在潔凈手術(shù)室空調(diào)控制系統(tǒng)中，主要完成空氣的熱、濕交換處理過程，使其達(dá)到通風(fēng)狀態(tài)點以滿足室內(nèi)溫、濕度要求。其控制對象——溫度和相對濕度是兩個相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，在調(diào)節(jié)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(jù)需要，選擇了溫度優(yōu)先或是濕度優(yōu)先進(jìn)行控制，使得溫濕度控制的調(diào)節(jié)時間過長，控制精度低，難以實現(xiàn)溫濕度同時控制。

本文結(jié)合潔凈手術(shù)室的溫濕度控制，介紹利用PLC強(qiáng)大的數(shù)字運算處理功能實現(xiàn)對潔凈空調(diào)的溫濕度控制，在組合式空調(diào)機(jī)組的功能段有選擇性的對空氣進(jìn)行混合、降溫、除濕、加溫、加濕等處理，實現(xiàn)溫濕度的最佳控制，此方案溫濕度控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，也可用于其它空調(diào)的溫濕度控制中。

系統(tǒng)概述及硬件組成

潔凈手術(shù)室溫濕度控制主要由表冷、電加熱、電加濕三個部分構(gòu)成，并置于組合式空調(diào)機(jī)組中，夏季通過表冷器和擋水板析出冷凝水，對空氣進(jìn)行降溫除濕處理，電加熱對空氣升溫。冬季表冷器對空氣進(jìn)行升溫處理，電加濕則用于增加空氣的相對濕度，最終達(dá)到送風(fēng)溫度和濕度的控制要求。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組合式空調(diào)機(jī)組配置示意圖

潔凈手術(shù)室控制系統(tǒng)主要由PLC系統(tǒng)、溫濕度傳感器、表冷系統(tǒng)、電加熱設(shè)備、電加濕設(shè)備和手術(shù)室控制面板等幾個部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在該系統(tǒng)中，PLC控制器選用S7-200系列的CPU224以及擴(kuò)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(fēng)管溫濕度傳感器，QFM2160傳感器輸出對應(yīng)溫濕度的0~10V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，送至EM231的輸入接口，同時送至OMCS-5000C進(jìn)行顯示。

模擬輸出信號經(jīng)EM232輸出接口控制表冷閥、電加濕器和電加熱器模塊，分別進(jìn)行閥門開度、加濕量和加熱量的控制。手術(shù)室控制面板采用OMCS-5000C，表冷控制器選用SIEMENS公司SQX62執(zhí)行器和VVF31二通閥進(jìn)行控制，電加熱選用STY-380D三相調(diào)壓模塊控制電阻絲的加熱。

通過手術(shù)控制面板對溫度和濕度進(jìn)行設(shè)定，手術(shù)控制面板將溫濕度設(shè)定值轉(zhuǎn)換為0-10V電壓信號，與EM231模塊連接。CPU224用于實現(xiàn)邏輯控制和模擬運算，通過I/O口控制風(fēng)機(jī)、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(nèi)溫濕度進(jìn)行控制。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)控制、溫度控制和濕度控制三個部分。潔凈手術(shù)室溫、濕度設(shè)定一般為t=21~27℃，φ=40%~65%。[[4]]根據(jù)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(jié)為冷水（水溫一般小于9℃）。按設(shè)定溫濕度與環(huán)境溫濕度之間的關(guān)系，將控制系統(tǒng)工作情況分為三種：

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

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

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

圖3 控制系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)在工作時， 首先啟動風(fēng)機(jī)運行。隨后PLC通過溫濕度傳感器測量回風(fēng)的溫濕度并與設(shè)定值相比較，根據(jù)不同工況進(jìn)行運算。PLC通過數(shù)字I/O口對風(fēng)機(jī)、加熱、加濕電源進(jìn)行控制，通過模擬輸出接口對閥門開度、電加熱、電加濕進(jìn)行相應(yīng)控制。設(shè)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(tǒng)中，PID控制算法作為一個經(jīng)典的控制算法得到了廣泛的應(yīng)用。S7-224提供了標(biāo)準(zhǔn)PID回路指令，使得PID算法的編程和實現(xiàn)變得非常容易。PID運算的輸出結(jié)果，控制偏差e趨向零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

S7-200CPU提供的PID回路指令（比例、積分、微分回路）基于公式執(zhí)行PID計算。PID回路操作取決于存儲在36個字節(jié)回路表中的9個參數(shù)。調(diào)整參數(shù)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(xiàn)溫濕度控制。

結(jié)語

利用PLC具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)靈活等特點，實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的智能控制。在上述溫濕度控制系統(tǒng)中，根據(jù)不同工況采取相對應(yīng)的策略進(jìn)行控制。該溫濕度控制系統(tǒng)已在天津和山西地區(qū)4所醫(yī)院投入運行，控制精度為：溫度±0.5℃、相對濕度±3%以內(nèi)。

運行結(jié)果表明，該溫濕度控制系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，可靠性高，運行穩(wěn)定，完全能滿足潔凈手術(shù)室對溫度與濕度控制的應(yīng)用要求。

（本文編自《電氣技術(shù)》，作者為武培雄。）