藥廠潔凈空調箱的BMS 控制策略

文/鄒小安 張春紅 李偉敏 歐陽健

在季節交替時，空調箱的輸出溫度/濕度會經常出現較大波動——這是由于許多采用BMS（Building Monitoring System）進行控制的潔凈空調箱的表冷器在這時突然切換至機器露點進行除濕，加熱盤管卻來不及響應。為解決這一問題，本文介紹了一種以外界新風露點與時間的導數關系作為前饋調節的控制策略，使表冷器輸出能夠平滑的切換到機器露點，從而實現空調箱能常年有效地自動控制。

溫度、濕度是藥廠生產工藝所要控制的關鍵環境參數，廠房應當有適當的照明、溫度、濕度和通風，用以確保生產和貯存的產品質量以及相關設備性能不會直接或間接地受到影響[1]。藥廠一般采用潔凈空調箱來進行溫濕度調節，其硬件配置基本上是大同小異的，除了本身表冷器的換熱量不夠這一原因外，季節交替時，溫度、濕度的波動主要是控制軟件所造成的。雖然潔凈空調箱各功能段的設置也會有所不同，但這實際上并不一定會影響到其溫度、濕度的控制。為了便于討論，本文就用如圖1 所示的潔凈空調箱配置來進行討論。

圖1 潔凈空調箱示意圖

溫濕度波動產生的原因

季節交替時段控制的不連續性

如圖1 所示，潔凈空調箱是用表冷來進行除濕、降溫的，為了使潔凈空調箱輸出的溫度、濕度數據能夠達到環境的要求，它有一個關鍵的設置參數叫 “機器露點”。機器露點是潔凈空調箱的表冷器、除濕時需要達到的最高露點溫度。當外界氣候的露點溫度上下穿越設備機器露點的時候（如圖2 所示），如果在算法上不做優化，表冷器的輸出就出現了不平滑的情況。

圖2 外界氣候上下穿越機器露點的示意圖

從圖2 的外界氣候露點曲線可以看出，從A 點到C 點的露點溫度都是大于機器露點的。在這個區域里表冷器可以直接將外界氣候的露點溫度降至機器露點，然后由加熱盤管控制空調箱輸出的溫度。

由C 點到E 點的區域，外界氣候的露點溫度已經滿足我們的需要，所以不需要除濕。如果外界氣候的溫度高于回風溫度，那表冷器還是需要對其進行適當的降溫。但如果外界氣候的溫度已經低于回風溫度較多，表冷器便不再需要工作。到底在外界氣候溫度為多少的時候可以關閉表冷器？這則與二次回風的量有一定的關系。

當外界氣候的露點溫度由機器露點之上，向下穿越機器露點通過C 點的時候，可以允許表冷延緩關小冷凍水的閥門，此時只會導致能耗的增加，但一般不會影響平緩輸出。

然而，當外界氣候的露點溫度由機器露點之下，向上穿越機器露點通過E 點的時候，表冷器從一個不需要除濕或者甚至于關閉的狀態，變化為突然需要降溫至機器露點的狀態。這個時候表冷器的輸出就會出現懸崖，輸出的為非平滑曲線。

需要保持表冷器的輸出為平滑曲線

潔凈空調箱后面的加熱盤管，是在表冷器輸出溫度基礎上進行控制的。如果表冷器的輸出出現了脈沖或懸崖，那加熱盤管的輸出也必將會出現脈沖或懸崖。在上文已經提到當外界氣候由機器露點之下，向上穿越機器露點通過E 點的時候，為了滿足相對濕度控制的需要，表冷器的輸出溫度必定會出現懸崖。但如果它緩慢地進行降溫，保持輸出的溫度曲線平滑，那潔凈空調箱輸出的相對濕度必然會超標。這在全新風室外新風的潔凈空調箱上表現得尤為明顯，在回風比例很大又是室內取風的情況下就表現得相對不明顯。另外，如果是采用露點來控制相對濕度的話，溫度的變動也必然導致相對濕度的波動。

所以需要保持表冷器的輸出曲線為一個平滑的曲線，才能夠保障后續加熱盤管的有效配合。所謂的輸出為平滑曲線在數學上是有定義的，就此處的表冷器而言，就是它輸出的溫度與時間的函數，其對時間的導數必須為一個連續的函數。如果它的高階導數也是一個連續的函數，那它的光滑程度就更高。

如何實現表冷器輸出平滑的曲線

表冷需要以外界新風來前饋控制

如圖1 所示，潔凈空調箱的表冷器需要根據外界新風的露點來進行控制[2]，也就是我們平時所說的前饋調節。如果它是按照潔凈空調箱的輸出來進行控制，那它的輸出永遠都是滯后的。

曾經還有用回風溫度來區分夏季模式和冬季模式的解決方案：新風溫度高于回風溫度的情況定義為夏季模式，新風溫度低于回風溫度的情況定義為冬季模式。但這樣的定義在程序設計中會出現麻煩，如果一定要定義夏季、冬季模式的話，建議用新風的露點溫度來進行：新風的露點溫度高于機器露點的情況定義為夏季模式，新風的露點溫度低于機器露點的情況定義為冬季模式。

如何獲得表冷器輸出的平滑曲線

想要很好地實現BMS 的全天候控制，需要由三方面的專業人員（暖通專業的人員、自控算法設計的人員、寫代碼的人員）共同協作。只有暖通專業的人員才了解，外界氣候上下穿越機器露點時會出現的情況。一般自控設計的人員認為，外界氣候是連續的，在自控上不會出現問題。既然穿越機器露點時表冷輸出會出現懸崖，那自控算法的人員需要設法彌補。最終再由編寫代碼的人員落實到具體的行動中，這樣才能夠獲得完美的結果。BMS系統的具體架構，如圖4 所示。下文將著重討論如何在控制算法上進行優化，從而使得表冷器輸出平滑的曲線。

圖4 BMS 系統架構圖

首先我們在程序中建立外界新風露點對時間的導數dD/dt（或者△D/△t），如圖3 所示。

圖3 露點曲線的示意圖

當在外界新風露點大于機器露點的情況下，無論dD/dt（或者△D/△t）是大于零還是小于零，表冷器都需要輸出機器露點的溫度。

當外界新風露點由機器露點上方，向下穿越機器露點的時候，向下穿越機器露點以后，表冷器就不再需要承擔除濕的功能。表冷器可以緩慢地關小冷凍水的流量，來滿足對溫度控制的需要。

當在外界新風露點小于機器露點的情況下，此時表冷器就不再需要承擔除濕的功能，僅需要維持合適的溫度即可。

當外界新風露點由機器露點下方，向上穿越機器露點的時候(如圖3 所示)，外界氣候露點在機器露點的下方，即dD/dt（或者△D/△t）的時候，說明曲線處于上升階段。隨著外界氣候露點接近機器露點，就需要提前緩慢地預先降低表冷器的輸出溫度。以致于當外界氣候露點達到機器露點時，表冷器的輸出溫度正好為機器露點[3]。

結論

針對在過渡季節空調箱控制系統存在輸出溫度、濕度會出現較大波動的問題，本文提出了一種以表冷器基于外界的新風露點來進行控制的策略，通過分析氣候露點曲線的變化特點在算法上進行了優化，并將其應用到了BMS控制程序中，使空調箱的輸出溫/濕度不受季節模式的影響也能保持平穩輸出，從而有效地提高了藥廠潔凈空調箱的可靠性。 ●