基于自控技術(shù)的高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究

盛 偉

（南京博森科技有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

近年來，隨著我國工業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型升級，工業(yè)產(chǎn)品也不斷朝著精細(xì)化的方向發(fā)展，給生產(chǎn)車間的環(huán)境提出了更高的要求，由此各企業(yè)開始側(cè)重于高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室和車間的建設(shè)與應(yīng)用。而在高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室中，最重要的一項(xiàng)技術(shù)無疑是對空氣環(huán)境進(jìn)行自動化調(diào)節(jié)控制。因此，如何針對高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的空調(diào)自控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，是值得研究的一項(xiàng)內(nèi)容。

1 高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 基本設(shè)計原則

高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)實(shí)則是一個復(fù)雜的空調(diào)系統(tǒng)，包括一定數(shù)量的空氣處理裝置，由于該裝置經(jīng)常同時運(yùn)行，因此，在負(fù)荷設(shè)計上通?？紤]系統(tǒng)最大的發(fā)熱負(fù)荷[1]。但是在實(shí)際使用過程中，由于實(shí)際運(yùn)行工況的差異，因此這些負(fù)荷經(jīng)常處在動態(tài)變化的狀態(tài)，相關(guān)參數(shù)也會隨之變化。為了確保當(dāng)參數(shù)變化時各空氣處理裝置的實(shí)際輸出仍能準(zhǔn)確匹配負(fù)荷，需要通過自動控制來滿足該要求。事實(shí)上，這種自動控制也主要是針對相關(guān)的開關(guān)和閥門等裝置[2]。

除了上文所提及的自動控制任務(wù)外，該系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)考慮到運(yùn)行安全問題，具體包括檢測報警裝置和連鎖保護(hù)裝置等。與此同時，系統(tǒng)設(shè)計時也必須考慮環(huán)保節(jié)約和操作便利2個方面的因素[3-4]。

在對自控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，除了應(yīng)當(dāng)明確空調(diào)系統(tǒng)的整體情況之外，還需要選擇科學(xué)合理的控制措施，從而實(shí)現(xiàn)整個自控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、便利性和可靠性[5]。

1.2 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的要素

對于高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室來說，其內(nèi)部的空氣環(huán)境主要可以通過以下4個要素進(jìn)行描述：1） 溫度。2） 濕度。3） 氣流。4） 潔凈度。其中，溫度是對干球溫度進(jìn)行計量，單位為攝氏溫度（℃）；濕度則表示實(shí)驗(yàn)室空氣中的水分含量，多以相對濕度進(jìn)行描述，相對濕度是指濕空氣中的水蒸氣分壓與同一溫度下飽和空氣的水蒸氣分壓的比值，用百分比（%）的形式來表示；氣流是指實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣的流動速度，通常當(dāng)人能夠感受到空氣的流動時，氣流速度在0.3 m/s以上；潔凈度則是指恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的空氣含塵量（該指標(biāo)不僅包括可吸入顆粒物等常規(guī)指標(biāo)，還包括空氣中的微生物），由于在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用過程中，不可避免地會產(chǎn)生一定的污染，因此需要采用換氣控制的措施，及時排出污染物，確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的空氣環(huán)境始終處于潔凈的狀態(tài)。

1.3 空氣調(diào)節(jié)的控制方式

在該高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的溫度控制中，以空氣調(diào)節(jié)為主、濕度調(diào)節(jié)為輔，其在運(yùn)行過程中，主要使用單風(fēng)道向?qū)嶒?yàn)室內(nèi)送風(fēng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度，對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度恒定。同時，其利用同樣的方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的濕度，對加濕器或除濕器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的濕度恒定。

為了實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的控制，該設(shè)計采用PID控制的瞬態(tài)響應(yīng)法，并適當(dāng)設(shè)定PID參數(shù)，準(zhǔn)確地對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的恒溫恒濕模塊進(jìn)行控制，例如PID參數(shù)需要變更，則使用計算機(jī)模擬程序，將該系統(tǒng)視為一階時滯系統(tǒng)，從而達(dá)到變更PID參數(shù)和輸入的目的。

2 高精度恒溫恒濕自控系統(tǒng)的組成

當(dāng)前，自控系統(tǒng)的核心模塊通常采用PLC可編程邏輯控制器，該模塊有較高的可靠性且機(jī)動靈活，可以根據(jù)需要隨時對模塊進(jìn)行擴(kuò)展，并能夠?qū)崿F(xiàn)更為精確的溫度控制與濕度控制，有更高的性價比。

