涂装车间工艺供风系统精益智能控制研究

郑秋鹏、李竹青、刘鹏涛

（上汽通用东岳汽车有限公司，烟台 264006）

0 引言

我司涂装车间由德国杜尔公司于2012年建成，与众多汽车合资企业的涂装车间设备标准相同，稳定运行多年，相关设备和工艺至今仍属行业领先水平。涂装车间对清洁度要求极为严格，车间内的清洁度直接影响车身表面涂装质量。因此对于涂装车间来说，工艺供风系统是最重要的工艺系统之一。

为了保证车间内温度、湿度和清洁度，系统运行过程中需消耗大量能源，包括电、工艺热水、工艺冷水、RO水（反渗透水，即纯净水）以及天然气等。根据现场实际运行数据统计，工艺供风系统耗能成本占整个涂装车间的40%，是车间能源成本的大头。如何引入先进控制技术和控制理念，使系统智能化、精益化运行，降低工艺供风系统能耗，一直是笔者的研究方向。

1 工艺供风系统研究

涂装车间工艺供风系统共有三大系统：喷房供风系统，专为喷漆室供风；工作区供风系统，为打磨线、密封线等有生产人员操作的工作室体供风；车间供风系统，为车间喷漆室和工作室体外的其他区域供风。各系统的工艺要求不同，组成系统的功能单元也各不相同，所消耗的能源也各不相同[1]。各系统所包含功能单元如表1所示。

表1 工艺供风系统功能单元组成

从能源消耗的角度进行分析：制热单元，消耗天然气；制冷单元消耗电能；除湿单元消耗蒸汽；增湿单元消耗纯水和电能。

该工艺供风系统建于11年前，系统的控制理念和方法比较传统。能否对系统引入先进的控制理念，实现系统智能化、柔性化、精益化运行，是本文研究的重点。

2 精益智能控制

2.1 温湿度智能控制

2.1.1 问题分析

当前工艺供风系统的温度、湿度设定值均为固定值。当外界环境变化，系统的温湿度设定值不变，导致系统消耗过多的能源，设备运行不经济。图1所示为生产日24 h外界温度与设定温度曲线图，图中阴影部分即代表所需消耗能源，阴影部分越大表示消耗的能源越多。夜间外界温度低，系统需要使用天然气对新风进行加热升温；白天外界温度高，系统需要使用冷水对新风进行制冷降温。外界温度和设定温度差距越大，调节过程中所消耗的能源越多。

图1 生产日24 h外界温度与设定温度曲线图

2.1.2 解决方案

基于问题分析，节约能耗的核心思路是设法减小24 h外界温度与设定温度曲线图中的阴影面积。而改进控制的逻辑，就是聚焦工艺许可范围控制，不再进行单一设定点控制。如图2所示，参数设置由恒定值改进为控制区间值。这样当外界温湿度变化时，系统能够根据外界变化，在设定区间内自动设定最佳设定点，动态性地对温度进行调整。简而言之，当外界温度高时，在工艺许可范围内调高系统设定值；当外界温度低时，在工艺许可范围内调低温度设定值。

图2 温湿度智能控制原理图

对于PLC控制器编程，通过调节燃气阀门开度、冷水盘管阀门开度和喷淋泵的运行频率，来对控制供风单元出风口温湿度进行控制。编程思路为：供风单元出风口温湿度在工艺许可范围内，最大限度地降低阀门开度和泵的运行频率[2]。也就是通过智能改变温湿度的设定值，确保其在工艺许可范围内，使燃气和冷水盘管的阀门开度最小，喷淋泵的运行频率最小，从而最大限度降低公用动力介质的消耗，节约能源。

由于每日环境的平均温度是变化的，尤其是春季和秋季温度变化较大。为了解决这个问题，建立历史数据统计设定值预判模型，用于温湿度基础设定值的设定，使系统更加智能地进行温湿度控制。设定值预判模型的建立，使温湿度的基础设定值随外界变化成为了可能。

设定值预判模型的建立思路为：系统自动记录每次开机完成后温湿度实际值，形成设定值的历史数据参考；而系统下一次开机时，会通过历史数据计算，对温湿度基础设定值进行修正。如图3所示，前5天开机后温度T1、T2、T3、T4和T5分别30.0℃、25.0℃、27.0℃、23.0℃和22.0℃，则本次开机后的温度设定值为：

图3 预判模型原理图

T=（T1+T2+T3+T4+T5）/5=25.4℃

将计算后的温度值T与最大设定值Tmax和最小设定值Tmin进行比较，如果Tmin＜T＜Tmax（例如20.0℃＜25.4℃＜26.0℃），则将25.4℃赋值Tset。如果计算后的温度值T＞Tmax，则将Tmax赋值Tset；反之，如果计算后的温度值T＜Tmin，则将Tmin赋值Tset。

2.1.3 试验验证

图4为改进后生产日24 h外界温度与设定温度曲线图。从图中可以看出，系统采用温湿度智能控制后，设定温度在工艺许可范围内上下浮动，相应的阴影部分面积大幅度减小，系统消耗的能源大幅降低。

图4 改进后生产日24 h外界温度与设定温度曲线图

2.2 智能休息模式

2.2.1 问题分析

工作区供风系统开机后一直满负荷运行，直到生产结束才关机。白班、中班生产吃饭时间均为30 min，生产吃饭时生产线长时间停线，但工作区供风系统一直满负荷运行，存在能源浪费情况。因此，可以通过长停线时降低系统的运行负荷，达到节约能源的目的。但是，这样改进存在2方面问题。

