無塵車間的高精度恒溫恒濕控制方法

摘要:本文以一個實際的高精度恒溫恒濕無塵車間為例, 在對其房間氣流組織進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上, 優(yōu)化了空氣處理系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用了一套合理的控制方法, 在滿足無塵車間所需高級別潔凈度的同時, 使無塵車間的溫濕度也分別達(dá)到了±0.1 ℃、±5%的設(shè)計要求, 并大幅度降低了制冷機(jī)組的成本和運(yùn)行費(fèi)用。

關(guān)鍵詞:無塵車間 優(yōu)化設(shè)計 恒溫恒濕控制

一 前言

高精度恒溫恒濕空調(diào)技術(shù)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(jīng)驗的課題 。由于維持高級別潔凈度的需要 ,其通風(fēng)量遠(yuǎn)大于常規(guī)空調(diào)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(shù)指標(biāo) ,并維持良好的系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì) ,同時還需考慮到降低初投資和日常運(yùn)行費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)因素 ,使設(shè)計的難度增加。本文以實際工程為例 ,從設(shè)計安裝與調(diào)試的全過程介紹在綜合解決上述問題時所采取的相應(yīng)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(shù)要求及設(shè)計方案

工程所承擔(dān)電子部某研究所的恒溫恒濕無塵車間(如圖 1)主要技術(shù)指標(biāo)如下 :

潔凈 級別 :美國 聯(lián)邦 標(biāo)準(zhǔn) FS-209EM3.5 級(即習(xí)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(nèi)溫度:21 ±0.1 ℃

室內(nèi)濕度:Υ55 ±5 %

套間參數(shù):潔凈度為美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FS-209E M6.5 級 (即 習(xí) 慣 采 用 的英 制100000 級)溫度為 25 ±2 ℃

受建筑條件的限制, 設(shè)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(jìn)行方向尺寸不大,斷面風(fēng)速設(shè)計值為 0.28m/ s, 較常規(guī)值略低而換氣次數(shù)已高達(dá) 400AC/h 。送風(fēng)墻面滿布高效空氣過濾器 , 相對的整個墻面為回風(fēng)格柵(如圖 1), 由于滿足恒溫恒濕精度要求的送風(fēng)換氣次數(shù)遠(yuǎn)小于凈化級別所需的通風(fēng)換氣量,因此必然采用二次回風(fēng)方案,空氣

處理流程及空調(diào)方案如圖 2 , 圖 3 所示如下:

考慮到在二次回風(fēng)后, 設(shè)置有加壓風(fēng)機(jī),它能對經(jīng)過空調(diào)機(jī)組處理的空氣(圖 3中的K 狀態(tài))與二次回風(fēng)(空氣狀態(tài) N)起到充分的混合攪拌作用, 因此不必?fù)?dān)心由于經(jīng)空調(diào)機(jī)組處理的空氣與二次回風(fēng)的溫濕度不同造成的送風(fēng)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(diào)機(jī)組的容量選取可完全根據(jù)房間熱濕負(fù)荷的需要, 無需對其出風(fēng)溫濕度作出

某種限定。由于無塵車間內(nèi)設(shè)備和照明的熱濕負(fù)荷穩(wěn)定, 工作人員固定 , 套間又常年維持在25 ℃左右 , 通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量相當(dāng)小而且波動也不大, 所以總起來看室內(nèi)熱濕負(fù)荷比較穩(wěn)定, 全年變化甚微, 從這方面看 ,對滿足室內(nèi)溫濕度精度要求的控制是比較有利的條件 。自動控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)不僅決定于控制裝置,同時與被控對象的環(huán)節(jié)特性也有密切關(guān)系 ,由于無塵車間送風(fēng)換氣次數(shù)大 ,使控制的難度加大, 根據(jù)對上述兩方面的綜合分析,得出本系統(tǒng)的溫度精度更不易保證的認(rèn)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(tài)系統(tǒng),但對其進(jìn)行定性分析 ,其能量蓄存量的變化率為 :

由于無塵車間內(nèi)熱濕負(fù)荷較穩(wěn)定 , 送風(fēng)量又遠(yuǎn)大于一般空調(diào)系統(tǒng) ,設(shè)計工況下 ,其送風(fēng)溫差相對很小, 所以在監(jiān)控中對送風(fēng)溫度不予考慮 ,而使用回風(fēng)溫度作為調(diào)節(jié)的輸入。

