（电气工程专业论文）南纤丝束大楼空调自动控制系统设计.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i ti st e s t i f i e dt h a tt h eq u a l i t yo ft o wp r o d u c ti s a f f e c t e db ya l l a i r - c o n d i t i o n e ri nt h ew o r k s h o pa t m o s p h e r eo b v i o u s l y i no r d e rt oi m p r o v i n ga n a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo fa i rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys t a b i l i t yf o rc o v e t i n g e a c ha r e ai nt h ep r o d u c t i o nb u i l d i n g ，t h i si so l i rc o n s c i o u sr e q u i r e m e n tt om a i n t a i nt h e e n t e r p r i s e 丛“b eal e a d i n gc o m p a n yi nc h i n a , b et h ef i r s tc l a s se n t e r p r i s ei nt h e w o r l d f i r s t , t h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo f t h ee x i s t i n ga i rc o n d i t i o n e rc o n t r o ls y s t e m i sm e a s u r e da n dc o n t r o l l e db yt h ep n e u m a t i ci n s t r u m e n td u et ot h er e q u i r e m e n to f e x p l o s i o n - p r o o f w h e t h e rt h em e a s u r e m e n to rac o n t r o l ，a c c u r a c yi sn o ta b l et om e e t t h ec u r r e n tq u a l i t yr e q u i r e m e n t t h em e a n w h i l e ，t h ep n e u m a t i ci n s t r u m e n ti sn o te a s y t oc a l i b r a t e ，a n dal o t so f t h er o u t i n em a i n t e n a n c ew o r km u s tb eh a n d l e d ，s ot h es e t t i n g e f f e c t i v e n e s so f c o n t r o ls y s t e mi sh a r dt ov i s u a ld e f i n i t i o n s e c o n d ，t h ec o n t r o lr e q u i r e m e n to fa i rc o n d i t i o n e ri ne a c hw o r k s h o po ft o w b u i l d i n gi sd i f f e r e n t ；t h e 矗e s ha i rg o e st ot h ed i f f e r e n tw o r k s h o pb ys e t t i n gw a y , e a c h s h o pl u l l sa i rc o n d i t i o n e rw i t hal i t t l eo fv a c u u mp r e s s u r e t h e r e f o r et h et e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yo fn e i g h b o rs h o pa n dv a c u u mp r e s s u r eh a v ec o u p l i n gi n f l u e n c ew i t h e a c ho t h e r w i t ht h ee x p a n s i o no fw o r k s h o p ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h es e v e r a lu n i to fa i r c o n d i t i o n e ra r er u n n i n ga tt h es a m et i m ei np a r a l l e l ，t h e r ea r et h el o a dc o m p