藥廠的生產(chǎn)車間不同于一般的舒適性空調(diào)房間,室內(nèi)的溫濕度控制要求精度較高,一般要求溫度在22℃±2℃,相對(duì)濕度在55%±5%以內(nèi),同時(shí)對(duì)空氣的潔凈度也有較高要求,使得換氣次數(shù)較多,新風(fēng)量大,甚至有直排系統(tǒng)。因?yàn)橥饨绲臏貪穸茸兓瘜?duì)室內(nèi)溫濕度影響較大,所以只有選擇合理的溫濕度控制方案,才能確保室內(nèi)的溫濕度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文主要針對(duì)采用傳統(tǒng)控制方法的工業(yè)用空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題,提出了一套控制方案,并有助于提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性。
1 溫濕度控制的特性以及常見(jiàn)問(wèn)題
1.1 溫濕度控制的特性
對(duì)濕空氣單純地加熱或制冷過(guò)程,是含濕量保持不變的過(guò)程,即絕對(duì)濕度保持不變的過(guò)程。濕空氣經(jīng)過(guò)盤管加熱,溫度升高而相對(duì)濕度下降;相反,對(duì)冷卻過(guò)程,溫度下降而相對(duì)濕度相應(yīng)升高,因此我們可以得出,溫度和相對(duì)濕度是兩個(gè)不同方向的控制量,要使溫濕度同時(shí)向相同的趨勢(shì)變化,則單純靠加熱/冷卻過(guò)程是不能實(shí)現(xiàn)的。冷卻去濕過(guò)程是濕空氣經(jīng)冷卻達(dá)到飽和后繼續(xù)制冷的過(guò)程,濕空氣經(jīng)過(guò)冷卻盤管析出水滴從而降低了絕對(duì)濕度,起到降濕的作用。因而我們可以將空氣處理過(guò)程分為加熱、加熱加濕、制冷、制冷再熱和制冷加濕等5個(gè)部分,如圖1所示。
圖1中,橫坐標(biāo)為含濕量,即每千克干空氣所含有的水蒸汽量;縱坐標(biāo)為溫度。由目標(biāo)狀態(tài)絕對(duì)濕度線、目標(biāo)溫度和目標(biāo)濕度線以及機(jī)器露點(diǎn)的危險(xiǎn)警戒濕度線(相對(duì)濕度為95%),可以劃分為5個(gè)控制狀態(tài),詳見(jiàn)表1。
根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?我們劃分了不同的區(qū)域,分別為遠(yuǎn)離工作區(qū)(陰影外的區(qū)域)、工作區(qū)(陰影所示區(qū)域)和容限區(qū)。在遠(yuǎn)離工作區(qū)將使用大步距逼近的控制方法,工作區(qū)將采用本文所講的智能控制策略,容限內(nèi)保持各閥門狀態(tài)。
1.2 實(shí)際過(guò)程中所采用的方法以及常見(jiàn)問(wèn)題
1.2.1 冷熱水閥的控制問(wèn)題
溫度變化的方向與冷/熱水閥的動(dòng)作方向相反,通常是采用冬夏季分開(kāi)的運(yùn)行模式。這樣的做法在過(guò)度季節(jié)會(huì)難以判斷和確定運(yùn)行模式,很容易造成室內(nèi)溫濕度的失調(diào)。
1.2.2 常規(guī)的處理方法及問(wèn)題
為了解決除濕問(wèn)題,通常采用濕度優(yōu)先的方法,冷水閥主要用來(lái)除濕,同時(shí)也造成溫度的下降,然后通過(guò)熱水閥的再熱,使溫濕度均能達(dá)到所要求的值,這樣的做法雖然可以滿足設(shè)計(jì)要求,但在相當(dāng)多的時(shí)候,冷熱水閥使能量相互抵消,造成了能源的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前在我國(guó),空調(diào)系統(tǒng)的能耗占整個(gè)建筑物能耗的50%～60%,因此對(duì)空調(diào)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制,選擇合理的控制方法,對(duì)建筑節(jié)能具有重要的意義。
單純地采用回風(fēng)溫度閉環(huán)控制冷/熱水閥以控制室內(nèi)溫度的做法,其PID參數(shù)難以整定在合適的范圍內(nèi),很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。如果調(diào)節(jié)動(dòng)作慢,造成提前開(kāi)機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),調(diào)節(jié)動(dòng)作快,則很容易造成系統(tǒng)的超調(diào),甚至產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象。
2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
藥廠潔凈室的溫濕度控制是一個(gè)多變量控制對(duì)象,溫度控制和濕度控制之間相互影響,且其動(dòng)態(tài)特性差異較大,特別是溫度和濕度的相關(guān)性較強(qiáng),所以我們采用了串級(jí)和分程控制的方法,盡量避免以上問(wèn)題的發(fā)生。
在每一個(gè)延時(shí)控制環(huán)節(jié),溫濕度變送器檢測(cè)的溫濕度值與當(dāng)前目標(biāo)溫濕度狀態(tài)比較,確定其工作區(qū)間及模糊分區(qū),自動(dòng)匹配應(yīng)有的控制狀態(tài),在每一個(gè)模糊分區(qū)都采用以下的控制策略,設(shè)定值為當(dāng)前潔凈室所要求的值。
根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn):副環(huán)具有快速作用,它能夠有效地克服二次擾動(dòng)的影響,起著改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用,在控制過(guò)程中起著“粗調(diào)”的作用;外層的閉環(huán)稱為主回路或主環(huán),用來(lái)完成“細(xì)調(diào)”任務(wù),以最終保證被控量滿足工藝要求。串級(jí)控制系統(tǒng)中盡管有兩個(gè)調(diào)節(jié)器,但它們的作用各不相同。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值,它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值,在系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用,副環(huán)主要是克服外部擾動(dòng),而主環(huán)主要克服內(nèi)部擾動(dòng)。
