分季节PLC步进算法节能自控系统的应用

张军鹏 颜苏芊 张 风 周步军

(1.西安工程大学，陕西西安，710600；2.江苏东华纺织有限公司，江苏盐城，224751)

随着能源短缺和环境问题日益严重，纺织厂作为工艺性厂房是能耗较大的行业，纺织厂空调系统用电量占整个纺织企业用电量的25%以上[1]，实现纺织空调系统精确自动化控制，对空调系统乃至整个企业的节能是很有必要的。但是纺织车间温湿度控制有其特殊要求：一是空调系统要用一定量的新风，所以空调系统受新风影响很大；二是车间生产过程中温湿度稳定性要求高，不允许因自控系统控制精度不够而对车间温湿度产生扰动现象；三是车间之间温湿度存在交叉耦合性，对于精确自动控制有一定的难度[2-4]。在满足生产要求的前提下，实现空调系统节能自控已经成为目前的研究热点。本文提出了一种分季节PLC步进算法节能自控系统(以下简称分季节步进算法自控系统)，对车间温湿度进行独立控制，系统根据车间内外空气参数变化，快速调节空调系统设备频率和开度，最大限度节省空调系统用电量。

1 分季节步进算法自控系统调节

1.1 车间内外空调温湿度控制参数

本系统在盐城某纺织车间安装运行，根据盐城近两年的气象参数，计算统计得到夏季车间外焓值最高点Wxz，其干球温度33.2℃，相对湿度86%；冬季车间外焓值最低点Wdz，其干球温度-4.9 ℃，相对湿度62%。车间内温湿度控制范围与空调系统能耗紧密相关，根据相关规范和车间历年运行参数，在夏季、过渡季和冬季三种模式下温湿度调节范围见表1。

表1车间内空调温湿度控制参数

季节模式温度/℃相对湿度/% 夏季模式 过渡季模式冬季模式 33～3532～3432～3455～5852～5450～52

1.2 分季节调节过程

纺织厂全年都采用共同的空气调节设备，但是冬季车间外空气干燥且温度较低[5]，车间外空气焓值都低于车间内空气焓值,在采用10%新风混合后需由空调室等焓加湿处理；夏季车间外空气焓值大多时候高于车间内空气焓值，在采用20%新风混合后需由空调室除湿降温处理；过渡季节车间外早晚温湿度波动幅度很大，空调系统中,新回风窗开启需由步进算法确定开启度的大小，混合空气需由空调室等焓加湿处理。对不同的车间内、外空气状态，空调系统调节方式不尽相同，在确保车间生产的前提下，本自控系统按季节将空调系统进行分区控制，最大限度地节约能源。

1.2.1 夏季模式调节过程

夏季模式分区调节原理如图1所示。通过设定的车间温湿度上下限，得到夏季车间空调区域1-2-3-4，h4为最高点4所在的等焓线，取空调区域最高点4和最低点1处等含湿量线与相对湿度95%相交于Lx4和Lx1点，取过水量为0.5 g/kg，得机械露点Lx4′和Lx1′,hx4′和hx1′分别为机械露点Lx4′和Lx1′所在的等焓线。夏季模式温湿度分区调节方案见表2。当hw≥h4(如Wxz)时，车间外新风和车间回风按照2∶8混合，由喷淋室冷冻水除湿降温处理；当hx4′≤hw

图1 夏季模式分区调节原理图

表2夏季模式温湿度分区调节方案

h-d分区边界条件新风使用量/%回风使用量/%冷水泵循环泵123hw≥h4hx4′≤hw

图2 夏季模式自控流程图

1.2.2 过渡季模式调节过程

过渡季模式分区调节原理如图3所示。1-2-3-4过渡季车间空调区域，取空调区域最高点4和最低点1处等含湿量线与相对湿度95%相交于Lg4和Lg1点，取过水量为0.5 g/kg，得机械露点Lg4′和Lg1′,hg4′和hg1′分别为机械露点Lg4′和Lg1′所在的等焓线。过渡季模式温湿度分区调节方案见表3，对盐城近两年气象参数统计，过渡季模式不存在hw>hg4′的情况，当hg1′≤hw≤hg4′时，取100%新风由喷淋室循环水等焓加湿处理；当hw

