潔凈空調(diào)箱表冷器的前饋調(diào)節(jié)

文/李春雷 王波 張朝剛 盧桂峰 歐陽健

本文作者均就職于無錫藥明生物技術(shù)股份有限公司。

想要滿足GMP生產(chǎn)對環(huán)境的要求——就需要配備潔凈空調(diào)箱來對進(jìn)入潔凈區(qū)氣流的溫度、濕度、潔凈度、氣流速度等參數(shù)進(jìn)行控制以滿足規(guī)范的要求。由于潔凈空調(diào)箱的溫濕度控制一般都是采用的單點(diǎn)控制策略，所以各狀態(tài)點(diǎn)的控制必須責(zé)任明確。本文針對潔凈空調(diào)箱實際運(yùn)行中的情況進(jìn)行了分析，介紹了如何排除新風(fēng)的干擾，選擇合理的前饋調(diào)節(jié)來控制表冷器。

1.潔凈空調(diào)箱各功能段的配置

從圖1中可以清晰地看到，外界空氣的凈化處理是由空調(diào)箱內(nèi)的初/中效過濾器來處理的；若有必要，還可以通過在AHU（空氣處理單元）內(nèi)配置亞高效過濾器來保護(hù)末端的高效過濾器。風(fēng)機(jī)會將室外的新風(fēng)和回風(fēng)經(jīng)過處理后送入潔凈室內(nèi)，考慮到室內(nèi)工作人員對新風(fēng)量的需求，區(qū)域內(nèi)的風(fēng)會排掉一部分后再回到空調(diào)箱，新風(fēng)主要用于補(bǔ)充這部分排掉的風(fēng)以及滲漏掉的風(fēng)。

圖1 潔凈空調(diào)箱控制示意圖

溫濕度調(diào)節(jié)是通過表冷器、加熱盤管和加濕器來協(xié)同完成的。如果外界新風(fēng)的濕度太大或者溫度過高，就需要表冷器來進(jìn)行除濕或者降溫；如果外界新風(fēng)的溫度過低，就需要加熱盤管來升溫；如果外界新風(fēng)的濕度低了，就需要加濕器來進(jìn)行加濕。加濕可以通過兩種方式來控制，一種是用相對濕度來控制，另一種是用露點(diǎn)來控制，本文僅介紹采用露點(diǎn)控制的方式。

根據(jù)暖通的理念，在焓值一定的情況下，溫度與濕度之間是存在關(guān)聯(lián)性的。空調(diào)箱的干擾主要來自于外界新風(fēng)焓的變化，所以要想平穩(wěn)控制潔凈空調(diào)箱的溫濕度輸出，首先必須控制好表冷器的輸出。

2.表冷器選擇前饋調(diào)節(jié)的依據(jù)

目前，在大多數(shù)空調(diào)箱的控制邏輯中，表冷器、加熱盤管和加濕器都采用的是負(fù)反饋調(diào)節(jié)，即根據(jù)潔凈空調(diào)箱出口的溫度、濕度來驅(qū)動表冷器、加熱盤管和加濕器的調(diào)節(jié)。負(fù)反饋其實是一種滯后的調(diào)節(jié)：當(dāng)監(jiān)測回路發(fā)現(xiàn)參數(shù)出現(xiàn)偏離，在將其控制到中線前，空調(diào)箱的送風(fēng)就早已進(jìn)入到潔凈區(qū)域了。

另外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)空調(diào)箱送風(fēng)溫度過高時，由于采用的是單點(diǎn)調(diào)節(jié)，便無法判斷溫度過高的原因是表冷器降溫不夠，還是加熱盤管升溫過度。同樣，當(dāng)空調(diào)箱出風(fēng)濕度過高時，也無法判斷濕度過高的原因是表冷器除濕不夠，還是加濕器加濕過度。這時就會出現(xiàn)當(dāng)一個參數(shù)受兩種因素影響而超標(biāo)時，原因不明的窘迫局面。

定值控制系統(tǒng)一般都是按照測量值與給定值（閾值）比較得到的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，屬于閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。其特點(diǎn)是在被控變量出現(xiàn)偏差后才進(jìn)行調(diào)節(jié)，它使輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標(biāo)間的差距減小、系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。如果干擾已經(jīng)發(fā)生但還沒有產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器便不會進(jìn)行工作，因此反饋控制方式的調(diào)節(jié)作用總是落后于干擾作用。而前饋調(diào)節(jié)是根據(jù)干擾作用來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，前饋控制會將干擾測量出來并直接引入調(diào)節(jié)裝置，它對于干擾的反應(yīng)要比反饋控制更為敏感，二者之間的比較，如表1所示。而潔凈空調(diào)箱表冷器的控制，恰恰是非常適合于應(yīng)用前饋調(diào)節(jié)的場景。因為新風(fēng)的焓是一個干擾因素，如果能夠?qū)⒃摳蓴_因素排除掉，表冷器的平穩(wěn)控制便可成功實現(xiàn)。表冷器的前饋調(diào)節(jié)是通過測量外界新風(fēng)的露點(diǎn)，來控制表冷器出風(fēng)的溫度的，如圖2所示。在這里測量的是露點(diǎn)，控制的是溫度。當(dāng)外界空氣的露點(diǎn)大于或等于機(jī)器露點(diǎn)的時候，控制表冷器的出風(fēng)溫度為機(jī)器露點(diǎn)溫度；當(dāng)外界空氣的露點(diǎn)小于機(jī)器露點(diǎn)的時候，控制表冷器的出風(fēng)溫度則略低于空調(diào)箱的送風(fēng)溫度即可，這主要是因為還要考慮風(fēng)機(jī)和二次回風(fēng)產(chǎn)生的熱量。

表1 前饋調(diào)節(jié)與反饋調(diào)節(jié)的比較

圖2 表冷器前饋調(diào)節(jié)的控制策略

采用這樣的控制策略后，表冷器的出風(fēng)溫度便可根據(jù)閾值進(jìn)行控制。然后，盡量使其輸出平滑曲線，后續(xù)的加熱盤管和加濕器也會變得更易于控制。此時，如果潔凈空調(diào)箱的出風(fēng)溫度偏高，便能確定原因是加熱盤管升溫偏高；如果發(fā)現(xiàn)潔凈空調(diào)箱的出風(fēng)濕度偏高，也能確定原因是加濕器的加濕過量。原來一個參數(shù)受兩種因素影響的情況沒有了，一個接近完美的單點(diǎn)控制策略形成了。

3.結(jié)論

在用潔凈空調(diào)箱控制潔凈區(qū)域溫度、濕度的實際運(yùn)行過程中，存在很多溫度、濕度控制不理想的案例。而暖通專業(yè)人員與自控專業(yè)人員之間往往缺乏協(xié)作配合，所以有將其控制邏輯復(fù)雜化的趨勢。實際上并不需要采用串級控制等復(fù)雜的控制邏輯，僅需要將表冷器原來的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，改為根據(jù)外界新風(fēng)的露點(diǎn)來控制其出風(fēng)溫度的前饋調(diào)節(jié)，便能解決問題。這樣的邏輯策略不僅能夠避免系統(tǒng)的滯后，還能夠使得單點(diǎn)控制各司其職，更加合理。

在表冷器輸出平滑曲線的情況下，由加熱盤管控制空調(diào)箱的出風(fēng)溫度，加濕器控制空調(diào)箱的出風(fēng)露點(diǎn)。整個潔凈空調(diào)箱便能夠根據(jù)設(shè)計要求，平穩(wěn)地滿足潔凈區(qū)域?qū)囟取穸瓤刂频囊蟆?/p>