武培雄

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

在潔凈手術(shù)室空調(diào)控制系統(tǒng)中，主要完成空氣的熱、濕交換處理過程，使其達(dá)到通風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)以滿足室內(nèi)溫、濕度要求[1]。其控制對(duì)象——溫度和相對(duì)濕度是兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，在調(diào)節(jié)溫度的同時(shí)，相對(duì)濕度也會(huì)隨之變化。以往的儀表和DDC控制器往往根據(jù)需要，選擇了溫度優(yōu)先或是濕度優(yōu)先進(jìn)行控制，使得溫濕度控制的調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，控制精度低，難以實(shí)現(xiàn)溫濕度同時(shí)控制。本文結(jié)合潔凈手術(shù)室的溫濕度控制，介紹利用PLC強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算處理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)潔凈空調(diào)的溫濕度控制，在組合式空調(diào)機(jī)組的功能段有選擇性的對(duì)空氣進(jìn)行混合、降溫、除濕、加溫、加濕等處理，實(shí)現(xiàn)溫濕度的最佳控制，此方案溫濕度控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，也可用于其它空調(diào)的溫濕度控制中。

1 系統(tǒng)概述及硬件組成

潔凈手術(shù)室溫濕度控制主要由表冷、電加熱、電加濕三個(gè)部分構(gòu)成，并置于組合式空調(diào)機(jī)組中，夏季通過表冷器和擋水板析出冷凝水，對(duì)空氣進(jìn)行降溫除濕處理，電加熱對(duì)空氣升溫。冬季表冷器對(duì)空氣進(jìn)行升溫處理，電加濕則用于增加空氣的相對(duì)濕度，最終達(dá)到送風(fēng)溫度和濕度的控制要求。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2]。

圖1 組合式空調(diào)機(jī)組配置示意圖

潔凈手術(shù)室控制系統(tǒng)主要由PLC系統(tǒng)、溫濕度傳感器、表冷系統(tǒng)、電加熱設(shè)備、電加濕設(shè)備和手術(shù)室控制面板等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示[2]。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在該系統(tǒng)中，PLC控制器選用 S7-200系列的CPU224以及擴(kuò)展模擬量輸入模塊EM231和模擬量輸出模塊 EM232，EM231為四模擬量輸入模塊，EM232為兩模擬量輸出模塊。溫濕度傳感器選用SIEMENS公司 QFM2160風(fēng)管溫濕度傳感器，QFM2160傳感器輸出對(duì)應(yīng)溫濕度的0～10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，送至 EM231的輸入接口，同時(shí)送至OMCS-5000C進(jìn)行顯示。模擬輸出信號(hào)經(jīng)EM232輸出接口控制表冷閥、電加濕器和電加熱器模塊，分別進(jìn)行閥門開度、加濕量和加熱量的控制。手術(shù)室控制面板采用OMCS-5000C，表冷控制器選用SIEMENS公司SQX62執(zhí)行器和VVF31二通閥進(jìn)行控制，電加熱選用STY-380D三相調(diào)壓模塊控制電阻絲的加熱。通過手術(shù)控制面板對(duì)溫度和濕度進(jìn)行設(shè)定，手術(shù)控制面板將溫濕度設(shè)定值轉(zhuǎn)換為 0～10V電壓信號(hào)，與EM231模塊連接。CPU224用于實(shí)現(xiàn)邏輯控制和模擬運(yùn)算，通過I/O口控制風(fēng)機(jī)、電加濕和電加熱的啟停，通過模擬量輸出控制表冷閥的開度、電加濕、電加熱的工作，最終對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)控制、溫度控制和濕度控制三個(gè)部分。潔凈手術(shù)室溫、濕度設(shè)定一般為t=21～27℃，φ=40%～65%。[1]根據(jù)北方氣候情況，表冷器中在冬季供暖時(shí)為熱水（水溫一般大于45℃），其它季節(jié)為冷水（水溫一般小于9℃）。按設(shè)定溫濕度與環(huán)境溫濕度之間的關(guān)系，將控制系統(tǒng)工作情況分為三種：

1）環(huán)境溫度＞設(shè)定溫度，環(huán)境相對(duì)濕度＞設(shè)定相對(duì)濕度。新風(fēng)與回風(fēng)混合后，由表冷器降溫除濕后，使得濕度等于設(shè)定濕度，電加熱工作將溫度提升至設(shè)定溫度，然后送風(fēng)到室內(nèi)。工作過程如圖3（a）所示。

