基于自控技術的高精度恒溫恒濕實驗室的應用研究

盛 偉

（南京博森科技有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

近年來，隨著我國工業的不斷轉型升級，工業產品也不斷朝著精細化的方向發展，給生產車間的環境提出了更高的要求，由此各企業開始側重于高精度恒溫恒濕實驗室和車間的建設與應用。而在高精度恒溫恒濕實驗室中，最重要的一項技術無疑是對空氣環境進行自動化調節控制。因此，如何針對高精度恒溫恒濕實驗室的空調自控系統進行設計，是值得研究的一項內容。

1 高精度恒溫恒濕控制系統設計

1.1 基本設計原則

高精度恒溫恒濕控制系統實則是一個復雜的空調系統，包括一定數量的空氣處理裝置，由于該裝置經常同時運行，因此，在負荷設計上通常考慮系統最大的發熱負荷[1]。但是在實際使用過程中，由于實際運行工況的差異，因此這些負荷經常處在動態變化的狀態，相關參數也會隨之變化。為了確保當參數變化時各空氣處理裝置的實際輸出仍能準確匹配負荷，需要通過自動控制來滿足該要求。事實上，這種自動控制也主要是針對相關的開關和閥門等裝置[2]。

除了上文所提及的自動控制任務外，該系統也應當考慮到運行安全問題，具體包括檢測報警裝置和連鎖保護裝置等。與此同時，系統設計時也必須考慮環保節約和操作便利2個方面的因素[3-4]。

在對自控系統進行設計的過程中，除了應當明確空調系統的整體情況之外，還需要選擇科學合理的控制措施，從而實現整個自控系統的經濟性、便利性和可靠性[5]。

1.2 實驗室內空氣調節的要素

對于高精度恒溫恒濕實驗室來說，其內部的空氣環境主要可以通過以下4個要素進行描述：1） 溫度。2） 濕度。3） 氣流。4） 潔凈度。其中，溫度是對干球溫度進行計量，單位為攝氏溫度（℃）；濕度則表示實驗室空氣中的水分含量，多以相對濕度進行描述，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；氣流是指實驗室內空氣的流動速度，通常當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驗室內部的空氣含塵量（該指標不僅包括可吸入顆粒物等常規指標，還包括空氣中的微生物），由于在恒溫恒濕實驗室的應用過程中，不可避免地會產生一定的污染，因此需要采用換氣控制的措施，及時排出污染物，確保實驗室內的空氣環境始終處于潔凈的狀態。

1.3 空氣調節的控制方式

在該高精度恒溫恒濕實驗室的溫度控制中，以空氣調節為主、濕度調節為輔，其在運行過程中，主要使用單風道向實驗室內送風，根據實驗室內的溫度，對空調系統進行調節，保持實驗室內的溫度恒定。同時，其利用同樣的方法，根據實驗室內的濕度，對加濕器或除濕器進行調節，以確保實驗室內的濕度恒定。

為了實現快速且精準的控制，該設計采用PID控制的瞬態響應法，并適當設定PID參數，準確地對實驗室內的恒溫恒濕模塊進行控制，例如PID參數需要變更，則使用計算機模擬程序，將該系統視為一階時滯系統，從而達到變更PID參數和輸入的目的。

2 高精度恒溫恒濕自控系統的組成

當前，自控系統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動靈活，可以根據需要隨時對模塊進行擴展，并能夠實現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，該自控系統由數臺恒溫恒濕機組所組成，每臺機組都配備有1個CPU模塊、一定數量的輸入輸出擴展模塊、通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器和執行器等部件。該自控系統各臺控制器之間采用現場總線的方式組成整體的系統網絡，該網絡由1臺擔任工作站的計算機進行遠程控制，該計算機上的WinCC軟件可以對各恒溫恒濕機組的運行狀況進行實時監測，并記錄下所有的運行數據，如果在運行過程中出現問題，工作人員可以采用圖表的形式調取歷史數據對其進行分析和處理。同時，各臺高精度恒溫恒濕機組均配備了型號為TD400C的控制面板，操作人員只需要通過面板就可以實時查看機組的各類參數，并對機組的啟停進行控制。

3 高精度恒溫恒濕自控系統的控制

3.1 自動化控制系統設計

自動化控制系統多選用PLC系統，PLC控制系統全稱為Programmable Logic Controller，它采用數字電信號進行控制，其組成結構包括PLC控制器、中央控制設備、通信網絡、傳感器、執行器和調節閥等。