e t i t i o n p r o b l e m sd u r i n ga d j u s t i n gt h eu n i to fa i rc o n d i t i o n e r , t h ee n e r g ye x h a u s tc o n s n n l e m a g n i f i c e n t l yb yt h eg r o u po fa i rc o n d i t i o n e ra l s o ，b u tt h ea c c u r a t ec o n t r o lc a na v o i d u n n e c e s s a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n s oi nt h i sp a p e r , i th a sb e e ns t u d i e dt h a tt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls t r a t e g i e so fa i r c o n d i t i o n e ri ne a c hw o r k s h o po ft o wb u i l d i n g a n dw i t hs c i e n t i f i ca p p r o a c h i n g ，i t r e a l i z et h ea u t o m a t i cc o n t r o l sd e s i g na n dp u ti n t os e r v i c ea te a c hs h o po ft o w b u i l d i n gb yu s i n gt h es i e m e n sp c s 7c o n t r o ls y s t e m a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o no fp c s 7f o rt h ea c h i e v e m e n ta n di m p r o v e m e n to f a u t o m a t i cc o n t r o lo fa i rc o n d i t i o n e r , t h es y s t e ma c h i e v e dt h ee x p e c t e de f f e c t i v e n e s s ， a n di ti so b v i o u st os e et h ef i n er e s u l to fs t a b l ea i rf l o wi nt o w b u i l d i n g ，t h es t a t u so f v i 上海大学磺士学位论文 r u n n i n gi ne v e r yw o r k s h o pc a nb em o n i t o r e dc e n t r a l i z e d ；i ti sc o n v e n i e n c ef o rt h e m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e d u r i n gt h ec o m m i s s i o n i n ga n dm a i n t a i n i n g ，i th a s m i n o rp r o b l e ms u c ha si tr e s p o n s e ss l o w l y , i tw i l lb ei m p r o v e da n d g o tp e r f e c f i v eb y m yh a r dw o r k 1w i l ld e v o t em y s e l ft ot h es t u d yo fa na d v a n c ec o n t r o lt e c h n o l o g y s a p p l i c a t i o na n di m p r o v e m e n tf o rt h ea i rc o n d i t i o n e rs y s t e m k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e a s u r e m e n t ；a i rq u a l i t y ；p r o c e s sc o n t r o l ； p c s 7c o n t r o ls y s t e m 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弘生日期盟型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名；孥至 竺导师签名握醯日期：竺2 也 p 上海大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 南通醋酸纤维有限公司( 以下简称南纤，n c f c ) 是中国烟草总公司与美国 c e l l u l o s e 集团合资兴建的一座大型的集化工、纺织和热电生产为一体的现代 化工厂，主要生产烟用过滤丝束以及丝束的原料二醋酸纤维素，目前的生产能 力为6 6 0 0 0 1 年丝束和6 2 0 0 0 t 年的二醋酸纤维素。