無塵車間的高精度恒溫恒濕控制方法

一、前言
高精度恒溫恒濕空調(diào)技術(shù)相對而言已比較成熟,但用于高級別的無塵車間卻是一個缺少實踐和經(jīng)驗的課題 。由于維持高級別潔凈度的需要,其通風(fēng)量遠(yuǎn)大于常規(guī)空調(diào)房間,因而使得無塵車間的高精度恒溫恒濕度控制具有其特殊性。

為了滿足高級別與高精度雙重的技術(shù)指標(biāo),并維持良好的系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì),同時還需考慮到降低初投資和日常運行費用等經(jīng)濟(jì)因素,使設(shè)計的難度增加。本文以實際工程為例,從設(shè)計安裝與調(diào)試的全過程介紹在綜合解決上述問題時所采取的相應(yīng)措施和方案,以及最終的實踐效果。

二、高精度恒溫恒濕無塵車間的技術(shù)要求及設(shè)計方案
工程所承擔(dān)電子部某研究所的恒溫恒濕無塵車間主要技術(shù)指標(biāo)如下:

潔凈級別:美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FS-209EM3.5級(即習(xí)慣采用的英制100級)

無塵車間有效空間:2.5m(L)×2.0m(W)×2.5m(H)

室內(nèi)溫度:21±0.1℃

室內(nèi)濕度:Υ55±5%

套間參數(shù):潔凈度為美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FS-209E M6.5級(即習(xí)慣采用的英制100000級)溫度為25±2℃受建筑條件的限制, 設(shè)計中考慮無塵車間氣流組織方案只可采用水平平行流形式,由于氣流進(jìn)行方向尺寸不大,斷面風(fēng)速設(shè)計值為0.28m/s, 較常規(guī)值略低而換氣次數(shù)已高達(dá)400AC/h。送風(fēng)墻面滿布高效空氣過濾器, 相對的整個墻面為回風(fēng)格柵(如圖1), 由于滿足恒溫恒濕精度要求的送風(fēng)換氣次數(shù)遠(yuǎn)小于凈化級別所需的通風(fēng)換氣量,因此必然采用二次回風(fēng)方案,空氣處理流程及空調(diào)方案。

考慮到在二次回風(fēng)后, 設(shè)置有加壓風(fēng)機(jī),它能對經(jīng)過空調(diào)機(jī)組處理的空氣(圖 3中的K 狀態(tài))與二次回風(fēng)(空氣狀態(tài)N)起到充分的混合攪拌作用, 因此不必?fù)?dān)心由于經(jīng)空調(diào)機(jī)組處理的空氣與二次回風(fēng)的溫濕度不同造成的送風(fēng)溫濕度不均勻, 而帶來的房間溫濕度精度不能滿足要求。因此空調(diào)機(jī)組的容量選取可完全根據(jù)房間熱濕負(fù)荷的需要, 無需對其出風(fēng)溫濕度作出

某種限定。由于無塵車間內(nèi)設(shè)備和照明的熱濕負(fù)荷穩(wěn)定, 工作人員固定, 套間又常年維持在25℃左右, 通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量相當(dāng)小而且波動也不大, 所以總起來看室內(nèi)熱濕負(fù)荷比較穩(wěn)定, 全年變化甚微, 從這方面看,對滿足室內(nèi)溫濕度精度要求的控制是比較有利的條件。

三、自動控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)不僅決定于控制裝置,同時與被控對象的環(huán)節(jié)特性也有密切關(guān)系,由于無塵車間送風(fēng)換氣次數(shù)大,使控制的難度加大, 根據(jù)對上述兩方面的綜合分析,得出本系統(tǒng)的溫度精度更不易保證的認(rèn)識,因此本文主要以溫度分析為主。

1從被控對象無塵車間來看, 盡管它是一個動態(tài)系統(tǒng),但對其進(jìn)行定性分析,其能量蓄存量的變化率為:
由于無塵車間內(nèi)熱濕負(fù)荷較穩(wěn)定, 送風(fēng)量又遠(yuǎn)大于一般空調(diào)系統(tǒng),設(shè)計工況下,其送風(fēng)溫差相對很小, 所以在監(jiān)控中對送風(fēng)溫度不予考慮 ,而使用回風(fēng)溫度作為調(diào)節(jié)的輸入。

雖然空氣蓄熱系數(shù)很小, 但因無塵車間的送風(fēng)流率大, 所以其熱容量也相當(dāng)大,這對高精度的控制是不利的 。有幸的是由于高級別無塵車間所采用的是水平平行流氣流方式,空氣的運動類似活塞流,使無塵車間內(nèi)的空氣處于一個相對有序的狀態(tài)。氣流在無塵車間的行程因無塵車間的空間小, 相對的送回風(fēng)墻距離不大, 空氣在無塵車間內(nèi)滯留的時間很短, 還不到10秒鐘, 所以無塵車間的滯后影響并不大。

2 從控制系統(tǒng)來看,其確定必須以被控對象的特性為基礎(chǔ), 無塵車間以回風(fēng)溫度作為調(diào)節(jié)的輸入 。從前面分析看出, 無塵車間的負(fù)荷和干擾變化比較平和, 同時考慮到初投資和運行費用, 因此控制系統(tǒng)采用單回路控制方式。

