一种厂房自适应温湿度控制系统和方法

技术领域

本发明属于厂房空调系统技术领域，具体涉及一种厂房自适应温湿度控制系统和方法。

背景技术

在一些对环境具有较高要求的厂房中(如洁净医药厂房的灌装、孵室、烘房等)最重要的环境条件之一就是温湿度环境。温湿度环境为生产过程提供了严格的保障，保证符合国际国内的法规和强制标准。洁净医药厂房通常制冷制热源设备有：冷水机组(冰机)、热水锅炉、空调系统(MAU、AHU、PAU、RCU)和其他设备。

这些设备根据不同的使用场景和要求进行组合选型，达到工艺所要求的温湿度环境。其中空调系统最为关键，控制效果直接影响车间温湿度环境。空调系统需要实现自动化控制，根据室内或者管路上的温度、湿度、压力或风量，实现水阀开关调节、风阀开关调节、风机启停频率调节等，实现冷热源的传输、调节。

自适应需要根据环境和要求实现自动控制，在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的，指的是在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预设的逻辑或算法(PID)运行。自适应自控系统分类及运用方向很多，几乎覆盖了所有行业。对洁净医药厂房来说，最主要的目的是：让分散于制冷(热)各处的设备达到统一管理、合理调度、和节能的目的。具有自动化、安全化、智能化的特点，实现厂房温湿度自适应。

现有的厂房温湿度控制系统设计的目的在于自动获取空调系统中冷热源传输设备的状态，并自动采集现场温湿度数据，通过控制系统的温湿度参数比较运算，对冷热源传输设备进行自动化控制。同时在软件上记录数据，以图形化的方式展示冷热源设备的工艺流程以及位置关系，并提供历史记录和历史趋势予以追溯。

然而，温湿度受到季节变化、环境变化、室内设备冷热源干扰，还有人的因素，温湿度精准控制较难。空调系统虽然有温湿度自动控制策略，但往往是单PID控制，而且温湿度检测点选取很难适配不同类型空调，导致温湿度控制很难实现高精度高响应的效果。这对于具有高精度高稳定性温湿度控制需求的制药企业，通常需要时常进行人工干预，很容易生成质量偏差。

因此，本领域亟需对空调系统的设置方式和PID控制的方法进行改进，以进一步提高系统控制温湿度的精度和稳定性，并进一步达到更加节能和系统高效运行的目的。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供一种厂房自适应温湿度控制系统和方法，目的在于通过对系统的改进，提高系统控制温湿度的精度和稳定性。

一种厂房自适应温湿度控制系统，包括空调系统，所述空调系统通过送风管路和回风管路与厂房连接，所述空调系统包括预表冷盘管、表冷盘管、加热盘管和蒸汽加湿装置；

所述送风管路上连接有第一湿度检测装置和第一温度检测装置，所述回风管路上设置有第二温度检测装置，所述预表冷盘管后端设置有第二湿度检测装置；

还包括温湿度控制系统，所述第一湿度检测装置和第二湿度检测装置分别与温湿度控制系统的输入端连接，所述第一温度检测装置和第二温度检测装置分别与温湿度控制系统的输入端连接；

所述预表冷盘管包括预表冷水阀，所述表冷盘管包括表冷水阀，所述加热盘管包括热水加热阀，所述蒸汽加湿装置包括蒸汽加湿阀，所述预表冷水阀、表冷水阀、热水加热阀和蒸汽加湿阀分别与温湿度控制系统的输出端连接。

优选的，所述温湿度控制系统包括湿度控制PID，所述湿度控制PID包括送风含湿量PID和预表冷盘管后含湿量PID，所述湿度控制PID被配置为：

将第一湿度检测装置检测得到的送风含湿量测定值作为PV，送风含湿量设定值作为SP，获得送风含湿量PID的MV；

将送风含湿量PID的MV作为SP，第二湿度检测装置检测得到的预表冷盘管后含湿量测定值作为PV，获得预表冷盘管后含湿量PID的MV；

利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对预表冷水阀和/或蒸汽加湿阀的开度进行连续调节。

优选的，当预表冷水阀全开，含湿量依然不满足需求时，继续利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对表冷水阀的开度进行连续调节，直到含湿量满足需求。