自1 9 8 9 年公司投产以来，填 补了国内在烟用丝束行业的空白，同时，为珠海醋纤、昆明醋纤提供生产原料， 公司的生产和经营情况良好，2 0 0 6 年，实现产值3 0 5 亿，利润6 8 8 亿。现有在 册员工7 9 8 人。目前，国内在该行业仅有的三家企业，生产能力和产量约占国内 需求的三分之二。十五期间，国家规划要使我国的生产能力与需求平衡，以国内 产品代替进口的烟用丝柬。公司展开了四期工程的筹建和计划工作，根据中美双 方的合作意见，四期工程于2 0 0 3 年开始，2 0 0 7 年建成，届时，达到年产醋纤丝 束6 6 0 0 0 t 和1 2 5 0 0 0 t 的二醋酸纤维素，但公司的人员编制不得增加，定员为8 0 0 人。醋纤生产是一个连续的生产过程，一旦生产中止，纺丝用的喷丝帽就会糊帽， 再恢复生产必须要有一周的时间，会给公司造成巨大的经济损失，给行业市场也 会带来冲击。 南纤公司的主要盈利产品烟用醋酸纤维过滤丝束在丝束大楼内制成。为了市 场的需要，公司经过了四期工程扩建，丝柬大楼的生产能力和空间也多次扩大， 承担着年产6 6 0 0 0 吨公司醋酸纤维丝束生产任务。由于特殊工艺的需要，从原料 进入到成品打包，对环境温湿度有严格要求。 1 2 工程扩建、工况变迁引发的问题 1 9 8 7 年，南纤一期工程的丝束大楼只有目前的四分之一大。大楼空调系统的 设计由美方提供，测量和控制均采用气动单元组合仪表，以p i d 调节规律控制车 间温湿度。由于车间空间不大，每个车间只配置了一台空调机组，车间之间基本 不存在大的干扰，因此，当时的设计基本能够达到当时的工艺要求：相对湿度偏 差不大于5 r h ，温度偏差不大于3 c 。 上海大学硕士学位论文 1 9 9 2 年南纤二期工程扩建后，丝束大楼空间为原来的二倍大，随着车间扩大， 每个车间的空调机组增加了，测量与控制方式依然拷贝一期。由气动仪表完成温 湿度自动控制。由于并联运行空调机组的气动测量仪表在精度和稳定性上的差异， 导致机组间相互争抢负荷、耦合干扰等，系统调节稳定性较差，调节品质下降。 对于这种始料未及的问题，长期来经常需要人工干预和现场手动操作等维护工作 来勉强满足生产需要。 2 0 0 2 年南纤三期扩建后，在丝束大楼空间不变的前提下扩大产能约3 5 ，由 于热负荷变化较大，在空调机组功率以及自控设备方面进行了技术改造，期望全 自动计算机监视控制的需求强烈。为积累经验，仅开始了对“纺丝”车间空调进 行计算机自动过程控制的尝试，工艺上改变了设备功率和风管布局，仪表上将高 精度的维萨拉温湿度变送器和先进的西门子p c s 7 控制系统引入空调控制系统。 调节策略上，仍以p i d 调节为基础，增加了避免温度对相对湿度耦合影响并有节 能作用的焓湿控制。由于温湿度调节过程的纯滞后时间长及工艺上风管流速的限 制，经常出现空调风口的空气因湿度饱和而滴水，车间湿度仍然不能达到控制要 求的现象。 2 0 0 3 年开始的四期扩建工程中，需要吸取以往问题的经验教训，在风管设计 和控制策略方面进行综合调整和完善。在已经取得的经验上，扩大p c s 7 系统的 规模，推广p c s 7 系统的应用范围，完善p c s 7 的控制效果。本人有幸参与了这 方面的研究，在p c s 7 控制系统进一步对整个丝束大楼进行全面空调控制技术改 造项目的实践中承担了比较关键的任务。先后完成了“制浆”车间、“纺丝”车 间、“摆丝”车间、“物理检验分析室”、乃至四期扩建后达到整个大楼各车间所有 空调机组全自动控制的设计、调试与投运。 1 3 论文的主要研究内容 丝束大楼的车间设计分割为“制浆”、“纺丝”、“摆丝”三大块，都属于准封 闭微负压的车问，每个车间内的空间环境由若干台空调机组共同负责实现规定的 恒温恒湿要求和车间负压要求。 本论文通过丝束大楼不同车间空调工艺对自动控制的要求分析，研究对比了 各种温湿度控制策略，并从p c s 7 系统实现过程的可行性角度，控制需求的适用 2 上海入学硕士学位论文 性角度，选择比较合理的控制策略。总结了通过p c s 7 系统实现控制策略的过程。 它的主要研究内容包括系统总体方案设计、各车间各单元空调机组控制策略设计、 p c s 7 系统应用软件设计等几个部分具体内容如下： 1 )系统总体方案设计。根据丝束大楼空调机组数量多、分布散的特点， 确定采用了具有信息集中、控制分散结构的p c s 7 控制系统。并就不 同楼层、不同区域布置多个远程输入，输出机柜，通过p r o f i b u s - - d p 总线与控制器相连。由集中控制室的操作站监控丝束大楼所有空 调机组的运行状态。 2 )各车问各单元空调机组控制策略设计。每台空调机组通常包括新风和 回风门调节控制、新风预加热或新风回风混合加热、空气过滤、循环 风机、减温除湿、蒸汽加湿等功能环节，单台空调机组的自动控制策 略比较相似。但一个车间同时有四台或者更多空调机组同时并联运行 时，要考虑如何有效避免调节品质上存在机组问互抢负载、调节不匀、 浪费能源等问题。 3 ) p c s 7 系统应用软件设计。包括控制器的程序设计和人机接口各项监 控功能设计。 4 ) 对整个系统设计和实践进行总结，并提出下一步的改进研究方案。 