基于露点控湿法的气候箱节能控制系统研究

刘红艳,程营超

(济南天辰试验机制造有限公司,山东 济南 250104)

0 引言

甲醛与挥发性有机化合物(volatile organic compound,VOC)对人体健康影响巨大,被世界卫生组织认定为强致癌物[1]。针对日常生活中家庭装修装饰材料中甲醛释放量的检测问题,世界各国及国际组织制定了一系列的法定检验方法[2]。其中,气候箱检测方法是国内外普遍采用的标准方法。该方法的特点是模拟室内气候环境,使检测结果更贴近实际,因而真实、可靠[3]。

气候箱内温度和湿度的稳定性对试样中甲醛的释放量影响较大。为了将箱内温度和相对湿度严格控制在相关标准要求的范围内,国内外诸多学者进行了不同程度的研究,并且取得了相当好的控制效果[4-6]。但是在这些温湿度控制的研究中,学者们往往忽略了气候箱检测过程中的系统功耗问题。以我国目前市场上常见的1 m3甲醛释放量检测气候箱为例,传统的温湿度控制方法是使用冷热对抗热补偿来控制温度水箱的温湿度和露点水桶的温湿度,以使箱内的温度和相对湿度稳定在规定范围内。由于2个水箱的制冷机组一直处于运行状态,有些试验需要气候箱连续运行时间长达28 d甚至更多[7]。如果气候箱使用环境的散热通风效果不佳,制冷机组会因为过热保护而停止工作,从而造成箱内温度和相对湿度在一定时间内无法控制。因为加热器的功率选取必须大于制冷效率,所以1台设备会因运行功率过大而造成资源浪费。这也会给用户带来很大的经济负担。

为了响应国家《“十三五”节能减排综合工作方案》的号召和满足客户的需求,本文提出了间歇比例调节的控制方法,并结合合理的系统结构和硬件选型进行控制系统的设计。该设计既可以实现精准、快速的温湿度控制,又大大减少了设备的运行功耗,达到了节约资源的目的。

1 测试系统原理

气候箱法测定甲醛释放量的原理是将表面积一定的试样放入气候箱内,并将箱内的温度、相对湿度、空气流速和空气置换率都控制在一定的范围内。试样中的游离甲醛释放出来与箱内的空气混合。测试需定期抽取箱内气体,并将抽出的气体通过盛有蒸馏水的吸收瓶,使空气中的游离甲醛全部溶于水中。测试需检测吸收液中甲醛含量及抽取的空气体积,从而计算出单位体积空气中的甲醛含量。

本文提出的温度及相对湿度控制方法是基于西门子S7-200 Smart系列可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)及Smart Line 700IE V3面板作为人机交互触摸面板而进行的系统设计。该系统由主机箱、循环风机、气泵、循环水泵、温湿度传感器、水箱、流量计、加热管、制冷机、管路及控制部件等组成。

系统结构原理如图1所示。

图1 系统结构原理图

气候箱内的温度采用蒸发器循环控温。蒸发器内部有一定温度的循环水,利用空气层的空气循环对试验舱体进行热量交换从而实现温度的控制。气候箱内的湿度采用露点温度控制法,即某一露点温度的水在淋水塔内与洁净的空气充分接触,产生同温饱和水蒸汽,并进入一定温度下的气候箱内,以产生对应于温度的相对湿度。由于不同的温度下饱和水蒸汽的含水率不同,饱和湿度会随温度的改变而变化。因此,在露点控湿水箱中需要1套加热器和制冷器以控制水箱中的水汽温度。同时,空气置换率的大小会影响水箱内温湿度的平衡稳定时间。气候箱内的风循环是由变频器控制后部的轴流风机吸入,从顶部的多孔板均匀排出,具有良好的循环效果。

