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空調過濾器專家:手術室潔凈空調先進控制系統的設計與實現

時間:2020-03-12  來源:車間凈化工程|食品凈化車間|潔凈手術室|潔凈實驗室-濟南順奇凈化工程有限公司  瀏覽次數: 164 次
文章簡介:空調過濾器專家:手術室潔凈空調先進控制系統的設計與實現,潔凈手術室作為醫院中控制要求最高的單位之一,其對溫濕度有著恒定的控制要求。但由于手術室內的無影燈、普通照明燈等均會對溫度和濕度產生影響,導致其很難滿足手術時溫度和濕度需保持恒定的要求,故溫、濕度指標是潔凈手術室中最重要的控制指標。潔凈手術室空調系統的溫度與濕度控制效果對于手術有直接的影響,空調過濾器專家:手術室潔凈空調先進控制系統的設計與實現介紹了一種基于西門予S7―200PLC和TD一400C的控制系統來實現潔凈手術室對溫濕度的控制。由于溫濕度具有大滯后性,使用傳統PID調節方法難以得到滿意效果,通過引入溫度變化率來調整死區,改善了系統的控制效果,有效避免了過沖。經過實際運行,驗證其在潔凈手術室控制系統中的可行性。       l系統控制要求      1.1溫度控制要求      通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風溫度,并將所測得的溫度信號送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的溫度和通過手術室面板溫度設定值比較并進行PID計算,將結果輸出到相應模擬量輸出,如冷凍/熱水的電動調節閥,通過控制其開度達到溫度控制的目的。      1.2濕度控制要求      通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風濕度,并將所測得的溫度信號傳送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的濕度和通過手術室面板濕度設定值比較并進行PID計算,將結果輸出到相應模擬量輸出。在冬季模式里通過對加濕器電動調節閥的開度調節達到濕度控制的目的。而在夏季模式里,濕度的控制并非通過對加濕器開度的單一控制,而是對水閥調節器和加熱器的綜合PID控制實現的。      1.3風道壓力控制      按照工藝要求,風道內壓力需保持一定值,以滿足手術室醫用要求。系統通過變頻器驅動送風機,事先將滿足工藝要求時的變頻器頻率值作為設定值,將設置在管道內的回風壓力檢測傳感器測得的壓力值作為反饋值,通過PID計算控制變頻器的輸出頻率,以達到風壓控制要求。      1.4人機界面要求      按照現場工藝要求,在手術室內設有操作面板一塊,可以設定溫度,濕度并控制系統啟停,同時面板上有實時溫度和濕度顯示功能;同樣,在控制柜上安裝了人機界面TD400C,通過TD400C也可設定溫度濕度啟停機組。出于調試系統的目的,在TD400C上設有強制模式,及人工設定回風溫濕度,屏蔽報警信號。      TD400C的控制優先權高于手術室設定面板,可屏蔽來自手術室的設定信號。      1.5安全要求      該系統中故障信號有3種,分別是送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號。這3種信號都是為了保障風道內的空氣流通。報警要有聲光顯示,提醒工作人員采取措施。      2系統硬件及工藝簡介      2.1硬件組成      整個系統硬件由檢測元件,控制元件與執行元件組成。      通過設置在風道內的溫濕度一體傳感器來檢測回風溫濕度;通過設置在管風道內的壓力傳感器檢測回風壓力;通過設置在水管上的溫度傳感器來檢測水溫并以此判斷工作模式;控制元件主要指S7―224PLC,TD400C及手術室控制面板;執行元件包括水管的電動調節閥,加濕器調節閥和加熱器調節閥等。      2.2工藝介紹      系統啟動后若無缺風保護等報警信號,則開始通過安裝在送水管上的傳感器檢測水溫工作模式系統。工作模式分為冬夏兩季。若送水管水溫大于30℃則為冬季模式,低于30℃則為夏季模式。      在冬季模式里,若回風溫度低于設定溫度,則打開水閥執行器,流出更多的熱水以提高溫度;若回風濕度低于設定濕度,則打開加濕器開度,以提高濕度。