1 4 论文安排 本文共分六章，具体如下： 第l 章 第2 章 第3 章 第4 章 第5 章 第6 章 介绍本课题研究背景及意义。 阐述系统功能需求分析和总体结构。 阐述单元空调机组典型控制策略介绍与比较 阐述p c s 7 系统硬件构成及设备特性 阐述p c s 7 系统应用软件结构和功能模块设计 总结与展望 3 上海大学硕士学位论文 第2 章控制系统需求分析和总体结构 2 0 0 2 年开始，南纤公司决定迈出对丝束大楼各车间的空调自动控制系统进行 计算机集中监控技术改造的第一步。该技术改造过程中，选择了西门子s i m a t i c p c s 7 控制系统。该系统是西门子公司在t e l e p e r m 系列集散系统和s 5 ，s 7 系 列可编程控制器的基础上，结合最先进的电子制造技术、网络通讯技术、图形及 图像处理技术、现场总线技术、计算机技术和先进自动化控制理论，面向所有过 程控制应用场合的先进过程控制系统。是适合丝束大楼空调控制分散、分阶段扩 展、可靠性高、开放灵活等要求的先进过程控制系统。具有p r o f i b u sd p 、 s y s t e mb u s 、t e r m i n a lb u s 多层网络，可按需添加的多冗余控制站，模块 化远程输入输出站，集中监控的操作站等系统结构，简要描述如图2 0 所示。 图2 0p c s 7 系统结构图 在确定了p c s 7 控制系统，进行系统的具体设计之前，首先要对丝束大楼空 调系统的控制需求进行详细分析。 2 1 丝束大楼空调流程概述 丝束大楼为三层结构，主要有“制浆”、“纺丝”、“摆丝”三个主生产车问， 还有一些辅助性生产车间、电仪控制设备闻、空调机房、设备检修工作问等。除 4 上海人学硕士学位论文 空调机房外，其他都有不同程度的空气温湿度控制要求和车间负压控制要求。个 别辅助性车间，比如“物理指标检验分析室”的空调要求还特别高。另外，丝束 大楼空调所需的新风进入渠道也有特别要求。 图2 1丝束大楼主要车间空调送风流程 丝束大楼三个主生产车间空调送风流程如图2 1 所示。由于各车间气流不同、 温湿度要求不同，具体的空调控制要求也不一样。由于涉及到具体工艺参数的保 密要求，以下讨论中注重控制精度要求，而具体的温湿度、负压等设定值为满足 技术讨论要求的虚构值。下面分别进行介绍。 2 2 “制浆”车间的空调工艺及控制要求： “制浆”车间空调的基本工艺要求是：全新风输入、过滤、加热到要求的温 度，并向“纺丝”车间提供定量新风。经历四期扩建后，制浆车间分为新、旧两 个相对独立的区域，每个区域又分为两个相对独立楼层每区每层各有一组新风 门用于提供“制浆”和“纺丝”车间的总新风需求和车间负压控制；一台包括预 加热段、风机增压段、过滤加热段的空调机组，用于保持“制浆”车间的温度负 荷要求；一台将部分“制浆”车间空气向“纺丝”车问输送的排风机，用于提供 基本恒定的新风。制浆车间空调流程和控制要求具体见图2 2 。 上海大学硕士学位论文 新 图2 2 制浆车闻空调流程和控制要求 对于生产工艺而言，为了防止浆液低温流阻增加，车间空调温度调节的要求 是不得低于其下限，而对高于下限的温度范围没有特别要求，通常只要一般p i d 调节器设定值给定得合理都能满足要求。但从节能角度而言，高精度的“卡边” 运行，可以避免能源浪费。另外新风门的开度是通过车间负压来自动调节的，负 压设定值通常在几个毫米水柱的微负压状态，目的是防止车间内可回收挥发性溶 剂气体外溢。负压控制精度对提高节能效果和溶剂回收效率有影响。过滤段前后 差压用作是否需要更换滤袋的判断依据。预热段是否开启，由新风温度的高低决 定，通常在寒冷季节气温低于菜预定值时才开启。 从控制角度看，“制浆”车间单元空调机组自控至少需要的控制回路有：以温 度测量t t l 为反馈的温度p m 调节回路，控制空调机组加热段的加热蒸汽流量： 以车间负压测量p t 为反馈的负压p i d 控制回路，控制新风门开度；以新风温度 测量t t 为判据的空调机组预热段开关控制回路，控制预热段加热蒸汽阀的开关。 此外，还有根据排风风量反馈控制的排风机转速变频控制回路等。 2 3 “纺丝”车间的空调工程及控制要求： 纺丝车间分为相对独立的两层。底层空间大，并且在连通的空间中又划分为纺 丝和干燥两个区域，每个区域各有4 台空调机组共8 台空调机组同时进行温湿度 调节。二层热负荷大，整个连通空间用4 台空调机组同时进行温湿度调节。每套 6 上海大学硕士学位论文 空调机组的配置包括：回风门、过滤段、循环风机段、冷冻除湿段、蒸汽加热段和 蒸汽加湿段，单台空调流程和控制要求见图2 3 。 图2 3纺丝车间单台空调流程和控制要求 对于纺丝生产工艺而言，温湿度对产品质量的影响较大，恒温恒湿要求较高： 温度调节精度要求不大于2 、相对湿度调节精度要求不大于5 r d t 。由于降 温除湿功能共同使用一套由冷冻水流量控制的表冷器，不可能同时满足温度和湿 度的控制需求，为了补偿降温过程引起的过渡除湿，或除湿过程引起的过渡降温， 需要利用独立的蒸汽加热段或蒸汽加湿段进行补偿。每个单台空调机组出风管和 回风管覆盖的车间区域中设有一个温度测量仪表t t 和一个相对湿度测量仪表 m t ，作为该局部区域温湿度控制的反馈依据。纺丝车间的负压由溶剂回收工段大 抽风机的抽风量大小控制。 