李繼松,徐功林,袁 霏,蔣天翔

(1.科德寶寶翎襯布(南通)有限公司,江蘇 南通 226000;2.南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,江蘇 南通 226000)

2021年5月26日召開(kāi)的碳達(dá)峰碳中和工作領(lǐng)導(dǎo)小組第一次全體會(huì)議強(qiáng)調(diào),實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和,是我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求,也是推動(dòng)構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的必然選擇。圖1為2021年全球碳項(xiàng)目(GCP)統(tǒng)計(jì)的全球歷年碳排放總量數(shù)據(jù),中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的鄭重承諾向國(guó)際社會(huì)表明了中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的方向和決心,這也將給中國(guó)發(fā)展帶來(lái)一系列新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇。到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和,為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),中國(guó)的減排CO2速度和力度將遠(yuǎn)超發(fā)達(dá)國(guó)家,能源轉(zhuǎn)型也必遭陣痛。加強(qiáng)能源效率的提升,電氣化技術(shù)等領(lǐng)域的突破性進(jìn)展,將極大提升國(guó)家和企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 全球碳排放總量

面對(duì)節(jié)能減排的要求,國(guó)內(nèi)企業(yè)也在不斷提升自身設(shè)備的改進(jìn)。目前根據(jù)環(huán)保要求,紡織印染行業(yè)定型機(jī)均普遍采用煙氣凈化裝置排煙,確保符合環(huán)保管控的排放標(biāo)準(zhǔn)。定型機(jī)的加熱多采用以天然氣燃燒器供給烘箱加熱方式。通常一臺(tái)定型機(jī)十節(jié)烘箱加熱,依據(jù)德國(guó)WEISHAUPT威索燃燒器手冊(cè)參數(shù),單臺(tái)每小時(shí)最大可消耗150萬(wàn)kcal熱能,同時(shí)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)能源數(shù)據(jù)記錄可換算得到每臺(tái)定型機(jī)平均每天消耗天然氣量在800～1 000 m3。

如圖2所示,正常工藝生產(chǎn)時(shí),烘箱內(nèi)產(chǎn)生的熱氣經(jīng)過(guò)引風(fēng)管道至煙氣凈化高壓靜電箱處理后,排出至外界環(huán)境。煙氣凈化裝置的末端安裝有一臺(tái)大功率的引風(fēng)機(jī),它負(fù)責(zé)讓煙氣管道產(chǎn)生一定的引風(fēng)負(fù)壓。這樣在正常生產(chǎn)過(guò)程中,定型機(jī)烘箱內(nèi)產(chǎn)生的煙氣才能及時(shí)沿著煙氣支路管道匯總至主風(fēng)管道,最終經(jīng)廢氣處理裝置排出至室外。如果操作員設(shè)置引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)低,將導(dǎo)致排煙管道負(fù)壓不足,定型機(jī)內(nèi)面料所蒸發(fā)的水汽不能及時(shí)排出,將造成工藝質(zhì)量問(wèn)題或生產(chǎn)效率低下。同時(shí)煙氣管道不通暢,定型機(jī)烘箱內(nèi)有時(shí)會(huì)造成煙氣堵塞,導(dǎo)致燃燒器燃燒不充分,甚至極可能產(chǎn)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。為了工藝安全與質(zhì)量,操作人員通常會(huì)將引風(fēng)機(jī)頻率設(shè)置恒定且為滿頻率。雖然這樣可以避免以上質(zhì)量和安全問(wèn)題,但快速的空氣流動(dòng),會(huì)將定型機(jī)內(nèi)的燃燒熱量迅速抽走,增加定型機(jī)燃燒器的工作負(fù)荷,即增加整個(gè)定型機(jī)系統(tǒng)CO2的排放量,不利于低碳環(huán)保和節(jié)能減排。

圖2 煙氣凈化原理運(yùn)行圖

1 溫濕度、負(fù)壓監(jiān)測(cè)控制設(shè)計(jì)

針對(duì)以上問(wèn)題,必須要找到一種控制方法能夠穩(wěn)定地控制煙氣凈化的管道負(fù)壓值在合理的范圍內(nèi),既能夠有效地排除烘箱的濕熱蒸汽,又能夠保證烘箱內(nèi)不結(jié)露滴水,從而最小化地消耗天然氣的用量,按需進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)的輸出功率,同時(shí)還能減小能耗。

