藥廠的生產車間不同于一般的舒適性空調房間,室內的溫濕度控制要求精度較高,一般要求溫度在22℃±2℃,相對濕度在55%±5%以內,同時對空氣的潔凈度也有較高要求,使得換氣次數較多,新風量大,甚至有直排系統(tǒng)。因為外界的溫濕度變化對室內溫濕度影響較大,所以只有選擇合理的溫濕度控制方案,才能確保室內的溫濕度達到設計要求。本文主要針對采用傳統(tǒng)控制方法的工業(yè)用空調系統(tǒng)經常出現(xiàn)的問題,提出了一套控制方案,并有助于提高空調系統(tǒng)的運行效果和經濟性。
1 溫濕度控制的特性以及常見問題
1.1 溫濕度控制的特性
對濕空氣單純地加熱或制冷過程,是含濕量保持不變的過程,即絕對濕度保持不變的過程。濕空氣經過盤管加熱,溫度升高而相對濕度下降;相反,對冷卻過程,溫度下降而相對濕度相應升高,因此我們可以得出,溫度和相對濕度是兩個不同方向的控制量,要使溫濕度同時向相同的趨勢變化,則單純靠加熱/冷卻過程是不能實現(xiàn)的。冷卻去濕過程是濕空氣經冷卻達到飽和后繼續(xù)制冷的過程,濕空氣經過冷卻盤管析出水滴從而降低了絕對濕度,起到降濕的作用。因而我們可以將空氣處理過程分為加熱、加熱加濕、制冷、制冷再熱和制冷加濕等5個部分,如圖1所示。
圖1中,橫坐標為含濕量,即每千克干空氣所含有的水蒸汽量;縱坐標為溫度。由目標狀態(tài)絕對濕度線、目標溫度和目標濕度線以及機器露點的危險警戒濕度線(相對濕度為95%),可以劃分為5個控制狀態(tài),詳見表1。
根據當地氣候,我們劃分了不同的區(qū)域,分別為遠離工作區(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,容限內保持各閥門狀態(tài)。
1.2 實際過程中所采用的方法以及常見問題
1.2.1 冷熱水閥的控制問題
溫度變化的方向與冷/熱水閥的動作方向相反,通常是采用冬夏季分開的運行模式。這樣的做法在過度季節(jié)會難以判斷和確定運行模式,很容易造成室內溫濕度的失調。
1.2.2 常規(guī)的處理方法及問題
為了解決除濕問題,通常采用濕度優(yōu)先的方法,冷水閥主要用來除濕,同時也造成溫度的下降,然后通過熱水閥的再熱,使溫濕度均能達到所要求的值,這樣的做法雖然可以滿足設計要求,但在相當多的時候,冷熱水閥使能量相互抵消,造成了能源的浪費。據統(tǒng)計,目前在我國,空調系統(tǒng)的能耗占整個建筑物能耗的50%～60%,因此對空調設備進行優(yōu)化控制,選擇合理的控制方法,對建筑節(jié)能具有重要的意義。
單純地采用回風溫度閉環(huán)控制冷/熱水閥以控制室內溫度的做法,其PID參數難以整定在合適的范圍內,很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。如果調節(jié)動作慢,造成提前開機時間過長,調節(jié)動作快,則很容易造成系統(tǒng)的超調,甚至產生震蕩現(xiàn)象。
2 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1 控制系統(tǒng)的設計
藥廠潔凈室的溫濕度控制是一個多變量控制對象,溫度控制和濕度控制之間相互影響,且其動態(tài)特性差異較大,特別是溫度和濕度的相關性較強,所以我們采用了串級和分程控制的方法,盡量避免以上問題的發(fā)生。
在每一個延時控制環(huán)節(jié),溫濕度變送器檢測的溫濕度值與當前目標溫濕度狀態(tài)比較,確定其工作區(qū)間及模糊分區(qū),自動匹配應有的控制狀態(tài),在每一個模糊分區(qū)都采用以下的控制策略,設定值為當前潔凈室所要求的值。
根據串級控制系統(tǒng)的特點:副環(huán)具有快速作用,它能夠有效地克服二次擾動的影響,起著改善對象動態(tài)特性的作用,在控制過程中起著“粗調”的作用;外層的閉環(huán)稱為主回路或主環(huán),用來完成“細調”任務,以最終保證被控量滿足工藝要求。串級控制系統(tǒng)中盡管有兩個調節(jié)器,但它們的作用各不相同。主調節(jié)器具有自己獨立的設定值,它的輸出作為副調節(jié)器的設定值,在系統(tǒng)中起著主導作用,副環(huán)主要是克服外部擾動,而主環(huán)主要克服內部擾動。