對于PLC系統來說，PLC控制是其核心部分，PLC控制器主要承擔輸入輸出轉換和控制運算2個方面的功能。在輸入轉換過程中，控制器接收來自溫度傳感器和濕度傳感器的信號，將其轉換為數字信號；然后將通過輸出轉換過程，將該數字信號轉換為控制信號并輸出，從而達到控制系統運行的目的。控制運算功能可以細分為PID控制、定時器、信號逆轉和信號選擇等多個模塊，具體的運算則主要由輸入信號所控制。計算結果則由輸出轉換功能向各個調節閥門輸出信號，控制各個閥門的運行。除此之外，PLC控制器還可以直接通過通信網絡與中央控制設備進行通信。

在該實驗中，選用西門子CPU SR60/ST60型號的PLC控制器，其具體技術參數見表1。

表1 所選用的PLC控制器參數

3.2 風量調控

在風量調控的過程中，多采用單風道定風量的控制方式，整體的調控步驟則分為以下9個步驟：1） 打開外部空氣風閥，將室外空氣輸送到空調系統中。2） 使用空調系統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，使其溫度滿足實驗室內的實際需要。4） 使用加濕器或除濕器改變空氣的濕度。5） 使用送風機將經過前4個環節處理后的空氣送入實驗室內。6） 空氣由出風口進入實驗室環境，保持其參數符合要求。7） 實驗室內的污濁空氣返回空調系統。8） 部分污濁空氣排到外界環境中。9） 部分污濁空氣將與空調系統內的外界空氣混合，并重復進行（2）～（4）的處理步驟后，再重新回傳到實驗室內。

通過上述步驟的運行后，空氣的溫度、濕度和潔凈度都將符合高精度恒溫恒濕實驗室的要求，確保高精度恒溫恒濕實驗室始終保持理想環境。

3.3 實驗室內溫度和濕度的控制與處理

在測量實驗室內的溫度時，多采用PLC的控制模塊完成測量工作，當溫度偏離預設值時，控制模塊就會相應地調整冷熱水閥和空氣風閥，從而確保實驗室內的溫度始終保持在設定值附近。

實驗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控制任務。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，能夠規避因加濕或除濕而改變實驗室內溫度的問題。

在加濕控制環節，控制模塊主要以比例控制或雙位控制的方法來確保實驗室內的溫度符合預設值。這2種方法會根據空調系統內加濕器的種類不同而分別進行選擇。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，高精度要求的實驗室以電熱式蒸汽加濕器居多。而在除濕控制環節，則主要根據實驗室的溫度合理調整冷水閥的比例，將實驗室內空氣冷卻到露點溫度以下，從而達到除濕的目的。冷卻閥啟動前，系統將檢測溫度控制信號和除濕控制信號的強度，由其中較強的一個信號負責對冷卻閥門進行開啟，實現除濕的目的；而后再對實驗室溫度進行調節。溫度和濕度傳感器設計在實驗室內，除表冷盤管后因位置特殊而需要使用露點溫度傳感器以外，其他位置都使用常規傳感器。由于除濕過程中很容易導致實驗室內的溫度下降過快，特別是對于一些缺乏加熱盤管的熱源，該情況會更嚴重，因此在該模塊中，還需要設計安裝1套輔熱設備，用來精調室內溫度的控制回路。

3.4 操作控制

操作控制主要體現在工作站計算機的WinCC軟件上，在該軟件的操作界面，各個機組的情況都將以彩色三維圖形的形式進行直觀展示，當運行情況發生變化時，相關的圖標將出現閃爍或是顏色上的變化，從而讓操作人員直接明確不同機組的運行狀況或者根據報警信號及時對相應的機組進行處理。顯示界面主要涵蓋以下的參數內容：機組送風溫度、機組回風溫度、濕度以及電加熱器開度等。操作人員只需要點擊鼠標，就可以修改相應的參數設置或者改變目標器件的啟停狀態，達到合理控制實驗室環境的目的。

3.5 其他控制方法

3.5.1 自控系統的網絡結構

PLC自動控制系統可以直接連接在網上，形成控制系統的閉環網絡結構，該結構自下而上分為現場設備層網絡、自控層網絡和管理層網絡3個層級。管理層網絡采用TCP/IP協議，通信速率在100 M以上，直接運用既有的布線系統進行連接，就可以實現系統通信的目標，還可以同時連接多個工作站。自控層網絡主要用于各個PLC控制器之間的連接，也可以通過網關來連接其他的第三方系統和設備。現場設備層主要用于連接各個終端控制設備（支持不同的通信速率）。

3.5.2 啟停控制

啟停控制包括最佳啟動控制、預冷預熱時間段控制以及關機時的連鎖控制。對于一般的應用來說，其通常根據過去24 h內實驗室內的溫度變化情況，對變溫時間進行控制，再對系統啟動時間進行計算和調節。在預冷預熱時間段的控制過程中，主要通過對外界空氣的調整來降低預冷或是預熱階段所花費的時間，如果無法通過實驗室外的空氣進行降溫，則關閉所有的排氣風閥和空氣風閥，只通過回風風閥進行運轉。在關機時的連鎖控制環節中，系統則會關閉所有的風閥。