一是涂装车间由于工艺及洁净度要求[3]，需要保持车间微正压。工作区供风单元降频运行，会破坏车间原有的风平衡，需要对风平衡重新规划，保证车间内正压。由于大部分排风机非变频控制，又增加了风平衡调整的难度。

二是由于生产时间的变化，为保证智能休息模式的运行，不给生产人员增加额外操作，需要系统智能判断生产吃饭时间，切换休息模式。

2.2.2 解决方案

首先，长停线时，系统降频运行，通过计算各生产区域的供排风风量变化，平衡各区域供排风，重新规划车间风平衡，最终保证车间内为正压。需要注意的是，为了最大限度提高生产效率，车间采用生产错时吃饭的办法：一工段先吃饭，二、三工段后吃饭；或者二、三工段先吃饭，一工段后吃饭。错时吃饭的先后顺序周期性交换，但存在吃饭时间重叠的情况。因此，重新规划车间风平衡的难度在于，需要确保3种模式下车间均为正压。

其次，由于车间生产时间是根据产量制定，生产吃饭时间也根据生产时间进行相应调整。因此如何自动精确判断生产吃饭时间与生产短休息时间的区别，这是调整的难点。因此在具体编写程序逻辑时，引入模糊控制方法，先判断生产吃饭时间区段，然后通过生产线运行信号和室体灯照明状态，精确判断生产吃饭时间。

通过上述方案建立智能休息模式，在长停线时供风系统能够自动激活，减少能源浪费。各供风单元运行调整状态如表2所示。

表2 工作区供风系统调整前后运行状态

2.2.3 试验验证

工作区供风系统增加休息模式，系统能够自动识别生产吃饭时间并进行模式切换。通过休息模式运行简图可以看出（图5），当系统切换休息模式时，相关供、排风机自动关闭或降频运行[4]。休息模式时，通过对车间36个门进行测试，均为正压。

图5 智能休息模式运行简图

智能休息模式的运行状态，可以通过生产现场的状态指示灯和上位监控系统状态显示进行查看。模式的切换系统能够自动切换，也可以通过现场操作按钮和上位监控系统进行手动切换。

2.3 加热模式精益运行

2.3.1 问题分析

工作区供风系统制热单元使用燃烧器进行加热，制冷单元使用盘管通冷水进行制冷。在冬季时，制冷单元的盘管也可以通热水进行加热，关键是要计算使用天然气加热和使用热水加热的成本。

2.3.2 解决方案

笔者所在涂装车间的热水是由公用动力站房通过蒸汽换热产生，蒸汽是由外部供应。通过对站房蒸汽换热数据进行记录，根据热量计算公式（Q=cmΔt）计算出平均1 t蒸汽产生的热量为3 199 050 kJ，1 m3天然气可产生36 000 kJ的热量。假设蒸汽和热水的管路损耗按照8%计算，则1 t蒸汽和1.00 m3天然气的热量比如下：

3 199 050×（1-0.08）/36 000 = 81.75

根据以上计算结果可知，1 t蒸汽的热值相当于81.75 m3的天然气。以1.00 m3天然气单价为X轴，以1 t蒸汽单价为Y轴，绘出天然气和蒸汽精益曲线（图6）。天然气和蒸汽精益曲线使用方法如下：在A时，1.00 m3天然气单价为3.9元，1 t蒸汽单价为180.0元，在精益曲线中可以看出，使用蒸汽更精益；在B时，1.00 m3天然气单价为3.5元，1 t蒸汽单价为350.0元，在精益曲线中可以看出，使用天然气更精益。

图6 智能休息模式运行简图

2.3.3 实施验证

改进工作区供风系统的加热模式。在硬件方面，制冷单元盘管原来的设计上有热水管路引入，用于冬季防冻功能。因此可以直接利用原有的冷水盘管，冬季通热水进行加热。在软件方面，增加盘管热水加热功能和PID控制。同时，增加加热模式的切换功能，可以对天然气加热和热水加热自由切换，根据天然气和蒸汽精益曲线选择成本更低的能源进行加热[5]。

本研究通过对能源系统的掌握与研究，发现了天然气与蒸汽价格差异带来的运营成本降低空间；对比单位热量价格，对使用能源方面提供了选择方法。通过对工作区供风系统加热模式改进，可以根据天然气和蒸汽的价格变化，自由选择低价能源。

3 研究价值

本研究通过采用温湿度智能控制，年可节约蒸汽1 257 t，节约用电32.3万度，节约天然气5.3万m3，节约费用76.9万元；采用智能休息模式，年可节约蒸汽167 t，节约用电21.0万度，节约费用18.3万元。这2项每年节约费用共计95.2万元。

此外，采用加热模式精益运行，根据实际天然气和蒸汽单价，计算选择低价能源，还能够进一步节约设备运行成本（表3）。

表3 实施精益智能控制后的能源节约统计

4 结束语

涂装车间是整车厂能耗大户，工艺供风系统能耗在涂装车间占有很大比重。本研究突破传统控制思路的限制，通过建立温湿度智能调温系统、智能休息模式和加热模式精益运行三个方面，实现车间工艺供风系统智能化、精益化创新改进。通过这次改进，提高了设备利用效率，节约能源消耗，降低车间运行成本。本研究聚焦工艺标准和设备负荷，探索出新的节能方法，为同行业提供了样板和范例。同时，通过充分的控制知识储备、开阔的思路和多次的现场测试，确保把风险控制在最低。