车牌自动生产线中烘干系统的建模与节能控制设计
2006/5/23 9:08:00
Drying System Modeling and Energy- Saving Control Design of Vehicle License auto - Product - Line
QIAN Chen, WANG Qin-ruo, ZHEN Wei
(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China)
Abstract: This paper illuminates the drying system modeling of vehicle license auto- product - line, through the analysis of relative humidity, temperature, wind speed and evaporation, we educe a predigested calculate formula, figure out the way of fixing on parameters of wind speed and temperature, and realization method of this system.
Key words: drying; evaporation; energy - saving
1 引言
车牌半成品自动生产线系统包括以下工位：放卷、校直、清洗、烘干、贴膜和冲压。原材料铝带在清洗后，进入下到工位进行贴膜之前，必须使铝带表面处于干燥状态，因而要进行烘干处理。进入烘干阶段之前，要通过表面除水，这样留在铝带表面的是一层比较薄的均匀分布的水膜。铝带烘干之后，需要在进行冷却，以降低材料本身的温度，从而进行下道工序。在烘干的过程中不能使温度上升过高，这样不但增加耗能，也增加了后续冷却工序的时间和耗能。通过对相对湿度、温度、风速和蒸发量的分析，实现烘干过程中使用较少的能量达到良好的烘干效果。
2 数学建模
根据工程要求，我们需要得到水蒸发量与风速和温度的关系公式。目前尚没有世界通用的水面蒸发公式，有报道的全国通用计算公式有3个。根据比较我们决定选择闵骞[1]提出的改进的水面蒸发公式：
根据相对湿度的定义[2]：
在实际工程应用中，该公式过于复杂，可进一步简化。
设方程
广州市及周边地区一年中大多数时间温度高于20度，并且空气中湿度较高。为了方便计算，我们做如下假定：自然空气温度为20度，且空气湿度处于饱和状态。
根据公式(2)，温度为20度(293K)时，空气饱和水汽压为23．1734hPa。水汽蒸发公式(5)改为
从该公式可得到在不同风速下，蒸发量和温度的关系，图1给出了在2m/s、3 m/s、8m/s风速情况下蒸发量和温度的关系所示。
3 控制参数的选定
系统设定的铝带传送速度为0．25 m/s，铝带材宽0．15m，表面水膜厚度为10μ，烘干箱尺寸为长2．85m，高0．6m，宽0．6m。则单位面积的铝带材通过烘干箱需要的时间为11．4 s。若要烘干铝带材，每秒铝带材单位面积的水蒸发量必须要大于0．88μ/S。在实际工程中需要留有一定余量，该值取O．9 μ/s。
取若干符合系统要求的参数，将其代人公式(6)，可得到耗能与风速和温度参数值的关系，如图2所示。
从图中可以发现，当系统工作参数为风速3m/s，温度54度(327K)时，系统耗能最小。
4 系统实现
在烘干过程中，在设定风速的情况下，通过调节烘干箱内的温度来实现烘干。对温度的控制是通过加热丝的功率来实现的。根据铝带材的传送速度，可确定在单位时间内的水蒸发量。根据测定的烘干箱内实际温度，通过控制规则，来设定发热丝的发热功率。
由于工厂生产环境、电流波动、散热等因数的影响，烘干箱中的实际温度与理论值会有偏差。因此系统采用了温度反馈的闭环控制系统。系统控制流程图如图3所示。
图3中，V为选定的风速，T2为检测到的烘干箱内实际温度，了、为实际风速与给定值的偏差造成的对温度的影响。
控制系统硬件A - B公司的有可编程控制器 MicroLogixl500、变频器、风机、发热丝，烘干箱，结构如图4所示。
5 编程
这里通过PLC实现PID算法来对风速和温度进行快速有效控制。
PID指令通过从模拟输入模块采样输入并通过模拟输出模块输出来控制一个闭环系统。PID指令使用如下算法：
标准公式为：
另外，PV为模拟输入变量；bias项为输出偏差项，因为为真实应用涉及到传送延迟，需要预加一个偏差项到输出，控制器通过写一个 - 16383到16383范围内的值前馈偏差单元来完成bias的设置，写入的值被加到输出并使前馈通道立刻动作。
为能够在PID指令中使用模拟输入，模拟输入必须经过转换而符合PID指令参数的范围。在 MicroLogixl500中，PID指令中的PV(process vari able)参数必须在0到16383之间。1769Compact I/O模拟模块(1769 - IF4和1769 - OF2)能够非常方便的完成转换。转换数据必须能使模拟输入的范围符合PID参数输入的范围。I/O模块的这种转换能力大大缩短了编程量并使得PID设置更加容易。另外，模拟量的配置可以在Mi croLogixl500的编程软件RSLogix500中方便的配置。
6 结束语
本系统已经在广东佛山投入使用，运行结果表明，烘干效果良好，其数学模型较为准确，系统耗能较小，铝带材出烘干箱后的温度适中。
参考文献
[1] 闵骞．水面蒸发计算模型研究[J]．水利水电科技进展．2003，23(1)．4l～44．
[2] 李英干，范金鹏．湿度测量[M]．北京：气象出版杜，1990．
[3] 吴洪才，刘本鸿，张国强．物理学概念公式及计算[M]．西安：陕西科学技术出版社．1982．
QIAN Chen, WANG Qin-ruo, ZHEN Wei
(Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China)
Abstract: This paper illuminates the drying system modeling of vehicle license auto- product - line, through the analysis of relative humidity, temperature, wind speed and evaporation, we educe a predigested calculate formula, figure out the way of fixing on parameters of wind speed and temperature, and realization method of this system.
