潔凈空調控制系統的設計及應用

馮智鐘漢云芮慶忠

（1.長沙中聯重科物料輸送設備公司 2.廣州中浩控制技術有限公司）

潔凈空調控制系統的設計及應用

馮智1鐘漢云2芮慶忠2

（1.長沙中聯重科物料輸送設備公司 2.廣州中浩控制技術有限公司）

介紹了潔凈空調控制系統的網絡結構，結合實際工程案例闡述了潔凈空調控制系統的溫濕度控制、壓力控制、送風量控制。

潔凈空調；自動化控制；PLC

0 前言

液晶面板、半導體和生物制藥等行業的生產廠房對生產環境要求嚴格，溫度、濕度、正壓值和潔凈度4個主要環境因素必須控制在指定范圍內[1]。潔凈空調可以向生產車間輸送符合溫濕度要求的潔凈空氣，使生產車間內部相對室外的壓差為正值，從而避免了塵埃微粒對生產過程的污染。因此潔凈空調被廣泛應用于集成電路、半導體、制藥、液晶玻璃生產等行業。本文結合相關潔凈工程案例對潔凈空調控制系統的設計及應用展開論述。

1 系統的需求分析

成都某電子廠生產車間分為4層，共設9個潔凈區，每層各配置一臺組合式空調機組。如圖1所示，組合式空調機組的空氣處理功能段依次為：新風進風段、初效過濾段、冷水盤管段、加濕段、一次回風混合段、熱水盤管段、風機段、中效過濾段、出風段。

圖1 組合式空調示意圖

該電子廠潔凈空調控制系統監控范圍：1) 潔凈室溫濕度控制；2) 潔凈室壓力控制；3) 送風量控制；4) 設備遠程啟停和參數設定。

潔凈空調控制系統正常運行時，現場無人值班，少人值守。潔凈室生產環境的控制范圍和精度要求為：溫度（22℃±2℃）、濕度（50±10% RH）、壓力（10 Pa）。

2 控制系統的設計

2.1 控制系統網絡

潔凈空調系統網絡圖如圖2所示，其控制系統分為2層，分別為上位機監控系統和現場層的PLC系統。

圖2 潔凈空調系統網絡圖

上位機監控系統主要實現實時數據的遠程監控和設備的遠程操作。潔凈室內的溫濕度顯示和壓差顯示、變頻器的運行頻率顯示、送風機的啟停控制和電動閥門的開關控制等，都可以通過上位機的組態軟件實現。潔凈空調控制系統監控軟件界面如圖3所示。

PLC系統包括CPU單元、I/O模塊以及現場的變頻器、電動閥門和傳感器，主要實現系統的邏輯控制、數據采集。

圖3 潔凈空調監控界面圖

2.2 溫濕度控制

溫濕度控制是潔凈空調控制系統實現的關鍵。如圖4所示，單純使用室內溫濕度控制冷水閥和熱水閥，其中溫度PID調節器控制冷水閥和熱水閥進行溫度調節，濕度PID調節器控制冷水閥和加濕器進行濕度調節。

圖4 常見的冷水閥和熱水閥控制方法

溫度和濕度的關聯性比較強，在除濕或者加濕的過程中，送風溫度必然發生變化，經過熱水盤管的溫度調節后，相對濕度也隨之變化[2]。圖4控制方法存在的問題：冷卻閥是由溫度PID調節器和濕度PID調節器共同控制的，當切換動作發生時，冷水閥開度發生突變，送風溫濕度就會出現波動，并且溫濕度調節是一個大滯后的過程。這些原因導致了潔凈室的溫濕度在很長一段時間內都難以穩定下來，容易出現震蕩現象，見圖5和圖6。

圖5 潔凈室濕度歷史趨勢圖

圖6 潔凈室溫度歷史趨勢圖

如果只要求把溫濕度這兩個環境參數中的其中一個控制在誤差范圍內，實現起來比較容易。但若要溫濕度同時都控制在誤差范圍內，則需要正確分析溫度和濕度的關聯性，找到準確的控制方法[2]。

焓濕圖（如圖7所示）可以清晰地說明空氣在熱濕處理過程中溫濕度發生的變化。

圖7中，A點是空氣狀態的控制目標點（空氣溫度22℃，相對濕度50% RH，露點溫度11℃），假設B點是當前空氣狀態點。空氣在熱水盤管加熱過程中，含濕量是保持不變的，溫度上升而相對濕度下降[3]，即空氣狀態從B點移到了C點，這是一個等濕加熱過程；相反，空氣在冷水盤管冷卻過程中，空氣狀態從C點移到了B點，溫度下降而相對濕度上升，空氣含濕量還是保持不變的；若繼續增大冷水閥的開度以增強冷卻作用，直到空氣狀態從B點移到了E點，空氣達到飽和狀態而析出水滴，達到除濕的效果[3]，此時空氣溫度等于露點溫度；若繼續冷卻除濕，露點溫度不斷下降，空氣狀態沿著100%等相對濕度線從E點移到了F點，再經過熱水盤管的等濕加熱過程，空氣狀態從F點移到了A點。空氣狀態從C點到A點的變化過程，就是空氣降溫除濕的過程。

