【手术室温度】PLC在洁净手术室空调温湿度控制系统中的应用

在洁净手术室的温湿度控制系统中,温湿度控制是一种非线性、大滞后、时变的复杂过程。本文介绍了以S7-200PLC为主控制器,实现在不同工况下温湿度的PID控制。运行结果表明,该温湿度控制系统具有较高的抗干扰能力,可靠性高,运行稳定,温湿度控制精确,完全能满足洁净手术室应用要求。

在洁净手术室空调控制系统中,主要完成空气的热、湿交换处理过程,使其达到通风状态点以满足室内温、湿度要求。其控制对象——温度和相对湿度是两个相关联的参数,在调节温度的同时,相对湿度也会随之变化。

以往的仪表和DDC控制器往往根据需要,选择了温度优先或是湿度优先进行控制,使得温湿度控制的调节时间过长,控制精度低,难以实现温湿度同时控制。

本文结合洁净手术室的温湿度控制,介绍利用PLC强大的数字运算处理功能实现对洁净空调的温湿度控制,在组合式空调机组的功能段有选择性的对空气进行混合、降温、除湿、加温、加湿等处理,实现温湿度的最佳控制,此方案温湿度控制系统响应速度快、稳定性好,也可用于其它空调的温湿度控制中。

系统概述及硬件组成

洁净手术室温湿度控制主要由表冷、电加热、电加湿三个部分构成,并置于组合式空调机组中,夏季通过表冷器和挡水板析出冷凝水,对空气进行降温除湿处理,电加热对空气升温。冬季表冷器对空气进行升温处理,电加湿则用于增加空气的相对湿度,最终达到送风温度和湿度的控制要求。其结构如图1所示。

图1 组合式空调机组配置示意图

洁净手术室控制系统主要由PLC系统、温湿度传感器、表冷系统、电加热设备、电加湿设备和手术室控制面板等几个部分组成。系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

在该系统中,PLC控制器选用S7-200系列的CPU224以及扩展模拟量输入模块EM231和模拟量输出模块EM232,EM231为四模拟量输入模块,EM232为两模拟量输出模块。温湿度传感器选用SIEMENS公司QFM2160风管温湿度传感器,QFM2160传感器输出对应温湿度的0~10V标准电压信号,送至EM231的输入接口,同时送至OMCS-5000C进行显示。

模拟输出信号经EM232输出接口控制表冷阀、电加湿器和电加热器模块,分别进行阀门开度、加湿量和加热量的控制。手术室控制面板采用OMCS-5000C,表冷控制器选用SIEMENS公司SQX62执行器和VVF31二通阀进行控制,电加热选用STY-380D三相调压模块控制电阻丝的加热。

通过手术控制面板对温度和湿度进行设定,手术控制面板将温湿度设定值转换为0-10V电压信号,与EM231模块连接。CPU224用于实现逻辑控制和模拟运算,通过I/O口控制风机、电加湿和电加热的启停,通过模拟量输出控制表冷阀的开度、电加湿、电加热的工作,最终对室内温湿度进行控制。

系统软件设计

本控制系统主要包括风机控制、温度控制和湿度控制三个部分。洁净手术室温、湿度设定一般为t=21~27℃,φ=40%~65%。[[4]]根据北方气候情况,表冷器中在冬季供暖时为热水(水温一般大于45℃),其它季节为冷水(水温一般小于9℃)。按设定温湿度与环境温湿度之间的关系,将控制系统工作情况分为三种:

1) 环境温度>设定温度,环境相对湿度>设定相对湿度。新风与回风混合后,由表冷器降温除湿后,使得湿度等于设定湿度,电加热工作将温度提升至设定温度,然后送风到室内。工作过程如图3(a)所示。

2) 环境温度>设定温度,环境相对湿度<设定相对湿度。新风与回风混合后,由表冷器降温至设定温度,使得温度等于设定温度,电加湿工作将湿度提升至设定湿度,然后送风到室内。工作过程如图3(b)所示。

3) 环境温度<设定温度,环境相对湿度<设定相对湿度。新风与回风混合后,由表冷器升温至设定温度,使得温度等于设定温度,电加湿工作将湿度提升至设定湿度,然后送风到室内。工作过程如图3(b)所示。

图3 控制系统工作过程

系统在工作时, 首先启动风机运行。随后PLC通过温湿度传感器测量回风的温湿度并与设定值相比较,根据不同工况进行运算。PLC通过数字I/O口对风机、加热、加湿电源进行控制,通过模拟输出接口对阀门开度、电加热、电加湿进行相应控制。设置PLC定时中断0中断时间为250ms,在中断程序中完成PID运算。

在自动控制系统中,PID控制算法作为一个经典的控制算法得到了广泛的应用。S7-224提供了标准PID回路指令,使得PID算法的编程和实现变得非常容易。PID运算的输出结果,控制偏差e趋向零,使系统达到稳定状态。

S7-200CPU提供的PID回路指令(比例、积分、微分回路)基于公式执行PID计算。PID回路操作取决于存储在36个字节回路表中的9个参数。调整参数值的大小,可以很方便地改变温度和湿度偏差及偏差变化率,从而快速实现温湿度控制。

结语

利用PLC具有稳定性高、结构灵活等特点,实现室内温湿度的智能控制。在上述温湿度控制系统中,根据不同工况采取相对应的策略进行控制。该温湿度控制系统已在天津和山西地区4所医院投入运行,控制精度为:温度±0.5℃、相对湿度±3%以内。

运行结果表明,该温湿度控制系统具有较高的抗干扰能力,可靠性高,运行稳定,完全能满足洁净手术室对温度与湿度控制的应用要求。

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