潔凈手術室空調(diào)控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張國銘　朱　勁

摘 要：潔凈手術室空調(diào)系統(tǒng)的溫度與濕度控制效果對于手術有直接的影響。介紹了一種基于西門子S7-200PLC和TD-400C的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)潔凈手術室對溫濕度的控制。由于溫濕度具有大滯后性,使用傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)方法難以得到滿意效果,通過引入溫度變化率來調(diào)整死區(qū),改善了系統(tǒng)的控制效果,有效避免了過沖。經(jīng)過實際運行,驗證其在潔凈手術室控制系統(tǒng)中的可行性。

關鍵詞：溫濕度;PID;PLC;溫度變化率;死區(qū)

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-097-04

Design and Implementation of Air Conditioning Control System in Cleaned Operation Room

ZHANG Guoming,ZHU Jin

(Tongji University,Shanghai,201804,China)

Abstract：The control effect of air conditioning control system in cleaned operation room has a direct influence on the operation.This paper introduces the implementation of air conditioning control system in cleaned operation room by using S7-200PLC and TD400c.Due to long dead time,it′s hardly to satisfy with the results by using traditional pid control.This paper gives a method by introducing temperature coefficient.The results present feasibility of the control system.

Keywords：temperature humidity;PID;PLC;temperature coefficient;dead-time

0 引 言

潔凈手術室作為醫(yī)院中控制要求最高的單位之一,其對溫濕度有著恒定的控制要求。但由于手術室內(nèi)的無影燈、普通照明燈等均會對溫度和濕度產(chǎn)生影響,導致其很難滿足手術時溫度和濕度需保持恒定的要求,故溫、濕度指標是潔凈手術室中最重要的控制指標。溫度直接影響病人及醫(yī)護人員的舒適程度,而當房間濕度大于60％時候,細菌繁殖的速度就會大大加快,從控制細菌滋生的角度出發(fā),濕度控制也極為重要。這就要求手術室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)特定的算法調(diào)節(jié)溫濕度,并根據(jù)相應操作面板上的設定值快速響應實時控制要求。這里采用基于西門子S7-224cn PLC和文本顯示器 TD400C構成控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)控制要求

1.1 溫度控制要求

通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風溫度,并將所測得的溫度信號送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的溫度和通過手術室面板溫度設定值比較并進行PID計算,將結果輸出到相應模擬量輸出,如冷凍/熱水的電動調(diào)節(jié)閥,通過控制其開度達到溫度控制的目的。

1.2 濕度控制要求

通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風濕度,并將所測得的溫度信號傳送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的濕度和通過手術室面板濕度設定值比較并進行PID計算,將結果輸出到相應模擬量輸出。在冬季模式里通過對加濕器電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)達到濕度控制的目的。而在夏季模式里,濕度的控制并非通過對加濕器開度的單一控制,而是對水閥調(diào)節(jié)器和加熱器的綜合PID控制實現(xiàn)的。

1.3 風道壓力控制

按照工藝要求,風道內(nèi)壓力需保持一定值,以滿足手術室醫(yī)用要求。系統(tǒng)通過變頻器驅動送風機,事先將滿足工藝要求時的變頻器頻率值作為設定值,將設置在管道內(nèi)的回風壓力檢測傳感器測得的壓力值作為反饋值,通過PID計算控制變頻器的輸出頻率,以達到風壓控制要求。

1.4 人機界面要求

按照現(xiàn)場工藝要求,在手術室內(nèi)設有操作面板一塊,可以設定溫度,濕度并控制系統(tǒng)啟停,同時面板上有實時溫度和濕度顯示功能；同樣,在控制柜上安裝了人機界面TD400C,通過TD400C也可設定溫度濕度啟停機組。出于調(diào)試系統(tǒng)的目的,在TD400C上設有強制模式,及人工設定回風溫濕度,屏蔽報警信號。TD400C的控制優(yōu)先權高于手術室設定面板,可屏蔽來自手術室的設定信號。

1.5 安全要求

該系統(tǒng)中故障信號有3種,分別是送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號。這3種信號都是為了保障風道內(nèi)的空氣流通。報警要有聲光顯示,提醒工作人員采取措施。

