近些年，国家极力推动高新技术产业的发展，这些产业对生产环境的要求使得对空调控制系统的需求越来越高。另外，不同产业对生产环境的需求逐渐成型，空调控制系统的建设逐渐走向专业化，空调厂商可以根据不同产业的要求研发专门化的控制器和控制系统，形成标准统一的解决方案。相关产业的快速迭代必将带动空调行业发展，使得洁净室空调控制系统的研究成为一项重要课题。

1、洁净室空调系统

洁净室空调系统的结构一般由冷(热)源设备、冷(热)媒输送设备、空气处理设备、空气分配装置、冷(热)媒输送管道、空气输送管道和自动控制装置等组成。空调系统主要包括空气处理设备和空气调节系统两个部分。空气处理设备主要包括空气热湿处理和空气净化处理所需要的设备，具体包括初中高效过滤器、表冷器、加热器、加湿器、空气净化器等设备;空气调节系统主要利用空气分配装置和空气输送管道调节室内外空气的流动，保证室内所需的环境条件。单风机一次回风系统的组合式空调机组如图1所示。

空调机组主要包括新回风混合段、初中效过滤段、表冷段、加湿段、加热段、喷淋段、风机段、消声段等部分，空气调节过程主要包括新风、送风和回风的循环流动。

洁净室的空调系统设计与一般空调系统设计的差别在于，洁净室对室内温/湿度和洁净度具有不同的要求。空调系统主要功能包括:准确调节室内温度;准确调节室内湿度;使室内空气循环流动;保证室内满足要求的洁净等级。除了这些基本功能外，空调控制系统设计中需要考虑到节能的问题，在保证工程需求的前提下达到节能。

2、系统设计方案

系统是依据工艺设计要求和用户的需求进行设计的，除了实现要求的功能外，还考虑到系统的完整性、易用性和节能控制，结合实时监控工作站，保证系统运行的安全性和可维护性。

2．1运行模式

根据控制要求和监控点位的安排，空调机组共设置正常、值班、臭氧消毒和消毒排风4种运行模式。

(1)正常运行模式。新风阀开启一定的开度，回风阀开启，送风机、排风机和排风阀延时30s启动，消毒排风机和安装在对应管道内的排风阀不动作，系统停机时设备的关闭顺序与启动时相反。

(2)值班运行模式。新风阀保持一定开度，回风阀开启，送风机低频运行，使送风量达到设计值的1/2，所有排风机和排风阀关闭。

(3)消毒运行模式。新风阀和排风阀关闭，所有回风阀开启，打开臭氧发生器，送风机低频运行，使送风量达到设计值的1/2，所有排风机均停机，空调系统执行内循环，系统按照预先设定好的消毒时间运行;在消毒时间运行结束后，自动进入消毒排风运行模式。

(4)消毒排风模式。关闭回风阀，开启新风阀和排风阀，所有排风机均开启，将室内的臭氧排出，系统按照预先设定好的消毒排风时间运行;在消毒排风时间运行结束后，系统可自动进入正常、值班或停机模式，由用户预先设定，程序预设为正常运行模式。

2．2工况选择

系统设置冬/夏季工况切换功能。切换到相应工况时，控制系统的设定值和控制逻辑转换到对应的流程。

2．3温/湿度控制

空调机箱内设置的温度传感器和露点温度传感器(T，DT)接至DDC的两路模拟量输入通道，分别对空气的送风温度和露点温度进行检测;回风管道内的温/湿度传感器(T，H)也接至两路模拟量输入通道，分别对回风温/湿度进行检测。夏季时，采用夏季工况处理过程，空气的温度和湿度都高于设定值，调节冷水阀的开度降温除湿，在保证湿度的前提下等湿加热，达到夏季的控制要求;冬季时，采用冬季工况处理过程，送风温度低于设定值，调节热水阀开度加热空气，在保证温度的前提下等温加湿，调节蒸汽加湿阀的开度，达到冬季的控制要求。