从控制角度看，“纺丝”车间单元空调机组自控至少需要的控制回路有；以温 度测量t t 为反馈的温度复杂调节回路，控制空调机组加热段的加热蒸汽流量或 降温除湿段的冷冻水流量；以湿度测量m t 为反馈的湿度复杂调节回路，控制空 调机组加湿段的加湿蒸汽流量或降温除湿段的冷冻水流量；之所以温湿度调节为 复杂回路，是因为出于节能的要求，加热调节和降温调节或者加湿调节和除湿调 节不能同时进行，冷冻水调节阀的开度必须响应温度控制或湿度控制中需求高的 信号，因此引起的过冷或过度除湿必须得到恰当补偿。此外，相邻区域温湿度仪 表的测量误差、空调机组风管布局阻力等因素引起的调节响应差异，可能导致单 7 上海大学硕士学位论文 元空调机组自动调节的耦合干扰、负荷竞争等问题是必须在控制系统设计中必须 考虑的。 2 4“摆丝”车间的空调工程及控制要求： 摆丝车间分为三层，层间部分连通，共用了5 套空调机组同时进行温湿度调 节。为了层间温湿度均匀，每套空调机组负责某局部区域纵向三层空间的温湿度 调节，共配备3 个温度传感器t t l 、”陀、t t 3 及3 个湿度传感器m t l 、m t 2 、 m t 3 ，每层各设一个。以平均值作为空调机组反馈调节的依据。空调机组的配置 与纺丝车间空调机组基本相同。摆丝车间单台空调流程和控制要求具体见图2 4 。 图2 4 摆丝车间单台空调流程和控制要求 对于摆丝工艺而言，温湿度对产品物理指标的影响更大，因为丝带在摆丝装 箱打包过程中，一直暴露在空气中。摆丝车间温度调节精度要求不大于2 、相 对湿度调节精度要求不大于3 r h 。除了增加层间温湿度测量，以便靠手动调节 层间布风量解决温湿度差异，以及用平均值作为单元空调机组工作区域温湿度测 量反馈外，其他空调工艺与“纺丝”空调相似。 从控制角度看，“摆丝”车间单元空调机组自控至少需要的控制回路和控制策 略与“纺丝”单元空调机组相似，不同之处是：作为控制反馈的温度测量点为3 个；湿度测量点也为3 个。同时因“摆丝”车间的热湿负荷波动不大，对空调控 制精度要求比“纺丝”车间更高。此外，相邻区域温湿度仪表的测量误差、空调 上海人学硕十学位论文 机组风管布局阻力等因素引起的调节响应差异，可能导致单元空调机组自动调节 的耦合干扰、负荷竞争等问题是必须在控制系统设计中必须考虑的。 2 5 “物检”分析室的空调工程及控制要求： “物检”分析室是检测检验最终丝束产品各项物理性能指标是否合格的场所， 其高精度测试设备，以及样品物理指标湿变、热变的特性，对环境空调质量的要 求非常苛刻。为了防止工艺供热蒸汽压力温度的波动影响，以及冷冻水压力温度 的波动影响。物检空调最初设计时使用了具有双冷冻压缩机共五档制冷量、自带 电热蒸发加湿和电加热的美国y o r k 恒温恒湿空调机组。物检空调流程和控制要 求具体见图2 5 。 图2 5物检空调流程和控制要求 由于电热蒸发加湿的滞后时间太长，以及随机控制器固化的程序缺陷，难以 达到“物检”分析室温度调节精度不大于1 、相对湿度调节精度不大于2 r h 的要求。所以在物检空调技术改造中，要求用蒸汽加湿来补偿固定档制冷引 起的过度除湿量，用无级调功的电加热器来精确补偿固定档制冷引起的过度降温 量。 从控制角度看，“物检”分析室单元空调机组的工作原理是先y o r k 冷冻机 在某合适档位工作，提供基本恒定的足以制冷和除湿需要的冷冻量( 实际总是过 量的) ，然后根据实际反馈，自动控制补偿加热量和补偿加湿量，使物检室空气环 9 上海人学硕士学位论文 境满足精度要求。因此自控系统至少需要的控制回路有：以温度测量t t 为反馈 的温度复杂串级调节回路，控制空调机组加热段的补偿电加热功率或降温除湿段 的冷冻机档位：以湿度测量m t 为反馈的湿度复杂串级调节回路，控制空调机组 加湿段的补偿加湿蒸汽流量或降温除湿段的冷冻机档位；冷冻机档位控制既要同 时满足降温和除湿的要求，又要满足节能的要求不过度制冷。由于两台冷冻机自 身都具有高压保护停机或低压保护停机功能，又有五个电磁阀可以实现五档制冷 量，控制系统需要对冷冻机和电磁阀状态进行监视并报警。 1 0 上海大学硕士学位论文 第3 章典型空调控制策略及其比较 3 1 空气调节的物理过程及评价方法 严格来讲，空气调节的处理对象是干空气和一定量水蒸汽的混合大气，也称 之为湿空气。湿空气中水蒸气的含量虽少，但其变化对空气干燥程度产生重要影 响。在常温常压下干空气可视为理想气体，而湿空气中的水蒸汽一般处于过热状 态，且含量很少，也可近似视作理想气体。所以，可利用理想气体的状态方程式 来表示干空气和水蒸汽的主要状态参数：压力、温度、比容等的相互关系，并以 此定义了若干关于湿空气的主要参数和确定方法： 3 1 1 湿空气的密度p 湿空气的密度等于干空气密度与水蒸汽密度之和。即 p = p 。+ 岛= r e 。g r + 胄p 。q r = 0 0 0 3 4 8 4 b r - 0 0 0 1 3 4 - - 争 在标准条件下( 压力为1 0 1 3 2 5 p a ，温度为2 9 3 k ，即2 0 ) 干空气的 岛= 1 2 0 5 k g m 3 ，而湿空气的密度取决于p q 值的大小。由于p q 值相对于p g 值而言 数值较小，因此，湿空气的密度比干空气小，在实际计算时可近似取p = 1 2 k g m 3 。 