考慮到節(jié)能的需要,采用了分程的控制方法。為了避免冷、熱水閥同時打開,所以在控制冷、熱水閥時選用分程控制,如圖2所示。其控制過程為:控制器的輸出可通過軟件轉換為一個對稱的區(qū)間范圍,例如-100%到100%,通過分程過程后分為兩個信號的輸出,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,所以有一個延時過程,再通過這兩個信號來分別控制熱水閥和冷水閥的開度,如圖3所示。分程的實現(xiàn)是由軟件(Saia公司的PG5軟件)通過模塊SEQ-HC來實現(xiàn)的。
在圖3中,X軸表示控制信號P,Y軸表示閥的開度。當P為-100%時,冷水閥全打開,P為-5%時為全關閉;P為100%時,熱水閥全打開,P為5%時為全關閉,-5%～5%為延時過程。
2.2 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
大空間大慣性大延時的工業(yè)空調系統(tǒng)中,我們采用了PI控制方式,防止系統(tǒng)產生震蕩,該系統(tǒng)采用了溫濕度三級串級控制的方法,設置了PI控制死區(qū),并在軟件中采用了自適應調節(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 溫度串級過程
由于送風溫度受干擾而波動比較大,所以設置為副環(huán),回風溫度設置為主環(huán),并在副環(huán)設置死區(qū),這樣可以很好地滿足室內溫度穩(wěn)定地調節(jié)。主環(huán)調節(jié)過程較慢,而副環(huán)的調節(jié)過程較快,這樣在一開機后就會很快地使室溫達到所要求的值,同時也抑制了系統(tǒng)的超調。在不考慮濕度的情況下,送風溫度和回風溫度串級流程圖如圖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控制,這樣整個系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。送風和回風溫度串級控制輸出經過分程控制,把
-100%到-5%的信號(要經過數模轉換)和濕度控制經過分程后的-100%到-5%的信號疊加來共同控制冷水閥,溫度分程后的5%到100%的信號則直接控制熱水閥的開度,濕度分程后的5%到100%的信號則控制加濕閥的開度。
2.3 溫濕度解耦
根據空氣調節(jié)的原理,在空調系統(tǒng)的控制中,特別是在恒溫、恒濕的空調系統(tǒng)中,能否解決空氣溫度與相對濕度之間耦合問題特別重要,它將直接影響到控制精度。為了解決上述問題,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,R1和R2的實際值為0～1,不同的季節(jié)或在不同的負荷下,需要另做調整,具體做法是先設R1=R2=0,這時每當升溫或除濕啟動,都會造成潔凈室內溫度和濕度的較大波動,然后再根據情況逐漸增大R1和R2,使這種波動減小,最終達到解耦控制的目的。
2.4 控制系統(tǒng)的特點
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換模式所帶來的過渡季節(jié)難以判斷的問題。
②冷水閥采用送風溫度、回風溫度、送風濕度串級控制,并設置死區(qū),較好地解決了溫度和濕度的超調問題,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。
3 結束語
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)的應用中取得了實際的效果,有效抑制了系統(tǒng)的超調,并且不會造成能源的浪費,控制效果較為理想,操作也比較簡便,達到了藥廠潔凈室運行高效率、低成本的目的。