优选的，所述温湿度控制系统包括温度控制PID，所述温度控制PID包括回风温度PID和送风温度PID，所述温度控制PID被配置为：

将第二温度检测装置检测得到的回风温度测量值作为PV，回风温度设定值作为SP，获得回风温度PID的MV；

将回风温度PID的MV作为SP，第一温度检测装置检测得到的送风温度测量值作为PV，获得送风温度PID的MV；

利用所述送风温度PID的MV对表冷水阀和/或热水加热阀的开度进行连续调节。

优选的，所述湿度控制PID对所述表冷水阀进行调节时，所述温度控制PID停止对表冷水阀的调节。

本发明还提供应用上述厂房自适应温湿度控制系统进行温湿度控制的方法，包括：

温湿度控制系统利用第一湿度检测装置和第二湿度检测装置的检测结果对所述预表冷水阀、表冷水阀和蒸汽加湿阀中的至少一个进行调节；

温湿度控制系统利用第一温度检测装置和第二温度检测装置的检测结果对表冷水阀和热水加热阀中的至少一个进行调节。

本发明还提供一种厂房自适应湿度控制系统，包括空调系统，所述空调系统通过送风管路和回风管路与厂房连接，所述空调系统包括预表冷盘管、表冷盘管、加热盘管和蒸汽加湿装置；

所述送风管路上连接有第一湿度检测装置，所述预表冷盘管后端设置有第二湿度检测装置；

还包括湿度控制系统，所述第一湿度检测装置和第二湿度检测装置分别与温湿度控制系统的输入端连接；

所述预表冷盘管包括预表冷水阀，所述表冷盘管包括表冷水阀，所述蒸汽加湿装置包括蒸汽加湿阀，所述预表冷水阀、表冷水阀和蒸汽加湿阀分别与温湿度控制系统的输出端连接。

优选的，所述湿度控制系统包括湿度控制PID，所述湿度控制PID包括送风含湿量PID和预表冷盘管后含湿量PID，所述湿度控制PID被配置为：

将第一湿度检测装置检测得到的送风含湿量测定值作为PV，送风含湿量设定值作为SP，获得送风含湿量PID的MV；

将送风含湿量PID的MV作为SP，第二湿度检测装置检测得到的预表冷盘管后含湿量测定值作为PV，获得预表冷盘管后含湿量PID的MV；

利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对所述预表冷水阀、表冷水阀和蒸汽加湿阀中的至少一个的开度进行连续调节。

本发明还提供应用上述厂房自适应湿度控制系统进行湿度控制的方法，包括：

湿度控制系统利用第一湿度检测装置和第二湿度检测装置的检测结果对所述预表冷水阀、表冷水阀和蒸汽加湿阀中的至少一个进行调节。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有：用于实现上述厂房自适应温湿度控制系统，或上述温湿度控制的方法，或上述厂房自适应湿度控制系统，或上述湿度控制的方法的计算机程序。

本发明中，所述“PID”是指按被控对象的实时数据采集的信息与给定值比较产生的误差的比例、积分和微分进行控制的控制系统，简称PID(Proportional IntegralDerivative)控制系统。所述“PV”是指Process value(指的是当前的过程测量值)，所述“SP”是指set point(指的是PID控制的设定值)，所述“MV”是指Manipulated Variable(操纵变量，通常是PID的输出值)。

本发明对需要精确控制温湿度的厂房(例如洁净医药厂房)中的空调系统进行了改进，将预表冷盘管、表冷盘管、热水盘管、蒸汽加湿盘管等加热制冷设备统一纳入温湿度控制策略中，采用串级双PID温度+串级双PID湿度并行控制的方式，实现对洁净厂房的温湿度环境控制。本发明的控制系统和方法控制精度高、稳定性好，进而使得系统能够更加节能、高效地运行，具有很好的应用前景。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1为本发明湿度控制PID的流程示意图；