如圖3所示,設(shè)計(jì)在定型機(jī)與煙氣凈化裝置連接的煙氣管道上安裝高精度的負(fù)壓傳感器。負(fù)壓傳感器量程在煙氣管道工作的壓力范圍之內(nèi)-200～200 Pa,這是根據(jù)實(shí)際測(cè)量值選擇的精度范圍。負(fù)壓傳感器檢測(cè)口通過(guò)橡皮管連入主管道,另一側(cè)連入外界大氣,形成負(fù)壓差值。傳感器的工作電壓是直流24 V,可輸出電流信號(hào)范圍4～20 m A。這樣的直流信號(hào)可方便傳輸至煙氣凈化控制系統(tǒng)FX3u-16MR PLC擴(kuò)展模塊FX3U-4AD,是專(zhuān)門(mén)用于模擬信號(hào)的接收單元。這樣PLC即可獲取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量0～4 000范圍值,經(jīng)過(guò)線性運(yùn)算可得到實(shí)際的管道負(fù)壓值[1]。再通過(guò)PID程序算法自動(dòng)調(diào)整至操作員設(shè)定的負(fù)壓值。為了進(jìn)一步優(yōu)化整體系統(tǒng)的CO2減排能力和低能耗效果,針對(duì)兩個(gè)定型機(jī)為一組煙氣凈化裝置,設(shè)計(jì)在排風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管道口安裝有溫濕度傳感器,用于監(jiān)測(cè)定型機(jī)烘箱內(nèi)的濕度和溫度,同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)的濕度值驗(yàn)算出結(jié)露的臨界點(diǎn),采用PID的程序算法將定型機(jī)排風(fēng)機(jī)的頻率調(diào)節(jié)至最佳輸出功率,從而保證烘箱的熱量高效且不浪費(fèi)。

圖3 改進(jìn)后的控制系統(tǒng)

圖4為負(fù)壓傳感器與FX3U-4AD模塊的硬件接線圖,負(fù)壓傳感器兩線制輸出電流信號(hào),AD模塊須短接V+和I+端子形成電流信號(hào)模式。

圖4 負(fù)壓傳感器與FX3U-4AD模塊接線

為了方便員工操作控制,通信線連接三菱PLC至威倫觸摸屏,在觸摸屏中狀態(tài)控制畫(huà)面,可以顯示當(dāng)前的負(fù)壓數(shù)值和引風(fēng)機(jī)的頻率。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的負(fù)壓控制,可以人工在觸摸屏中輸入管道負(fù)壓的“目標(biāo)值”,觸摸屏將該設(shè)定的目標(biāo)值傳輸給PLC后,由PLC內(nèi)部的PID程序演算進(jìn)而控制引風(fēng)機(jī)的變頻器輸出頻率。

如圖5所示,溫濕度傳感器采用探頭型WP-02,可測(cè)量溫度范圍在0～200℃,濕度范圍0%～100%相對(duì)濕度值,傳感器采用24 V電源驅(qū)動(dòng),內(nèi)部接線端子上設(shè)置有485通信的AB接口,默認(rèn)通信參數(shù)為19200,N,8,1,用于接入觸摸屏的COM1串口輸入信號(hào),通過(guò)讀寫(xiě)對(duì)應(yīng)的地址顯示[2]。

圖5 溫濕度傳感器安裝與接線

2 軟件程序控制設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器通信模式下,寄存器地址1為濕度值,數(shù)值范圍0～10 000對(duì)應(yīng)0%～100%值,寄存器地址2為溫度值,數(shù)值范圍0～20 000對(duì)應(yīng)溫度值0～200℃。數(shù)據(jù)的精度已達(dá)到0.01,且數(shù)據(jù)采集刷新時(shí)間為2 s,已足夠用于管道或烘箱的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

如圖6所示,PLC程序中的PID算法程序可直接調(diào)用。D100寄存器為負(fù)壓目標(biāo)值,D200寄存器為負(fù)壓測(cè)定值,D300寄存器為PID參數(shù)集,D350寄存器為控制輸出值。其中D300～D306需要在線同步調(diào)試輸入數(shù)值用以獲取穩(wěn)定的PID曲線。D350需要線性轉(zhuǎn)換并疊加基礎(chǔ)值,才能得到輸出變頻器的頻率值[4]。