無塵車間同時有濕度要求, 因此空氣處理過程必需包括除濕。由于本系統(tǒng)常年有余熱余濕,所以采用表冷器降溫同時去濕的方案。為對空氣參數(shù)進(jìn)行靈敏精確的調(diào)節(jié),在表冷器后設(shè)置電加熱器和電極式加濕器,雖然會發(fā)生熱濕負(fù)荷的抵消,增加能耗,但換來的是對比較難于調(diào)節(jié)的直接蒸發(fā)式表冷器可以不予控制, 減少了控制環(huán)節(jié)。同時電加熱器和電極式加濕器滯后小,反應(yīng)靈敏, 便于控制, 這在很大程度上改善了控制效果。控制規(guī)律的選擇, 應(yīng)著眼于使控制系統(tǒng)和被控對象能進(jìn)行良好配合, PID 參數(shù)調(diào)節(jié)法在技術(shù)上已經(jīng)很成熟,在單回路的空調(diào)控制中應(yīng)用很廣泛, 能解決空調(diào)系統(tǒng)中存在的滯后性大等問題, 有效地消除靜差,提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo),其規(guī)律是:
PID 調(diào)節(jié)器輸出的是0 —10 mA 連續(xù)信號,利用可控硅元件,調(diào)節(jié)電加熱器和電加濕器的電壓,使其功率可連續(xù)變化,這也是提高控制精度的一個有效方面,具體控制方案:

四、系統(tǒng)運行及調(diào)試
1 根據(jù)理論分析及設(shè)計計算,自行選購了散件,組裝了一臺制冷空調(diào)機(jī)組,所選直接蒸發(fā)式表冷器的額定風(fēng)量為2500m3/h,在制冷空調(diào)機(jī)組出口裝置了風(fēng)閥 ,對流過機(jī)組的風(fēng)量可進(jìn)行調(diào)節(jié), 同時相應(yīng)調(diào)節(jié)制冷量 。在工程現(xiàn)場完工后,對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時 ,通過實測數(shù)據(jù)可以明顯看出當(dāng)開大風(fēng)閥,風(fēng)量增大, 制冷量也相應(yīng)增大,從節(jié)能的角度出發(fā), 在滿足無塵車間溫濕度參數(shù)要求的前提下,盡可能降低冷機(jī)制冷量,使其僅是略大于房間的熱濕負(fù)荷。通過反復(fù)調(diào)整測試, 確定在制冷機(jī)組處理風(fēng)量在2200 m3/h 左右時,無塵車間的溫濕度能很好地維持在T =21 ±0.1 ℃、Υ=55 ±5 %范圍內(nèi)波動。

2 無塵車間采用的是定值控制系統(tǒng), 在硬件完成后, PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是關(guān)鍵,在調(diào)試過程中, 采用經(jīng)驗試湊法, 以被控對象的精度和穩(wěn)定性作為調(diào)節(jié)的基本目標(biāo),經(jīng)反復(fù)調(diào)試, 得到了合適的PID參數(shù),其中比例帶在0.3 —0.4 之間, 最合適的積分時間為4 —8秒的范圍,而微分作用在本系統(tǒng)中并不明顯,微分時間一般在0 —3秒之間變化 。

3 所自行設(shè)計的制冷空調(diào)機(jī)組與原設(shè)計方案所選定的5000 m3/h的定型商用空調(diào)機(jī)組相比較, 初投資減少約 20 %, 運行費用減少30 %,這證明了機(jī)組的設(shè)計在應(yīng)用中是成功的 。

五、結(jié)論和建議
1 小面積高精度高級別的恒溫恒濕無塵車間送風(fēng)量大,氣流在室內(nèi)的滯留時間短,而且熱濕負(fù)荷比較穩(wěn)定,采用單回路的PID調(diào)節(jié)方法是可行的。但需要進(jìn)行合理的設(shè)計和反復(fù)地進(jìn)行調(diào)節(jié), 才能保證其所規(guī)定的各項技術(shù)參數(shù)達(dá)到要求。

2 PID調(diào)節(jié)器在很大程度上決定了系統(tǒng)的控制精度,在本系統(tǒng)裝置調(diào)節(jié),比例和積分調(diào)節(jié)起到關(guān)鍵作用,能完全滿足控制要求, 而微分調(diào)節(jié)的作用較少, 但對PID 參數(shù)的選擇一定要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析,反復(fù)調(diào)節(jié), 并觀察一段時間,以求達(dá)到最佳效果。

3 執(zhí)行器的調(diào)節(jié)必須采用連續(xù)調(diào)節(jié)的方式,占空比的調(diào)節(jié)方式給系統(tǒng)帶來脈沖擾動將使系統(tǒng)控制精度得不到保證 。

4 應(yīng)對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計, 合理確定一 、二次回風(fēng)比, 僅對部分回風(fēng)進(jìn)行處理的方法,即不影響系統(tǒng)的控制精度 ,又可降低初投資 。