中國汽車工業(yè)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(diào)溫濕度控制不同于一般的空調(diào)控制系統(tǒng)。涂裝車間噴漆室內(nèi)的溫濕度要求控制精度比較高，且要求持續(xù)穩(wěn)定。但是，由于噴漆室內(nèi)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(diào)的進(jìn)風(fēng)是直接采集于自然風(fēng)，進(jìn)風(fēng)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(fù)雜過程，這種系統(tǒng)若采用傳統(tǒng)的儀表控制來實現(xiàn)顯然是不合適的。本文根據(jù)多個涂裝車間項目中控制噴漆室空調(diào)溫濕度的經(jīng)驗，提供一個噴房溫濕度控制的方法。

    ◇ 系統(tǒng)設(shè)計

    整個空調(diào)溫濕度控制系統(tǒng)主要分為三個控制段，分別為：表冷段、加熱段、噴淋段。進(jìn)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(jìn)入噴淋段的水噴淋量則由噴林泵來實現(xiàn)。其硬件如圖1所示。
  
                 

    ◇ 系統(tǒng)控制原理

    在介紹系統(tǒng)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(dāng)前的溫濕度，就能通過以上公式計算相應(yīng)的焓值。

    溫濕度控制系統(tǒng)的被控參數(shù)是噴漆室內(nèi)的溫度和濕度。溫濕度信號由安裝在噴漆室內(nèi)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(guān)系計算出當(dāng)時條件下溫濕度的當(dāng)前值。在程序中給PID功能模塊分別輸入KP、KI、KD參數(shù)，同時輸入溫濕度的設(shè)定值，程序中的PID功能模塊根據(jù)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(zhuǎn)換成4~20mA電流信號分別來控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。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(diào)節(jié)閥、冷水調(diào)節(jié)閥開度和加濕泵變頻器的頻率，從而實現(xiàn)了對噴漆室內(nèi)溫濕度的控制。

    那么不妨定義一下，設(shè)定值和當(dāng)前值為溫度的PID功能模塊為溫度功能模塊；設(shè)定值和當(dāng)前值為濕度的PID功能模塊為濕度功能模塊；設(shè)定值和當(dāng)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(xiàn)如圖2所示。

    冷水調(diào)節(jié)閥、熱水調(diào)節(jié)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(diào)試過程中，人們往往是用焓值功能模塊來控制冷水調(diào)節(jié)閥的開度來除濕，用溫度功能模塊來控制熱水調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)噴淋量控制濕度，這個控制方案歷經(jīng)了現(xiàn)場實際生產(chǎn)的考驗，證明是可行的，控制精度和穩(wěn)定性都很高，并且能應(yīng)付各種復(fù)雜多變的氣候。

    解決了各個功能模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yīng)付一年四季復(fù)雜多變的天氣，在這些不同的季節(jié)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(nèi)，加熱、降溫、除濕、增濕要同步進(jìn)行才能保證噴漆室里的溫濕度保持高精度和高穩(wěn)定性。為了解決這個問題，筆者將空調(diào)人為的設(shè)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(jìn)行，將旋鈕打到相應(yīng)的季節(jié)模式。
             
                     
                                   圖2  PID控制系統(tǒng)程序段  

    夏季模式：溫度高是這個季節(jié)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(shè)定焓值。比如，當(dāng)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(shè)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(diào)節(jié)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(shè)定值，這時就需要加熱，將溫度控制到設(shè)定值。這兩步就完成了夏季模式溫濕度的控制，當(dāng)焓值和溫度都被控制到設(shè)定值后，濕度也就自然被控制到了所需要的設(shè)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(diào)節(jié)閥開度，將溫度控制到設(shè)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(shè)定值。在這里需要特別說明的是，對應(yīng)PLC輸出給它4~20mA電流信號變頻器的輸出范圍應(yīng)該為10~50Hz，因為當(dāng)變頻器輸出低于10Hz時，噴淋泵噴出的水量太小，在空調(diào)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(fù)雜，溫濕度比較難控制的季節(jié)，同一天之內(nèi)，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(diào)里混合調(diào)節(jié)，自己達(dá)到平衡。在這種模式下，用焓值功能模塊控制冷水調(diào)節(jié)閥的開度，用溫度功能模塊控制熱水調(diào)節(jié)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(tǒng)在實際生產(chǎn)過程中經(jīng)過長時間的運行表明：該控制系統(tǒng)超調(diào)量小，控制性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)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(nèi)，更重要的是能在短時間內(nèi)實現(xiàn)從開機(jī)到溫濕度的穩(wěn)定，取得了滿意的效果，操作也比較簡便，達(dá)到噴漆室運行高效率、低成本的目的。

                 

    ◇ 結(jié)語
    涂裝車間噴漆室內(nèi)的溫濕度控制采用如上控制方案，達(dá)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(chǔ)。

    摘自《自動化博覽》2010年第 八期