3 1 2 湿空气的含湿量d 因为在近似等压条件下，湿空气体积随温度变化而变化，空调过程经常涉及 湿空气的温度变化，采用水蒸汽密度作为衡量湿空气含水蒸汽量的参数会给实际 计算带来不便。所以取湿空气中水蒸汽密度与干空气密度之比作为湿空气含有水 蒸汽量的指标，即取对应于一公斤干空气的湿空气所含有的水蒸汽量，称为湿空 气的含湿量d 。所以有 扛乞= 鲁毒- o 愆2 毒k g 假千 。d ， p | r lp|p| j 上海火学硕士学位论文 或d ：6 2 2 l b 一 3 1 3 相对湿度q 另一种度量湿空气中水蒸汽含量的间接指标是相对湿度， 水蒸汽压力与同温度下饱和湿空气的水蒸汽压力之比，即 妒5 去枷蝴 其定义为湿空气的 ( 1 - 2 ) 式中只。一- 饱和水蒸汽压力，p a 。 相对湿度表征湿空气中水蒸汽接近饱和含量的程度。式中乞6 是温度的单值 函数，可在一些热工手册中查得。 湿空气的相对湿度与含湿量之间的关系为： 缈寺蹦川詈舢 ( 因为b 值远大于p q 及p q b | 近似结果约造成1 3 的误差) d ：o 6 2 2 丝! b 一叱。 铲n 6 2 2 惫 3 1 4 湿空气的焓i 在空气调节中，空气的压力变化一般很小，可近似于定压过程，因此可直接 用空气的焓变化来度量空气的热量变化。 已知干空气的定压比热c p g - 1 0 0 5 k j ( k g ) ，近似取l 和1 0 1 ； 水蒸汽的定压比热e p q = 1 8 4 k j ( k g 。) ；则 干空气的焓：i g 飞p g t ，k j k g 。干； 水蒸汽的焓：i q = e p q * t + 2 5 0 0 ，k j k g 汽；2 5 0 0 为t = o 时水蒸汽的汽化潜热 ( r d ) 。 1 2 上海人学硕士学位论文 所以，湿空气的焓i 应等于一公斤干空气的焓加上与其同时存在的d 公斤( 或 克) 水蒸汽的焓，印 i = c p 8 t + ( 2 5 0 0 + c p g f p k l k g f ( 1 3 ) 或 ，+ ( 2 5 0 0 + c 。，梳抛t 3 1 5 湿空气的焓湿图 在空气调节中，经常需要确定沙湿空气的状态及其变化过程。单纯地求湿空 气的状态参数用上述各计算公式可以满足要求，或查现成的湿空气性质表。而对 于湿空气状态变化过程的直观描述则需借助于湿空气的焓湿图。 根据公式( 1 - 1 ) 、( 1 2 ) 及( 1 3 ) ，a n 上只6 = 厂o ) 的函数关系，在反映湿空 气的压力b ，温度t ，焓湿量d ，相对湿度q ，焓i 及水蒸汽压力只等状态参数之 间的联系上，取不同的坐标系可以得到不同的线图形式。常用的湿空气性质图是 以湿空气的焓i 和含湿量d 为坐标的焓湿图( i - d 图) 。在选定的坐标比例尺和坐 标网格的基础上，可以确定等温线、等相对湿度线、水蒸汽分压力标尺和热湿比 线等。工程用焓湿图( i d 图) 如图3 0 所示。 上海人学硕士学位论文 图3 0 工程用焓一湿( i - d ) 图 3 , 1 6 湿球温度与露点温度 理论上，湿球温度是在定压绝热条件下，空气与水直接接触达到稳定热湿平 衡时的绝热饱和温度，也称热力学湿球温度。通过湿球温度理论，可以得出这样 的结论：空气焓的增量就等于蒸发的水量所具有的焓。通过焓湿图，在已知湿空 气温度和湿球温度的情况下，可以确定该湿空气状态。 1 4 上海大学硕士学位论文 在湿空气的诸多状态参数中，压力、温度是易测的，含湿量与焓不易直接测 量。用干、湿球温度计测量湿空气相对湿度状态是最常用的基本方法。 空气露点温度h 也是湿空气的一个状态参数，它与p q 和d 相关，湿空气露点 温度的定义为在含湿量不变的条件下，湿空气达到饱和时的温度。在空气压力基 本不变的情况下，空气露点反映含湿量d 。 3 。2 基于p i d 调节规律的温湿度自动控制 根据空调工艺原理，温度调节有加热调节和降温调节两个过程，因此需要两 个调节变量：蒸汽加热调节阀开度、冷冻水降温调节阀开度；湿度调节也有加湿 调节和除湿调节两个过程，因此也需要两个调节变量：蒸汽加湿调节阀开度、冷 冻水除湿调节阀开度。由于冷冻水调节阀是同时提供降温调节和除湿调节作用的， 冷冻水调节阀的实际开度通过高选器取冷冻水降温调节阀开度和冷冻水除湿调节 阀开度中的大者。一期丝束大楼生产车间空调自动控制设计，采用了p d 调节规 律，选择车间温度和相对湿度为控制系统的测量值。 3 2 1 比例积分微分控制及其调节过程 p i d 控制是比例积分微分控制的简称。在工程实际中，应用最为广泛。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调 整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握， 或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结 构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为方便。即 当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统 参数时，最适合用p i d 控制技术。 p i d 调节器的动作规律是 u 强e + s q p s z 鼍 或 上海大学硕士学位论文 间。 