成了強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信功能，普通網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，且可方便的與西門子SMART系列觸摸屏進(jìn)行通信，方便快捷，省去了專用編輯電纜。人機(jī)界面選用西門子精彩面板SMART LINE V3，該面板可以與S7-200 SMART PLC組成自動化控制與人機(jī)交互平臺，便于組態(tài)和操控。風(fēng)機(jī)采用原有富士變頻器驅(qū)動；溫濕度變送器采用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司的相應(yīng)型號，其中車間內(nèi)變送器選用防爆型。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)需要數(shù)字量輸入點(diǎn)6個，數(shù)字量輸出點(diǎn)8個，模擬量輸入點(diǎn)11個，模擬量輸出點(diǎn)3個。其中，PLC的數(shù)字量輸入點(diǎn)為手動自動切換、接觸器變頻器動作反饋等；模擬量輸入點(diǎn)為10個溫濕度信號和1個變頻器頻率輸出信號。PLC模擬量輸出點(diǎn)為2個調(diào)節(jié)窗執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度控制信號和1個變頻器頻率設(shè)定信號；數(shù)字量輸出交流接觸器、繼電器、指示燈等。主要器件清單如表1所示。

表1 主要器件清單

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的核心是溫度控制和濕度控制。系統(tǒng)通電后，PLC載入觸摸屏上一次斷電前HMI設(shè)置的溫濕度設(shè)定值、溫濕度上下限、溫度調(diào)整時間、調(diào)節(jié)窗步進(jìn)開度等數(shù)據(jù)（首次上電啟動時，載入程序編寫的默認(rèn)設(shè)定值），同時，實(shí)時采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，分別對廠區(qū)溫度和濕度進(jìn)行求平均值。利用設(shè)定值和平均值之間的偏差，采用閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)溫濕度的控制。

由于棉紡廠溫度控制為大慣性、大滯后控制系統(tǒng)，因此，用傳統(tǒng)的PID控制器難以取得令人滿意的效果，且在PID控制過程中，數(shù)字執(zhí)行器長期處于連續(xù)調(diào)節(jié)狀態(tài)，動作頻繁，故障率較高。為了提高控制精度和提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了實(shí)時監(jiān)測定時調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制算法，該算法結(jié)合邏輯控制，效果良好。

溫度控制流程圖如圖2所示。在車間溫度超過設(shè)定溫度死區(qū)上限時，驅(qū)動降溫操作。若車間溫度超過設(shè)定上限，則說明此時車間溫度急需降溫，則此時應(yīng)快速打開車間窗戶啟動降溫操作。在冬季，如果車間溫度大于室外溫度20℃，則說明室內(nèi)外溫差大，調(diào)節(jié)窗1開度初始化為40%；如果車間溫度與室外溫度差值不大于20℃，則判斷為溫差不大，調(diào)節(jié)窗1開度初始化為80%，然后進(jìn)入定時步進(jìn)開窗程序，調(diào)節(jié)窗1開度達(dá)到設(shè)定上限時，定時步進(jìn)控制調(diào)節(jié)窗2開啟。在車間溫度低于設(shè)定溫度死區(qū)下限時，驅(qū)動定時步進(jìn)關(guān)窗操作。若車間溫度低于設(shè)定下限，則說明此時車間溫度較低，則此時直接驅(qū)動兩個調(diào)節(jié)窗關(guān)閉。

圖2 溫度控制流程圖

圖3 濕度控制流程圖

濕度控制流程圖如圖3所示。其中，噴淋泵1為主噴淋水泵，功率較大；噴淋泵2為輔助噴淋水泵，功率較小。通常情況下，在車間濕度低于設(shè)定濕度死區(qū)值時，通過啟動噴淋泵2增加濕度；若濕度低于設(shè)定下限，則噴淋泵2啟動后，啟動主噴淋泵1，快速提升車間濕度。反之，當(dāng)車間濕度大于設(shè)定死區(qū)值時，通常通過關(guān)閉噴淋泵2降低濕度；若濕度超過設(shè)定下限，則噴淋泵2關(guān)閉后，關(guān)閉主噴淋泵1，快速降低車間濕度。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的人機(jī)界面采用西門子公司的WinCC flexible SMART V3進(jìn)行編輯。觸摸屏選用西門子SMART系列觸摸屏，型號為SMART1000 IE V3。觸摸屏與PLC采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。人機(jī)界面包括主畫面、操作與設(shè)定畫面、參數(shù)設(shè)定與上下限、報警畫面等組成。分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)與動畫、溫度調(diào)節(jié)時間等的設(shè)置及設(shè)備基本操作、系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置、報警記錄等功能。

圖4 系統(tǒng)主畫面

圖4所示為系統(tǒng)主畫面。將廠區(qū)各個車間的實(shí)際布局體現(xiàn)在主畫面上；顯示車間綜合實(shí)時溫濕度及設(shè)定值；實(shí)時顯示各個車間的動態(tài)溫濕度。同時，設(shè)置簡單動畫，動態(tài)描述循環(huán)風(fēng)流動。

圖5 參數(shù)設(shè)定與上下限

圖5為參數(shù)設(shè)置與上下限畫面，該畫面主要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，包括溫濕度目標(biāo)值設(shè)定、上下限設(shè)定；調(diào)節(jié)窗最大最小開度，步進(jìn)開關(guān)角度設(shè)定等。這些參數(shù)設(shè)定后，自動傳送到PLC的相應(yīng)寄存器，用于程序控制。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)某棉紡廠空調(diào)改造的工藝要求，設(shè)計(jì)了基于西門子S7-200 SMART處理器、SMART1000 IE V3觸摸屏、變頻器、溫濕度傳感器等構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)方案和軟硬件設(shè)計(jì)方法及控制算法。系統(tǒng)具有可靠性高、人機(jī)界面好，操作簡單，抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期要求。經(jīng)過幾個月的應(yīng)用，該廠車間綜合溫濕度控制滿足了企業(yè)的要求，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)控制系統(tǒng)的自動化，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了電能、降低了工人勞動強(qiáng)度。