2 硬件系统

2.1 气候箱体

为了将气候箱内气体长时间保持在一定的温度、相对湿度及风速条件下,试验对气候箱的结构和工艺提出了很高的要求。

气候箱体具体分为外壁、保温层、空气层和内舱。箱体外壁为不锈钢板静电喷塑,以优质挤塑板作为保温隔热材料。箱门使用硅橡胶密封胶条进行边缘密封,以确保空气夹层中的气体不与舱内气体交换。内舱为工作舱。舱内不锈钢镜面的4个角采用大倒角设计、满焊焊接处理,以确保密封性能良好。与内舱接触的进气部分及全部管路和水循环部分全部采用不锈钢管,以保证所有箱体材料均不会吸附、释放甲醛和VOC。另外,在舱门合适位置内嵌1块方形钢化玻璃作为观察窗,以便工作人员观察舱内试验情况。在舱门上设有3个空气样品采集孔,采样管道通过不锈钢管与内壁不锈钢面板相连接,中间不接触夹套层,不受夹套层空气影响。舱门采用聚四氟乙烯做密封材料,活性炭或者Tenax采样管可直接伸进测试舱内进行采样。为避免取样口受外部空气影响,其也可匹配连接乳胶管。

2.2 控制系统设计

控制系统以西门子Smart系列PLC为核心,包括扩展模块数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、热电阻模块、模拟量输入信号板等。中央处理器(centrol processing unit,CPU)模块负责与触摸屏模块通信并处理和传输数据。为了满足用户需要,本文控制系统基于物联网技术,可在任何地方通过网络浏览器或手机应用软件,远程访问和控制设备。

值得注意的是,控制系统中的温湿度控制是气候箱的主要控制部分。为达到满意的控制效果,系统需要选取合适的加热和制冷装置。加热和制冷装置的功率过大容易引起超调,功率过小平衡时间则会加长。本文依据水箱的容积大小及型式试验的实际效果,分别选取了1 kW的电阻式加热管和0.25 kW的制冷压缩机。温湿度传感器作为重要的信息采集和参数反馈单元,选取了对噪声信号不敏感的4～20 mA标准电流环信号的变送器,以保证温度和湿度测量的精度和稳定性。

在系统运行期间,水泵需要一直运转。普通的离心水泵如果没有散热和冷却措施,极易由于长时间运转发热而被烧毁。因此,本文设计的控制系统选取了额定功率为15 W的磁力泵。该磁力泵功耗低、效率高、安全性高。

本文控制系统具有如下特点。

①温湿度采集系统使用4～20 mA标准信号,因而抗干扰能力强、信号稳定、精度高。

②系统使用热电阻监控水箱中的温度,设计有温度超限报警功能。

③系统利用变频器的调压调速实现对轴流风机的控制,以达到稳定的空气置换效果。

④系统使用固态继电器控制加热、制冷及水泵的启停,干扰小且使用寿命长。

⑤水位传感器实时检测水箱水位,并具有水位过低报警功能。

⑥系统具有一键上水功能。

⑦系统可实现本机控制和远程监控。

控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构图

3 主要控制程序设计

不同于传统的冷热对抗热补偿的温湿度控制方法,本文提出的温度和相对湿度控制采用间歇比例调节控制方法。该控制方法克服了由于时间滞后以及超调引起的被控量的不确定性带来的扰动,在保证系统控制稳定性和可靠性的基础上达到了节约资源的目的。

程序控制的思路架构为:先设定需要达到的气候箱内的温度值和相对湿度值,再获取实时温度值和实时相对湿度值,最后分别根据两者之间的差值与设置阈值的比较,启用不同的温度调节比例。温度调节单元包括分别与控制器连接的制冷系统、加热系统和循环系统。湿度调节单元包括分别与控制器连接的制冷系统、加热系统和循环系统。

系统中的温度和相对湿度控制模块设计如下。

气候箱内实测温度大于设定温度,且差值大于所设温度误差阈值时,依据该差值比例大小启动温度水箱的比例制冷控制。当到达一次制冷时间时,关闭温度水箱制冷系统,让系统自循环3 min。3 min后,系统再次判断箱内实测温度和设定温度的差值,并与设定温度误差阈值进行比较,依据两者的差值大小再次启动比例制冷控制。如此循环,直至箱内实测温度和设定温度的差值不大于所设温度误差阈值。3 min的时间间隔可以避免制冷压缩机的频繁启动,起到了保护压缩机的作用,也节省了设备功耗。