图2为本发明温度控制PID的流程示意图；

图3为本发明实验例1中第一种常规控制策略下的房间温度趋势；

图4为本发明实验例1中第一种常规控制策略下的房间湿度趋势；

图5为本发明实验例1中第二种常规控制策略下的房间温度趋势；

图6为本发明实验例1中第二种常规控制策略下的房间湿度趋势；

图7为本发明实验例1中实施例2的控制策略下的房间温度趋势；

图8为本发明实验例1中实施例2的控制策略下的房间湿度趋势。

具体实施方式

需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。

实施例1湿度控制系统及控制方法

本实施例的厂房自适应湿度控制系统包括空调系统，所述空调系统通过送风管路和回风管路与厂房连接。

所述空调系统包括预表冷盘管、表冷盘管、加热盘管和蒸汽加湿装置。本实施例中涉及的预表冷盘管、表冷盘管、加热盘管和蒸汽加湿装置均为现有的加热、制冷、除湿或加湿装置。

空调系统从进风侧到出风侧，依次分段为新风段，预表冷盘管段、新回风混合段、表冷盘管段、加热盘管段、送风机段、蒸汽加湿装置段。

所述温湿度控制系统包括温度控制PID和湿度控制PID，所述湿度控制PID包括送风含湿量PID和预表冷盘管后含湿量PID，所述湿度控制PID被配置为：

将第一湿度检测装置检测得到的送风含湿量测定值作为PV，送风含湿量设定值作为SP，获得送风含湿量PID的MV；

将送风含湿量PID的MV作为SP，第二湿度检测装置检测得到的预表冷盘管后含湿量测定值作为PV，获得预表冷盘管后含湿量PID的MV；

利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对预表冷水阀和/或蒸汽加湿阀的开度进行连续调节。

所述送风管路上连接有第一湿度检测装置，所述预表冷盘管后端设置有第二湿度检测装置；

还包括湿度控制系统，所述第一湿度检测装置和第二湿度检测装置分别与温湿度控制系统的输入端连接；

所述预表冷盘管包括预表冷水阀，所述表冷盘管包括表冷水阀，所述蒸汽加湿装置包括蒸汽加湿阀，所述预表冷水阀、表冷水阀和蒸汽加湿阀分别与温湿度控制系统的输出端连接。

湿度控制系统包括湿度控制PID，所述湿度控制PID包括送风含湿量PID和预表冷盘管后含湿量PID，所述湿度控制PID如图1所示，被配置为：

将第一湿度检测装置检测得到的送风含湿量测定值作为PV，送风含湿量设定值作为SP，获得送风含湿量PID的MV；

将送风含湿量PID的MV作为SP，第二湿度检测装置检测得到的预表冷盘管后含湿量测定值作为PV，获得预表冷盘管后含湿量PID的MV；

利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对所述预表冷水阀和蒸汽加湿阀的开度进行连续调节。当预表冷水阀全开，含湿量依然不满足需求时，继续利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对表冷水阀的开度进行连续调节，直到含湿量满足需求。

利用上述系统进行湿度调节的方法为：

湿度控制系统利用第一湿度检测装置和第二湿度检测装置的检测结果对所述预表冷水阀、表冷水阀和蒸汽加湿阀中的至少一个进行调节。

实施例2温湿度控制系统及控制方法

本实施例的厂房自适应温湿度控制系统，包括空调系统，所述空调系统通过送风管路和回风管路与厂房连接。

所述空调系统包括预表冷盘管、表冷盘管、加热盘管和蒸汽加湿装置。本实施例中涉及的预表冷盘管、表冷盘管、加热盘管和蒸汽加湿装置均为现有的加热、制冷、除湿或加湿装置。

空调系统从进风侧到出风侧，依次分段为新风段，预表冷盘管段、新回风混合段、表冷盘管段、加热盘管段、送风机段、蒸汽加湿装置段。

所述送风管路上连接有第一湿度检测装置和第一温度检测装置，所述回风管路上设置有第二温度检测装置，所述预表冷盘管后端设置有第二湿度检测装置。

还包括温湿度控制系统，所述第一湿度检测装置和第二湿度检测装置分别与温湿度控制系统的输入端连接，所述第一温度检测装置和第二温度检测装置分别与温湿度控制系统的输入端连接；所述预表冷盘管包括预表冷水阀，所述表冷盘管包括表冷水阀，所述加热盘管包括热水加热阀，所述蒸汽加湿装置包括蒸汽加湿阀，所述预表冷水阀、表冷水阀、热水加热阀和蒸汽加湿阀分别与温湿度控制系统的输出端连接。