整體來看，該自控系統(tǒng)由數(shù)臺恒溫恒濕機(jī)組所組成，每臺機(jī)組都配備有1個CPU模塊、一定數(shù)量的輸入輸出擴(kuò)展模塊、通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器和執(zhí)行器等部件。該自控系統(tǒng)各臺控制器之間采用現(xiàn)場總線的方式組成整體的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由1臺擔(dān)任工作站的計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，該計算機(jī)上的WinCC軟件可以對各恒溫恒濕機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并記錄下所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，工作人員可以采用圖表的形式調(diào)取歷史數(shù)據(jù)對其進(jìn)行分析和處理。同時，各臺高精度恒溫恒濕機(jī)組均配備了型號為TD400C的控制面板，操作人員只需要通過面板就可以實(shí)時查看機(jī)組的各類參數(shù)，并對機(jī)組的啟停進(jìn)行控制。

3 高精度恒溫恒濕自控系統(tǒng)的控制

3.1 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)多選用PLC系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)全稱為Programmable Logic Controller，它采用數(shù)字電信號進(jìn)行控制，其組成結(jié)構(gòu)包括PLC控制器、中央控制設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥等。

對于PLC系統(tǒng)來說，PLC控制是其核心部分，PLC控制器主要承擔(dān)輸入輸出轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)算2個方面的功能。在輸入轉(zhuǎn)換過程中，控制器接收來自溫度傳感器和濕度傳感器的信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；然后將通過輸出轉(zhuǎn)換過程，將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制信號并輸出，從而達(dá)到控制系統(tǒng)運(yùn)行的目的?？刂七\(yùn)算功能可以細(xì)分為PID控制、定時器、信號逆轉(zhuǎn)和信號選擇等多個模塊，具體的運(yùn)算則主要由輸入信號所控制。計算結(jié)果則由輸出轉(zhuǎn)換功能向各個調(diào)節(jié)閥門輸出信號，控制各個閥門的運(yùn)行。除此之外，PLC控制器還可以直接通過通信網(wǎng)絡(luò)與中央控制設(shè)備進(jìn)行通信。

在該實(shí)驗(yàn)中，選用西門子CPU SR60/ST60型號的PLC控制器，其具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 所選用的PLC控制器參數(shù)

3.2 風(fēng)量調(diào)控

在風(fēng)量調(diào)控的過程中，多采用單風(fēng)道定風(fēng)量的控制方式，整體的調(diào)控步驟則分為以下9個步驟：1） 打開外部空氣風(fēng)閥，將室外空氣輸送到空調(diào)系統(tǒng)中。2） 使用空調(diào)系統(tǒng)中的過濾器除去外部空氣中的各種顆粒物。3） 外界空氣接觸盤管，使其溫度滿足實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)際需要。4） 使用加濕器或除濕器改變空氣的濕度。5） 使用送風(fēng)機(jī)將經(jīng)過前4個環(huán)節(jié)處理后的空氣送入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。6） 空氣由出風(fēng)口進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，保持其參數(shù)符合要求。7） 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的污濁空氣返回空調(diào)系統(tǒng)。8） 部分污濁空氣排到外界環(huán)境中。9） 部分污濁空氣將與空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的外界空氣混合，并重復(fù)進(jìn)行（2）～（4）的處理步驟后，再重新回傳到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

通過上述步驟的運(yùn)行后，空氣的溫度、濕度和潔凈度都將符合高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的要求，確保高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室始終保持理想環(huán)境。

3.3 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度和濕度的控制與處理

在測量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度時，多采用PLC的控制模塊完成測量工作，當(dāng)溫度偏離預(yù)設(shè)值時，控制模塊就會相應(yīng)地調(diào)整冷熱水閥和空氣風(fēng)閥，從而確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度始終保持在設(shè)定值附近。

實(shí)驗(yàn)室的濕度控制分為加濕控制和除濕控制，分別由若干臺加濕器和除濕器承擔(dān)控制任務(wù)。濕度的測量則仍采用PLC控制器來完成，其通過對加濕閥和冷水閥的控制，能夠規(guī)避因加濕或除濕而改變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度的問題。

在加濕控制環(huán)節(jié)，控制模塊主要以比例控制或雙位控制的方法來確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度符合預(yù)設(shè)值。這2種方法會根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)加濕器的種類不同而分別進(jìn)行選擇。一般來說，電熱式蒸汽加濕器和電極蒸汽加濕器多采用比例控制的方式，而滴下氣化式加濕器則采用雙位控制的方式。目前來看，高精度要求的實(shí)驗(yàn)室以電熱式蒸汽加濕器居多。而在除濕控制環(huán)節(jié)，則主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的溫度合理調(diào)整冷水閥的比例，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下，從而達(dá)到除濕的目的。冷卻閥啟動前，系統(tǒng)將檢測溫度控制信號和除濕控制信號的強(qiáng)度，由其中較強(qiáng)的一個信號負(fù)責(zé)對冷卻閥門進(jìn)行開啟，實(shí)現(xiàn)除濕的目的；而后再對實(shí)驗(yàn)室溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫度和濕度傳感器設(shè)計在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，除表冷盤管后因位置特殊而需要使用露點(diǎn)溫度傳感器以外，其他位置都使用常規(guī)傳感器。由于除濕過程中很容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度下降過快，特別是對于一些缺乏加熱盤管的熱源，該情況會更嚴(yán)重，因此在該模塊中，還需要設(shè)計安裝1套輔熱設(shè)備，用來精調(diào)室內(nèi)溫度的控制回路。

