基于自控技术的高精度恒温恒湿实验室的应用研究

盛 伟

（南京博森科技有限公司，江苏 南京 211100）

0 前言

近年来，随着我国工业的不断转型升级，工业产品也不断朝着精细化的方向发展，给生产车间的环境提出了更高的要求，由此各企业开始侧重于高精度恒温恒湿实验室和车间的建设与应用。而在高精度恒温恒湿实验室中，最重要的一项技术无疑是对空气环境进行自动化调节控制。因此，如何针对高精度恒温恒湿实验室的空调自控系统进行设计，是值得研究的一项内容。

1 高精度恒温恒湿控制系统设计

1.1 基本设计原则

高精度恒温恒湿控制系统实则是一个复杂的空调系统，包括一定数量的空气处理装置，由于该装置经常同时运行，因此，在负荷设计上通常考虑系统最大的发热负荷[1]。但是在实际使用过程中，由于实际运行工况的差异，因此这些负荷经常处在动态变化的状态，相关参数也会随之变化。为了确保当参数变化时各空气处理装置的实际输出仍能准确匹配负荷，需要通过自动控制来满足该要求。事实上，这种自动控制也主要是针对相关的开关和阀门等装置[2]。

除了上文所提及的自动控制任务外，该系统也应当考虑到运行安全问题，具体包括检测报警装置和连锁保护装置等。与此同时，系统设计时也必须考虑环保节约和操作便利2个方面的因素[3-4]。

在对自控系统进行设计的过程中，除了应当明确空调系统的整体情况之外，还需要选择科学合理的控制措施，从而实现整个自控系统的经济性、便利性和可靠性[5]。

1.2 实验室内空气调节的要素

对于高精度恒温恒湿实验室来说，其内部的空气环境主要可以通过以下4个要素进行描述：1） 温度。2） 湿度。3） 气流。4） 洁净度。其中，温度是对干球温度进行计量，单位为摄氏温度（℃）；湿度则表示实验室空气中的水分含量，多以相对湿度进行描述，相对湿度是指湿空气中的水蒸气分压与同一温度下饱和空气的水蒸气分压的比值，用百分比（%）的形式来表示；气流是指实验室内空气的流动速度，通常当人能够感受到空气的流动时，气流速度在0.3 m/s以上；洁净度则是指恒温恒湿实验室内部的空气含尘量（该指标不仅包括可吸入颗粒物等常规指标，还包括空气中的微生物），由于在恒温恒湿实验室的应用过程中，不可避免地会产生一定的污染，因此需要采用换气控制的措施，及时排出污染物，确保实验室内的空气环境始终处于洁净的状态。

1.3 空气调节的控制方式

在该高精度恒温恒湿实验室的温度控制中，以空气调节为主、湿度调节为辅，其在运行过程中，主要使用单风道向实验室内送风，根据实验室内的温度，对空调系统进行调节，保持实验室内的温度恒定。同时，其利用同样的方法，根据实验室内的湿度，对加湿器或除湿器进行调节，以确保实验室内的湿度恒定。

为了实现快速且精准的控制，该设计采用PID控制的瞬态响应法，并适当设定PID参数，准确地对实验室内的恒温恒湿模块进行控制，例如PID参数需要变更，则使用计算机模拟程序，将该系统视为一阶时滞系统，从而达到变更PID参数和输入的目的。

2 高精度恒温恒湿自控系统的组成

当前，自控系统的核心模块通常采用PLC可编程逻辑控制器，该模块有较高的可靠性且机动灵活，可以根据需要随时对模块进行扩展，并能够实现更为精确的温度控制与湿度控制，有更高的性价比。

整体来看，该自控系统由数台恒温恒湿机组所组成，每台机组都配备有1个CPU模块、一定数量的输入输出扩展模块、通信模块、温度传感器、湿度传感器和执行器等部件。该自控系统各台控制器之间采用现场总线的方式组成整体的系统网络，该网络由1台担任工作站的计算机进行远程控制，该计算机上的WinCC软件可以对各恒温恒湿机组的运行状况进行实时监测，并记录下所有的运行数据，如果在运行过程中出现问题，工作人员可以采用图表的形式调取历史数据对其进行分析和处理。同时，各台高精度恒温恒湿机组均配备了型号为TD400C的控制面板，操作人员只需要通过面板就可以实时查看机组的各类参数，并对机组的启停进行控制。

3 高精度恒温恒湿自控系统的控制

3.1 自动化控制系统设计

自动化控制系统多选用PLC系统，PLC控制系统全称为Programmable Logic Controller，它采用数字电信号进行控制，其组成结构包括PLC控制器、中央控制设备、通信网络、传感器、执行器和调节阀等。