冬季模式里若回風溫度高于設定值,則減小水閥執行器的輸出開度;通常情況下冬季模式里回風濕度總是低于設定濕度的,故不考慮回風濕度高于設定濕度的可能。在夏季模式里,控制要求主要是除溫除濕。該系統要求濕度優先調節。所謂濕度優先調節是指夏季濕度較高時候,控制器通過計算后調節送水管的開度(管內是7℃左右的冷凍水)達到降溫除濕的目的,而由此造成的溫度差則通過打開電加熱器來補償。當回風濕度達到設定要求時,系統自動進入溫度控制狀態。      3系統軟件設計      根據工藝要求和硬件配置,采用西門子公司的STEP7MICRO/WIN32軟件進行系統組態和TD400C人機界面設計。      軟件設計主要包括溫濕度控制,強制模式選擇,工作模式選擇和故障報警處理。      3.1模式選擇      控制模式設置是指系統控制分為TD400C設置(手動)和手術室控制面板設置(自動)兩種。在手動模式下又有強制和非強制模式。在手動模式下可以屏蔽手術室面板的設定溫、濕度及系統啟停信號。出于調試系統的考慮,系統還設置了強制模式。在強制模式下,可以手動設定回風溫度、回風濕度、回風壓力等傳感器信號,并可以手動復位各種故障報警信號。      3.2故障報警處理      按照設計要求,如果出現送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號,將有聲光顯示,提醒工作人員采取措施。      3.3溫濕度控制      軟件設計的核心部分是溫濕度控制,采用PID控制來調節溫濕度。PID控制指的是閉環控制系統的比例積分微分控制。      PID是一種線性控制器,它根據給定值r(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差:      e(t)=r(t)一y(t)      將偏差比例(P),積分(I)和微分(D)通過一定線性組合構成控制量u(t)對被控對象進行控制。它的控制規律為:  式中:KP為比例系數;TI為積分時間常數,TD為微分時間常數。      當控制量的目標值與檢測值之間存在誤差(或稱為控制偏差)時,誤差小,操作量就小,誤差越大,操作量就越大,故控制算法中含有偏差比例項,簡稱P動作。對具有自平衡性的控制對象施行比例控制,最后其步階變化會留下一定的誤差,稱為穩態誤差或偏移。使控制算法中含有誤差積分比例項,可消除穩態誤差,簡稱I動作。偏差的增減反映在操作量上,為了改善控制特性,所以使控制算法中含有偏差微分比例項,簡稱D動作,為一種預先動作。包含以上三種動作的控制算法即為PID控制。      式(1)也可以寫成:   式中:KI=KP/TI為積分系數;KD=KP?TD為微分系數。      考慮到被控對象具有大滯后性,且PLC處理的是數字量,將式(2)離散化得:  式中:θ代表采樣周期,e(k)代表此刻的誤差,e(k一1)代表上次采樣周期的誤差。如果θ足夠小,這種逼近可相當準確,被控過程與連續控制過程十分接近。這種算法稱為位置式算法。位置式算法由于全量輸出,所以每次輸出均與過去的狀態有關,計算時要對e(k)進行累加,計算機運算工作量大。而且,因為計算機輸出的u(k)對應的是執行機構的實際位置,如計算機出現故障,u(k)的大幅度變化,會引起執行機構位置的大幅度變化,這種情況往往是生產實踐中不允許的??紤]到本系統控制對象均為閥門,故采用增量式PID控制算法為宜。      將式(3)按遞推原理推得:  式(5)稱為增量式PID算法。      由于控制增量△u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關,所以較容易通過加權處理而獲得較好的控制效果。      根據現場控制要求,被控過程不能有過沖現象即超調出現。然而結合現場施工情況且溫度、濕度具有大滯后特性,不可避免地具有超調。      溫度控制質量的決定性環節在于溫度的PID控制參數的整定調節,PID參數整定質量決定了溫度控制質量。在實際應用中,院方希望手術室的溫度調節時間盡可能的快。然而溫度的快速響應,會造成超調,并很可能形成長時間的溫度震蕩。溫度調節速度和溫度控制精度往往不可調和,如果在精度允許的前提下加快調節速度就意味著盡可能地減少震蕩。通常的做法是在PID調節過程中引入死區來調節控制效果。然而,即使加了死區保護,但受制于現場條件,其效果不具備普遍性。      若設定Er為溫度誤差值,Es為溫度設定值,Eb為溫度實際值,Et為溫度的死區,則: 

