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。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控制方法的工業用空調系統經常出現的問題,提出了一套控制方案,并有助于提高空調系統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的。冷卻去濕過程是濕空氣經冷卻達到飽和后繼續制冷的過程,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,詳見表1。

? 根據當地氣候,我們劃分了不同的區域,分別為遠離工作區(陰影外的區域)、工作區(陰影所示區域)和容限區。在遠離工作區將使用大步距逼近的控制方法,工作區將采用本文所講的智能控制策略,容限內保持各閥門狀態。

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 常規的處理方法及問題

為了解決除濕問題,通常采用濕度優先的方法,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。據統計,目前在我國,空調系統的能耗占整個建筑物能耗的50%～60%,因此對空調設備進行優化控制,選擇合理的控制方法,對建筑節能具有重要的意義。

單純地采用回風溫度閉環控制冷/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,很難保證系統的穩定性和精度。如果調節動作慢,造成提前開機時間過長,調節動作快,則很容易造成系統的超調,甚至產生震蕩現象。

2 控制系統的實現

2.1 控制系統的設計

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生。

在每一個延時控制環節,溫濕度變送器檢測的溫濕度值與當前目標溫濕度狀態比較,確定其工作區間及模糊分區,自動匹配應有的控制狀態,在每一個模糊分區都采用以下的控制策略,設定值為當前潔凈室所要求的值。

根據串級控制系統的特點:副環具有快速作用,它能夠有效地克服二次擾動的影響,起著改善對象動態特性的作用,在控制過程中起著“粗調”的作用;外層的閉環稱為主回路或主環,用來完成“細調”任務,以最終保證被控量滿足工藝要求。串級控制系統中盡管有兩個調節器,但它們的作用各不相同。主調節器具有自己獨立的設定值,它的輸出作為副調節器的設定值,在系統中起著主導作用,副環主要是克服外部擾動,而主環主要克服內部擾動。

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考慮到節能的需要,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。分程的實現是由軟件(Saia公司的PG5軟件)通過模塊SEQ-HC來實現的。

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 控制系統的實現

大空間大慣性大延時的工業空調系統中,我們采用了PI控制方式,防止系統產生震蕩,該系統采用了溫濕度三級串級控制的方法,設置了PI控制死區,并在軟件中采用了自適應調節的方法,從而避免了系統的震蕩,保證了系統的控制精度。

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,回風溫度設置為主環,并在副環設置死區,這樣可以很好地滿足室內溫度穩定地調節。主環調節過程較慢,而副環的調節過程較快,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

根據空氣調節的原理,在空調系統的控制中,特別是在恒溫、恒濕的空調系統中,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節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,較好地解決了溫度和濕度的超調問題,穩定性較好,從而提高了系統的控制精度,減少了能源的浪費。