药厂的生产车间不同于一般的舒适性空调房间,室内的温湿度控制要求精度较高,一般要求温度在22℃±2℃,相对湿度在55%±5%以内,同时对空气的洁净度也有较高要求,使得换气次数较多,新风量大,甚至有直排系统。因为外界的温湿度变化对室内温湿度影响较大,所以只有选择合理的温湿度控制方案,才能确保室内的温湿度达到设计要求。本文主要针对采用传统控制方法的工业用空调系统经常出现的问题,提出了一套控制方案,并有助于提高空调系统的运行效果和经济性。
1 温湿度控制的特性以及常见问题
1.1 温湿度控制的特性
对湿空气单纯地加热或制冷过程,是含湿量保持不变的过程,即绝对湿度保持不变的过程。湿空气经过盘管加热,温度升高而相对湿度下降;相反,对冷却过程,温度下降而相对湿度相应升高,因此我们可以得出,温度和相对湿度是两个不同方向的控制量,要使温湿度同时向相同的趋势变化,则单纯靠加热/冷却过程是不能实现的。冷却去湿过程是湿空气经冷却达到饱和后继续制冷的过程,湿空气经过冷却盘管析出水滴从而降低了绝对湿度,起到降湿的作用。因而我们可以将空气处理过程分为加热、加热加湿、制冷、制冷再热和制冷加湿等5个部分,如图1所示。
图1中,横坐标为含湿量,即每千克干空气所含有的水蒸汽量;纵坐标为温度。由目标状态绝对湿度线、目标温度和目标湿度线以及机器露点的危险警戒湿度线(相对湿度为95%),可以划分为5个控制状态,详见表1。
根据当地气候,我们划分了不同的区域,分别为远离工作区(阴影外的区域)、工作区(阴影所示区域)和容限区。在远离工作区将使用大步距逼近的控制方法,工作区将采用本文所讲的智能控制策略,容限内保持各阀门状态。
1.2 实际过程中所采用的方法以及常见问题
1.2.1 冷热水阀的控制问题
温度变化的方向与冷/热水阀的动作方向相反,通常是采用冬夏季分开的运行模式。这样的做法在过度季节会难以判断和确定运行模式,很容易造成室内温湿度的失调。
1.2.2 常规的处理方法及问题
为了解决除湿问题,通常采用湿度优先的方法,冷水阀主要用来除湿,同时也造成温度的下降,然后通过热水阀的再热,使温湿度均能达到所要求的值,这样的做法虽然可以满足设计要求,但在相当多的时候,冷热水阀使能量相互抵消,造成了能源的浪费。据统计,目前在我国,空调系统的能耗占整个建筑物能耗的50%～60%,因此对空调设备进行优化控制,选择合理的控制方法,对建筑节能具有重要的意义。
单纯地采用回风温度闭环控制冷/热水阀以控制室内温度的做法,其PID参数难以整定在合适的范围内,很难保证系统的稳定性和精度。如果调节动作慢,造成提前开机时间过长,调节动作快,则很容易造成系统的超调,甚至产生震荡现象。
2 控制系统的实现
2.1 控制系统的设计
药厂洁净室的温湿度控制是一个多变量控制对象,温度控制和湿度控制之间相互影响,且其动态特性差异较大,特别是温度和湿度的相关性较强,所以我们采用了串级和分程控制的方法,尽量避免以上问题的发生。
在每一个延时控制环节,温湿度变送器检测的温湿度值与当前目标温湿度状态比较,确定其工作区间及模糊分区,自动匹配应有的控制状态,在每一个模糊分区都采用以下的控制策略,设定值为当前洁净室所要求的值。
根据串级控制系统的特点:副环具有快速作用,它能够有效地克服二次扰动的影响,起着改善对象动态特性的作用,在控制过程中起着“粗调”的作用;外层的闭环称为主回路或主环,用来完成“细调”任务,以最终保证被控量满足工艺要求。串级控制系统中尽管有两个调节器,但它们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值,它的输出作为副调节器的设定值,在系统中起着主导作用,副环主要是克服外部扰动,而主环主要克服内部扰动。