p i d 调节器的传递函数为 l + + 巧j 瞰曲i 兰五 k 1 t 】sk d 其中= ，磁：巧= 啊：巧= 二詈 式中带。的量为调节器参数的实际值，不带者为参数的刻度值。f 称为 相互干扰系数 p i d 控制，实际中也有p i 和p d 控制。p i d 控制器就是根据系统测量反馈 值与给定值闯的误差，利用比例、积分、微分作用规律，计算出控制量进行控制 的。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节 立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是 过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用；是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调 节就迸行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取 决与积分时间常数1 1 ，可越小，积分作用就越强。反之1 1 大则积分作用弱，加入 积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结 合，组成p i 调节器或p i d 调节器。 微分调节作用；微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见 偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，己被微 分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下， 可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加 微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化 时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结 合，组成p d 或p i d 控制器。 1 6 时分微勾m问时分积为直负或值正取况爿酣 可b 。脯 土i 比 + 为 ， 、 6 弓抻 上海大学硕士学位论文 3 2 2 简单双p i d 回路温湿度控制 显然基于p i d 调节的空调自控系统，对温度和湿度进行自动调节至少需要 两个p i d 调节回路，一个用于温度调节，另一个用于湿度调节。由于温度调节又 有加热调节和降温调节两个过程，p i d 的输出要分别控制加热蒸汽调节阀和降温 冷冻水调节阀；同样湿度调节也有加湿调节和除湿调 节两个过程，其p i d 输出也要分别控制加湿蒸汽调 节阀和除湿冷冻水调节阀。为了节约投资成本，事实 上总是将降温冷冻水调节阀和除湿冷冻水调节阀合 二为一，在控制回路中将降温输出信号和除湿输出信 号通过“高选器”再输送到降温除湿共用的冷冻水调 节阀。一个p i d 调节回路控制两个调节阀需要用到 分程控制。 单调节器分程控制 以温度控制为例，简单温度分程控制系统 蒸汽 冷冻水 如图3 1 所示。用一个p i d 调节器的输出去带 动两个或两个以上的调节阀工作，每个调节阀 图3 1 分程控制 仅在调节器输出的某段信号范围内动作。 当采用气动调节仪表控制时，其输出气压信号的量程范围是 0 2 1 0 k g f c m 2 。实现分程控制的方法是：通过改变两个调节阀阀门定位器 的零位和量程，使一个调节阀的工作行程对应于o 2 加6 k g f c m 2 的信号范围， 另一个调节阀的工作行程对应于0 6 - - 1 0 k g f c m 2 的信号范围，就可以实现分 程控制。 当采用以4 , - - 2 0 m a 信号为输出的智能p i d 调节器( 或控制器) 时，实 现分程控制需占用两个4 - - - 2 0 m a 的a o 通道，具体方法是：在p i d 调节输出 和两个a o 之间还各需组态一个增益转换器，将一路a o 输出全量程对应于 调节器的0 5 0 范围，另一路a o 输出全量程对应于调节器的5 0 - - 1 0 0 范围。 对于图3 1 所示的分程控制来说，当车间温度低于设定时，调节器输出 增加。如果输出在0 - 5 0 范围，则蒸汽调节阀保持为全关，冷冻水阀的开度 1 7 上海大学硕士学位论文 将随之逐渐关小。如果调节器输出在5 0 1 0 0 范围，则蒸汽阀开度将随之逐 渐开大，冷冻水调节阀保持全关。 高选器输出 高选器是一个自动控制系统中的计算环节，有两个或两个以上输入信 号，一个输出信号。输出信号的值等于所以输入信号中的最大值。其表达式 如下： y = m a x ( x f ) y ：高选器的输出信号。 x i ：高选器的所有输入信号。 当降温调节和除湿调节都需要控制冷冻水调节阀时，就需要通过高选 器，将冷冻水需求高的信号送到调节阀。如果降温信号大于除湿信号时，冷 冻水调节阀要满足冷量需求大的温度调节。对于湿度控制将导致除湿过量， 这时调节回路将通过蒸汽加湿自动进行湿度补偿。 