对于PLC系统来说，PLC控制是其核心部分，PLC控制器主要承担输入输出转换和控制运算2个方面的功能。在输入转换过程中，控制器接收来自温度传感器和湿度传感器的信号，将其转换为数字信号；然后将通过输出转换过程，将该数字信号转换为控制信号并输出，从而达到控制系统运行的目的。控制运算功能可以细分为PID控制、定时器、信号逆转和信号选择等多个模块，具体的运算则主要由输入信号所控制。计算结果则由输出转换功能向各个调节阀门输出信号，控制各个阀门的运行。除此之外，PLC控制器还可以直接通过通信网络与中央控制设备进行通信。

在该实验中，选用西门子CPU SR60/ST60型号的PLC控制器，其具体技术参数见表1。

表1 所选用的PLC控制器参数

3.2 风量调控

在风量调控的过程中，多采用单风道定风量的控制方式，整体的调控步骤则分为以下9个步骤：1） 打开外部空气风阀，将室外空气输送到空调系统中。2） 使用空调系统中的过滤器除去外部空气中的各种颗粒物。3） 外界空气接触盘管，使其温度满足实验室内的实际需要。4） 使用加湿器或除湿器改变空气的湿度。5） 使用送风机将经过前4个环节处理后的空气送入实验室内。6） 空气由出风口进入实验室环境，保持其参数符合要求。7） 实验室内的污浊空气返回空调系统。8） 部分污浊空气排到外界环境中。9） 部分污浊空气将与空调系统内的外界空气混合，并重复进行（2）～（4）的处理步骤后，再重新回传到实验室内。

通过上述步骤的运行后，空气的温度、湿度和洁净度都将符合高精度恒温恒湿实验室的要求，确保高精度恒温恒湿实验室始终保持理想环境。

3.3 实验室内温度和湿度的控制与处理

在测量实验室内的温度时，多采用PLC的控制模块完成测量工作，当温度偏离预设值时，控制模块就会相应地调整冷热水阀和空气风阀，从而确保实验室内的温度始终保持在设定值附近。

实验室的湿度控制分为加湿控制和除湿控制，分别由若干台加湿器和除湿器承担控制任务。湿度的测量则仍采用PLC控制器来完成，其通过对加湿阀和冷水阀的控制，能够规避因加湿或除湿而改变实验室内温度的问题。

在加湿控制环节，控制模块主要以比例控制或双位控制的方法来确保实验室内的温度符合预设值。这2种方法会根据空调系统内加湿器的种类不同而分别进行选择。一般来说，电热式蒸汽加湿器和电极蒸汽加湿器多采用比例控制的方式，而滴下气化式加湿器则采用双位控制的方式。目前来看，高精度要求的实验室以电热式蒸汽加湿器居多。而在除湿控制环节，则主要根据实验室的温度合理调整冷水阀的比例，将实验室内空气冷却到露点温度以下，从而达到除湿的目的。冷却阀启动前，系统将检测温度控制信号和除湿控制信号的强度，由其中较强的一个信号负责对冷却阀门进行开启，实现除湿的目的；而后再对实验室温度进行调节。温度和湿度传感器设计在实验室内，除表冷盘管后因位置特殊而需要使用露点温度传感器以外，其他位置都使用常规传感器。由于除湿过程中很容易导致实验室内的温度下降过快，特别是对于一些缺乏加热盘管的热源，该情况会更严重，因此在该模块中，还需要设计安装1套辅热设备，用来精调室内温度的控制回路。

3.4 操作控制

操作控制主要体现在工作站计算机的WinCC软件上，在该软件的操作界面，各个机组的情况都将以彩色三维图形的形式进行直观展示，当运行情况发生变化时，相关的图标将出现闪烁或是颜色上的变化，从而让操作人员直接明确不同机组的运行状况或者根据报警信号及时对相应的机组进行处理。显示界面主要涵盖以下的参数内容：机组送风温度、机组回风温度、湿度以及电加热器开度等。操作人员只需要点击鼠标，就可以修改相应的参数设置或者改变目标器件的启停状态，达到合理控制实验室环境的目的。

3.5 其他控制方法

3.5.1 自控系统的网络结构

PLC自动控制系统可以直接连接在网上，形成控制系统的闭环网络结构，该结构自下而上分为现场设备层网络、自控层网络和管理层网络3个层级。管理层网络采用TCP/IP协议，通信速率在100 M以上，直接运用既有的布线系统进行连接，就可以实现系统通信的目标，还可以同时连接多个工作站。自控层网络主要用于各个PLC控制器之间的连接，也可以通过网关来连接其他的第三方系统和设备。现场设备层主要用于连接各个终端控制设备（支持不同的通信速率）。

3.5.2 启停控制

启停控制包括最佳启动控制、预冷预热时间段控制以及关机时的连锁控制。对于一般的应用来说，其通常根据过去24 h内实验室内的温度变化情况，对变温时间进行控制，再对系统启动时间进行计算和调节。在预冷预热时间段的控制过程中，主要通过对外界空气的调整来降低预冷或是预热阶段所花费的时间，如果无法通过实验室外的空气进行降温，则关闭所有的排气风阀和空气风阀，只通过回风风阀进行运转。在关机时的连锁控制环节中，系统则会关闭所有的风阀。

