洁净空调控制系统的设计及应用

冯智钟汉云芮庆忠

（1.长沙中联重科物料输送设备公司 2.广州中浩控制技术有限公司）

洁净空调控制系统的设计及应用

冯智1钟汉云2芮庆忠2

（1.长沙中联重科物料输送设备公司 2.广州中浩控制技术有限公司）

介绍了洁净空调控制系统的网络结构，结合实际工程案例阐述了洁净空调控制系统的温湿度控制、压力控制、送风量控制。

洁净空调；自动化控制；PLC

0 前言

液晶面板、半导体和生物制药等行业的生产厂房对生产环境要求严格，温度、湿度、正压值和洁净度4个主要环境因素必须控制在指定范围内[1]。洁净空调可以向生产车间输送符合温湿度要求的洁净空气，使生产车间内部相对室外的压差为正值，从而避免了尘埃微粒对生产过程的污染。因此洁净空调被广泛应用于集成电路、半导体、制药、液晶玻璃生产等行业。本文结合相关洁净工程案例对洁净空调控制系统的设计及应用展开论述。

1 系统的需求分析

成都某电子厂生产车间分为4层，共设9个洁净区，每层各配置一台组合式空调机组。如图1所示，组合式空调机组的空气处理功能段依次为：新风进风段、初效过滤段、冷水盘管段、加湿段、一次回风混合段、热水盘管段、风机段、中效过滤段、出风段。

图1 组合式空调示意图

该电子厂洁净空调控制系统监控范围：1) 洁净室温湿度控制；2) 洁净室压力控制；3) 送风量控制；4) 设备远程启停和参数设定。

洁净空调控制系统正常运行时，现场无人值班，少人值守。洁净室生产环境的控制范围和精度要求为：温度（22℃±2℃）、湿度（50±10% RH）、压力（10 Pa）。

2 控制系统的设计

2.1 控制系统网络

洁净空调系统网络图如图2所示，其控制系统分为2层，分别为上位机监控系统和现场层的PLC系统。

图2 洁净空调系统网络图

上位机监控系统主要实现实时数据的远程监控和设备的远程操作。洁净室内的温湿度显示和压差显示、变频器的运行频率显示、送风机的启停控制和电动阀门的开关控制等，都可以通过上位机的组态软件实现。洁净空调控制系统监控软件界面如图3所示。

PLC系统包括CPU单元、I/O模块以及现场的变频器、电动阀门和传感器，主要实现系统的逻辑控制、数据采集。

图3 洁净空调监控界面图

2.2 温湿度控制

温湿度控制是洁净空调控制系统实现的关键。如图4所示，单纯使用室内温湿度控制冷水阀和热水阀，其中温度PID调节器控制冷水阀和热水阀进行温度调节，湿度PID调节器控制冷水阀和加湿器进行湿度调节。

图4 常见的冷水阀和热水阀控制方法

温度和湿度的关联性比较强，在除湿或者加湿的过程中，送风温度必然发生变化，经过热水盘管的温度调节后，相对湿度也随之变化[2]。图4控制方法存在的问题：冷却阀是由温度PID调节器和湿度PID调节器共同控制的，当切换动作发生时，冷水阀开度发生突变，送风温湿度就会出现波动，并且温湿度调节是一个大滞后的过程。这些原因导致了洁净室的温湿度在很长一段时间内都难以稳定下来，容易出现震荡现象，见图5和图6。

图5 洁净室湿度历史趋势图

图6 洁净室温度历史趋势图

如果只要求把温湿度这两个环境参数中的其中一个控制在误差范围内，实现起来比较容易。但若要温湿度同时都控制在误差范围内，则需要正确分析温度和湿度的关联性，找到准确的控制方法[2]。

焓湿图（如图7所示）可以清晰地说明空气在热湿处理过程中温湿度发生的变化。

图7中，A点是空气状态的控制目标点（空气温度22℃，相对湿度50% RH，露点温度11℃），假设B点是当前空气状态点。空气在热水盘管加热过程中，含湿量是保持不变的，温度上升而相对湿度下降[3]，即空气状态从B点移到了C点，这是一个等湿加热过程；相反，空气在冷水盘管冷却过程中，空气状态从C点移到了B点，温度下降而相对湿度上升，空气含湿量还是保持不变的；若继续增大冷水阀的开度以增强冷却作用，直到空气状态从B点移到了E点，空气达到饱和状态而析出水滴，达到除湿的效果[3]，此时空气温度等于露点温度；若继续冷却除湿，露点温度不断下降，空气状态沿着100%等相对湿度线从E点移到了F点，再经过热水盘管的等湿加热过程，空气状态从F点移到了A点。空气状态从C点到A点的变化过程，就是空气降温除湿的过程。

