潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

馮智鐘漢云芮慶忠

（1.長沙中聯(lián)重科物料輸送設(shè)備公司 2.廣州中浩控制技術(shù)有限公司）

潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

馮智1鐘漢云2芮慶忠2

（1.長沙中聯(lián)重科物料輸送設(shè)備公司 2.廣州中浩控制技術(shù)有限公司）

介紹了潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際工程案例闡述了潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)的溫濕度控制、壓力控制、送風(fēng)量控制。

潔凈空調(diào)；自動化控制；PLC

0 前言

液晶面板、半導(dǎo)體和生物制藥等行業(yè)的生產(chǎn)廠房對生產(chǎn)環(huán)境要求嚴格，溫度、濕度、正壓值和潔凈度4個主要環(huán)境因素必須控制在指定范圍內(nèi)[1]。潔凈空調(diào)可以向生產(chǎn)車間輸送符合溫濕度要求的潔凈空氣，使生產(chǎn)車間內(nèi)部相對室外的壓差為正值，從而避免了塵埃微粒對生產(chǎn)過程的污染。因此潔凈空調(diào)被廣泛應(yīng)用于集成電路、半導(dǎo)體、制藥、液晶玻璃生產(chǎn)等行業(yè)。本文結(jié)合相關(guān)潔凈工程案例對潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用展開論述。

1 系統(tǒng)的需求分析

成都某電子廠生產(chǎn)車間分為4層，共設(shè)9個潔凈區(qū)，每層各配置一臺組合式空調(diào)機組。如圖1所示，組合式空調(diào)機組的空氣處理功能段依次為：新風(fēng)進風(fēng)段、初效過濾段、冷水盤管段、加濕段、一次回風(fēng)混合段、熱水盤管段、風(fēng)機段、中效過濾段、出風(fēng)段。

圖1 組合式空調(diào)示意圖

該電子廠潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)控范圍：1) 潔凈室溫濕度控制；2) 潔凈室壓力控制；3) 送風(fēng)量控制；4) 設(shè)備遠程啟停和參數(shù)設(shè)定。

潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)正常運行時，現(xiàn)場無人值班，少人值守。潔凈室生產(chǎn)環(huán)境的控制范圍和精度要求為：溫度（22℃±2℃）、濕度（50±10% RH）、壓力（10 Pa）。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

潔凈空調(diào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，其控制系統(tǒng)分為2層，分別為上位機監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場層的PLC系統(tǒng)。

圖2 潔凈空調(diào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控和設(shè)備的遠程操作。潔凈室內(nèi)的溫濕度顯示和壓差顯示、變頻器的運行頻率顯示、送風(fēng)機的啟?？刂坪碗妱娱y門的開關(guān)控制等，都可以通過上位機的組態(tài)軟件實現(xiàn)。潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面如圖3所示。

PLC系統(tǒng)包括CPU單元、I/O模塊以及現(xiàn)場的變頻器、電動閥門和傳感器，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制、數(shù)據(jù)采集。

圖3 潔凈空調(diào)監(jiān)控界面圖

2.2 溫濕度控制

溫濕度控制是潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。如圖4所示，單純使用室內(nèi)溫濕度控制冷水閥和熱水閥，其中溫度PID調(diào)節(jié)器控制冷水閥和熱水閥進行溫度調(diào)節(jié)，濕度PID調(diào)節(jié)器控制冷水閥和加濕器進行濕度調(diào)節(jié)。

圖4 常見的冷水閥和熱水閥控制方法

溫度和濕度的關(guān)聯(lián)性比較強，在除濕或者加濕的過程中，送風(fēng)溫度必然發(fā)生變化，經(jīng)過熱水盤管的溫度調(diào)節(jié)后，相對濕度也隨之變化[2]。圖4控制方法存在的問題：冷卻閥是由溫度PID調(diào)節(jié)器和濕度PID調(diào)節(jié)器共同控制的，當(dāng)切換動作發(fā)生時，冷水閥開度發(fā)生突變，送風(fēng)溫濕度就會出現(xiàn)波動，并且溫濕度調(diào)節(jié)是一個大滯后的過程。這些原因?qū)е铝藵崈羰业臏貪穸仍诤荛L一段時間內(nèi)都難以穩(wěn)定下來，容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，見圖5和圖6。

