潔凈廠房恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：潔凈廠房是空氣中懸浮粒子受控的生產(chǎn)空間。它的設(shè)計(jì)、建造和使用應(yīng)盡量減少室內(nèi)誘入，產(chǎn)生和帶菌粒子。文章設(shè)計(jì)的潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫濕度、風(fēng)量、壓差梯度的自動(dòng)調(diào)節(jié)及各種安全保護(hù)、聯(lián)鎖、節(jié)能運(yùn)行等控制功能，以最大限度地保證潔凈廠房溫濕度、壓差的控制及精度要求，為企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程提供了高精度、低能耗的室內(nèi)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：潔凈廠房；恒溫恒濕；空調(diào)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-8937（2014）8-0022-03

隨著現(xiàn)代技術(shù)（航天技術(shù)、原子能技術(shù)、電子技術(shù)等）的迅速發(fā)展，對(duì)一些產(chǎn)品部件的精度要求愈來(lái)愈高，因此要求建造潔凈廠房，以防止產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中受到塵粒污染或細(xì)菌污染。本文設(shè)計(jì)了一套潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)溫濕度、風(fēng)量、壓差梯度的自動(dòng)調(diào)節(jié)及各種安全保護(hù)、聯(lián)鎖、節(jié)能運(yùn)行等控制功能，可以最大限度地保證潔凈廠房溫濕度、壓差的控制及精度要求，為企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程提供了高精度、低能耗的室內(nèi)環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

①充分了解潔凈行業(yè)凈化需求，綜合現(xiàn)代凈化空調(diào)技術(shù)、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)，對(duì)建筑物內(nèi)的制冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行能耗進(jìn)行計(jì)量、分析和控制，提供高精度、低能耗的恒溫恒濕環(huán)境；

②針對(duì)不同類型空調(diào)系統(tǒng)及熱濕處理方案，靈活采取最優(yōu)控制策略。綜合考慮系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、在過(guò)濾季節(jié)最大限度利用室外新風(fēng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能控制；

③能與轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)、新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)、深度除濕等空調(diào)系統(tǒng)良好的配合，為低濕環(huán)境提供可靠、高精度的控制；

④控制器、傳感器、執(zhí)行器及電氣元件均經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試及驗(yàn)證，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、高效節(jié)能；

⑤采用強(qiáng)弱電一體化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化外部接線、運(yùn)行管理維護(hù)便捷；

⑥多種人機(jī)操作界面選擇，如中文文本顯示、觸摸屏顯示，計(jì)算機(jī)監(jiān)控等；

⑦預(yù)留支持國(guó)際主流通訊協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊接口，以實(shí)現(xiàn)與中央站監(jiān)控電腦或樓宇BMS系統(tǒng)的連接。

本系統(tǒng)采用西門子S7-200 PLC、文本顯示器TD400 C和計(jì)算機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)控制要求

2.1 溫度控制

通過(guò)設(shè)置在風(fēng)管里的溫濕度一體傳感器檢測(cè)回風(fēng)溫度，并將所測(cè)得的溫度信號(hào)送到PLC的模擬輸入端。PLC將測(cè)得的溫度和溫度設(shè)定值比較并進(jìn)行PID計(jì)算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)模擬量輸出，如冷凍、熱水的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)控制其開(kāi)度達(dá)到溫度控制的目的。

2.2 濕度控制

通過(guò)設(shè)置在風(fēng)管里的溫濕度一體傳感器檢測(cè)回風(fēng)濕度，并將所測(cè)得的溫度信號(hào)傳送到PLC的模擬輸入端。PLC將測(cè)得的濕度和濕度設(shè)定值比較并進(jìn)行PID計(jì)算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)模擬量輸出。在冬季模式里通過(guò)對(duì)加濕器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)達(dá)到濕度控制的目的。而在夏季模式里，濕度的控制并非通過(guò)對(duì)加濕器開(kāi)度的單一控制，而是對(duì)水閥調(diào)節(jié)器和加熱器的綜合PID控制實(shí)現(xiàn)的。

2.3 風(fēng)道壓力控制

按照工藝要求，風(fēng)道內(nèi)壓力需保持一定值，以滿足潔凈廠房的環(huán)境要求。系統(tǒng)通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)送風(fēng)機(jī)，事先將滿足工藝要求時(shí)的變頻器頻率值作為設(shè)定值，將設(shè)置在管道內(nèi)的回風(fēng)壓力檢測(cè)傳感器測(cè)得的壓力值作為反饋值，通過(guò)PID計(jì)算控制變頻器的輸出頻率，以達(dá)到風(fēng)壓控制要求。

2.4 人機(jī)界面

在控制柜上安裝了人機(jī)界面TD400 C，通過(guò)TD400 C也可設(shè)定溫度濕度啟停機(jī)組。出于調(diào)試系統(tǒng)的目的，在TD400 C上設(shè)有強(qiáng)制模式，及人工設(shè)定回風(fēng)溫濕度，屏蔽報(bào)警信號(hào)。