圖6 負(fù)壓PID控制運(yùn)算程序

在FX3U-16MR內(nèi)部的PID程序中,還需要設(shè)定負(fù)反饋的模式,以及設(shè)定P和I的參數(shù)。通過(guò)在線調(diào)節(jié)或觸摸屏中臨時(shí)調(diào)節(jié)該P(yáng)ID系統(tǒng),PLC不斷接收“當(dāng)前負(fù)壓值”并和“目標(biāo)值”進(jìn)行負(fù)反饋運(yùn)算。最后可以動(dòng)態(tài)給定正確的頻率值至引風(fēng)機(jī)變頻器,從而達(dá)到穩(wěn)定的負(fù)壓值控制。

為了實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的頻率輸出控制,如圖7所示,引風(fēng)機(jī)的變頻器使用三菱F840-30k W系列。直接采用三菱通信協(xié)議模式控制變頻器的輸出頻率值,PLC端使用FX3u-485BD板直接與變頻器建立硬件通信線路。通信設(shè)置上PLC與變頻器均使用相同的波特率19 200,偶校驗(yàn),停1位7數(shù)據(jù)包。由于引風(fēng)機(jī)的功率達(dá)到30 k W級(jí)別,運(yùn)行前還需要將電機(jī)參數(shù)輸入變頻器進(jìn)行電機(jī)調(diào)諧,以使變頻器和風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性達(dá)到最佳[5]。

圖7 引風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)

變頻器使用參數(shù)修正如下:

PR331=1(變頻器站地址為1)

PR332=192(波特率為19200)

PR333=10(停1位8數(shù)據(jù)包)

PR334=2(偶校驗(yàn))

PR335=Pr336=9999(通訊延遲設(shè)置)

PR338=1(變頻器啟停信號(hào)使用外部端子命令)

PR339=0(變頻器頻率設(shè)定使用通訊方式)

Pr340=1(變頻器運(yùn)行采用通訊控制模式)

Pr549=0(采用三菱通訊協(xié)議)

由于引風(fēng)機(jī)的功率達(dá)到30 k W級(jí)別,運(yùn)行前還需要將電機(jī)參數(shù)輸入變頻器進(jìn)行電機(jī)調(diào)諧,以使變頻器和風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性達(dá)到最佳,可通過(guò)使用三菱FR-Configurator軟件在線觀測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)[6]。綜上所述,通過(guò)使用高精度的負(fù)壓傳感器監(jiān)測(cè)控制主排氣管道上的負(fù)壓,以及使用溫濕度傳感器安裝于定型機(jī)的排風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口和烘箱上,監(jiān)測(cè)必要的濕度點(diǎn),結(jié)合PLC的PID算法控制程序,從而達(dá)到精確有效控制定型機(jī)的排氣量,既保證了工藝質(zhì)量,又保證了最低排濕量,總體上減少天然氣的耗用和大功率風(fēng)機(jī)的電能耗用,實(shí)現(xiàn)雙贏的效果。

3 應(yīng)用效果

通過(guò)管道煙氣的負(fù)壓PID系統(tǒng)控制調(diào)整,煙氣凈化的引風(fēng)機(jī)頻率值浮動(dòng)不大。當(dāng)負(fù)壓設(shè)定值在-120 Pa時(shí)較為符合生產(chǎn)工藝要求。此時(shí)管道的實(shí)際負(fù)壓值能夠穩(wěn)定并保持,不會(huì)隨定型機(jī)的運(yùn)行變化而波動(dòng)太大。通過(guò)多次的天然氣和電能耗用的數(shù)據(jù)收集,天然氣的耗用和用電量已經(jīng)明顯下降。如圖8所示,紅色柱狀為定型機(jī)初始耗用狀態(tài),藍(lán)色為安裝了PID負(fù)壓控制系統(tǒng)的耗用情況,單臺(tái)定型機(jī)的每班次天然氣耗用量能夠穩(wěn)定在240 m3左右,同時(shí)引風(fēng)機(jī)的電量耗用穩(wěn)定在100 k W·h左右,相比于紅色的柱狀曲線已減少很多。

圖8 用電量和天然氣能源耗用數(shù)據(jù)前后對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用溫濕度和負(fù)壓傳感器監(jiān)測(cè)的PID反饋控制引風(fēng)機(jī)頻率,不僅可以有效滿足定型機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。同時(shí)在保證生產(chǎn)工藝質(zhì)量的前提下,還能夠從成本控制上顯著減少電能和天然氣能源的實(shí)際耗用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能碳減排的目標(biāo)。