3.5.3 實驗室外空氣吸入控制

如果實驗室內部環境為冷負荷，且實驗室外空氣已經滿足以下4個條件：1） 實驗室外的氣溫低于實驗室內部的氣溫。2） 實驗室外空氣熱焓比實驗室內更低。3） 實驗室外空氣溫度高于實驗室內空氣溫度的下限設定值。4） 實驗室外空氣露點溫度低于實驗室內空氣露點溫度的上限設定值。在該情況下，就可以認為實驗室外空氣制冷已經取得效果，并可以進行風閥控制。在控制過程中，控制系統會將實驗室外的空氣與回風相混合，輸送具有一定溫差的空氣，從而確保實驗室內的溫度始終保持在合理區間[6]。

3.6 溫濕度監控系統設計

對溫度和濕度進行實時檢測是確保實驗室環境恒溫恒濕的關鍵。因此，該文從以下4個模塊入手，綜合設計了溫濕度監控系統：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境信息進行采集，再通過轉換電路對數據信息進行處理。2） 數據無線傳輸模塊。它主要通過無線擴頻通信技術傳輸測量到的數據信息。3） 網絡轉虛擬串口。該部分主要基于TCP/UDP協議，在PC端實現虛擬串口的轉化，從而實現與硬件設備之間的通信。4） 計算機溫濕度記錄軟件。工作人員可以通過軟件界面實時查看實驗室內的溫濕度數據，當溫度或濕度出現異常變化時，會及時發出提示信息，提醒工作人員進行處理。

3.7 恒溫實驗室的技術驗收

在使用自控技術對高精度恒溫恒濕實驗室進行設計后，還需要對其進行驗收，確保其已經具備了相應的功能。具體來看，驗收工作主要分為以下4個步驟：1） 對測量點位進行布置，每個測量點位都應當配有溫度傳感器和濕度傳感器，測量點則布置在與實驗室工作臺面相平的高度，并避免距離墻壁過近。在布置好測量點后，將所有傳感器連接到專用的計算機上，開啟相應軟件并檢測其是否正常工作。2 ）測量前的準備工作。在該環節中，需要對恒溫恒濕實驗室的環境參數進行調整，其具體參數見表2。同時，設置完成后，還需要等待約1 h，以確保恒溫恒濕實驗室環境參數已經滿足設定條件。3） 進行實際測量。該步驟需要操作人員進入實驗室設置采集器的參數，頻率設置為4 min/次，每個采集器采集15個數據，延遲時間為10 min，設定完成后，操作人員立刻離開恒溫恒濕實驗室，并對其做好封閉處理，等待設備自動采集相關數據，工作人員只需要通過實驗室玻璃窗來觀察并記錄數據。4） 對數據進行分析處理，只需要使用相應的專業軟件就可以根據第三步采集到的數據自動生成原始記錄，并根據其內置的公式對數據進行處理，處理結果可為后續恒溫恒濕實驗室的實際應用提供重要依據[7-8]。

表2 測量工作中實驗室環境參數

4 恒溫恒濕實驗室空調機組的維護

高精度恒溫恒濕實驗室最重要的模塊是空調機組，確保空調機組的長期穩定運行是工作中的重點內容。因此，要積極采取措施，從多方面入手來開展空調機組的維護工作，具體如下：1） 要定期檢查空調控制系統各單元和運行參數是否正常，同時要及時查看歷史報警記錄，如果發現相關內容，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，并使用高壓水沖洗空氣過濾網，確保其能夠正常運行，對于一些嚴重堵塞、無法清洗的過濾網則應當廢棄。3） 要對制冷系統進行定期檢測，其重點檢測內容在制冷系統的運行壓力和壓縮機2個方面，制冷系統的運行壓力應當根據外界環境的變化而靈活調整，壓縮機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行狀態。4） 要對排水系統進行檢測，重點檢測排水系統的溫度，如果排水系統的溫度不受控，則要檢測制冷劑和風扇等的情況，考慮到安全因素，該步驟應當交由專業人員操作。

5 結語

綜上所述，高精度恒溫恒濕控制系統是確保實驗室內具有高精度、高品質檢測環境的關鍵，而為了使之達到節能控制的根本目標，則要應用自控技術，實現高精度控制和節能等目標。自控系統通過軟硬件和網絡等共同作用，將實現對恒溫恒濕實驗室最為優化的控制，確保實驗室始終在理想狀態下運行。同時，為了確保高精度恒溫恒濕控制系統能夠符合要求，在系統布置完成后，還需要對系統的各項參數進行檢測和驗收，在實驗室的日常使用過程中，也需要加強對空調機組的定期維護，以實現高精度恒溫恒濕實驗室的長期應用。