藥廠潔凈空調(diào)箱的BMS 控制策略

文/鄒小安 張春紅 李偉敏 歐陽健

在季節(jié)交替時(shí)，空調(diào)箱的輸出溫度/濕度會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)較大波動(dòng)——這是由于許多采用BMS（Building Monitoring System）進(jìn)行控制的潔凈空調(diào)箱的表冷器在這時(shí)突然切換至機(jī)器露點(diǎn)進(jìn)行除濕，加熱盤管卻來不及響應(yīng)。為解決這一問題，本文介紹了一種以外界新風(fēng)露點(diǎn)與時(shí)間的導(dǎo)數(shù)關(guān)系作為前饋調(diào)節(jié)的控制策略，使表冷器輸出能夠平滑的切換到機(jī)器露點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)箱能常年有效地自動(dòng)控制。

溫度、濕度是藥廠生產(chǎn)工藝所要控制的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，廠房應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)恼彰?、溫度、濕度和通風(fēng)，用以確保生產(chǎn)和貯存的產(chǎn)品質(zhì)量以及相關(guān)設(shè)備性能不會(huì)直接或間接地受到影響[1]。藥廠一般采用潔凈空調(diào)箱來進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)，其硬件配置基本上是大同小異的，除了本身表冷器的換熱量不夠這一原因外，季節(jié)交替時(shí)，溫度、濕度的波動(dòng)主要是控制軟件所造成的。雖然潔凈空調(diào)箱各功能段的設(shè)置也會(huì)有所不同，但這實(shí)際上并不一定會(huì)影響到其溫度、濕度的控制。為了便于討論，本文就用如圖1 所示的潔凈空調(diào)箱配置來進(jìn)行討論。

圖1 潔凈空調(diào)箱示意圖

溫濕度波動(dòng)產(chǎn)生的原因

季節(jié)交替時(shí)段控制的不連續(xù)性

如圖1 所示，潔凈空調(diào)箱是用表冷來進(jìn)行除濕、降溫的，為了使?jié)崈艨照{(diào)箱輸出的溫度、濕度數(shù)據(jù)能夠達(dá)到環(huán)境的要求，它有一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)置參數(shù)叫 “機(jī)器露點(diǎn)”。機(jī)器露點(diǎn)是潔凈空調(diào)箱的表冷器、除濕時(shí)需要達(dá)到的最高露點(diǎn)溫度。當(dāng)外界氣候的露點(diǎn)溫度上下穿越設(shè)備機(jī)器露點(diǎn)的時(shí)候（如圖2 所示），如果在算法上不做優(yōu)化，表冷器的輸出就出現(xiàn)了不平滑的情況。

圖2 外界氣候上下穿越機(jī)器露點(diǎn)的示意圖

從圖2 的外界氣候露點(diǎn)曲線可以看出，從A 點(diǎn)到C 點(diǎn)的露點(diǎn)溫度都是大于機(jī)器露點(diǎn)的。在這個(gè)區(qū)域里表冷器可以直接將外界氣候的露點(diǎn)溫度降至機(jī)器露點(diǎn)，然后由加熱盤管控制空調(diào)箱輸出的溫度。

由C 點(diǎn)到E 點(diǎn)的區(qū)域，外界氣候的露點(diǎn)溫度已經(jīng)滿足我們的需要，所以不需要除濕。如果外界氣候的溫度高于回風(fēng)溫度，那表冷器還是需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕禍?。但如果外界氣候的溫度已?jīng)低于回風(fēng)溫度較多，表冷器便不再需要工作。到底在外界氣候溫度為多少的時(shí)候可以關(guān)閉表冷器？這則與二次回風(fēng)的量有一定的關(guān)系。

當(dāng)外界氣候的露點(diǎn)溫度由機(jī)器露點(diǎn)之上，向下穿越機(jī)器露點(diǎn)通過C 點(diǎn)的時(shí)候，可以允許表冷延緩關(guān)小冷凍水的閥門，此時(shí)只會(huì)導(dǎo)致能耗的增加，但一般不會(huì)影響平緩輸出。

然而，當(dāng)外界氣候的露點(diǎn)溫度由機(jī)器露點(diǎn)之下，向上穿越機(jī)器露點(diǎn)通過E 點(diǎn)的時(shí)候，表冷器從一個(gè)不需要除濕或者甚至于關(guān)閉的狀態(tài)，變化為突然需要降溫至機(jī)器露點(diǎn)的狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候表冷器的輸出就會(huì)出現(xiàn)懸崖，輸出的為非平滑曲線。

需要保持表冷器的輸出為平滑曲線

潔凈空調(diào)箱后面的加熱盤管，是在表冷器輸出溫度基礎(chǔ)上進(jìn)行控制的。如果表冷器的輸出出現(xiàn)了脈沖或懸崖，那加熱盤管的輸出也必將會(huì)出現(xiàn)脈沖或懸崖。在上文已經(jīng)提到當(dāng)外界氣候由機(jī)器露點(diǎn)之下，向上穿越機(jī)器露點(diǎn)通過E 點(diǎn)的時(shí)候，為了滿足相對濕度控制的需要，表冷器的輸出溫度必定會(huì)出現(xiàn)懸崖。但如果它緩慢地進(jìn)行降溫，保持輸出的溫度曲線平滑，那潔凈空調(diào)箱輸出的相對濕度必然會(huì)超標(biāo)。這在全新風(fēng)室外新風(fēng)的潔凈空調(diào)箱上表現(xiàn)得尤為明顯，在回風(fēng)比例很大又是室內(nèi)取風(fēng)的情況下就表現(xiàn)得相對不明顯。另外，如果是采用露點(diǎn)來控制相對濕度的話，溫度的變動(dòng)也必然導(dǎo)致相對濕度的波動(dòng)。