2 系統(tǒng)硬件及工藝簡介

2.1 硬件組成

整個系統(tǒng)硬件由檢測元件,控制元件與執(zhí)行元件組成。

通過設置在風道內(nèi)的溫濕度一體傳感器來檢測回風溫濕度;通過設置在管風道內(nèi)的壓力傳感器檢測回風壓力；通過設置在水管上的溫度傳感器來檢測水溫并以此判斷工作模式；控制元件主要指S7-224 PLC,TD400C及手術室控制面板；執(zhí)行元件包括水管的電動調(diào)節(jié)閥,加濕器調(diào)節(jié)閥和加熱器調(diào)節(jié)閥等。

2.2 工藝介紹

系統(tǒng)啟動后若無缺風保護等報警信號,則開始通過安裝在送水管上的傳感器檢測水溫工作模式系統(tǒng)。工作模式分為冬夏兩季。若送水管水溫大于30 ℃則為冬季模式,低于30 ℃則為夏季模式。

在冬季模式里,若回風溫度低于設定溫度,則打開水閥執(zhí)行器,流出更多的熱水以提高溫度；若回風濕度低于設定濕度,則打開加濕器開度,以提高濕度。冬季模式里若回風溫度高于設定值,則減小水閥執(zhí)行器的輸出開度；通常情況下冬季模式里回風濕度總是低于設定濕度的,故不考慮回風濕度高于設定濕度的可能。

在夏季模式里,控制要求主要是除溫除濕。該系統(tǒng)要求濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)。所謂濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)是指夏季濕度較高時候,控制器通過計算后調(diào)節(jié)送水管的開度(管內(nèi)是7 ℃左右的冷凍水)達到降溫除濕的目的,而由此造成的溫度差則通過打開電加熱器來補償。當回風濕度達到設定要求時,系統(tǒng)自動進入溫度控制狀態(tài)。

工作模式選擇流程圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)工藝要求和硬件配置,采用西門子公司的STEP7 MICRO/WIN32軟件進行系統(tǒng)組態(tài)和TD400C人機界面設計。

圖1 工作模式選擇流程框圖

軟件設計主要包括溫濕度控制,強制模式選擇,工作模式選擇和故障報警處理。

3.1 模式選擇

控制模式設置是指系統(tǒng)控制分為TD400C設置(手動)和手術室控制面板設置(自動)兩種。在手動模式下又有強制和非強制模式。在手動模式下可以屏蔽手術室面板的設定溫、濕度及系統(tǒng)啟停信號。出于調(diào)試系統(tǒng)的考慮,系統(tǒng)還設置了強制模式。在強制模式下,可以手動設定回風溫度、回風濕度、回風壓力等傳感器信號,并可以手動復位各種故障報警信號,其控制模式選擇流程圖如圖2所示。

圖2 控制模式選擇流程框圖

3.2 故障報警處理

按照設計要求,如果出現(xiàn)送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號,將有聲光顯示,提醒工作人員采取措施,其流程圖如圖3所示。

圖3 報警處理流程框圖

3.3 溫濕度控制

軟件設計的核心部分是溫濕度控制,采用PID控制來調(diào)節(jié)溫濕度。PID控制指的是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例積分微分控制。

常規(guī)PID控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

圖4 常規(guī)PID控制系統(tǒng)的框圖

PID是一種線性控制器,它根據(jù)給定值r(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差:

e(t)=r(t)-y(t)

將偏差比例(P),積分(I)和微分(D)通過一定線性組合構成控制量u(t)對被控對象進行控制。它的控制規(guī)律為:

u(t)=K P e(t)+1TI∫e(t)dt +TDde(t)d(t)

(1)

式中:K P為比例系數(shù);T I為積分時間常數(shù),T D為微分時間常數(shù)。

當控制量的目標值與檢測值之間存在誤差(或稱為控制偏差)時,誤差小,操作量就小,誤差越大,操作量就越大,故控制算法中含有偏差比例項,簡稱P動作。對具有自平衡性的控制對象施行比例控制,最后其步階變化會留下一定的誤差,稱為穩(wěn)態(tài)誤差或偏移。使控制算法中含有誤差積分比例項,可消除穩(wěn)態(tài)誤差,簡稱I動作。偏差的增減反映在操作量上,為了改善控制特性,所以使控制算法中含有偏差微分比例項,簡稱D動作,為一種預先動作。包含以上三種動作的控制算法即為PID控制。