2.5 安全要求

該系統(tǒng)中故障信號(hào)有3種，分別是送風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，缺風(fēng)保護(hù)故障信號(hào)，中效壓差信號(hào)。這3種信號(hào)都是為了保障風(fēng)道內(nèi)的空氣流通。報(bào)警要有聲光顯示，提醒工作人員采取措施。

3 系統(tǒng)硬件及工藝簡(jiǎn)介

3.1 硬件組成

整個(gè)系統(tǒng)硬件由檢測(cè)元件，控制元件與執(zhí)行元件組成。

通過(guò)設(shè)置在風(fēng)道內(nèi)的溫濕度一體傳感器來(lái)檢測(cè)回風(fēng)溫濕度；通過(guò)設(shè)置在管風(fēng)道內(nèi)的壓力傳感器檢測(cè)回風(fēng)壓力；通過(guò)設(shè)置在水管上的溫度傳感器來(lái)檢測(cè)水溫并以此判斷工作模式；控制元件主要指S7-200 PLC，TD400 C和計(jì)算機(jī)；執(zhí)行元件包括水管的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，加濕器調(diào)節(jié)閥和加熱器調(diào)節(jié)閥等。

3.2 工藝介紹

系統(tǒng)啟動(dòng)后若無(wú)缺風(fēng)保護(hù)等報(bào)警信號(hào)，則開(kāi)始通過(guò)安裝在送水管上的傳感器檢測(cè)水溫工作模式系統(tǒng)。工作模式分為冬夏兩季。若送水管水溫高于30 ℃，則為冬季模式，低于30 ℃則為夏季模式。在冬季模式里，若回風(fēng)溫度低于設(shè)定溫度，則打開(kāi)水閥執(zhí)行器，流出更多的熱水以提高溫度；若回風(fēng)濕度低于設(shè)定濕度，則打開(kāi)加濕器開(kāi)度，以提高濕度。冬季模式里若回風(fēng)溫度高于設(shè)定值，則減小水閥執(zhí)行器的輸出開(kāi)度；通常情況下冬季模式里回風(fēng)濕度總是低于設(shè)定濕度的，故不考慮回風(fēng)濕度高于設(shè)定濕度的可能。在夏季模式里，控制要求主要是除溫除濕。該系統(tǒng)要求濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)。所謂濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)是指夏季濕度較高時(shí)候，控制器通過(guò)計(jì)算后調(diào)節(jié)送水管的開(kāi)度達(dá)到降溫除濕的目的，而由此造成的溫度差則通過(guò)打開(kāi)電加熱器來(lái)補(bǔ)償。當(dāng)回風(fēng)濕度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入溫度控制狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求和硬件配置，采用西門子公司的編程軟件和組態(tài)軟件進(jìn)行PLC編程和人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度控制，強(qiáng)制模式選擇，工作模式選擇和故障報(bào)警處理。

4.1 模式選擇

控制模式設(shè)置是指系統(tǒng)控制分為TD400 C或者計(jì)算機(jī)設(shè)置（手動(dòng)）。在手動(dòng)模式下又有強(qiáng)制和非強(qiáng)制模式。出于調(diào)試系統(tǒng)的考慮，系統(tǒng)還設(shè)置了強(qiáng)制模式。在強(qiáng)制模式下，可以手動(dòng)設(shè)定回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、回風(fēng)壓力等傳感器信號(hào)，并可以手動(dòng)復(fù)位各種故障報(bào)警信號(hào)。

4.2 故障報(bào)警處理

按照設(shè)計(jì)要求，如果出現(xiàn)送風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，缺風(fēng)保護(hù)故障信號(hào)，中效壓差信號(hào)，將有聲光顯示，提醒工作人員采取措施。

4.3 溫濕度控制

軟件設(shè)計(jì)的核心部分是溫濕度控制，采用PID控制來(lái)調(diào)節(jié)溫濕度。PID控制指的是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例積分微分控制。

常規(guī)PID控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

溫度控制質(zhì)量的決定性環(huán)節(jié)在于溫度的PID控制參數(shù)的整定調(diào)節(jié)，PID參數(shù)整定質(zhì)量決定了溫度控制質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶希望潔凈廠房的溫度調(diào)節(jié)時(shí)間盡可能的快。然而溫度的快速響應(yīng)，會(huì)造成超調(diào)，并很可能形成長(zhǎng)時(shí)間的溫度震蕩。溫度調(diào)節(jié)速度和溫度控制精度往往不可調(diào)和，如果在精度允許的前提下加快調(diào)節(jié)速度就意味著盡可能地減少震蕩。通常的做法是在PID調(diào)節(jié)過(guò)程中引入死區(qū)來(lái)調(diào)節(jié)控制效果。然而，即使加了死區(qū)保護(hù)，但受制于現(xiàn)場(chǎng)條件，其效果不具備普遍性。

若設(shè)定Er為溫度誤差值，Es為溫度設(shè)定值，Eb為溫度實(shí)際值，Et為溫度的死區(qū)，則：

5 結(jié) 語(yǔ)

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