圖5 潔凈室濕度歷史趨勢圖

圖6 潔凈室溫度歷史趨勢圖

如果只要求把溫濕度這兩個環(huán)境參數(shù)中的其中一個控制在誤差范圍內(nèi)，實現(xiàn)起來比較容易。但若要溫濕度同時都控制在誤差范圍內(nèi)，則需要正確分析溫度和濕度的關(guān)聯(lián)性，找到準(zhǔn)確的控制方法[2]。

焓濕圖（如圖7所示）可以清晰地說明空氣在熱濕處理過程中溫濕度發(fā)生的變化。

圖7中，A點是空氣狀態(tài)的控制目標(biāo)點（空氣溫度22℃，相對濕度50% RH，露點溫度11℃），假設(shè)B點是當(dāng)前空氣狀態(tài)點?？諝庠跓崴P管加熱過程中，含濕量是保持不變的，溫度上升而相對濕度下降[3]，即空氣狀態(tài)從B點移到了C點，這是一個等濕加熱過程；相反，空氣在冷水盤管冷卻過程中，空氣狀態(tài)從C點移到了B點，溫度下降而相對濕度上升，空氣含濕量還是保持不變的；若繼續(xù)增大冷水閥的開度以增強冷卻作用，直到空氣狀態(tài)從B點移到了E點，空氣達到飽和狀態(tài)而析出水滴，達到除濕的效果[3]，此時空氣溫度等于露點溫度；若繼續(xù)冷卻除濕，露點溫度不斷下降，空氣狀態(tài)沿著100%等相對濕度線從E點移到了F點，再經(jīng)過熱水盤管的等濕加熱過程，空氣狀態(tài)從F點移到了A點?？諝鉅顟B(tài)從C點到A點的變化過程，就是空氣降溫除濕的過程。

圖7 焓濕圖

本文針對圖4的控制方法進行了改進，以A點（空氣溫度22℃，相對濕度50% RH，露點溫度11℃）的空氣狀態(tài)作為控制目標(biāo)，在新風(fēng)進風(fēng)口增加溫濕度傳感器，在送風(fēng)口增加露點溫度傳感器，根據(jù)不同的天氣條件，結(jié)合焓濕圖，歸納出以下三種情況的控制策略：

1) 當(dāng)新風(fēng)空氣溫度高于露點溫度（11℃）時，冷卻除濕后再加熱；

2) 當(dāng)新風(fēng)空氣溫度低于露點溫度（11℃）且低于室內(nèi)設(shè)定溫度（22℃）時，加熱加濕；

3) 當(dāng)新風(fēng)空氣溫度低于露點溫度（11℃）且低于室內(nèi)設(shè)定溫度（22℃）時，冷卻加濕。

使用上述控制策略，溫度PID調(diào)節(jié)器和濕度PID調(diào)節(jié)器對冷水閥的切換動作不會導(dǎo)致溫濕度的波動；同時在送風(fēng)口增加露點溫度傳感器，可以區(qū)分開冷卻與冷卻除濕這兩種情況，防止需要冷卻但不需要除濕時的過冷卻，又能減少冷水閥和熱水閥同時打開能量相互抵消這種情況，節(jié)約了能源。測試結(jié)果表明，溫濕度控制效果有較大改善，如圖8和圖9所示。

現(xiàn)場調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，潔凈室內(nèi)的設(shè)備發(fā)熱量大，對潔凈室的溫濕度存在一定影響，造成潔凈室溫度偏高濕度偏低。將送風(fēng)溫濕度調(diào)整到稍低于設(shè)定值，可解決該問題。

圖8 潔凈室濕度歷史趨勢圖

圖9 潔凈室溫度歷史趨勢圖

2.3 正壓控制

潔凈室保持一定的正壓值，當(dāng)進出口的門打開時，向室外吹風(fēng)，可以避免灰塵進入潔凈室內(nèi)。只要潔凈室的送風(fēng)量大于排風(fēng)量和回風(fēng)量之和，就能保證潔凈室維持一定的正壓值。