3.4 操作控制

操作控制主要體現(xiàn)在工作站計算機(jī)的WinCC軟件上，在該軟件的操作界面，各個機(jī)組的情況都將以彩色三維圖形的形式進(jìn)行直觀展示，當(dāng)運(yùn)行情況發(fā)生變化時，相關(guān)的圖標(biāo)將出現(xiàn)閃爍或是顏色上的變化，從而讓操作人員直接明確不同機(jī)組的運(yùn)行狀況或者根據(jù)報警信號及時對相應(yīng)的機(jī)組進(jìn)行處理。顯示界面主要涵蓋以下的參數(shù)內(nèi)容：機(jī)組送風(fēng)溫度、機(jī)組回風(fēng)溫度、濕度以及電加熱器開度等。操作人員只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)，就可以修改相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置或者改變目標(biāo)器件的啟停狀態(tài)，達(dá)到合理控制實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的目的。

3.5 其他控制方法

3.5.1 自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

PLC自動控制系統(tǒng)可以直接連接在網(wǎng)上，形成控制系統(tǒng)的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自下而上分為現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)、自控層網(wǎng)絡(luò)和管理層網(wǎng)絡(luò)3個層級。管理層網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議，通信速率在100 M以上，直接運(yùn)用既有的布線系統(tǒng)進(jìn)行連接，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信的目標(biāo)，還可以同時連接多個工作站。自控層網(wǎng)絡(luò)主要用于各個PLC控制器之間的連接，也可以通過網(wǎng)關(guān)來連接其他的第三方系統(tǒng)和設(shè)備。現(xiàn)場設(shè)備層主要用于連接各個終端控制設(shè)備（支持不同的通信速率）。

3.5.2 啟停控制

啟?？刂瓢ㄗ罴褑涌刂?、預(yù)冷預(yù)熱時間段控制以及關(guān)機(jī)時的連鎖控制。對于一般的應(yīng)用來說，其通常根據(jù)過去24 h內(nèi)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度變化情況，對變溫時間進(jìn)行控制，再對系統(tǒng)啟動時間進(jìn)行計算和調(diào)節(jié)。在預(yù)冷預(yù)熱時間段的控制過程中，主要通過對外界空氣的調(diào)整來降低預(yù)冷或是預(yù)熱階段所花費(fèi)的時間，如果無法通過實(shí)驗(yàn)室外的空氣進(jìn)行降溫，則關(guān)閉所有的排氣風(fēng)閥和空氣風(fēng)閥，只通過回風(fēng)風(fēng)閥進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在關(guān)機(jī)時的連鎖控制環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)則會關(guān)閉所有的風(fēng)閥。

3.5.3 實(shí)驗(yàn)室外空氣吸入控制

如果實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境為冷負(fù)荷，且實(shí)驗(yàn)室外空氣已經(jīng)滿足以下4個條件：1） 實(shí)驗(yàn)室外的氣溫低于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的氣溫。2） 實(shí)驗(yàn)室外空氣熱焓比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)更低。3） 實(shí)驗(yàn)室外空氣溫度高于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣溫度的下限設(shè)定值。4） 實(shí)驗(yàn)室外空氣露點(diǎn)溫度低于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度的上限設(shè)定值。在該情況下，就可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室外空氣制冷已經(jīng)取得效果，并可以進(jìn)行風(fēng)閥控制。在控制過程中，控制系統(tǒng)會將實(shí)驗(yàn)室外的空氣與回風(fēng)相混合，輸送具有一定溫差的空氣，從而確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度始終保持在合理區(qū)間[6]。

3.6 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

對溫度和濕度進(jìn)行實(shí)時檢測是確保實(shí)驗(yàn)室環(huán)境恒溫恒濕的關(guān)鍵。因此，該文從以下4個模塊入手，綜合設(shè)計了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)：1） 溫濕度測量模塊。該模塊主要使用溫度和濕度傳感器對環(huán)境信息進(jìn)行采集，再通過轉(zhuǎn)換電路對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。2） 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊。它主要通過無線擴(kuò)頻通信技術(shù)傳輸測量到的數(shù)據(jù)信息。3） 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)虛擬串口。該部分主要基于TCP/UDP協(xié)議，在PC端實(shí)現(xiàn)虛擬串口的轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備之間的通信。4） 計算機(jī)溫濕度記錄軟件。工作人員可以通過軟件界面實(shí)時查看實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度或濕度出現(xiàn)異常變化時，會及時發(fā)出提示信息，提醒工作人員進(jìn)行處理。

