药厂的生产车间不同于一般的舒适性空调房间,室内的温湿度控制要求精度较高,一般要求温度在22℃±2℃,相对湿度在55%±5%以内,同时对空气的洁净度也有较高要求,使得换气次数较多,新风量大,甚至有直排系统。因为外界的温湿度变化对室内温湿度影响较大,所以只有选择合理的温湿度控制方案,才能确保室内的温湿度达到设计要求。本文主要针对采用传统控制方法的工业用空调系统经常出现的问题,提出了一套控制方案,并有助于提高空调系统的运行效果和经济性。
1 温湿度控制的特性以及常见问题
1.1 温湿度控制的特性
对湿空气单纯地加热或制冷过程,是含湿量保持不变的过程,即绝对湿度保持不变的过程。湿空气经过盘管加热,温度升高而相对湿度下降;相反,对冷却过程,温度下降而相对湿度相应升高,因此我们可以得出,温度和相对湿度是两个不同方向的控制量,要使温湿度同时向相同的趋势变化,则单纯靠加热/冷却过程是不能实现的。冷却去湿过程是湿空气经冷却达到饱和后继续制冷的过程,湿空气经过冷却盘管析出水滴从而降低了绝对湿度,起到降湿的作用。因而我们可以将空气处理过程分为加热、加热加湿、制冷、制冷再热和制冷加湿等5个部分,如图1所示。
图1中,横坐标为含湿量,即每千克干空气所含有的水蒸汽量;纵坐标为温度。由目标状态绝对湿度线、目标温度和目标湿度线以及机器露点的危险警戒湿度线(相对湿度为95%),可以划分为5个控制状态,详见表1。
根据当地气候,我们划分了不同的区域,分别为远离工作区(阴影外的区域)、工作区(阴影所示区域)和容限区。在远离工作区将使用大步距逼近的控制方法,工作区将采用本文所讲的智能控制策略,容限内保持各阀门状态。
1.2 实际过程中所采用的方法以及常见问题
1.2.1 冷热水阀的控制问题
温度变化的方向与冷/热水阀的动作方向相反,通常是采用冬夏季分开的运行模式。这样的做法在过度季节会难以判断和确定运行模式,很容易造成室内温湿度的失调。
1.2.2 常规的处理方法及问题
为了解决除湿问题,通常采用湿度优先的方法,冷水阀主要用来除湿,同时也造成温度的下降,然后通过热水阀的再热,使温湿度均能达到所要求的值,这样的做法虽然可以满足设计要求,但在相当多的时候,冷热水阀使能量相互抵消,造成了能源的浪费。据统计,目前在我国,空调系统的能耗占整个建筑物能耗的50%～60%,因此对空调设备进行优化控制,选择合理的控制方法,对建筑节能具有重要的意义。
单纯地采用回风温度闭环控制冷/热水阀以控制室内温度的做法,其PID参数难以整定在合适的范围内,很难保证系统的稳定性和精度。如果调节动作慢,造成提前开机时间过长,调节动作快,则很容易造成系统的超调,甚至产生震荡现象。
2 控制系统的实现
2.1 控制系统的设计
药厂洁净室的温湿度控制是一个多变量控制对象,温度控制和湿度控制之间相互影响,且其动态特性差异较大,特别是温度和湿度的相关性较强,所以我们采用了串级和分程控制的方法,尽量避免以上问题的发生。
在每一个延时控制环节,温湿度变送器检测的温湿度值与当前目标温湿度状态比较,确定其工作区间及模糊分区,自动匹配应有的控制状态,在每一个模糊分区都采用以下的控制策略,设定值为当前洁净室所要求的值。
根据串级控制系统的特点:副环具有快速作用,它能够有效地克服二次扰动的影响,起着改善对象动态特性的作用,在控制过程中起着“粗调”的作用;外层的闭环称为主回路或主环,用来完成“细调”任务,以最终保证被控量满足工艺要求。串级控制系统中尽管有两个调节器,但它们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值,它的输出作为副调节器的设定值,在系统中起着主导作用,副环主要是克服外部扰动,而主环主要克服内部扰动。
考虑到节能的需要,采用了分程的控制方法。为了避免冷、热水阀同时打开,所以在控制冷、热水阀时选用分程控制,如图2所示。其控制过程为:控制器的输出可通过软件转换为一个对称的区间范围,例如-100%到100%,通过分程过程后分为两个信号的输出,即-100%到-5%(可以改变)和5%到100%。由于冷/热水阀不能切换得太快,所以有一个延时过程,再通过这两个信号来分别控制热水阀和冷水阀的开度,如图3所示。分程的实现是由软件(Saia公司的PG5软件)通过模块SEQ-HC来实现的。
在图3中,X轴表示控制信号P,Y轴表示阀的开度。当P为-100%时,冷水阀全打开,P为-5%时为全关闭;P为100%时,热水阀全打开,P为5%时为全关闭,-5%～5%为延时过程。
2.2 控制系统的实现
大空间大惯性大延时的工业空调系统中,我们采用了PI控制方式,防止系统产生震荡,该系统采用了温湿度三级串级控制的方法,设置了PI控制死区,并在软件中采用了自适应调节的方法,从而避免了系统的震荡,保证了系统的控制精度。
2.2.1 温度串级过程
由于送风温度受干扰而波动比较大,所以设置为副环,回风温度设置为主环,并在副环设置死区,这样可以很好地满足室内温度稳定地调节。主环调节过程较慢,而副环的调节过程较快,这样在一开机后就会很快地使室温达到所要求的值,同时也抑制了系统的超调。在不考虑湿度的情况下,送风温度和回风温度串级流程图如图4所示。
2.2.2 系统流程图
由于冷水阀是由温度和湿度共同控制的,所以还要加上湿度的串级控制,这样整个系统的流程图如图5所示。送风和回风温度串级控制输出经过分程控制,把
-100%到-5%的信号(要经过数模转换)和湿度控制经过分程后的-100%到-5%的信号叠加来共同控制冷水阀,温度分程后的5%到100%的信号则直接控制热水阀的开度,湿度分程后的5%到100%的信号则控制加湿阀的开度。
2.3 温湿度解耦
根据空气调节的原理,在空调系统的控制中,特别是在恒温、恒湿的空调系统中,能否解决空气温度与相对湿度之间耦合问题特别重要,它将直接影响到控制精度。为了解决上述问题,必须采用解耦的方法,即在温湿度控制回路之间引入解耦环节R1和R2,使温湿度控制分别成为:
温度输出量T=Kt[(1-R1)×Ct+R1×Ch]
湿度输出量H=Kh[(1-R2)×Ch+R2×Ct]式中:R1=0～1;R2=0～1。
Kt和Kh是为提高控制精度而定的系数,R1和R2的实际值为0～1,不同的季节或在不同的负荷下,需要另做调整,具体做法是先设R1=R2=0,这时每当升温或除湿启动,都会造成洁净室内温度和湿度的较大波动,然后再根据情况逐渐增大R1和R2,使这种波动减小,最终达到解耦控制的目的。
2.4 控制系统的特点
①冷水阀、热水阀、加湿阀分别采用分程控制,可以克服采用冬夏季转换模式所带来的过渡季节难以判断的问题。
②冷水阀采用送风温度、回风温度、送风湿度串级控制,并设置死区,较好地解决了温度和湿度的超调问题,稳定性较好,从而提高了系统的控制精度,减少了能源的浪费。