所述温湿度控制系统包括湿度控制PID和温度控制PID。

所述湿度控制PID如图1所示，包括送风含湿量PID和预表冷盘管后含湿量PID，所述湿度控制PID被配置为：

将第一湿度检测装置检测得到的送风含湿量测定值作为PV，送风含湿量设定值作为SP，获得送风含湿量PID的MV；

将送风含湿量PID的MV作为SP，第二湿度检测装置检测得到的预表冷盘管后含湿量测定值作为PV，获得预表冷盘管后含湿量PID的MV；

利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对预表冷水阀和蒸汽加湿阀的开度进行连续调节。

当预表冷水阀全开，含湿量依然不满足需求时，继续利用所述预表冷盘管后含湿量PID的MV对表冷水阀的开度进行连续调节，直到含湿量满足需求。

所述温度控制PID如图2所示，包括回风温度PID和送风温度PID，所述温度控制PID被配置为：

将第二温度检测装置检测得到的回风温度测量值作为PV，回风温度设定值作为SP，获得回风温度PID的MV；

将回风温度PID的MV作为SP，第一温度检测装置检测得到的送风温度测量值作为PV，获得送风温度PID的MV；

利用所述送风温度PID的MV对表冷水阀和/或热水加热阀的开度进行连续调节。当所述湿度控制PID对所述表冷水阀进行调节时，所述温度控制PID停止对表冷水阀的调节。

利用上述系统进行温湿度调节的方法为：

温湿度控制系统利用第一湿度检测装置和第二湿度检测装置的检测结果对所述预表冷水阀、表冷水阀和蒸汽加湿阀中的至少一个进行调节；

温湿度控制系统利用第一温度检测装置和第二温度检测装置的检测结果对表冷水阀和热水加热阀中的至少一个进行调节。

下面通过实验对本发明的技术方案做进一步说明。

实验例1不同温湿度控制方法的效果比较

一、实验方法

众所周知，温湿度控制是每个厂房空调系统的重中之重，所以各家的控制策略五花八门，温度和湿度的选点也是各不相同。

为了验证本发明在控制精度、稳定性、实用性等方面的优越性，本实验例选取了目前行业内常规的2种温湿度控制策略，与本发明实施例2进行对比实验。

第一种常规控制策略：选取回风温度和回风湿度分别作为温度PID和湿度PID的检测点，进行单PID控制。空调系统的其他未说明的硬件设置与实施例2相同。

第二种常规控制策略：选取送风温湿度和回风温湿度分别作为温度PID和湿度PID的检测点，进行串级PID控制。

三种控制方法具体的对比表格如下：

本实验通过在3种方法的空调系统控制的房间内安装温湿度传感器检测最终生产区域的温湿度环境控制效果，通过长达1个月的持续运行和观察，获得3种控制策略下厂房内的温湿度趋势图。

二、实验结果

第一种控制策略的结果如图3、4所示，因为只有回风温湿度，导致存在较大的滞后性，所以温度控制和湿度控制都有较大波动，甚至在室外天气变化大导致室外新风温湿度波动时，出现超限报警情况，无法达到自适应温湿度控制的要求。

第二种控制策略的结果如图5、6所示，因为加入了串级PID控制，通过送风温湿度的加入，较好的降低了单PID带来的滞后性。但还是存在波动情况，虽然没有出现第一种温湿度不可控的问题，但精度和稳定性还是无法完全满足洁净厂房的高要求。

本发明实施例2的控制策略的结果如图7、8所示，可以明显看出优于第一种和第二种，不仅能实现温湿度可控不超标报警的基本要求，而且波动很小，不会出现来回震荡，同时会根据室外温湿度变化情况自适应调节，达到了洁净厂房的高精度、高稳定性的需求。此外，本发明实施例2的温度控制策略与第二种控制策略相似，然而本发明实施例2的温度控制精度和稳定性却显著优于第二种控制策略。这表明，本发明的温湿度控制方法相互结合后，湿度控制的高精度、高稳定性的特点也有利于温度控制的精度和稳定性的提升。

通过上述实施例和实验例可以看到，发明对厂房中的空调系统进行了改进，通过调整温湿度检测位置，改进串级双PID的控制方法，实现了温湿度的高精度、高稳定性的控制，进而使得系统能够更加节能、高效地运行，具有很好的应用前景。