控制流程如图3所示。

图3 控制流程图

在上述温度水箱降温的同时,系统判断箱内实测相对湿度与设定相对湿度的差值。如差值超出所设相对湿度误差阈值且需要加湿时,则开启露点水塔自循环系统。如差值超出所设相对湿度误差阈值且需要降湿时,则开启露点水塔制冷系统,直至露点水塔温度达到制冷下限值。如差值不超出所设相对湿度误差阈值,则依温度水箱的制冷比例进行露点水塔比例制冷控制。系统的湿度控制依据露点控制温度法的特性进行。在箱内温度不变的情况下,露点温度升高,相对湿度就增大;露点温度降低,相对湿度就减少。

系统通过调节露点水箱内的温度使不同含水率的饱和水蒸汽进入箱内,从而使系统湿度快速达到稳定状态。由于本文控制系统的特性有别于标准的露点水塔控制法,所以露点温度只作为控制系统中的参考温度,不作为目标温度。

露点温度的计算是采用干球和湿球温度表测量水汽压时的半经验式[8-9]:

e=Et′-AP(t-t′)

(1)

式中:e为监测时空气中的水汽压,hPa;Et′为湿球温度为t′时的饱和水汽压,hPa;A为干湿表常数,其值取决于湿球附近的空气流速,本计算中取0.000 667;P为监测时的大气压,hPa;t为干球温度,℃;t′为湿球温度,℃。

相对湿度的计算式中饱和水汽压式采用经验式,即Tetens式[10]。相对湿度的计算如式(2)所示。

(2)

式中:Et为干球温度为t时的饱和水汽压,hPa;U为相对湿度,采用百分比例表示。

Tetens式如式(3)所示。

(3)

4 试验结果与要求

本文设定温度稳定值为23 ℃,相对湿度稳定值为50%、气候箱舱内气体初始值温度为24.7 ℃、相对湿度为42.6%、试验周期为4 h(14 400 s)。Smart Line设置数据采集间隔为10 s,即温度和相对湿度各得到数据点1 440个。由于制冷压缩机的间歇控制,温度和相对湿度相应存在周期性波动,但温度波动幅度不大于0.2 ℃、相对湿度波动幅度不大于1.0%。

系统实际应用控制效果如图4所示。

图4 控制效果图

温度局部放大如图5所示。

图5 温度局部放大图

相对湿度局部放大如图6所示。

图6 相对湿度局部放大图

实际运行结果表明,本文控制系统的温湿度控制效果满足国家标准的要求。经过测定,系统的平均运行功率小于等于1 kW。国内市场上用量较多的某品牌气候箱运行功率为4 kW。以单次试验28 d计算,本文系统可节约电能2 016 kW·h,给用户带来了实质性的经济成本节约。该系统已经投入实际运用,且得到了很好的用户反响。

由于温度和相对湿度的控制效果与箱内空气循环速度有密切的关系,在实现本文提出的温湿度控制模块功能时一定要保证气候箱密封和保温良好,并且箱内空气流速须均匀稳定,能实现与外界洁净气体的连续循环。

5 结论

本文基于西门子PLC,结合露点水塔控湿法的特点,设计了1种气候箱节能控制系统。该系统中的温湿度控制方法在保证控制精度的基础上,很大程度上减少了传统的冷热对抗方法带来的电能消耗,具有很高的实际应用价值。

本文提出的控制系统虽然能达到高精度、节能的目的,但是在温湿度控制中,湿度的起始波动幅度相对较大,且达到稳定的时间较长。在今后的工作中,需要深入研究温度滞后的控制模型,或者考虑干湿气体比例控制的控湿方法,以弥补当前系统的不足。