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    中國汽車工業工程公司自控工程院 覃 振，羅祖憲

    ◇ 引言

    涂裝車間噴漆室空調溫濕度控制不同于一般的空調控制系統。涂裝車間噴漆室內的溫濕度要求控制精度比較高，且要求持續穩定。但是，由于噴漆室內溫度與濕度之間存在交叉耦合情況，即溫度控制會引起濕度變化，濕度控制也會引起溫度變化；并且，噴漆室空調的進風是直接采集于自然風，進風溫濕度受外界天氣的變化影響很大，不容易控制。因此，涂裝車間噴漆室的溫濕度控制是一種非線性的、滯后的、時變的復雜過程，這種系統若采用傳統的儀表控制來實現顯然是不合適的。本文根據多個涂裝車間項目中控制噴漆室空調溫濕度的經驗，提供一個噴房溫濕度控制的方法。

    ◇ 系統設計

    整個空調溫濕度控制系統主要分為三個控制段，分別為：表冷段、加熱段、噴淋段。進入表冷段的冷水量和加熱段的熱水量分別由他們各自管路上的冷、熱水閥來控制，而進入噴淋段的水噴淋量則由噴林泵來實現。其硬件如圖1所示。
  
                 

    ◇ 系統控制原理

    在介紹系統控制原理之前首先引入一個焓值的概念。焓值是一種能量的單位，代表的是一定容積量空氣中含的水分和溫度的綜合量，是空氣溫度和濕度大小的綜合衡量單位，其值的大小完全只由溫度（t）和濕度決定（k），其計算公式如下。

    （1）開式溫度計算：T=273.15+t

    （2）飽和空氣壓力計算其中：
   
               

    （3）計算飽和空氣壓力蒸汽分壓力Pq=k/100*Ps

    （4）計算含濕量d=622* Pq/(101000- Pq)

    （5）計算焓值h=1.01t+0.001d(2501+1.84t)

    也就是說，只要知道了當前的溫濕度，就能通過以上公式計算相應的焓值。

    溫濕度控制系統的被控參數是噴漆室內的溫度和濕度。溫濕度信號由安裝在噴漆室內的溫濕度傳感器檢測得出。溫濕度傳感器將檢測到的溫濕度信號輸入PLC，由此，可在PLC程序中通過電流值與溫濕度值之間的換算關系計算出當時條件下溫濕度的當前值。在程序中給PID功能模塊分別輸入KP、KI、KD參數，同時輸入溫濕度的設定值，程序中的PID功能模塊根據輸入的這些值通過運算輸出控制百分比，再由PLC上的模擬量輸出模塊將控制百分比轉換成4~20mA電流信號分別來控制相應的執行機構。將PID的輸出分成加熱、制冷和加濕信號，每個PID功能模塊分別單獨控制各自的熱水調節閥、冷水調節閥開度和加濕泵變頻器的頻率，從而實現了對噴漆室內溫濕度的控制。

    那么不妨定義一下，設定值和當前值為溫度的PID功能模塊為溫度功能模塊；設定值和當前值為濕度的PID功能模塊為濕度功能模塊；設定值和當前值為焓值的PID功能模塊為焓值功能模塊。功能模塊在PLC程序中的表現如圖2所示。

    冷水調節閥、熱水調節閥、噴淋泵變頻器都分別由哪些功能模塊來控制開度或頻率為好呢？在以往的調試過程中，人們往往是用焓值功能模塊來控制冷水調節閥的開度來除濕，用溫度功能模塊來控制熱水調節閥開度來控制溫度，用濕度功能模塊來控制噴淋泵變頻器頻率來調節噴淋量控制濕度，這個控制方案歷經了現場實際生產的考驗，證明是可行的，控制精度和穩定性都很高，并且能應付各種復雜多變的氣候。

    解決了各個功能模塊的執行機構問題，下一個要研究的就是在程序中如何控制這些元器件以應付一年四季復雜多變的天氣，在這些不同的季節條件下，外界的溫濕度差別非常大，比如炎熱的夏季，外界溫度和濕度都比較高，這種條件下需要降溫和除濕；而在寒冷的冬季溫度低、氣候干燥濕度小，這時需要加熱和增濕；但在天氣多變的春秋季，一天之內，加熱、降溫、除濕、增濕要同步進行才能保證噴漆室里的溫濕度保持高精度和高穩定性。為了解決這個問題，筆者將空調人為的設置了三種運行模式，即夏季模式、冬季模式和春秋季模式。這三種模式的切換由安裝在控制柜上的三位選擇旋鈕來人為的進行，將旋鈕打到相應的季節模式。
             
                     
                                   圖2  PID控制系統程序段  

    夏季模式：溫度高是這個季節的氣候特點，在這個模式下，用焓值功能模塊來控制冷水閥的開度，將空氣的焓值控制到設定焓值。比如，當噴漆室的溫濕度要求為溫度25℃，濕度為60％時，通過上面的公式計算出，所要求的焓值為10.041758，即焓值的設定值為10.041758，第一步首先就要通過表冷段除濕將空氣的焓值控制到這個值。第二步，用溫度功能模塊控制熱水調節閥的開度，空氣在通過第一段的表冷段后，溫度值都會低于設定值，這時就需要加熱，將溫度控制到設定值。這兩步就完成了夏季模式溫濕度的控制，當焓值和溫度都被控制到設定值后，濕度也就自然被控制到了所需要的設定值。

                  

    冬季模式：冬季溫度和濕度都比較低，需要加熱和加濕，在這種情況下分兩步控制：第一步用溫度功能模塊熱水調節閥開度，將溫度控制到設定值；第二步是用濕度功能模塊控制噴淋泵的變頻器，將濕度控制到設定值。在這里需要特別說明的是，對應PLC輸出給它4~20mA電流信號變頻器的輸出范圍應該為10~50Hz，因為當變頻器輸出低于10Hz時，噴淋泵噴出的水量太小，在空調噴淋段里無法形成水霧，起不到給空氣加濕的作用。
控制流程圖如圖4所示。

                      

    春秋模式：這是兩個氣候比較復雜，溫濕度比較難控制的季節，同一天之內，溫度和濕度的變化都很大，時而需要除濕，時而又需要加濕，時而需要升溫，時而又需要降溫。在這種模式下，最好的辦法只能是冷水、熱水、噴淋一起開，讓這三種力量在空調里混合調節，自己達到平衡。在這種模式下，用焓值功能模塊控制冷水調節閥的開度，用溫度功能模塊控制熱水調節閥的開度，用濕度功能模塊控制噴淋泵變頻器的輸出頻率。控制流程圖如圖5所示。

                      

    該控制系統在實際生產過程中經過長時間的運行表明：該控制系統超調量小，控制性能穩定，抗干擾能力強，達到了用戶的要求，溫度控制誤差在±1度，相對濕度能控制在±3%以內，更重要的是能在短時間內實現從開機到溫濕度的穩定，取得了滿意的效果，操作也比較簡便，達到噴漆室運行高效率、低成本的目的。

                 

    ◇ 結語
    涂裝車間噴漆室內的溫濕度控制采用如上控制方案，達到了操作簡便，運行高效率、低成本的目的，為項目可靠，低成本運行奠定基礎。

    摘自《自動化博覽》2010年第 八期