2）環(huán)境溫度＞設(shè)定溫度，環(huán)境相對(duì)濕度＜設(shè)定相對(duì)濕度。新風(fēng)與回風(fēng)混合后，由表冷器降溫至設(shè)定溫度，使得溫度等于設(shè)定溫度，電加濕工作將濕度提升至設(shè)定濕度，然后送風(fēng)到室內(nèi)。工作過程如圖3（b）所示。

3）環(huán)境溫度＜設(shè)定溫度，環(huán)境相對(duì)濕度＜設(shè)定相對(duì)濕度。新風(fēng)與回風(fēng)混合后，由表冷器升溫至設(shè)定溫度，使得溫度等于設(shè)定溫度，電加濕工作將濕度提升至設(shè)定濕度，然后送風(fēng)到室內(nèi)。工作過程如圖3（b）所示。

圖3 控制系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)在工作時(shí)，首先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。隨后PLC通過溫濕度傳感器測(cè)量回風(fēng)的溫濕度并與設(shè)定值相比較，根據(jù)不同工況進(jìn)行運(yùn)算。PLC通過數(shù)字 I/O口對(duì)風(fēng)機(jī)、加熱、加濕電源進(jìn)行控制，通過模擬輸出接口對(duì)閥門開度、電加熱、電加濕進(jìn)行相應(yīng)控制。設(shè)置PLC定時(shí)中斷0中斷時(shí)間為250ms，在中斷程序中完成PID運(yùn)算。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，PID控制算法作為一個(gè)經(jīng)典的控制算法得到了廣泛的應(yīng)用。S7-224提供了標(biāo)準(zhǔn)PID回路指令，使得PID算法的編程和實(shí)現(xiàn)變得非常容易。PID運(yùn)算的輸出結(jié)果，控制偏差e趨向零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。一個(gè)PID回路的輸出M是時(shí)間t的函數(shù)，輸出M(t)表示為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)[4-5]。

式中，M(t)為作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出；KC為回路增益；e為回路偏差；Minitial為回路輸出的初始值。

為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)中運(yùn)行該控制函數(shù)，必須對(duì)連續(xù)函數(shù)進(jìn)行周期性采樣，量化為偏差值的定期樣本，從而將PID算式離散化，S7-200CPU的數(shù)字PID控制算法的差分方程為

式中，Mn為采樣時(shí)間n的回路輸出；KC為回路增益；TS為采樣時(shí)間；TI為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間；SPn為采樣時(shí)間 n的設(shè)定值；SPn-1為采樣時(shí)間 n-1的設(shè)定值；PVn為采樣時(shí)間 n的進(jìn)程變量值；PVn-1為采樣時(shí)間n-1的進(jìn)程變量值；MX為積分項(xiàng)值。

S7-200CPU提供的PID回路指令（比例、積分、微分回路）基于式（2）執(zhí)行PID計(jì)算。PID回路操作取決于存儲(chǔ)在36個(gè)字節(jié)回路表中的9個(gè)參數(shù)。調(diào)整參數(shù)值的大小，可以很方便地改變溫度和濕度偏差及偏差變化率，從而快速實(shí)現(xiàn)溫濕度控制。

3 結(jié)論

利用PLC具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的智能控制。在上述溫濕度控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同工況采取相對(duì)應(yīng)的策略進(jìn)行控制。該溫濕度控制系統(tǒng)已在天津和山西地區(qū)4所醫(yī)院投入運(yùn)行，控制精度為：溫度±0.5℃、相對(duì)濕度±3%以內(nèi)。運(yùn)行結(jié)果表明，該溫濕度控制系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定，完全能滿足潔凈手術(shù)室對(duì)溫度與濕度控制的應(yīng)用要求。

[1]胡吉士,楊毅.潔凈手術(shù)室用空調(diào)機(jī)組的構(gòu)成[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2003(4).

[2]張子慧,黃翔,張景春.制冷空調(diào)自動(dòng)控制[M]. 北京∶科學(xué)出版社, 1999.7.

[3]張如萍,唐育正. 基于PLC的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 暖通空調(diào),2010(8).

[4]陳祖銘. 潔凈室凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及注意問題探討[J]. 制冷,2002 (4).

[5]李艷杰,于艷秋,王衛(wèi)紅等.S7-200PLC原理與實(shí)用開發(fā)指南[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.1.

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