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    案例解析藥廠潔凈室的溫濕度控制設計

    發布日期:2021-09-11 瀏覽次數:24


    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。


        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。

    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潔凈室溫濕度控制系統的應用中取得了實際的效果,有效抑制了系統的超調,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。



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