3.5.3 实验室外空气吸入控制

如果实验室内部环境为冷负荷，且实验室外空气已经满足以下4个条件：1） 实验室外的气温低于实验室内部的气温。2） 实验室外空气热焓比实验室内更低。3） 实验室外空气温度高于实验室内空气温度的下限设定值。4） 实验室外空气露点温度低于实验室内空气露点温度的上限设定值。在该情况下，就可以认为实验室外空气制冷已经取得效果，并可以进行风阀控制。在控制过程中，控制系统会将实验室外的空气与回风相混合，输送具有一定温差的空气，从而确保实验室内的温度始终保持在合理区间[6]。

3.6 温湿度监控系统设计

对温度和湿度进行实时检测是确保实验室环境恒温恒湿的关键。因此，该文从以下4个模块入手，综合设计了温湿度监控系统：1） 温湿度测量模块。该模块主要使用温度和湿度传感器对环境信息进行采集，再通过转换电路对数据信息进行处理。2） 数据无线传输模块。它主要通过无线扩频通信技术传输测量到的数据信息。3） 网络转虚拟串口。该部分主要基于TCP/UDP协议，在PC端实现虚拟串口的转化，从而实现与硬件设备之间的通信。4） 计算机温湿度记录软件。工作人员可以通过软件界面实时查看实验室内的温湿度数据，当温度或湿度出现异常变化时，会及时发出提示信息，提醒工作人员进行处理。

3.7 恒温实验室的技术验收

在使用自控技术对高精度恒温恒湿实验室进行设计后，还需要对其进行验收，确保其已经具备了相应的功能。具体来看，验收工作主要分为以下4个步骤：1） 对测量点位进行布置，每个测量点位都应当配有温度传感器和湿度传感器，测量点则布置在与实验室工作台面相平的高度，并避免距离墙壁过近。在布置好测量点后，将所有传感器连接到专用的计算机上，开启相应软件并检测其是否正常工作。2 ）测量前的准备工作。在该环节中，需要对恒温恒湿实验室的环境参数进行调整，其具体参数见表2。同时，设置完成后，还需要等待约1 h，以确保恒温恒湿实验室环境参数已经满足设定条件。3） 进行实际测量。该步骤需要操作人员进入实验室设置采集器的参数，频率设置为4 min/次，每个采集器采集15个数据，延迟时间为10 min，设定完成后，操作人员立刻离开恒温恒湿实验室，并对其做好封闭处理，等待设备自动采集相关数据，工作人员只需要通过实验室玻璃窗来观察并记录数据。4） 对数据进行分析处理，只需要使用相应的专业软件就可以根据第三步采集到的数据自动生成原始记录，并根据其内置的公式对数据进行处理，处理结果可为后续恒温恒湿实验室的实际应用提供重要依据[7-8]。

表2 测量工作中实验室环境参数

4 恒温恒湿实验室空调机组的维护

高精度恒温恒湿实验室最重要的模块是空调机组，确保空调机组的长期稳定运行是工作中的重点内容。因此，要积极采取措施，从多方面入手来开展空调机组的维护工作，具体如下：1） 要定期检查空调控制系统各单元和运行参数是否正常，同时要及时查看历史报警记录，如果发现相关内容，就要分析该报警记录，及时消除隐患问题。2） 要定期检查空气过滤器，及时更换空气过滤网，并使用高压水冲洗空气过滤网，确保其能够正常运行，对于一些严重堵塞、无法清洗的过滤网则应当废弃。3） 要对制冷系统进行定期检测，其重点检测内容在制冷系统的运行压力和压缩机2个方面，制冷系统的运行压力应当根据外界环境的变化而灵活调整，压缩机的检测则要集中于工作声音和三相绕组平衡，从而判定其是否处于正常的运行状态。4） 要对排水系统进行检测，重点检测排水系统的温度，如果排水系统的温度不受控，则要检测制冷剂和风扇等的情况，考虑到安全因素，该步骤应当交由专业人员操作。

5 结语

综上所述，高精度恒温恒湿控制系统是确保实验室内具有高精度、高品质检测环境的关键，而为了使之达到节能控制的根本目标，则要应用自控技术，实现高精度控制和节能等目标。自控系统通过软硬件和网络等共同作用，将实现对恒温恒湿实验室最为优化的控制，确保实验室始终在理想状态下运行。同时，为了确保高精度恒温恒湿控制系统能够符合要求，在系统布置完成后，还需要对系统的各项参数进行检测和验收，在实验室的日常使用过程中，也需要加强对空调机组的定期维护，以实现高精度恒温恒湿实验室的长期应用。