3.7 恒溫實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)驗(yàn)收

在使用自控技術(shù)對高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計后，還需要對其進(jìn)行驗(yàn)收，確保其已經(jīng)具備了相應(yīng)的功能。具體來看，驗(yàn)收工作主要分為以下4個步驟：1） 對測量點(diǎn)位進(jìn)行布置，每個測量點(diǎn)位都應(yīng)當(dāng)配有溫度傳感器和濕度傳感器，測量點(diǎn)則布置在與實(shí)驗(yàn)室工作臺面相平的高度，并避免距離墻壁過近。在布置好測量點(diǎn)后，將所有傳感器連接到專用的計算機(jī)上，開啟相應(yīng)軟件并檢測其是否正常工作。2 ）測量前的準(zhǔn)備工作。在該環(huán)節(jié)中，需要對恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其具體參數(shù)見表2。同時，設(shè)置完成后，還需要等待約1 h，以確保恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)已經(jīng)滿足設(shè)定條件。3） 進(jìn)行實(shí)際測量。該步驟需要操作人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室設(shè)置采集器的參數(shù)，頻率設(shè)置為4 min/次，每個采集器采集15個數(shù)據(jù)，延遲時間為10 min，設(shè)定完成后，操作人員立刻離開恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室，并對其做好封閉處理，等待設(shè)備自動采集相關(guān)數(shù)據(jù)，工作人員只需要通過實(shí)驗(yàn)室玻璃窗來觀察并記錄數(shù)據(jù)。4） 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，只需要使用相應(yīng)的專業(yè)軟件就可以根據(jù)第三步采集到的數(shù)據(jù)自動生成原始記錄，并根據(jù)其內(nèi)置的公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果可為后續(xù)恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際應(yīng)用提供重要依據(jù)[7-8]。

表2 測量工作中實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)

4 恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室空調(diào)機(jī)組的維護(hù)

高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室最重要的模塊是空調(diào)機(jī)組，確?？照{(diào)機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行是工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。因此，要積極采取措施，從多方面入手來開展空調(diào)機(jī)組的維護(hù)工作，具體如下：1） 要定期檢查空調(diào)控制系統(tǒng)各單元和運(yùn)行參數(shù)是否正常，同時要及時查看歷史報警記錄，如果發(fā)現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，就要分析該報警記錄，及時消除隱患問題。2） 要定期檢查空氣過濾器，及時更換空氣過濾網(wǎng)，并使用高壓水沖洗空氣過濾網(wǎng)，確保其能夠正常運(yùn)行，對于一些嚴(yán)重堵塞、無法清洗的過濾網(wǎng)則應(yīng)當(dāng)廢棄。3） 要對制冷系統(tǒng)進(jìn)行定期檢測，其重點(diǎn)檢測內(nèi)容在制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力和壓縮機(jī)2個方面，制冷系統(tǒng)的運(yùn)行壓力應(yīng)當(dāng)根據(jù)外界環(huán)境的變化而靈活調(diào)整，壓縮機(jī)的檢測則要集中于工作聲音和三相繞組平衡，從而判定其是否處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。4） 要對排水系統(tǒng)進(jìn)行檢測，重點(diǎn)檢測排水系統(tǒng)的溫度，如果排水系統(tǒng)的溫度不受控，則要檢測制冷劑和風(fēng)扇等的情況，考慮到安全因素，該步驟應(yīng)當(dāng)交由專業(yè)人員操作。

5 結(jié)語

綜上所述，高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)是確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)具有高精度、高品質(zhì)檢測環(huán)境的關(guān)鍵，而為了使之達(dá)到節(jié)能控制的根本目標(biāo)，則要應(yīng)用自控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度控制和節(jié)能等目標(biāo)。自控系統(tǒng)通過軟硬件和網(wǎng)絡(luò)等共同作用，將實(shí)現(xiàn)對恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室最為優(yōu)化的控制，確保實(shí)驗(yàn)室始終在理想狀態(tài)下運(yùn)行。同時，為了確保高精度恒溫恒濕控制系統(tǒng)能夠符合要求，在系統(tǒng)布置完成后，還需要對系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測和驗(yàn)收，在實(shí)驗(yàn)室的日常使用過程中，也需要加強(qiáng)對空調(diào)機(jī)組的定期維護(hù)，以實(shí)現(xiàn)高精度恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室的長期應(yīng)用。