考虑到节能的需要,采用了分程的控制方法。为了避免冷、热水阀同时打开,所以在控制冷、热水阀时选用分程控制,如图2所示。其控制过程为:控制器的输出可通过软件转换为一个对称的区间范围,例如-100%到100%,通过分程过程后分为两个信号的输出,即-100%到-5%(可以改变)和5%到100%。由于冷/热水阀不能切换得太快,所以有一个延时过程,再通过这两个信号来分别控制热水阀和冷水阀的开度,如图3所示。分程的实现是由软件(Saia公司的PG5软件)通过模块SEQ-HC来实现的。
在图3中,X轴表示控制信号P,Y轴表示阀的开度。当P为-100%时,冷水阀全打开,P为-5%时为全关闭;P为100%时,热水阀全打开,P为5%时为全关闭,-5%～5%为延时过程。
2.2 控制系统的实现
大空间大惯性大延时的工业空调系统中,我们采用了PI控制方式,防止系统产生震荡,该系统采用了温湿度三级串级控制的方法,设置了PI控制死区,并在软件中采用了自适应调节的方法,从而避免了系统的震荡,保证了系统的控制精度。
2.2.1 温度串级过程
由于送风温度受干扰而波动比较大,所以设置为副环,回风温度设置为主环,并在副环设置死区,这样可以很好地满足室内温度稳定地调节。主环调节过程较慢,而副环的调节过程较快,这样在一开机后就会很快地使室温达到所要求的值,同时也抑制了系统的超调。在不考虑湿度的情况下,送风温度和回风温度串级流程图如图4所示。
2.2.2 系统流程图
由于冷水阀是由温度和湿度共同控制的,所以还要加上湿度的串级控制,这样整个系统的流程图如图5所示。送风和回风温度串级控制输出经过分程控制,把
-100%到-5%的信号(要经过数模转换)和湿度控制经过分程后的-100%到-5%的信号叠加来共同控制冷水阀,温度分程后的5%到100%的信号则直接控制热水阀的开度,湿度分程后的5%到100%的信号则控制加湿阀的开度。
2.3 温湿度解耦
根据空气调节的原理,在空调系统的控制中,特别是在恒温、恒湿的空调系统中,能否解决空气温度与相对湿度之间耦合问题特别重要,它将直接影响到控制精度。为了解决上述问题,必须采用解耦的方法,即在温湿度控制回路之间引入解耦环节R1和R2,使温湿度控制分别成为:
温度输出量T=Kt[(1-R1)×Ct+R1×Ch]
湿度输出量H=Kh[(1-R2)×Ch+R2×Ct]式中:R1=0～1;R2=0～1。
Kt和Kh是为提高控制精度而定的系数,R1和R2的实际值为0～1,不同的季节或在不同的负荷下,需要另做调整,具体做法是先设R1=R2=0,这时每当升温或除湿启动,都会造成洁净室内温度和湿度的较大波动,然后再根据情况逐渐增大R1和R2,使这种波动减小,最终达到解耦控制的目的。
2.4 控制系统的特点
①冷水阀、热水阀、加湿阀分别采用分程控制,可以克服采用冬夏季转换模式所带来的过渡季节难以判断的问题。
②冷水阀采用送风温度、回风温度、送风湿度串级控制,并设置死区,较好地解决了温度和湿度的超调问题,稳定性较好,从而提高了系统的控制精度,减少了能源的浪费。
3 结束语
本控制方法在天津CTS电子厂洁净室以及天津中新药业洁净室温湿度控制系统的应用中取得了实际的效果,有效抑制了系统的超调,并且不会造成能源的浪费,控制效果较为理想,操作也比较简便,达到了药厂洁净室运行高效率、低成本的目的。