潔凈手術室作為醫院中控制要求最高的單位之一,其對溫濕度有著恒定的控制要求。但由于手術室內的無影燈、普通照明燈等均會對溫度和濕度產生影響,導致其很難滿足手術時溫度和濕度需保持恒定的要求,故溫、濕度指標是潔凈手術室中最重要的控制指標。潔凈手術室空調系統的溫度與濕度控制效果對于手術有直接的影響,空調過濾器專家:手術室潔凈空調先進控制系統的設計與實現介紹了一種基于西門予S7―200PLC和TD一400C的控制系統來實現潔凈手術室對溫濕度的控制。由于溫濕度具有大滯后性,使用傳統PID調節方法難以得到滿意效果,通過引入溫度變化率來調整死區,改善了系統的控制效果,有效避免了過沖。經過實際運行,驗證其在潔凈手術室控制系統中的可行性。  
    l系統控制要求 

    1.1溫度控制要求 

    通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風溫度,并將所測得的溫度信號送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的溫度和通過手術室面板溫度設定值比較并進行PID計算,將結果輸出到相應模擬量輸出,如冷凍/熱水的電動調節閥,通過控制其開度達到溫度控制的目的。 

    1.2濕度控制要求 

    通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風濕度,并將所測得的溫度信號傳送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的濕度和通過手術室面板濕度設定值比較并進行PID計算,將結果輸出到相應模擬量輸出。在冬季模式里通過對加濕器電動調節閥的開度調節達到濕度控制的目的。而在夏季模式里,濕度的控制并非通過對加濕器開度的單一控制,而是對水閥調節器和加熱器的綜合PID控制實現的。 

    1.3風道壓力控制 

    按照工藝要求,風道內壓力需保持一定值,以滿足手術室醫用要求。系統通過變頻器驅動送風機,事先將滿足工藝要求時的變頻器頻率值作為設定值,將設置在管道內的回風壓力檢測傳感器測得的壓力值作為反饋值,通過PID計算控制變頻器的輸出頻率,以達到風壓控制要求。 

    1.4人機界面要求 

    按照現場工藝要求,在手術室內設有操作面板一塊,可以設定溫度,濕度并控制系統啟停,同時面板上有實時溫度和濕度顯示功能;同樣,在控制柜上安裝了人機界面TD400C,通過TD400C也可設定溫度濕度啟停機組。出于調試系統的目的,在TD400C上設有強制模式,及人工設定回風溫濕度,屏蔽報警信號。 

    TD400C的控制優先權高于手術室設定面板,可屏蔽來自手術室的設定信號。 

    1.5安全要求 

    該系統中故障信號有3種,分別是送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號。這3種信號都是為了保障風道內的空氣流通。報警要有聲光顯示,提醒工作人員采取措施。 

    2系統硬件及工藝簡介 

    2.1硬件組成 

    整個系統硬件由檢測元件,控制元件與執行元件組成。 

    通過設置在風道內的溫濕度一體傳感器來檢測回風溫濕度;通過設置在管風道內的壓力傳感器檢測回風壓力;通過設置在水管上的溫度傳感器來檢測水溫并以此判斷工作模式;控制元件主要指S7―224PLC,TD400C及手術室控制面板;執行元件包括水管的電動調節閥,加濕器調節閥和加熱器調節閥等。 

    2.2工藝介紹 

    系統啟動后若無缺風保護等報警信號,則開始通過安裝在送水管上的傳感器檢測水溫工作模式系統。工作模式分為冬夏兩季。若送水管水溫大于30℃則為冬季模式,低于30℃則為夏季模式。 

    在冬季模式里,若回風溫度低于設定溫度,則打開水閥執行器,流出更多的熱水以提高溫度;若回風濕度低于設定濕度,則打開加濕器開度,以提高濕度。冬季模式里若回風溫度高于設定值,則減小水閥執行器的輸出開度;通常情況下冬季模式里回風濕度總是低于設定濕度的,故不考慮回風濕度高于設定濕度的可能。在夏季模式里,控制要求主要是除溫除濕。該系統要求濕度優先調節。所謂濕度優先調節是指夏季濕度較高時候,控制器通過計算后調節送水管的開度(管內是7℃左右的冷凍水)達到降溫除濕的目的,而由此造成的溫度差則通過打開電加熱器來補償。當回風濕度達到設定要求時,系統自動進入溫度控制狀態。 

    3系統軟件設計 

    根據工藝要求和硬件配置,采用西門子公司的STEP7MICRO/WIN32軟件進行系統組態和TD400C人機界面設計。 

    軟件設計主要包括溫濕度控制,強制模式選擇,工作模式選擇和故障報警處理。 

    3.1模式選擇 

    控制模式設置是指系統控制分為TD400C設置(手動)和手術室控制面板設置(自動)兩種。在手動模式下又有強制和非強制模式。在手動模式下可以屏蔽手術室面板的設定溫、濕度及系統啟停信號。出于調試系統的考慮,系統還設置了強制模式。在強制模式下,可以手動設定回風溫度、回風濕度、回風壓力等傳感器信號,并可以手動復位各種故障報警信號。 

    3.2故障報警處理 

    按照設計要求,如果出現送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號,將有聲光顯示,提醒工作人員采取措施。 