考慮到節(jié)能的需要,采用了分程的控制方法。為了避免冷、熱水閥同時(shí)打開(kāi),所以在控制冷、熱水閥時(shí)選用分程控制,如圖2所示。其控制過(guò)程為:控制器的輸出可通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換為一個(gè)對(duì)稱的區(qū)間范圍,例如-100%到100%,通過(guò)分程過(guò)程后分為兩個(gè)信號(hào)的輸出,即-100%到-5%(可以改變)和5%到100%。由于冷/熱水閥不能切換得太快,所以有一個(gè)延時(shí)過(guò)程,再通過(guò)這兩個(gè)信號(hào)來(lái)分別控制熱水閥和冷水閥的開(kāi)度,如圖3所示。分程的實(shí)現(xiàn)是由軟件(Saia公司的PG5軟件)通過(guò)模塊SEQ-HC來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在圖3中,X軸表示控制信號(hào)P,Y軸表示閥的開(kāi)度。當(dāng)P為-100%時(shí),冷水閥全打開(kāi),P為-5%時(shí)為全關(guān)閉;P為100%時(shí),熱水閥全打開(kāi),P為5%時(shí)為全關(guān)閉,-5%～5%為延時(shí)過(guò)程。
2.2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
大空間大慣性大延時(shí)的工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)中,我們采用了PI控制方式,防止系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩,該系統(tǒng)采用了溫濕度三級(jí)串級(jí)控制的方法,設(shè)置了PI控制死區(qū),并在軟件中采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)的方法,從而避免了系統(tǒng)的震蕩,保證了系統(tǒng)的控制精度。
2.2.1 溫度串級(jí)過(guò)程
由于送風(fēng)溫度受干擾而波動(dòng)比較大,所以設(shè)置為副環(huán),回風(fēng)溫度設(shè)置為主環(huán),并在副環(huán)設(shè)置死區(qū),這樣可以很好地滿足室內(nèi)溫度穩(wěn)定地調(diào)節(jié)。主環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程較慢,而副環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程較快,這樣在一開(kāi)機(jī)后就會(huì)很快地使室溫達(dá)到所要求的值,同時(shí)也抑制了系統(tǒng)的超調(diào)。在不考慮濕度的情況下,送風(fēng)溫度和回風(fēng)溫度串級(jí)流程圖如圖4所示。
2.2.2 系統(tǒng)流程圖
由于冷水閥是由溫度和濕度共同控制的,所以還要加上濕度的串級(jí)控制,這樣整個(gè)系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。送風(fēng)和回風(fēng)溫度串級(jí)控制輸出經(jīng)過(guò)分程控制,把
-100%到-5%的信號(hào)(要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換)和濕度控制經(jīng)過(guò)分程后的-100%到-5%的信號(hào)疊加來(lái)共同控制冷水閥,溫度分程后的5%到100%的信號(hào)則直接控制熱水閥的開(kāi)度,濕度分程后的5%到100%的信號(hào)則控制加濕閥的開(kāi)度。
2.3 溫濕度解耦
根據(jù)空氣調(diào)節(jié)的原理,在空調(diào)系統(tǒng)的控制中,特別是在恒溫、恒濕的空調(diào)系統(tǒng)中,能否解決空氣溫度與相對(duì)濕度之間耦合問(wèn)題特別重要,它將直接影響到控制精度。為了解決上述問(wèn)題,必須采用解耦的方法,即在溫濕度控制回路之間引入解耦環(huán)節(jié)R1和R2,使溫濕度控制分別成為:
溫度輸出量T=Kt[(1-R1)×Ct+R1×Ch]
濕度輸出量H=Kh[(1-R2)×Ch+R2×Ct]式中:R1=0～1;R2=0～1。
Kt和Kh是為提高控制精度而定的系數(shù),R1和R2的實(shí)際值為0～1,不同的季節(jié)或在不同的負(fù)荷下,需要另做調(diào)整,具體做法是先設(shè)R1=R2=0,這時(shí)每當(dāng)升溫或除濕啟動(dòng),都會(huì)造成潔凈室內(nèi)溫度和濕度的較大波動(dòng),然后再根據(jù)情況逐漸增大R1和R2,使這種波動(dòng)減小,最終達(dá)到解耦控制的目的。
2.4 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
①冷水閥、熱水閥、加濕閥分別采用分程控制,可以克服采用冬夏季轉(zhuǎn)換模式所帶來(lái)的過(guò)渡季節(jié)難以判斷的問(wèn)題。
②冷水閥采用送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度串級(jí)控制,并設(shè)置死區(qū),較好地解決了溫度和濕度的超調(diào)問(wèn)題,穩(wěn)定性較好,從而提高了系統(tǒng)的控制精度,減少了能源的浪費(fèi)。
3 結(jié)束語(yǔ)
本控制方法在天津CTS電子廠潔凈室以及天津中新藥業(yè)潔凈室溫濕度控制系統(tǒng)的應(yīng)用中取得了實(shí)際的效果,有效抑制了系統(tǒng)的超調(diào),并且不會(huì)造成能源的浪費(fèi),控制效果較為理想,操作也比較簡(jiǎn)便,達(dá)到了藥廠潔凈室運(yùn)行高效率、低成本的目的。