所以需要保持表冷器的輸出曲線為一個(gè)平滑的曲線，才能夠保障后續(xù)加熱盤管的有效配合。所謂的輸出為平滑曲線在數(shù)學(xué)上是有定義的，就此處的表冷器而言，就是它輸出的溫度與時(shí)間的函數(shù)，其對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)必須為一個(gè)連續(xù)的函數(shù)。如果它的高階導(dǎo)數(shù)也是一個(gè)連續(xù)的函數(shù)，那它的光滑程度就更高。

如何實(shí)現(xiàn)表冷器輸出平滑的曲線

表冷需要以外界新風(fēng)來前饋控制

如圖1 所示，潔凈空調(diào)箱的表冷器需要根據(jù)外界新風(fēng)的露點(diǎn)來進(jìn)行控制[2]，也就是我們平時(shí)所說的前饋調(diào)節(jié)。如果它是按照潔凈空調(diào)箱的輸出來進(jìn)行控制，那它的輸出永遠(yuǎn)都是滯后的。

曾經(jīng)還有用回風(fēng)溫度來區(qū)分夏季模式和冬季模式的解決方案：新風(fēng)溫度高于回風(fēng)溫度的情況定義為夏季模式，新風(fēng)溫度低于回風(fēng)溫度的情況定義為冬季模式。但這樣的定義在程序設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)麻煩，如果一定要定義夏季、冬季模式的話，建議用新風(fēng)的露點(diǎn)溫度來進(jìn)行：新風(fēng)的露點(diǎn)溫度高于機(jī)器露點(diǎn)的情況定義為夏季模式，新風(fēng)的露點(diǎn)溫度低于機(jī)器露點(diǎn)的情況定義為冬季模式。

如何獲得表冷器輸出的平滑曲線

想要很好地實(shí)現(xiàn)BMS 的全天候控制，需要由三方面的專業(yè)人員（暖通專業(yè)的人員、自控算法設(shè)計(jì)的人員、寫代碼的人員）共同協(xié)作。只有暖通專業(yè)的人員才了解，外界氣候上下穿越機(jī)器露點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)的情況。一般自控設(shè)計(jì)的人員認(rèn)為，外界氣候是連續(xù)的，在自控上不會(huì)出現(xiàn)問題。既然穿越機(jī)器露點(diǎn)時(shí)表冷輸出會(huì)出現(xiàn)懸崖，那自控算法的人員需要設(shè)法彌補(bǔ)。最終再由編寫代碼的人員落實(shí)到具體的行動(dòng)中，這樣才能夠獲得完美的結(jié)果。BMS系統(tǒng)的具體架構(gòu)，如圖4 所示。下文將著重討論如何在控制算法上進(jìn)行優(yōu)化，從而使得表冷器輸出平滑的曲線。

圖4 BMS 系統(tǒng)架構(gòu)圖

首先我們在程序中建立外界新風(fēng)露點(diǎn)對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)dD/dt（或者△D/△t），如圖3 所示。

圖3 露點(diǎn)曲線的示意圖

當(dāng)在外界新風(fēng)露點(diǎn)大于機(jī)器露點(diǎn)的情況下，無論dD/dt（或者△D/△t）是大于零還是小于零，表冷器都需要輸出機(jī)器露點(diǎn)的溫度。

當(dāng)外界新風(fēng)露點(diǎn)由機(jī)器露點(diǎn)上方，向下穿越機(jī)器露點(diǎn)的時(shí)候，向下穿越機(jī)器露點(diǎn)以后，表冷器就不再需要承擔(dān)除濕的功能。表冷器可以緩慢地關(guān)小冷凍水的流量，來滿足對溫度控制的需要。

當(dāng)在外界新風(fēng)露點(diǎn)小于機(jī)器露點(diǎn)的情況下，此時(shí)表冷器就不再需要承擔(dān)除濕的功能，僅需要維持合適的溫度即可。

當(dāng)外界新風(fēng)露點(diǎn)由機(jī)器露點(diǎn)下方，向上穿越機(jī)器露點(diǎn)的時(shí)候(如圖3 所示)，外界氣候露點(diǎn)在機(jī)器露點(diǎn)的下方，即dD/dt（或者△D/△t）的時(shí)候，說明曲線處于上升階段。隨著外界氣候露點(diǎn)接近機(jī)器露點(diǎn)，就需要提前緩慢地預(yù)先降低表冷器的輸出溫度。以致于當(dāng)外界氣候露點(diǎn)達(dá)到機(jī)器露點(diǎn)時(shí)，表冷器的輸出溫度正好為機(jī)器露點(diǎn)[3]。

結(jié)論

針對在過渡季節(jié)空調(diào)箱控制系統(tǒng)存在輸出溫度、濕度會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)的問題，本文提出了一種以表冷器基于外界的新風(fēng)露點(diǎn)來進(jìn)行控制的策略，通過分析氣候露點(diǎn)曲線的變化特點(diǎn)在算法上進(jìn)行了優(yōu)化，并將其應(yīng)用到了BMS控制程序中，使空調(diào)箱的輸出溫/濕度不受季節(jié)模式的影響也能保持平穩(wěn)輸出，從而有效地提高了藥廠潔凈空調(diào)箱的可靠性。 ●