2．4变频控制

空调机箱配置变频风机，强电柜安装变频器，采用变频控制，设置在送风总管上的风速传感器(S)接至DDC的一路模拟量输入通道，监测送风风量;设置在房间的压差传感器接至DDC的两路模拟量输入通道，监测特定房间相对外界的压差。取房间压差的平均值，调节变频器的输出频率，控制送风机的运转，保持室内正压恒定。在值班和消毒模式下，房间压差的设定值调整为原来的50%，系统采用低频运转，进入节能模式。

2．5安全联锁控制

系统安全联锁功能主要设置为系统级和设备级的安全联锁。系统级的安全联锁针对严重故障信号，主要包括缺风报警、风机故障、火灾，此类故障会造成严重后果，系统联锁停机，发出警报提示音;设备级的安全联锁主要是为了保证风机、阀门、执行器的顺序控制，如系统开机时要先打开风阀再启动风机，关机时要先关风机再关阀门。

2．6过滤器状态显示和报警

风机正常启动后，采用微压差开关监测到空气过滤器两侧的压差，如果空气过滤器两侧的压差增大，超出设定值，微压差开关将会吸合，接通的信号会通过一路DI通道送至DDC控制器，监控站提示报警信息。

2．7高温保护

高温保护开关设置在电加热器后端，若加热段温度过高，监控站提示报警信息。

2．8监控站

实时监控工作站配置M6201系列主机，工程师站软件采用WinCC上位机监控软件，配置SQL Server2008数据库。监控站可以监控整个控制系统的运行状况，站点设置监控画面、趋势曲线、实时报警及数据记录功能。

3、空调系统的控制策略

3．1PID控制算法

PID控制器是比例－积分－微分控制器，将偏差的比例、积分和微分进行线性组合构成控制量，通过对Kp、Ti和Td3个参数进行整定，实现控制系统对外界扰动的迅速响应，最终达到稳定状态。由于PID控制器结构简单、鲁棒性好、可靠性高，在冶金、机械、化工和电力等工业控制过程中得到广泛应用，如今约有90%的控制回路具有PID结构。PID控制器原理图如图2所示。

当控制系统硬件设备安装完成后，控制系统中每个部分的特性都已确定，此时唯一能够调整的是控制器参数，即PID控制器的比例系数Kp、积分时间常数Ki和微分时间常数Kd。为改善控制系统的性能，只要对控制器的3个参数选取合适值，就可获得较好的动态性能和控制品质。

对PID控制器参数进行整定，以控制系统设计要求为依据，结合现场实际情况，求取该控制系统运行的最佳参数。

3．2湿度控制

3．2．1温/湿度解耦

项目中洁净室温/湿度控制要求夏季温度保持在20±2℃，冬季温度保持在22±2℃，湿度保持在50%～60%。系统控制变量为温度和相对湿度，是通过控制表冷段冷热水阀的开度、电加热器和蒸汽加湿阀开度来实现的。表冷段冷热水阀的开度同时影响着空气的温度和相对湿度，温/湿度之间存在耦合关系，随着温度升高，空气相对湿度下降;随着温度降低，空气相对湿度上升。温/湿度之间的耦合关系增加了控制难度，因此要实现对温/湿度的精确控制，需要对洁净室的温/湿度进行解耦。

解耦过程一般是先保证洁净室露点温度的稳定控制，再通过对温度控制，从而达到间接控制相对湿度的目的。在等绝对湿度线上无论如何改变温度和相对湿度，露点温度保持恒定不变。因此，同一大气压下由温度和相对湿度计算得到的露点温度具有唯一性。根据系统控制要求，夏季时洁净室的设定值温度22℃和相对湿度55%所对应的露点温度为12．55℃，作为露点控制时PID控制器的设定值，然后再控制洁净室的温度，从而保证洁净室的温/湿度同时满足控制要求。