雖然空氣蓄熱系數(shù)很小, 但因無塵車間的送風(fēng)流率大, 所以其熱容量也相當(dāng)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(yùn)動類似活塞流 ,使無塵車間內(nèi)的空氣處于一個相對有序的狀態(tài)。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(fēng)墻距離不大, 空氣在無塵車間內(nèi)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(tǒng)來看,其確定必須以被控對象的特性為基礎(chǔ), 無塵車間以回風(fēng)溫度作為調(diào)節(jié)的輸入 。從前面分析看出 , 無塵車間的負(fù)荷和干擾變化比較平和, 同時考慮到初投資和運(yùn)行費(fèi)用, 因此控制系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)進(jìn)行靈敏精確的調(diào)節(jié),在表冷器后設(shè)置電加熱器和電極式加濕器 ,雖然會發(fā)生熱濕負(fù)荷的抵消 ,增加能耗,但換來的是對比較難于調(diào)節(jié)的直接蒸發(fā)式表冷器可以不予控制, 減少了控制環(huán)節(jié)。同時電加熱器和電極式加濕器滯后

小,反應(yīng)靈敏, 便于控制, 這在很大程度上改善了控制效果 ?？刂埔?guī)律的選擇, 應(yīng)著眼于使控制系統(tǒng)和被控對象能進(jìn)行良好配合 , PID 參數(shù)調(diào)節(jié)法在技術(shù)上已經(jīng)很成熟 ,在單回路的空調(diào)控制中應(yīng)用很廣泛 , 能解決空調(diào)系統(tǒng)中存在的滯后性大等問題 , 有效地消除靜差 ,提高系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)指標(biāo),其規(guī)律是:

PID 調(diào)節(jié)器輸出的是 0 —10 mA 連續(xù)信號,利用可控硅元件 ,調(diào)節(jié)電加熱器和電加濕器的電壓,使其功率可連續(xù)變化 ,這也是提高控制精度的一個有效方面 ,具體控制方案如圖 4 所示 :

四 系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)試

1 根據(jù)理論分析及設(shè)計計算 ,自行選購了散件,組裝了一臺制冷空調(diào)機(jī)組 ,所選直接蒸發(fā)式表冷器的額定風(fēng)量為 2500m³/h ,在制冷空調(diào)機(jī)組出口裝置了風(fēng)閥 ,對流過機(jī)組的風(fēng)量可進(jìn)行調(diào)節(jié) , 同時相應(yīng)調(diào)節(jié)制冷量 。在工程現(xiàn)場完工后 ,對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時 ,通過實測數(shù)據(jù)可以明顯看出當(dāng)開大風(fēng)閥 ,風(fēng)量增大, 制冷量也相應(yīng)增大 ,從節(jié)能的角度出發(fā), 在滿足無塵車間溫濕度參數(shù)要求的前提下 ,盡可能降低冷機(jī)制冷量 ,使其僅是略大于房間的熱濕負(fù)荷 。通過反復(fù)調(diào)整測試, 確定在制冷機(jī)組處理風(fēng)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(nèi)波動。

2 無塵車間采用的是定值控制系統(tǒng), 在硬件完成后, PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定是關(guān)鍵,在調(diào)試過程中 , 采用經(jīng)驗試湊法 , 以被控對象的精度和穩(wěn)定性作為調(diào)節(jié)的基本目標(biāo),經(jīng)反復(fù)調(diào)試, 得到了合適的 PID 參數(shù),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(tǒng)中并不明顯 ,微分時間一般在 0 —3 秒之間變化 。

3 所自行設(shè)計的制冷空調(diào)機(jī)組與原設(shè)計方案所選定的 5000 m³/h 的定型商用空調(diào)機(jī)組相比較 , 初投資減少約 20 %, 運(yùn)行費(fèi)用減少30 %,這證明了機(jī)組的設(shè)計在應(yīng)用中是成功的 。

五 結(jié)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(fēng)量大 ,氣流在室內(nèi)的滯留時間短 ,而且熱濕負(fù)荷比較穩(wěn)定 ,采用單回路的PID 調(diào)節(jié)方法是可行的 。但需要進(jìn)行合理的設(shè)計和反復(fù)地進(jìn)行調(diào)節(jié) , 才能保證其所規(guī)定的各項技術(shù)參數(shù)達(dá)到要求。

2 PID 調(diào)節(jié)器在很大程度上決定了系統(tǒng)的控制精度 ,在本系統(tǒng)裝置調(diào)節(jié)下,比例和積分調(diào)節(jié)起到關(guān)鍵作用 ,能完全滿足控制要求 , 而微分調(diào)節(jié)的作用較少 , 但對PID 參數(shù)的選擇一定要根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析,反復(fù)調(diào)節(jié), 并觀察一段時間 ,以求達(dá)到最佳效果 。

3 執(zhí)行器的調(diào)節(jié)必須采用連續(xù)調(diào)節(jié)的方式 ,占空比的調(diào)節(jié)方式給系統(tǒng)帶來脈沖擾動將使系統(tǒng)控制精度得不到保證 。

4 應(yīng)對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計, 合理確定一 、二次回風(fēng)比, 僅對部分回風(fēng)進(jìn)行處理的方法,即不影響系統(tǒng)的控制精度 ,又可降低初投資 。