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    中国汽车工业工程公司自控工程院 覃 振，罗祖宪

    ◇ 引言

    涂装车间喷漆室空调温湿度控制不同于一般的空调控制系统。涂装车间喷漆室内的温湿度要求控制精度比较高，且要求持续稳定。但是，由于喷漆室内温度与湿度之间存在交叉耦合情况，即温度控制会引起湿度变化，湿度控制也会引起温度变化；并且，喷漆室空调的进风是直接采集于自然风，进风温湿度受外界天气的变化影响很大，不容易控制。因此，涂装车间喷漆室的温湿度控制是一种非线性的、滞后的、时变的复杂过程，这种系统若采用传统的仪表控制来实现显然是不合适的。本文根据多个涂装车间项目中控制喷漆室空调温湿度的经验，提供一个喷房温湿度控制的方法。

    ◇ 系统设计

    整个空调温湿度控制系统主要分为三个控制段，分别为：表冷段、加热段、喷淋段。进入表冷段的冷水量和加热段的热水量分别由他们各自管路上的冷、热水阀来控制，而进入喷淋段的水喷淋量则由喷林泵来实现。其硬件如图1所示。
  
                 

    ◇ 系统控制原理

    在介绍系统控制原理之前首先引入一个焓值的概念。焓值是一种能量的单位，代表的是一定容积量空气中含的水分和温度的综合量，是空气温度和湿度大小的综合衡量单位，其值的大小完全只由温度（t）和湿度决定（k），其计算公式如下。

    （1）开式温度计算：T=273.15+t

    （2）饱和空气压力计算其中：
   
               

    （3）计算饱和空气压力蒸汽分压力Pq=k/100*Ps

    （4）计算含湿量d=622* Pq/(101000- Pq)

    （5）计算焓值h=1.01t+0.001d(2501+1.84t)

    也就是说，只要知道了当前的温湿度，就能通过以上公式计算相应的焓值。

    温湿度控制系统的被控参数是喷漆室内的温度和湿度。温湿度信号由安装在喷漆室内的温湿度传感器检测得出。温湿度传感器将检测到的温湿度信号输入PLC，由此，可在PLC程序中通过电流值与温湿度值之间的换算关系计算出当时条件下温湿度的当前值。在程序中给PID功能模块分别输入KP、KI、KD参数，同时输入温湿度的设定值，程序中的PID功能模块根据输入的这些值通过运算输出控制百分比，再由PLC上的模拟量输出模块将控制百分比转换成4~20mA电流信号分别来控制相应的执行机构。将PID的输出分成加热、制冷和加湿信号，每个PID功能模块分别单独控制各自的热水调节阀、冷水调节阀开度和加湿泵变频器的频率，从而实现了对喷漆室内温湿度的控制。

    那么不妨定义一下，设定值和当前值为温度的PID功能模块为温度功能模块；设定值和当前值为湿度的PID功能模块为湿度功能模块；设定值和当前值为焓值的PID功能模块为焓值功能模块。功能模块在PLC程序中的表现如图2所示。

    冷水调节阀、热水调节阀、喷淋泵变频器都分别由哪些功能模块来控制开度或频率为好呢？在以往的调试过程中，人们往往是用焓值功能模块来控制冷水调节阀的开度来除湿，用温度功能模块来控制热水调节阀开度来控制温度，用湿度功能模块来控制喷淋泵变频器频率来调节喷淋量控制湿度，这个控制方案历经了现场实际生产的考验，证明是可行的，控制精度和稳定性都很高，并且能应付各种复杂多变的气候。

    解决了各个功能模块的执行机构问题，下一个要研究的就是在程序中如何控制这些元器件以应付一年四季复杂多变的天气，在这些不同的季节条件下，外界的温湿度差别非常大，比如炎热的夏季，外界温度和湿度都比较高，这种条件下需要降温和除湿；而在寒冷的冬季温度低、气候干燥湿度小，这时需要加热和增湿；但在天气多变的春秋季，一天之内，加热、降温、除湿、增湿要同步进行才能保证喷漆室里的温湿度保持高精度和高稳定性。为了解决这个问题，笔者将空调人为的设置了三种运行模式，即夏季模式、冬季模式和春秋季模式。这三种模式的切换由安装在控制柜上的三位选择旋钮来人为的进行，将旋钮打到相应的季节模式。
             
                     
                                   图2  PID控制系统程序段  

    夏季模式：温度高是这个季节的气候特点，在这个模式下，用焓值功能模块来控制冷水阀的开度，将空气的焓值控制到设定焓值。比如，当喷漆室的温湿度要求为温度25℃，湿度为60％时，通过上面的公式计算出，所要求的焓值为10.041758，即焓值的设定值为10.041758，第一步首先就要通过表冷段除湿将空气的焓值控制到这个值。第二步，用温度功能模块控制热水调节阀的开度，空气在通过第一段的表冷段后，温度值都会低于设定值，这时就需要加热，将温度控制到设定值。这两步就完成了夏季模式温湿度的控制，当焓值和温度都被控制到设定值后，湿度也就自然被控制到了所需要的设定值。

                  

    冬季模式：冬季温度和湿度都比较低，需要加热和加湿，在这种情况下分两步控制：第一步用温度功能模块热水调节阀开度，将温度控制到设定值；第二步是用湿度功能模块控制喷淋泵的变频器，将湿度控制到设定值。在这里需要特别说明的是，对应PLC输出给它4~20mA电流信号变频器的输出范围应该为10~50Hz，因为当变频器输出低于10Hz时，喷淋泵喷出的水量太小，在空调喷淋段里无法形成水雾，起不到给空气加湿的作用。
控制流程图如图4所示。

                      

    春秋模式：这是两个气候比较复杂，温湿度比较难控制的季节，同一天之内，温度和湿度的变化都很大，时而需要除湿，时而又需要加湿，时而需要升温，时而又需要降温。在这种模式下，最好的办法只能是冷水、热水、喷淋一起开，让这三种力量在空调里混合调节，自己达到平衡。在这种模式下，用焓值功能模块控制冷水调节阀的开度，用温度功能模块控制热水调节阀的开度，用湿度功能模块控制喷淋泵变频器的输出频率。控制流程图如图5所示。

                      

    该控制系统在实际生产过程中经过长时间的运行表明：该控制系统超调量小，控制性能稳定，抗干扰能力强，达到了用户的要求，温度控制误差在±1度，相对湿度能控制在±3%以内，更重要的是能在短时间内实现从开机到温湿度的稳定，取得了满意的效果，操作也比较简便，达到喷漆室运行高效率、低成本的目的。

                 

    ◇ 结语
    涂装车间喷漆室内的温湿度控制采用如上控制方案，达到了操作简便，运行高效率、低成本的目的，为项目可靠，低成本运行奠定基础。

    摘自《自动化博览》2010年第 八期