    3.3溫濕度控制 

    軟件設計的核心部分是溫濕度控制,采用PID控制來調節溫濕度。PID控制指的是閉環控制系統的比例積分微分控制。 

    PID是一種線性控制器,它根據給定值r(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差: 

    e(t)=r(t)一y(t) 

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    將偏差比例(P),積分(I)和微分(D)通過一定線性組合構成控制量u(t)對被控對象進行控制。它的控制規律為: 

式中:KP為比例系數;TI為積分時間常數,TD為微分時間常數。 

    當控制量的目標值與檢測值之間存在誤差(或稱為控制偏差)時,誤差小,操作量就小,誤差越大,操作量就越大,故控制算法中含有偏差比例項,簡稱P動作。對具有自平衡性的控制對象施行比例控制,最后其步階變化會留下一定的誤差,稱為穩態誤差或偏移。使控制算法中含有誤差積分比例項,可消除穩態誤差,簡稱I動作。偏差的增減反映在操作量上,為了改善控制特性,所以使控制算法中含有偏差微分比例項,簡稱D動作,為一種預先動作。包含以上三種動作的控制算法即為PID控制。 

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    式(1)也可以寫成: 

 式中:KI=KP/TI為積分系數;KD=KP?TD為微分系數。 

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    考慮到被控對象具有大滯后性,且PLC處理的是數字量,將式(2)離散化得: 

式中:θ代表采樣周期,e(k)代表此刻的誤差,e(k一1)代表上次采樣周期的誤差。如果θ足夠小,這種逼近可相當準確,被控過程與連續控制過程十分接近。這種算法稱為位置式算法。位置式算法由于全量輸出,所以每次輸出均與過去的狀態有關,計算時要對e(k)進行累加,計算機運算工作量大。而且,因為計算機輸出的u(k)對應的是執行機構的實際位置,如計算機出現故障,u(k)的大幅度變化,會引起執行機構位置的大幅度變化,這種情況往往是生產實踐中不允許的??紤]到本系統控制對象均為閥門,故采用增量式PID控制算法為宜。 

空調過濾器專家:手術室潔凈空調先進控制系統的設計與實現

    將式(3)按遞推原理推得: 

式(5)稱為增量式PID算法。 

    由于控制增量△u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關,所以較容易通過加權處理而獲得較好的控制效果。 

    根據現場控制要求,被控過程不能有過沖現象即超調出現。然而結合現場施工情況且溫度、濕度具有大滯后特性,不可避免地具有超調。 

    溫度控制質量的決定性環節在于溫度的PID控制參數的整定調節,PID參數整定質量決定了溫度控制質量。在實際應用中,院方希望手術室的溫度調節時間盡可能的快。然而溫度的快速響應,會造成超調,并很可能形成長時間的溫度震蕩。溫度調節速度和溫度控制精度往往不可調和,如果在精度允許的前提下加快調節速度就意味著盡可能地減少震蕩。通常的做法是在PID調節過程中引入死區來調節控制效果。然而,即使加了死區保護,但受制于現場條件,其效果不具備普遍性。 

    若設定Er為溫度誤差值,Es為溫度設定值,Eb為溫度實際值,Et為溫度的死區,則: 

空調過濾器專家:手術室潔凈空調先進控制系統的設計與實現

 這樣帶來的后果就是即使引入了死區,對PID調節效果的改善也是有限的。為此,引入溫度變化率,通過溫度變化率的變化來人為地改變死區,這樣PID計算的誤差值就會改變,調節速度也會隨之改變。 

    設T1為一分鐘之前的溫度,T2為此刻的溫度,Tc為溫度的變化率,則Tc=T2一T1。通過Tc不僅能夠判斷溫度的升降變化,亦能知道溫度變化的快慢。 

    由此,利用Tc和當前的溫度實際誤差Es一Eb來設定溫度死區。 

    若Es―Eb>0即溫度沒有達到設定值,且Tc>1,則令Et=|Es―Eb|,即對溫度PID調節來說,誤差Er輸入為零,這時溫度PID則停止調節,讓溫度自動上升,達到設定值。反之亦然。 

    4結語 

溫度直接影響病人及醫護人員的舒適程度,而當房間濕度大于60%時候,細菌繁殖的速度就會大大加快,從控制細菌滋生的角度出發,濕度控制也極為重要。這就要求手術室內的空調系統能夠根據特定的算法調節溫濕度,并根據相應操作面板上的設定值快速響應實時控制要求。這里采用基于西門子S7―224cnPLC和文本顯示器TD400C構成控制系統。?

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