图7 焓湿图

本文针对图4的控制方法进行了改进，以A点（空气温度22℃，相对湿度50% RH，露点温度11℃）的空气状态作为控制目标，在新风进风口增加温湿度传感器，在送风口增加露点温度传感器，根据不同的天气条件，结合焓湿图，归纳出以下三种情况的控制策略：

1) 当新风空气温度高于露点温度（11℃）时，冷却除湿后再加热；

2) 当新风空气温度低于露点温度（11℃）且低于室内设定温度（22℃）时，加热加湿；

3) 当新风空气温度低于露点温度（11℃）且低于室内设定温度（22℃）时，冷却加湿。

使用上述控制策略，温度PID调节器和湿度PID调节器对冷水阀的切换动作不会导致温湿度的波动；同时在送风口增加露点温度传感器，可以区分开冷却与冷却除湿这两种情况，防止需要冷却但不需要除湿时的过冷却，又能减少冷水阀和热水阀同时打开能量相互抵消这种情况，节约了能源。测试结果表明，温湿度控制效果有较大改善，如图8和图9所示。

现场调试中发现，洁净室内的设备发热量大，对洁净室的温湿度存在一定影响，造成洁净室温度偏高湿度偏低。将送风温湿度调整到稍低于设定值，可解决该问题。

图8 洁净室湿度历史趋势图

图9 洁净室温度历史趋势图

2.3 正压控制

洁净室保持一定的正压值，当进出口的门打开时，向室外吹风，可以避免灰尘进入洁净室内。只要洁净室的送风量大于排风量和回风量之和，就能保证洁净室维持一定的正压值。

本文取多个室内压差传感器实测值的平均值作为正压PID控制的反馈值，这有利于降低局部压差波动对反馈值的影响。正压PID控制程序根据压差的反馈值与设定值的偏差，控制新风阀的开度来调节送风量。

2.4 送风量控制

送风量PID调节器根据风管空气速度传感器的实测值与设定值的偏差，自动调节送风机变频器的频率，保持生产车间送风量的稳定。

电子厂各个生产车间生产情况不一样，因而各个生产车间的送风时段不同。根据生产车间的实际使用情况为洁净空调设置了3种工作模式：运行模式、停机模式、夜间模式。

运行模式：送风机根据设定风速自动调节送风量。停机模式：关闭所有阀门和送风机。

夜间模式：不需要送风的房间，关闭室内的送风阀和回风阀，使该房间处于停风状态。同时降低送风机变频器的频率，保持需要送风的房间风量稳定。

根据系统投入使用后的能耗记录比较，这3种工作方式合理运用可以使洁净空调系统节约大量能源。

2.5 系统的控制难点

2.5.1 湿度控制

由于温湿度具有大滞后和相互关联的特性，使用传统的温湿度调节方法难以得到满意效果，通过引入露点温度控制调整洁净空调送风，改善了系统的控制效果，有效避免了系统的波动。

2.5.2 PID控制参数的整定

工程上，PID控制参数常通过实验试凑法确定。实验试凑法是通过闭环运行，观察控制系统的响应曲线，再根据各参数对控制系统的影响，反复试凑参数，直至出现满意的响应曲线，最终确定PID控制参数，衰减曲线图见图10[4]。

实验试凑法的整定步骤为“先比例，再积分，最后微分”[4]。

对于温度控制等应用场合，通常容量滞后较大，适当加入微分作用，可改善控制效果。

图10 衰减曲线图

3 结语

自动化控制技术在洁净空调系统中的应用，保证了洁净室内空气参数的稳定性和准确性，同时能有效地节约能源，并对设备进行有效的管理，洁净空调系统的自动化程度也得到进一步提高。

[1] 王新华.HVAC行业及应用介绍.施耐德电气(中国)投资有限公司资料,2003.

[2] 松元忠雄,陆品桢.净化室内的温湿度控制[J].工业仪表与自动化装置,1991(1):59-62.

[3] 刘瑞霞,王玲,王永晰.洁净室的温湿度控制设计[J].自动化仪表,2005,26(8):19-21.

[4] 刘金琨.先进PID控制及其Matlab仿真[M].北京:电子工业出版社,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

冯智，男，1978年出生，工程学士，工程师，研究方向：自动控制与空调节能技术应用。

钟汉云，男，1986年出生，工学学士，工程师，研究方向：自动控制与空调节能技术应用。

芮庆忠，男，1977年出生，工学学士，工程师，研究方向：自动控制与空调节能技术应用。