圖7 焓濕圖

本文針對圖4的控制方法進行了改進，以A點（空氣溫度22℃，相對濕度50% RH，露點溫度11℃）的空氣狀態作為控制目標，在新風進風口增加溫濕度傳感器，在送風口增加露點溫度傳感器，根據不同的天氣條件，結合焓濕圖，歸納出以下三種情況的控制策略：

1) 當新風空氣溫度高于露點溫度（11℃）時，冷卻除濕后再加熱；

2) 當新風空氣溫度低于露點溫度（11℃）且低于室內設定溫度（22℃）時，加熱加濕；

3) 當新風空氣溫度低于露點溫度（11℃）且低于室內設定溫度（22℃）時，冷卻加濕。

使用上述控制策略，溫度PID調節器和濕度PID調節器對冷水閥的切換動作不會導致溫濕度的波動；同時在送風口增加露點溫度傳感器，可以區分開冷卻與冷卻除濕這兩種情況，防止需要冷卻但不需要除濕時的過冷卻，又能減少冷水閥和熱水閥同時打開能量相互抵消這種情況，節約了能源。測試結果表明，溫濕度控制效果有較大改善，如圖8和圖9所示。

現場調試中發現，潔凈室內的設備發熱量大，對潔凈室的溫濕度存在一定影響，造成潔凈室溫度偏高濕度偏低。將送風溫濕度調整到稍低于設定值，可解決該問題。

圖8 潔凈室濕度歷史趨勢圖

圖9 潔凈室溫度歷史趨勢圖

2.3 正壓控制

潔凈室保持一定的正壓值，當進出口的門打開時，向室外吹風，可以避免灰塵進入潔凈室內。只要潔凈室的送風量大于排風量和回風量之和，就能保證潔凈室維持一定的正壓值。

本文取多個室內壓差傳感器實測值的平均值作為正壓PID控制的反饋值，這有利于降低局部壓差波動對反饋值的影響。正壓PID控制程序根據壓差的反饋值與設定值的偏差，控制新風閥的開度來調節送風量。

2.4 送風量控制

送風量PID調節器根據風管空氣速度傳感器的實測值與設定值的偏差，自動調節送風機變頻器的頻率，保持生產車間送風量的穩定。

電子廠各個生產車間生產情況不一樣，因而各個生產車間的送風時段不同。根據生產車間的實際使用情況為潔凈空調設置了3種工作模式：運行模式、停機模式、夜間模式。

運行模式：送風機根據設定風速自動調節送風量。停機模式：關閉所有閥門和送風機。

夜間模式：不需要送風的房間，關閉室內的送風閥和回風閥，使該房間處于停風狀態。同時降低送風機變頻器的頻率，保持需要送風的房間風量穩定。

根據系統投入使用后的能耗記錄比較，這3種工作方式合理運用可以使潔凈空調系統節約大量能源。

2.5 系統的控制難點

2.5.1 濕度控制

由于溫濕度具有大滯后和相互關聯的特性，使用傳統的溫濕度調節方法難以得到滿意效果，通過引入露點溫度控制調整潔凈空調送風，改善了系統的控制效果，有效避免了系統的波動。

2.5.2 PID控制參數的整定

工程上，PID控制參數常通過實驗試湊法確定。實驗試湊法是通過閉環運行，觀察控制系統的響應曲線，再根據各參數對控制系統的影響，反復試湊參數，直至出現滿意的響應曲線，最終確定PID控制參數，衰減曲線圖見圖10[4]。

實驗試湊法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”[4]。

對于溫度控制等應用場合，通常容量滯后較大，適當加入微分作用，可改善控制效果。

圖10 衰減曲線圖

3 結語

自動化控制技術在潔凈空調系統中的應用，保證了潔凈室內空氣參數的穩定性和準確性，同時能有效地節約能源，并對設備進行有效的管理，潔凈空調系統的自動化程度也得到進一步提高。

[1] 王新華.HVAC行業及應用介紹.施耐德電氣(中國)投資有限公司資料,2003.

[2] 松元忠雄,陸品楨.凈化室內的溫濕度控制[J].工業儀表與自動化裝置,1991(1):59-62.

[3] 劉瑞霞,王玲,王永晰.潔凈室的溫濕度控制設計[J].自動化儀表,2005,26(8):19-21.

[4] 劉金琨.先進PID控制及其Matlab仿真[M].北京:電子工業出版社,2003.

The Design and Application of Control System in Clean Air-Conditioning System

Feng Zhi1 Zhong Hanyun2 Rui Qingzhong2
(1.ZOOMLION Material Conveying Equipment Company 2.Guangzhou CH Control Technology Co.,Ltd.)

This article introduces the network structure of control system, combined with the actual project cases, discusses the method of controlling the temperature, humidity, pressure and air supply rate in clean air conditioning control system.

Clean Air Conditioning; Automatic Control; PLC

馮智，男，1978年出生，工程學士，工程師，研究方向：自動控制與空調節能技術應用。

鐘漢云，男，1986年出生，工學學士，工程師，研究方向：自動控制與空調節能技術應用。

芮慶忠，男，1977年出生，工學學士，工程師，研究方向：自動控制與空調節能技術應用。