基于单回路分程控制的温湿度p i d 控制回路结构 将两个结构如图3 1 所示的单回路分程控制分别用于温度调节和湿度 调节，并用高选器将降温和除湿中的高值信号控制冷冻水调节阀，即构成如 图3 2 所示的简单双p i d 温湿度控制回路。 这种基于分程调节的温湿度控制成本低、实现容易、可用单元电动或 气动仪表实现，但问题是分程调节控制的两个调节阀流量特性不一定相同， 加温调节和降温调节时回路增益差别较大，在分程点附近的调节稳定性较 差。另外，p i d 参数的整定困难较大、整定过程较长。 上海人学硕十学位论文 蒸汽冷冻术 图3 2 简单双p i d 温湿度控制回路结构 3 2 3 基于逻辑控制的选择性复杂回路温湿度控制 蒸汽 为了解决单调节器分程控制中，加温调节和降温调节在分程点两侧的p i d 参数不统一，难以整定问题，将加温和降温分别使用独立的p i d 调节器，由选择 逻辑控制两个调节器中哪个处于调节方式、哪个处于保持方式。 双回路温度调节 t t 为车间温度测量反馈，t i c l 、t i c 2 分别为用于加温调节和降温调节的 p i d 调节回路，其输出分别控制加温蒸汽调节闪开度及冷冻水调节阀开度。由于 加温调节回路和降温调节回路相互独立，各自有对应的p i d 整定参数，可以保证 加温和降温具有相同的闭环增益使介质交替时的调节更平稳。 在实际操作中要防止加温调节和降温调节同时工作，造成一边加热、一边降 温的耗能工作现象，解决方法有以下几种： 温度测量和设定同时加到加温和降温调节器，根据季节需要，手动操作蒸汽 管路或冷冻水管路上开关阀，人工限制加温介质与降温介质不同时作用。该方式 在季节过渡期易造成控制精度超标，常用在要求不太高，或仅白班要求高夜班无 要求的场合。 选择逻辑 1 9 上海人学硕士学位论文 如图3 3 所示的控制系统中加入了选 择逻辑。该逻辑一方面根据测量反馈t t 与设定值的偏差，判断进行加温调节还是 减温调节。同时又根据加热调节器的输出 和降温调节器的输出，让更节能的调节器 起调节作用，让另个调节器保持输出。 比如当温度测量值t t 高于设定值时需要 降温，只要加热调节器t i c l 的输出不为0 ，则让加热调节器t i c l 处于调节状态， 减小输出。即p v i = t t 、s p l = 设定，使蒸 汽阀开度逐渐减小并趋向于0 ，将t t 调至设定值；此时降热调节器t i c 2 处于输 出保持状态，即p v 2 = 设定- - - - s p 2 ，冷冻水调 节阀开度不变。如果加热调节器的输出已经 蒸汽 冷冻水 图3 - 3 双回路选择调节 达到o ( 全关) ，温度测量值t t 仍高于设定值，则加热调节器处于保持状态， 即p v i = s p l ；而降温调节器处于调节状态，即p v 2 = t t ，s p 2 = 设定，使冷冻水调 节阀开度逐渐加大，直至t t = 设定值。当温度测量值t t 低于设定值时，也有类 似逆过程。 湿度控制也同样有类似温度的双调节器选择控制回路，差别仅在于测量值为 相对湿度，输出回路分别为蒸汽加湿调节阀回路和冷冻水除湿调节回路。这里略 去工作原理描述。 将温度控制和湿度控制合在一起，由于降温调节和除湿调节共用冷冻水作为 工艺媒介，用高选器输出控制冷冻水阀，便构成了如图3 4 所示的基于选择性控 制的复杂温湿度自动调节回路。经过高选之后，对于被过渡降温或过渡除湿的对 象，调节回路会自动地利用加温或加湿来进行补偿。 这种基于双调节回路的选择性温湿度控制与单调节器的分程控制相比，具有 介质切换时调节平稳、能够实现智能逻辑选择和节能控制功能，但是调节回路复 杂，实现起来投资较大，控制设备要依赖于功能比较强的逻辑控制器，但是空调 滞后大，响应慢的问题难以解决。适用于新风量小、负荷变化相对平稳、温湿度 上海人学硕士学位论文 控制要求又比较高的场合，如纺丝车间和摆丝车问等。 冷冻水 图3 4 基于选择性控制的复杂温湿度调节回路 3 2 4p i d 串级温湿度调节 对于恒温恒湿控制来说，引起温湿度偏差的扰动来自两方面：一是热湿负荷 波动，二是冷热媒介波动。其中负荷波动是缓慢的，对p i d 调节稳定性的影响不 大。而新风的温湿度变化和冷热媒介波动的影响幅度较大，即使调节阀开度不变， 仍将影响介质流量，从而逐渐影响车间的温湿度。因为车间空间有较大热湿容量 大，自操纵变量到被控变量的时间常数较大，等空调控制器发现偏差再进行调节， 显然不够及时，所以车间温湿度最大动态偏差必然很大。由于新风和冷熟媒介波 动的影响在空调机组出风口可被检测，为了克服基于选择性控制的复杂温湿度调 节回路的调节响应慢的问题，可以采用串级控制原理。 串级控制系统的基本原理和结构 采用不止一个控制器，而且控制器间相串接，一个控制器的输出作为另一个 控制器的设定值。串级控制系统是以其结构命名的。若以蒸汽量为操纵变量的空 调温度调节为例，为了快速克服新风温度变化和蒸汽压力温度变化引起的空调出 口温度波动，用两个串接的控制器，一个空调出口温度控制器为副调节器，其设 2 l 上海人学硕十学位论文 设下世霉一 l l 国一 l 节回路，其控制输出作为选择控制回路的设定值， 就优化为串级调节回路。 以温度调节为例，增加了主回路的串级选择 性控制如图3 6 所示。其中t t 为车间温度测量值， 是主回路的被控变量，t i c 0 为串级调节主回路。 其输出的操纵变量将作为出口风管温度调节副回 路的设定值。t t l 为空调出口风管温度测量值，是