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技術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驗的課題 。由于維持高級別潔凈度的需要,其通風量遠大于常規空調房間,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指標,并維持良好的系統調節品質,同時還需考慮到降低初投資和日常運行費用等經濟因素,使設計的難度增加。本文以實際工程為例,從設計安裝與調試的全過程介紹在綜合解決上述問題時所采取的相應措施和方案,以及最終的實踐效果。

二、高精度恒溫恒濕無塵車間的技術要求及設計方案
工程所承擔電子部某研究所的恒溫恒濕無塵車間主要技術指標如下:

潔凈級別:美國聯邦標準FS-209EM3.5級(即習慣采用的英制100級)

無塵車間有效空間:2.5m(L)×2.0m(W)×2.5m(H)

室內溫度:21±0.1℃

室內濕度:Υ55±5%

套間參數:潔凈度為美國聯邦標準FS-209E M6.5級(即習慣采用的英制100000級)溫度為25±2℃受建筑條件的限制, 設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,由于氣流進行方向尺寸不大,斷面風速設計值為0.28m/s, 較常規值略低而換氣次數已高達400AC/h。送風墻面滿布高效空氣過濾器, 相對的整個墻面為回風格柵(如圖1), 由于滿足恒溫恒濕精度要求的送風換氣次數遠小于凈化級別所需的通風換氣量,因此必然采用二次回風方案,空氣處理流程及空調方案。

考慮到在二次回風后, 設置有加壓風機,它能對經過空調機組處理的空氣(圖 3中的K 狀態)與二次回風(空氣狀態N)起到充分的混合攪拌作用, 因此不必擔心由于經空調機組處理的空氣與二次回風的溫濕度不同造成的送風溫濕度不均勻, 而帶來的房間溫濕度精度不能滿足要求。因此空調機組的容量選取可完全根據房間熱濕負荷的需要, 無需對其出風溫濕度作出

某種限定。由于無塵車間內設備和照明的熱濕負荷穩定, 工作人員固定, 套間又常年維持在25℃左右, 通過圍護結構的傳熱量相當小而且波動也不大, 所以總起來看室內熱濕負荷比較穩定, 全年變化甚微, 從這方面看,對滿足室內溫濕度精度要求的控制是比較有利的條件。

三、自動控制的調節品質不僅決定于控制裝置,同時與被控對象的環節特性也有密切關系,由于無塵車間送風換氣次數大,使控制的難度加大, 根據對上述兩方面的綜合分析,得出本系統的溫度精度更不易保證的認識,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, 盡管它是一個動態系統,但對其進行定性分析,其能量蓄存量的變化率為:
由于無塵車間內熱濕負荷較穩定, 送風量又遠大于一般空調系統,設計工況下,其送風溫差相對很小, 所以在監控中對送風溫度不予考慮 ,而使用回風溫度作為調節的輸入。

雖然空氣蓄熱系數很小, 但因無塵車間的送風流率大, 所以其熱容量也相當大,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,使無塵車間內的空氣處于一個相對有序的狀態。氣流在無塵車間的行程因無塵車間的空間小, 相對的送回風墻距離不大, 空氣在無塵車間內滯留的時間很短, 還不到10秒鐘, 所以無塵車間的滯后影響并不大。

2 從控制系統來看,其確定必須以被控對象的特性為基礎, 無塵車間以回風溫度作為調節的輸入 。從前面分析看出, 無塵車間的負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。為對空氣參數進行靈敏精確的調節,在表冷器后設置電加熱器和電極式加濕器,雖然會發生熱濕負荷的抵消,增加能耗,但換來的是對比較難于調節的直接蒸發式表冷器可以不予控制, 減少了控制環節。同時電加熱器和電極式加濕器滯后小,反應靈敏, 便于控制, 這在很大程度上改善了控制效果。控制規律的選擇, 應著眼于使控制系統和被控對象能進行良好配合, PID 參數調節法在技術上已經很成熟,在單回路的空調控制中應用很廣泛, 能解決空調系統中存在的滯后性大等問題, 有效地消除靜差,提高系統的動態品質指標,其規律是:
PID 調節器輸出的是0 —10 mA 連續信號,利用可控硅元件,調節電加熱器和電加濕器的電壓,使其功率可連續變化,這也是提高控制精度的一個有效方面,具體控制方案:

四、系統運行及調試
1 根據理論分析及設計計算,自行選購了散件,組裝了一臺制冷空調機組,所選直接蒸發式表冷器的額定風量為2500m3/h,在制冷空調機組出口裝置了風閥 ,對流過機組的風量可進行調節, 同時相應調節制冷量 。在工程現場完工后,對系統進行調整時 ,通過實測數據可以明顯看出當開大風閥,風量增大, 制冷量也相應增大,從節能的角度出發, 在滿足無塵車間溫濕度參數要求的前提下,盡可能降低冷機制冷量,使其僅是略大于房間的熱濕負荷。通過反復調整測試, 確定在制冷機組處理風量在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 %范圍內波動。

2 無塵車間采用的是定值控制系統, 在硬件完成后, PID調節器的參數整定是關鍵,在調試過程中, 采用經驗試湊法, 以被控對象的精度和穩定性作為調節的基本目標,經反復調試, 得到了合適的PID參數,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中并不明顯,微分時間一般在0 —3秒之間變化 。

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

五、結論和建議
1 小面積高精度高級別的恒溫恒濕無塵車間送風量大,氣流在室內的滯留時間短,而且熱濕負荷比較穩定,采用單回路的PID調節方法是可行的。但需要進行合理的設計和反復地進行調節, 才能保證其所規定的各項技術參數達到要求。

2 PID調節器在很大程度上決定了系統的控制精度,在本系統裝置調節,比例和積分調節起到關鍵作用,能完全滿足控制要求, 而微分調節的作用較少, 但對PID 參數的選擇一定要根據現場實際情況進行分析,反復調節, 并觀察一段時間,以求達到最佳效果。

3 執行器的調節必須采用連續調節的方式,占空比的調節方式給系統帶來脈沖擾動將使系統控制精度得不到保證 。

4 應對空調系統進行優化設計, 合理確定一 、二次回風比, 僅對部分回風進行處理的方法,即不影響系統的控制精度 ,又可降低初投資 。