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  • 頭條PLC在潔凈手術室空調溫濕度控制系統中的應用
    2020-11-15 作者:武培雄  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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    導語在潔凈手術室的溫濕度控制系統中,溫濕度控制是一種非線性、大滯后、時變的復雜過程。本文介紹了以S7-200PLC為主控制器,實現在不同工況下溫濕度的PID控制。運行結果表明,該溫濕度控制系統具有較高的抗干擾能力,可靠性高,運行穩定,溫濕度控制精確,完全能滿足潔凈手術室應用要求。

    在潔凈手術室空調控制系統中,主要完成空氣的熱、濕交換處理過程,使其達到通風狀態點以滿足室內溫、濕度要求。其控制對象——溫度和相對濕度是兩個相關聯的參數,在調節溫度的同時,相對濕度也會隨之變化。

    以往的儀表和DDC控制器往往根據需要,選擇了溫度優先或是濕度優先進行控制,使得溫濕度控制的調節時間過長,控制精度低,難以實現溫濕度同時控制。

    本文結合潔凈手術室的溫濕度控制,介紹利用PLC強大的數字運算處理功能實現對潔凈空調的溫濕度控制,在組合式空調機組的功能段有選擇性的對空氣進行混合、降溫、除濕、加溫、加濕等處理,實現溫濕度的最佳控制,此方案溫濕度控制系統響應速度快、穩定性好,也可用于其它空調的溫濕度控制中。

    系統概述及硬件組成

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

    PLC在潔凈手術室空調溫濕度控制系統中的應用

    圖1 組合式空調機組配置示意圖

    潔凈手術室控制系統主要由PLC系統、溫濕度傳感器、表冷系統、電加熱設備、電加濕設備和手術室控制面板等幾個部分組成。系統結構框圖如圖2所示。

    PLC在潔凈手術室空調溫濕度控制系統中的應用

    圖2 系統結構框圖

    在該系統中,PLC控制器選用S7-200系列的CPU224以及擴展模擬量輸入模塊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風管溫濕度傳感器,QFM2160傳感器輸出對應溫濕度的0~10V標準電壓信號,送至EM231的輸入接口,同時送至OMCS-5000C進行顯示。

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

    通過手術控制面板對溫度和濕度進行設定,手術控制面板將溫濕度設定值轉換為0-10V電壓信號,與EM231模塊連接。CPU224用于實現邏輯控制和模擬運算,通過I/O口控制風機、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,最終對室內溫濕度進行控制。

    系統軟件設計

    本控制系統主要包括風機控制、溫度控制和濕度控制三個部分。潔凈手術室溫、濕度設定一般為t=21~27℃,φ=40%~65%。[[4]]根據北方氣候情況,表冷器中在冬季供暖時為熱水(水溫一般大于45℃),其它季節為冷水(水溫一般小于9℃)。按設定溫濕度與環境溫濕度之間的關系,將控制系統工作情況分為三種:

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

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

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

    PLC在潔凈手術室空調溫濕度控制系統中的應用

    圖3 控制系統工作過程

    系統在工作時, 首先啟動風機運行。隨后PLC通過溫濕度傳感器測量回風的溫濕度并與設定值相比較,根據不同工況進行運算。PLC通過數字I/O口對風機、加熱、加濕電源進行控制,通過模擬輸出接口對閥門開度、電加熱、電加濕進行相應控制。設置PLC定時中斷0中斷時間為250ms,在中斷程序中完成PID運算。

    在自動控制系統中,PID控制算法作為一個經典的控制算法得到了廣泛的應用。S7-224提供了標準PID回路指令,使得PID算法的編程和實現變得非常容易。PID運算的輸出結果,控制偏差e趨向零,使系統達到穩定狀態。

    S7-200CPU提供的PID回路指令(比例、積分、微分回路)基于公式執行PID計算。PID回路操作取決于存儲在36個字節回路表中的9個參數。調整參數值的大小,可以很方便地改變溫度和濕度偏差及偏差變化率,從而快速實現溫濕度控制。

    結語

    利用PLC具有穩定性高、結構靈活等特點,實現室內溫濕度的智能控制。在上述溫濕度控制系統中,根據不同工況采取相對應的策略進行控制。該溫濕度控制系統已在天津和山西地區4所醫院投入運行,控制精度為:溫度±0.5℃、相對濕度±3%以內。

    運行結果表明,該溫濕度控制系統具有較高的抗干擾能力,可靠性高,運行穩定,完全能滿足潔凈手術室對溫度與濕度控制的應用要求。

    (本文編自《電氣技術》,作者為武培雄。)

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