3．2．2露点控制

根据温/湿度解耦的方法，要实现对相对湿度的控制，首先要保证洁净室露点温度的稳定控制，露点温度控制原理如图3所示。该控制策略应用在表冷段冷水盘管的水阀和加湿段的蒸汽加湿阀控制上。

系统利用回风温度和回风湿度对房间空气的状态做表征，因同一大气压下由温度和相对湿度计算得到的露点温度具有唯一性，根据干球温度和相对湿度可以计算得到露点温度，将计算的露点温度数值发送到PID控制器。控制器的露点温度设定值可根据温度设定值和湿度设定值计算得到，经过PID控制器运算后，将输出信号发送到水阀执行器或蒸汽阀执行器。

在夏季工况下，输出控制信号给到冷水盘管的水阀执行器，控制水阀动作对空气降温除湿，使洁净室的露点温度达到设定值，再对空气做温度调节，从而达到设定的温/湿度;在冬季工况下，采用等温加湿的热力学过程，对空气加热，此时空气的露点温度一定低于设定值，输出控制信号给到加湿段的蒸汽加湿阀上，控制加湿阀动作，使露点温度达到设定值，从而保证温/湿度同时满足控制要求。

3．3温度控制

在保证露点温度的前提下，通过对温度进行控制就可以使温/湿度同时满足要求。对系统做温度控制的变量为回风温度，是通过控制冷热水阀的开度和电加热器的档位实现的。夏季工况时，由于冷水盘管调节露点温度的作用，供风温度已低于要求的范围，需使用电加热器进行辅助加热;冬季工况时，采用热水盘管对空气进行加热，电加热器用于提高加热速度，对空气接力加热。

总之，夏季工况下，系统先降温除湿，然后执行等湿加热的过程;冬季工况下，系统先加热，然后执行等热加湿的过程，因此系统的温度控制是通过单独加热的热力学过程实现的。在温度调节时，根据回风管道内的温度传感器，测得回风温度并给到PID控制器，经过PID控制器运算后，输出控制信号到热水盘管或者电加热器，调整水阀开度或加热档位对空气加热。温度控制原理如图4所示。

3．4压差控制

生物制药行业的生产对洁净度要求很高，为使洁净室免受外界尘埃的侵袭，实验室内的空气压力应对外界保持35Pa以上的正压，压差控制是保障洁净室生产体系中更为重要的手段。洁净区域内不同级别的洁净空间采用不同的压差控制，以此形成有序的梯度压力，保证空气定向流动，气流只能从高一级别洁净空间流向低一级别洁净空间，从洁净区域流向非洁净区域。洁净室压差控制的结果就是保证新风量等于排风量和压差风量的和，一般常用的控制方案有几种:送风量和排风量均恒定，控制回风阀的开度，调节回风量保证室内压差;排风量恒定，控制送风机的运行频率，调节送风量维持室内压差;送风量恒定，控制排风机的运行频率，调节排风量维持室内压差。

为了达到稳定的压差控制，采用排风风量相对恒定而对送风机进行控制的方式，来达到室内外压差恒定的目的。考虑到精确度和节能效果，工程上一般使用压差传感器或风速传感器等敏感元件来控制风机的变频器，调节送风风量，这种做法控制灵敏，工作稳定，节能效果明显。

项目中洁净室压差控制要保持在40Pa左右，由于系统采用集中供风，使用一个房间的压差传感器参数无法保证所有房间的压力均能满足要求，因此控制系统检测所有房间的数据取其平均值作为压差实际测量值。系统采用PID压差控制器控制送风机的变频运转，调节送风风量，保证洁净室的正压差。压差控制原理如图5所示。

4、结语

随着现代工业、尖端技术和生物医药产业的快速发展，对洁净室空调系统的需求逐年增加。为了满足行业对生产的要求，工业现场需要提供一个温/湿度符合生产工艺并且足够稳定的洁净室环境，故合理设计洁净室空调自动控制系统就显得尤为重要。在空调系统设计中，自动控制系统是产品质量和规范化管理的重要保证。