PLC在潔凈手術室空調溫濕度控制系統中的應用

武培雄

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

在潔凈手術室空調控制系統中，主要完成空氣的熱、濕交換處理過程，使其達到通風狀態點以滿足室內溫、濕度要求[1]。其控制對象——溫度和相對濕度是兩個相關聯的參數，在調節溫度的同時，相對濕度也會隨之變化。以往的儀表和DDC控制器往往根據需要，選擇了溫度優先或是濕度優先進行控制，使得溫濕度控制的調節時間過長，控制精度低，難以實現溫濕度同時控制。本文結合潔凈手術室的溫濕度控制，介紹利用PLC強大的數字運算處理功能實現對潔凈空調的溫濕度控制，在組合式空調機組的功能段有選擇性的對空氣進行混合、降溫、除濕、加溫、加濕等處理，實現溫濕度的最佳控制，此方案溫濕度控制系統響應速度快、穩定性好，也可用于其它空調的溫濕度控制中。

1 系統概述及硬件組成

潔凈手術室溫濕度控制主要由表冷、電加熱、電加濕三個部分構成，并置于組合式空調機組中，夏季通過表冷器和擋水板析出冷凝水，對空氣進行降溫除濕處理，電加熱對空氣升溫。冬季表冷器對空氣進行升溫處理，電加濕則用于增加空氣的相對濕度，最終達到送風溫度和濕度的控制要求。其結構如圖1所示[1-2]。

圖1 組合式空調機組配置示意圖

潔凈手術室控制系統主要由PLC系統、溫濕度傳感器、表冷系統、電加熱設備、電加濕設備和手術室控制面板等幾個部分組成。系統結構框圖如圖2 所示[2]。

圖2 系統結構框圖

在該系統中，PLC控制器選用 S7-200系列的CPU224以及擴展模擬量輸入模塊EM231和模擬量輸出模塊 EM232，EM231為四模擬量輸入模塊，EM232為兩模擬量輸出模塊。溫濕度傳感器選用SIEMENS公司 QFM2160風管溫濕度傳感器，QFM2160傳感器輸出對應溫濕度的0～10V標準電壓信號，送至 EM231的輸入接口，同時送至OMCS-5000C進行顯示。模擬輸出信號經EM232輸出接口控制表冷閥、電加濕器和電加熱器模塊，分別進行閥門開度、加濕量和加熱量的控制。手術室控制面板采用OMCS-5000C，表冷控制器選用SIEMENS公司SQX62執行器和VVF31二通閥進行控制，電加熱選用STY-380D三相調壓模塊控制電阻絲的加熱。通過手術控制面板對溫度和濕度進行設定，手術控制面板將溫濕度設定值轉換為 0～10V電壓信號，與EM231模塊連接。CPU224用于實現邏輯控制和模擬運算，通過I/O口控制風機、電加濕和電加熱的啟停，通過模擬量輸出控制表冷閥的開度、電加濕、電加熱的工作，最終對室內溫濕度進行控制。

2 系統軟件設計

本控制系統主要包括風機控制、溫度控制和濕度控制三個部分。潔凈手術室溫、濕度設定一般為t=21～27℃，φ=40%～65%。[1]根據北方氣候情況，表冷器中在冬季供暖時為熱水（水溫一般大于45℃），其它季節為冷水（水溫一般小于9℃）。按設定溫濕度與環境溫濕度之間的關系，將控制系統工作情況分為三種：

1）環境溫度＞設定溫度，環境相對濕度＞設定相對濕度。新風與回風混合后，由表冷器降溫除濕后，使得濕度等于設定濕度，電加熱工作將溫度提升至設定溫度，然后送風到室內。工作過程如圖3（a）所示。

2）環境溫度＞設定溫度，環境相對濕度＜設定相對濕度。新風與回風混合后，由表冷器降溫至設定溫度，使得溫度等于設定溫度，電加濕工作將濕度提升至設定濕度，然后送風到室內。工作過程如圖3（b）所示。

3）環境溫度＜設定溫度，環境相對濕度＜設定相對濕度。新風與回風混合后，由表冷器升溫至設定溫度，使得溫度等于設定溫度，電加濕工作將濕度提升至設定濕度，然后送風到室內。工作過程如圖3（b）所示。

圖3 控制系統工作過程

系統在工作時，首先啟動風機運行。隨后PLC通過溫濕度傳感器測量回風的溫濕度并與設定值相比較，根據不同工況進行運算。PLC通過數字 I/O口對風機、加熱、加濕電源進行控制，通過模擬輸出接口對閥門開度、電加熱、電加濕進行相應控制。設置PLC定時中斷0中斷時間為250ms，在中斷程序中完成PID運算。

在自動控制系統中，PID控制算法作為一個經典的控制算法得到了廣泛的應用。S7-224提供了標準PID回路指令，使得PID算法的編程和實現變得非常容易。PID運算的輸出結果，控制偏差e趨向零，使系統達到穩定狀態。一個PID回路的輸出M是時間t的函數，輸出M(t)表示為比例項、積分項和微分項的函數[4-5]。

式中，M(t)為作為時間函數的回路輸出；KC為回路增益；e為回路偏差；Minitial為回路輸出的初始值。

為了在數字計算機中運行該控制函數，必須對連續函數進行周期性采樣，量化為偏差值的定期樣本，從而將PID算式離散化，S7-200CPU的數字PID控制算法的差分方程為

式中，Mn為采樣時間n的回路輸出；KC為回路增益；TS為采樣時間；TI為積分時間；TD為微分時間；SPn為采樣時間 n的設定值；SPn-1為采樣時間 n-1的設定值；PVn為采樣時間 n的進程變量值；PVn-1為采樣時間n-1的進程變量值；MX為積分項值。

S7-200CPU提供的PID回路指令（比例、積分、微分回路）基于式（2）執行PID計算。PID回路操作取決于存儲在36個字節回路表中的9個參數。調整參數值的大小，可以很方便地改變溫度和濕度偏差及偏差變化率，從而快速實現溫濕度控制。

3 結論

利用PLC具有穩定性高、結構靈活等特點，實現室內溫濕度的智能控制。在上述溫濕度控制系統中，根據不同工況采取相對應的策略進行控制。該溫濕度控制系統已在天津和山西地區4所醫院投入運行，控制精度為：溫度±0.5℃、相對濕度±3%以內。運行結果表明，該溫濕度控制系統具有較高的抗干擾能力，可靠性高，運行穩定，完全能滿足潔凈手術室對溫度與濕度控制的應用要求。

[1]胡吉士,楊毅.潔凈手術室用空調機組的構成[J].工程設計學報,2003(4).

[2]張子慧,黃翔,張景春.制冷空調自動控制[M]. 北京∶科學出版社, 1999.7.

[3]張如萍,唐育正. 基于PLC的溫濕度控制系統設計與實現[J]. 暖通空調,2010(8).

[4]陳祖銘. 潔凈室凈化空調系統設計及注意問題探討[J]. 制冷,2002 (4).

[5]李艷杰,于艷秋,王衛紅等.S7-200PLC原理與實用開發指南[M].北京∶機械工業出版社, 2009.1.

[6]劉麗萍,羅建敏,王東云等. 基于 S7-200 PLC的小鋸片連續燒結爐溫度控制系統的設計[J]. 金剛石與磨料磨具工程,2009(4).