图3 过渡季模式分区调节原理图

表3过渡季模式温、湿度分区调节方案

h-d分区边界条件新风使用量/%回风使用量/%循环泵12hg1′≤hw≤hg4′hw

图4 过渡季模式自控流程图

1.2.3 冬季模式调节过程

冬季模式分区调节原理如图5所示。1-2-3-4为冬季车间空调区域，h1为最低点机器露点L1所在的等焓线。冬季模式温湿度分区调节方案见表4，当hw≥h1时，取100%新风由喷淋室循环水等焓加湿处理；当hw

图5 冬季模式分区调节原理图

表4冬季温湿度分区调节方案

h-d分区边界条件新风使用量/%回风使用量/%循环泵12hw≥h1hw

图6 冬季模式自控流程图

2 分季节步进算法自控系统设计

2.1 系统硬件设计

硬件部分由DVP60ES200R型台达PLC可编辑控制器、DOP-B07S4型触摸屏、空气参数检测装置和空调系统执行装置4部分组成。空气参数检测装置实时监测车间内外温湿度、露点温湿度、工艺排风温湿度和喷淋室回水池温度，实时检测数据由总线传输至PLC根据内置算法进行运算，控制空调系统执行装置改变风窗的开度、调节风机和水泵的频率，最终通过节能算法将车间温湿度稳定在设定范围内。

2.2 自控系统步进算法

因为车间温湿度之间存在耦合性，本系统采用PLC步进算法将车间温湿度进行独立控制，以达到对车间温湿度实时精确调节。本系统软件内部设置焓值计算和参数修改等模块，在触摸屏上设置车间温湿度设定界面、空调系统各设备实时参数界面、修正参数界面等，操作人员可以实时观察和修改空调系统参数。

该系统采用PLC步进算法，在不损失控制计算精度的情况下，提高了系统的计算速度和空调系统的响应时间，根据车间内外温湿度变化率对空调系统各设备进行智能控制，PLC步进算法见公式(1)。

(1)

式中：Ft为PLC输出值；F(t-1)为PLC上一时刻输出值；Ki为修正系数(取值范围0～1，初始值为0.5)；Fmax为设备频率(开度)最大值；Fmin为设备频率(开度)最小值；Pmax为车间空气参数设定上限；Pmin为车间空气参数设定下限；Pmv为车间空气参数实测值；Pobj为车间空气参数控制目标值。

2.2.1 车间新回风比例调节

新风的引入对空调系统的能耗影响较大[6]。空调系统中新回风比例变化对车间温湿度和车间压力都有很大影响。新回风比例根据车间外空气焓值所在区域进行响应的调节。3种模式都对新风窗采用PLC步进算法进行控制，由于车间焓值差和新回风比例呈正相关，计算值取正,F表示新风窗开度，P表示空气焓值。

为了保持车间微正压即保证车间总风量基本保持不变，地排风窗和新风窗联动控制，控制算法见公式(2)。

Od=100%-Qx

(2)

式中：Od为地排风窗开度；Ox为新风窗开度。

2.2.2 工艺风窗开度调节

经过对历年车间空调系统运行数据和已安装自控系统的纺织空调系统运行情况进行分析发现，空调室工艺回风使用量决定着空调喷淋室对空气的加湿效果。在夏季模式时，工艺回风窗全关，工艺回风全部外排。在冬季和过渡季模式运行时，工艺风窗开度与车间实时相对湿度和设定目标相对湿度之差呈正相关，对工艺风窗采用PLC步进算法(1)进行控制时计算值取正，F表示工艺风窗开度，P表示相对湿度。

2.2.3 车间相对湿度控制

空调系统中水泵频率与车间相对湿度呈正相关[7]，3种模式都对循环水泵采用PLC步进算法进行控制。其中在夏季模式时，当循环水泵频率达到上限时，车间温湿度探头检测到车间湿度还是没有达到车间设定湿度下限时，PLC会发出命令到冷冻水泵变频器开启冷冻水泵，冷冻水泵运行一段时间后，经车间温湿度探头检测车间湿度超过车间设定湿度上限时，PLC会发出命令到冷冻水泵变频器关闭冷冻水泵。

2.2.4 车间温度控制

纺织空调系统中风机频率与车间温度呈负相关性,3种模式都对送风机采用PLC步进算法进行控制，由于系统在稳定运行时，车间要处于微正压状态，所以地排风机和送风机联动控制，控制算法见公式(3)。

Fd=Fs+ΔF

(3)