式(1)也可以寫成:

u(t)=K Pe(t)+K I∫e(t)dt+KDde(t)dt

(2)

式中:K I=K P／T I為積分系數(shù);K D=K P·T D為微分系數(shù)。

考慮到被控對象具有大滯后性,且PLC處理的是數(shù)字量,將式(2)離散化得:

u(k)=uP(k)+uI(k)+uD(k)=

KC{e(k)+θ/TI∑ki=0e(i)+

TD/θ}

(3)

式中：θ代表采樣周期,e(k)代表此刻的誤差,e(k-1)代表上次采樣周期的誤差。如果θ足夠小,這種逼近可相當準確,被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。這種算法稱為位置式算法。位置式算法由于全量輸出,所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關,計算時要對e(k)進行累加,計算機運算工作量大。而且,因為計算機輸出的u(k)對應的是執(zhí)行機構的實際位置,如計算機出現(xiàn)故障,u(k)的大幅度變化,會引起執(zhí)行機構位置的大幅度變化,這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的。考慮到本系統(tǒng)控制對象均為閥門,故采用增量式PID控制算法為宜。

將式(3)按遞推原理推得:

u(k-1)=KC｛e(k-1)+θ/TI∑k-1i=0e(i)+

TD/θ｝

(4)

由式(3)-式(4)得：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=

KC｛e(k)-e(k-1)+θ/TIe(k)+

TD/θ｝

(5)

式(5)稱為增量式PID算法。

由于控制增量Δu(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關,所以較容易通過加權處理而獲得較好的控制效果。

根據(jù)現(xiàn)場控制要求,被控過程不能有過沖現(xiàn)象即超調(diào)出現(xiàn)。然而結合現(xiàn)場施工情況且溫度、濕度具有大滯后特性,不可避免地具有超調(diào)。

溫度控制質量的決定性環(huán)節(jié)在于溫度的PID控制參數(shù)的整定調(diào)節(jié),PID參數(shù)整定質量決定了溫度控制質量。在實際應用中,院方希望手術室的溫度調(diào)節(jié)時間盡可能的快。然而溫度的快速響應,會造成超調(diào),并很可能形成長時間的溫度震蕩。溫度調(diào)節(jié)速度和溫度控制精度往往不可調(diào)和,如果在精度允許的前提下加快調(diào)節(jié)速度就意味著盡可能地減少震蕩。通常的做法是在PID調(diào)節(jié)過程中引入死區(qū)來調(diào)節(jié)控制效果。然而,即使加了死區(qū)保護,但受制于現(xiàn)場條件,其效果不具備普遍性。

若設定Er為溫度誤差值,Es為溫度設定值,Eb為溫度實際值,Et為溫度的死區(qū),則:

Er=Es-Eb-Et

其中：Er≠0,即Es-Eb≠Et。

這樣帶來的后果就是即使引入了死區(qū),對PID調(diào)節(jié)效果的改善也是有限的。為此,引入溫度變化率,通過溫度變化率的變化來人為地改變死區(qū),這樣PID計算的誤差值就會改變,調(diào)節(jié)速度也會隨之改變。

設T1為一分鐘之前的溫度,T2為此刻的溫度,Tc為溫度的變化率,則Tc=T2-T1。通過Tc不僅能夠判斷溫度的升降變化,亦能知道溫度變化的快慢。

由此,利用Tc和當前的溫度實際誤差Es-Eb來設定溫度死區(qū)。

若Es-Eb＞0即溫度沒有達到設定值,且Tc＞1,則令Et=|Es-Eb|,即對溫度PID調(diào)節(jié)來說,誤差Er輸入為零,這時溫度PID則停止調(diào)節(jié),讓溫度自動上升,達到設定值。反之亦然。

4 結 語

針對潔凈手術室的控制要求,建立了以S7-224PLC作為控制核心和TD400C作為人機界面的控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)滿足了手術室對溫濕度控制要求,最大程度地避免了過沖現(xiàn)象,提高了整個系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性。

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作者簡介張國銘 男,1982年出生,安徽合肥人,碩士研究生。主要研究方向為機器人控制與機器人導航。

朱 勁 男,1958年出生,副教授,碩士生導師。主要研究方向為機器人控制與智能控制。