Key words: drying; evaporation; energy - saving
1 引言
车牌半成品自动生产线系统包括以下工位：放卷、校直、清洗、烘干、贴膜和冲压。原材料铝带在清洗后，进入下到工位进行贴膜之前，必须使铝带表面处于干燥状态，因而要进行烘干处理。进入烘干阶段之前，要通过表面除水，这样留在铝带表面的是一层比较薄的均匀分布的水膜。铝带烘干之后，需要在进行冷却，以降低材料本身的温度，从而进行下道工序。在烘干的过程中不能使温度上升过高，这样不但增加耗能，也增加了后续冷却工序的时间和耗能。通过对相对湿度、温度、风速和蒸发量的分析，实现烘干过程中使用较少的能量达到良好的烘干效果。
2 数学建模
根据工程要求，我们需要得到水蒸发量与风速和温度的关系公式。目前尚没有世界通用的水面蒸发公式，有报道的全国通用计算公式有3个。根据比较我们决定选择闵骞[1]提出的改进的水面蒸发公式：
根据相对湿度的定义[2]：
在实际工程应用中，该公式过于复杂，可进一步简化。
设方程
广州市及周边地区一年中大多数时间温度高于20度，并且空气中湿度较高。为了方便计算，我们做如下假定：自然空气温度为20度，且空气湿度处于饱和状态。
根据公式(2)，温度为20度(293K)时，空气饱和水汽压为23．1734hPa。水汽蒸发公式(5)改为
从该公式可得到在不同风速下，蒸发量和温度的关系，图1给出了在2m/s、3 m/s、8m/s风速情况下蒸发量和温度的关系所示。
3 控制参数的选定
系统设定的铝带传送速度为0．25 m/s，铝带材宽0．15m，表面水膜厚度为10μ，烘干箱尺寸为长2．85m，高0．6m，宽0．6m。则单位面积的铝带材通过烘干箱需要的时间为11．4 s。若要烘干铝带材，每秒铝带材单位面积的水蒸发量必须要大于0．88μ/S。在实际工程中需要留有一定余量，该值取O．9 μ/s。
取若干符合系统要求的参数，将其代人公式(6)，可得到耗能与风速和温度参数值的关系，如图2所示。
从图中可以发现，当系统工作参数为风速3m/s，温度54度(327K)时，系统耗能最小。
4 系统实现
在烘干过程中，在设定风速的情况下，通过调节烘干箱内的温度来实现烘干。对温度的控制是通过加热丝的功率来实现的。根据铝带材的传送速度，可确定在单位时间内的水蒸发量。根据测定的烘干箱内实际温度，通过控制规则，来设定发热丝的发热功率。
由于工厂生产环境、电流波动、散热等因数的影响，烘干箱中的实际温度与理论值会有偏差。因此系统采用了温度反馈的闭环控制系统。系统控制流程图如图3所示。
图3中，V为选定的风速，T2为检测到的烘干箱内实际温度，了、为实际风速与给定值的偏差造成的对温度的影响。
控制系统硬件A - B公司的有可编程控制器 MicroLogixl500、变频器、风机、发热丝，烘干箱，结构如图4所示。
5 编程
这里通过PLC实现PID算法来对风速和温度进行快速有效控制。
PID指令通过从模拟输入模块采样输入并通过模拟输出模块输出来控制一个闭环系统。PID指令使用如下算法：
标准公式为：
另外，PV为模拟输入变量；bias项为输出偏差项，因为为真实应用涉及到传送延迟，需要预加一个偏差项到输出，控制器通过写一个 - 16383到16383范围内的值前馈偏差单元来完成bias的设置，写入的值被加到输出并使前馈通道立刻动作。
为能够在PID指令中使用模拟输入，模拟输入必须经过转换而符合PID指令参数的范围。在 MicroLogixl500中，PID指令中的PV(process vari able)参数必须在0到16383之间。1769Compact I/O模拟模块(1769 - IF4和1769 - OF2)能够非常方便的完成转换。转换数据必须能使模拟输入的范围符合PID参数输入的范围。I/O模块的这种转换能力大大缩短了编程量并使得PID设置更加容易。另外，模拟量的配置可以在Mi croLogixl500的编程软件RSLogix500中方便的配置。
6 结束语
本系统已经在广东佛山投入使用，运行结果表明，烘干效果良好，其数学模型较为准确，系统耗能较小，铝带材出烘干箱后的温度适中。
参考文献
[1] 闵骞．水面蒸发计算模型研究[J]．水利水电科技进展．2003，23(1)．4l～44．
[2] 李英干，范金鹏．湿度测量[M]．北京：气象出版杜，1990．
[3] 吴洪才，刘本鸿，张国强．物理学概念公式及计算[M]．西安：陕西科学技术出版社．1982．
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