式中：Fd为地排风机频率(Hz)；Fs为同时刻送风机频率(Hz)；ΔF为地排风机与送风机频率差(Hz)。

为了调节车间内正压,将地排风机与送风机频率差换算成正压调节系数β，见公式(4)。其中20为风机频率最大值与最小值之差。当车间处于负压时将β值调大，当车间正压大时将β值调小，β在0到100%之间取值。

(4)

3 分季节步进算法自控系统运行情况

通过一年多的运行，本系统实现了车间温湿度的实时精确调节，特别是当车间外温湿度变化幅度很大时，系统能够快速调节空调系统设备频率和开度，使车间温湿度保持稳定。

3.1 车间温湿度调节过程

车间实时温度为33.7 ℃，高于设定温度33 ℃，如图7所示。此时车间温湿度探头将采集到的信号传输到PLC，PLC经过计算后发出命令到送风机变频器、地排风机变频器、新风窗执行器和地排风窗执行器，送风机和地排风机频率增大、新风窗开度增大、地排风窗开度减小，系统等待5 min后，PLC系统根据实时计算值进行判断，如果车间实时温度还是高于车间设定温度，PLC系统会再一次发出命令到送风机变频器、地排风机变频器、新风窗执行器和地排风窗执行器，进行同样的动作直至车间实时温度等于设定温度。反之则送风机和地排风机频率减小、新风窗开度减小、地排风窗开度增大。

图7 车间温度高于设定温度界面

车间实时相对湿度为53.9%，高于设定相对湿度51%,如图8所示。此时车间温湿度探头采集到的信号传输到PLC,PLC经过计算后发出命令到循环水泵变频器、新风窗执行器、地排风窗执行器和工艺回风窗执行器，循环水泵频率减小、新风窗开度增大、地排风窗开度增大、工艺风窗开度减小，系统等待5 min后，PLC系统根据实时计算值进行判断，如果车间实时相对湿度还是高于车间设定相对湿度，PLC系统会再一次发出命令到循环水泵变频器、新风窗执行器、地排风窗执行器和工艺回风窗执行器，进行同样的动作直至车间实时相对湿度等于设定相对湿度。反之则循环水泵频率增大、新风窗开度减小、地排风窗开度减小、工艺风窗开度增大。

图8 车间相对湿度高于设定相对湿度界面

3.2 车间内外温湿度变化曲线

在冬季车间外温湿度早晚变化幅度大，车间温湿度受新风扰动大，在冬季模式车间目标温度为33 ℃，目标相对湿度为51%。如图9和图10所示，取冬季1月每天7点左右车间温湿度数据进行分析，从图中可以看出系统对车间温湿度控制稳定，车间温湿度稳定在设定值附近，并且调节十分迅速。分析现有运行数据，车间相对湿度误差在3个百分点以内、温度误差在±0.7 ℃以内。

图9 车间内外温度变化图

图10 车间内外相对湿度变化图

3.3 系统运行节能效果分析

自本系统在盐城某纺织车间安装运行以来，系统运行稳定，节能效果明显。本系统能够实时精确地调节车间温湿度，空调系统中风机和水泵频率能够及时调节，使风机和水泵运行频率在合理范围运行，最大限度节约电量，见表5。取2019年1月、2月和3月用电量和2018年同期用电量进行比较，平均节电率为8.21%，随着系统不断优化调节，本系统的节电效果会更加明显。

表5空调自控系统节电统计表

月份用电量/kW·h2018年 2019年节电率/%1月2月3月35 62030 52038 13033 43826 34235 9286.1213.695.77

4 结束语

(1)本文提出的分季节PLC步进算法节能自控系统，能够精确调节纺织车间温湿度，且可以满足生产要求。

(2)本系统将全年工况按照季节分别控制，将夏季模式分为三个区域进行调节，考虑到夏季连续阴雨天，车间外空气温度低、相对湿度大，车间外空气可以不经过空调室处理直接送入车间使用，利于节能；在冬季和过渡季节都为两个区域进行调节，当车间外空气焓值小于车间空气焓值时，新回风比例采用新回风步进算法调节。

(3)采用分季节PLC步进算法对纺织空调系统进行调节，做到了对车间温湿度实时精确控制，通过运行数据分析，空调系统稳定运行时车间相对湿度误差控制在3个百分点以内、温度误差控制在±0.7 ℃以内。通过与去年空调系统耗电量相比，本系统在2019年前3个月节电率为8.21%。