本文取多個室內(nèi)壓差傳感器實測值的平均值作為正壓PID控制的反饋值，這有利于降低局部壓差波動對反饋值的影響。正壓PID控制程序根據(jù)壓差的反饋值與設(shè)定值的偏差，控制新風(fēng)閥的開度來調(diào)節(jié)送風(fēng)量。

2.4 送風(fēng)量控制

送風(fēng)量PID調(diào)節(jié)器根據(jù)風(fēng)管空氣速度傳感器的實測值與設(shè)定值的偏差，自動調(diào)節(jié)送風(fēng)機變頻器的頻率，保持生產(chǎn)車間送風(fēng)量的穩(wěn)定。

電子廠各個生產(chǎn)車間生產(chǎn)情況不一樣，因而各個生產(chǎn)車間的送風(fēng)時段不同。根據(jù)生產(chǎn)車間的實際使用情況為潔凈空調(diào)設(shè)置了3種工作模式：運行模式、停機模式、夜間模式。

運行模式：送風(fēng)機根據(jù)設(shè)定風(fēng)速自動調(diào)節(jié)送風(fēng)量。停機模式：關(guān)閉所有閥門和送風(fēng)機。

夜間模式：不需要送風(fēng)的房間，關(guān)閉室內(nèi)的送風(fēng)閥和回風(fēng)閥，使該房間處于停風(fēng)狀態(tài)。同時降低送風(fēng)機變頻器的頻率，保持需要送風(fēng)的房間風(fēng)量穩(wěn)定。

根據(jù)系統(tǒng)投入使用后的能耗記錄比較，這3種工作方式合理運用可以使?jié)崈艨照{(diào)系統(tǒng)節(jié)約大量能源。

2.5 系統(tǒng)的控制難點

2.5.1 濕度控制

由于溫濕度具有大滯后和相互關(guān)聯(lián)的特性，使用傳統(tǒng)的溫濕度調(diào)節(jié)方法難以得到滿意效果，通過引入露點溫度控制調(diào)整潔凈空調(diào)送風(fēng)，改善了系統(tǒng)的控制效果，有效避免了系統(tǒng)的波動。

2.5.2 PID控制參數(shù)的整定

工程上，PID控制參數(shù)常通過實驗試湊法確定。實驗試湊法是通過閉環(huán)運行，觀察控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，再根據(jù)各參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響，反復(fù)試湊參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)曲線，最終確定PID控制參數(shù)，衰減曲線圖見圖10[4]。

實驗試湊法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”[4]。

對于溫度控制等應(yīng)用場合，通常容量滯后較大，適當(dāng)加入微分作用，可改善控制效果。

圖10 衰減曲線圖

3 結(jié)語

自動化控制技術(shù)在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，保證了潔凈室內(nèi)空氣參數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，同時能有效地節(jié)約能源，并對設(shè)備進行有效的管理，潔凈空調(diào)系統(tǒng)的自動化程度也得到進一步提高。

[1] 王新華.HVAC行業(yè)及應(yīng)用介紹.施耐德電氣(中國)投資有限公司資料,2003.

[2] 松元忠雄,陸品楨.凈化室內(nèi)的溫濕度控制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,1991(1):59-62.

[3] 劉瑞霞,王玲,王永晰.潔凈室的溫濕度控制設(shè)計[J].自動化儀表,2005,26(8):19-21.

[4] 劉金琨.先進PID控制及其Matlab仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

The Design and Application of Control System in Clean Air-Conditioning System

Feng Zhi1 Zhong Hanyun2 Rui Qingzhong2
(1.ZOOMLION Material Conveying Equipment Company 2.Guangzhou CH Control Technology Co.,Ltd.)

This article introduces the network structure of control system, combined with the actual project cases, discusses the method of controlling the temperature, humidity, pressure and air supply rate in clean air conditioning control system.

Clean Air Conditioning; Automatic Control; PLC

馮智，男，1978年出生，工程學(xué)士，工程師，研究方向：自動控制與空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。

鐘漢云，男，1986年出生，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：自動控制與空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。

芮慶忠，男，1977年出生，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：自動控制與空調(diào)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用。