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实验型智能高效人工气候舱关键技术研究及应用

2017-09-20

气候舱是可人工控制温度、湿度、风速、洁净度、气压和气体成分等因素的密闭与外界隔离设备,由控制平台、空气处理机组和被控环境实验舱三部分组成,是典型的机电一体化装备,主要用于产品投入批量生产前必须进行的标准化测试。2010年,广东机电职业技术学院在建筑环境节能控制领域完成省级科技计划项目并获2项科技进步奖的基础上,筹建省级工程中心并获立项,2010年底与广州天河兰石技术开发有限公司启动产学研合作,确定在“计算机模拟仿真与控制”“气候舱功能综合化”“节能技术”“提高标准化水平降低成本”4个方面开展多项专题研究。

项目历时5年,通过应用关联规则,开展有监督学习和无监督聚类分析等数据挖掘分析、数值模拟、实验验证、工程应用等工作,建立了“兰石产品与服务统一综合管理平台”,取得了“制冷空调系统仿真”“气候舱热管理”“温湿度独立调节”“系统运行分程控制”“变流量变蒸发温度系统”“能量随动风机控制”6项关键技术创新。获国家发明专利4项(一种热回收式恒温槽循环设备及其恒温方法,专利号:ZL201410379829.7;温度和湿度独立的四分程空气调节系统,专利号:ZL201110025178.8;一种温湿工况调节系统,专利号:ZL201210068234.0;冰箱换热器性能测控装置,专利号:ZL201410485805.X),获实用新型专利“一种旋流射水器”(专利号:ZL201520095420.2)、“水箱以及包括该水箱的热泵热水器和恒温槽循环系统”(专利号:ZL201520098637.9)等18项,软件著作权3项,在国家和省级刊物发表科技论文12篇。该项目主要完成人有童蕾、陈雪清、佘少华、唐峥、罗祥坤、黎泽明、唐睿。

一、兰石产品与服务统一综合管理平台

在“提高标准化水平降低成本”方面,建立了兰石产品与服务统一综合管理平台。平台利用物联网技术和设备管控技术加强信息管理和服务,清楚掌握产销流程,提高生产过程的可控性,减少生产线上人工的干预,及时正确地采集生产线数据,合理地编排生产计划与生产进度。

平台涵盖5个模块,分别是:(1)生产准备模块,主要检验来料品质并收集来料的规格、品质等数据信息;(2)生产模块,引入电子看板工具,只对最后工序发放生产计划,下工序利用看板向上工序发出生产计划,实现需求拉动生产控制,缩短交货期;(3)系统调试模块,依据产品相关国际标准、国家标准、行业标准,按标准工序进行产品功能调试,主要记录产品调试一次成功率及调试过程的功耗;(4)系统运行模块,检测系统变工况运行的参数,为提升产品质量提供有挖掘价值的数据;(5)售后维护模块,建立远程维护服务系统,将用户反馈意见及现场维护记录的历史数据和实时数据用于节能型环境气候舱设备故障监测,减少故障率。

二、气候舱功能综合化

建成兰石节能型“多功能焓差实验室”,确认了空调、热泵热水器、冰箱、风机盘管、两器产品等12个检测对象,83个检测项目,16个检测标准。实验室根据相关产品标准,在一套试验系统上兼容空调器性能及不同地区(中国、日本、北美等)季节能效性能测试,风机盘管机组(内侧)、家用热泵热水器(外侧)、冷柜(外侧)、冰箱(内侧)、房间空调器用翅片式换热器(蒸发器,冷凝器)、冷风机(外侧)、压缩冷凝机组(外侧)等产品的综合性能测试。在空气焓差法实验室基础上,合理增加可移动式冰箱测试角,恒温冷(热)水系统能够用于各种制冷装置(压缩机、换热器)与控制阀的检测。依照AHRI210/240 标准,准确测定空调在各种工况下的风量、制冷(热)量、能效指标和耗功等技术数据,并提供SEER/HSPF 工具软件进行季节能效比的评价。同时,还可以用于其他标准工况相关试验及扩展试验,为客户提供较完整的型式试验手段,满足产品抽检及产品开发(制冷系统匹配)、科研及教学等方面的使用需求。

三、制冷空调系统仿真

在“计算机模拟仿真与控制”研究方面,将计算机辅助控制应用在制冷职业技能培训与考核中。利用Visual C++和Visual Fortran软件开发了环境模拟系统可视化模拟与控制仿真平台,该平台运行于Windows操作系统,主要可以对气候舱中复杂热力系统进行仿真。提出一种利用仿真平台建模、Simulink进行控制方案设计,并且用OPC实现两者通信的仿真思路,充分利用三者各自优势,形成一个闭环仿真环境。其高扩展性可满足环境模拟领域的复杂热力系统(主要是制冷空调系统)的仿真建模。

仿真平台主要由5个子系统构成,分别是模型开发支持系统、模型运行与调试系统、变量数据库管理系统、网络通信系统和Matlab应用程序开发接口系统。仿真平台的开发主要使用了内存共享技术、编译器迁入设计以及多任务多进程设计等。

四、智能高效技术

在“节能技术”研究方面,针对人工气候舱的结构特点,分别对空气处理装置、制冷装置、测控系统进行节能研究。采用双压、双温、变流量蒸发技术进行温湿度解耦,根据负荷情况自动调整为加热、降温、增湿、除湿,模糊控制与PID相结合的分程控制和串级控制方法缓解控制延迟和超调现象。以实验舱内流体(空气、水、制冷剂)循环回路作为热管理主要实现手段,主要通过被试机热回收及制冷装置冷凝热回收技术解决系统热冗余问题。

2013—2015年,项目技术成果转化的温度和湿度独立控制的四分程空气调节装置等12项产品入选广东省高新技术产品名单。兰石公司2012年获国家高新技术企业资质,2014年被评为广州市“科技小巨人”企业。综合多项核心技术的多功能焓差实验室获得广东省高新技术产品认定及CNAS认证,并正式对外承接测试服务。该产品可以覆盖中国国家标准GB7725、国际标准ISO5151、日本工业协会标准JIS8615、欧洲标准EN14511和美国标准ANSI RAC-1-2,节能率达30%以上。项目研发的技术成果已经成功应用到产品中,通过销售新的节能实验室和改造旧焓差实验室的经营模式,成功实现了产品的市场化,用户包括格力、海尔、美的等国内知名的空调和制冷产品制造商,还包括中国质量认证中心、中国赛宝实验室、TUV、Intertek等国内外知名的第三方试验室,产品远销加拿大、澳大利亚、土耳其等国家和地区。

项目通过开展实验型智能高效人工气候舱关键技术研究及应用,利用实际制冷循环蒸发器内冷媒温度变化特性,应用一套空调系统完成温、湿度的独立控制,并回收冷凝热,辅以分程控制技术和串级控制方法,减少空气调节过程的能源浪费,突破产业化技术瓶颈,形成新工艺,完成高新技术产品,迎合了我国工业转型升级提质增效的发展需求。项目实施过程中建立了高校与技术型企业深度合作关系,协同创新,大力整合科技资源,强化产学研合作意识,建立产学研对接与交流机制,凝聚产学研发展合力。广东机电职业技术学院广大师生在以技术成果服务企业的同时也提高了自己的科研、教学与创新创业能力,产学研合作呈现出校企双赢、多赢的良好局面。