空调过滤器专家：手术室洁净空调先进控制系统的设计与实现

洁净手术室作為(wèi)医院中控制要求最高的单位之一，其对温湿度有(yǒu)着恒定的控制要求。但由于手术室内的无影灯、普通照明灯等均会对温度和湿度产生影响，导致其很(hěn)难满足手术时温度和湿度需保持恒定的要求，故温、湿度指标是洁净手术室中最重要的控制指标。洁净手术室空调系统的温度与湿度控制效果对于手术有(yǒu)直接的影响，空调过滤器专家：手术室洁净空调先进控制系统的设计与实现介绍了一种基于西门予S7―200PLC和TD一400C的控制系统来实现洁净手术室对温湿度的控制。由于温湿度具有(yǒu)大滞后性，使用(yòng)传统PID调节方法难以得到满意效果，通过引入温度变化率来调整死區(qū)，改善了系统的控制效果，有(yǒu)效避免了过冲。经过实际运行，验证其在洁净手术室控制系统中的可(kě)行性。  
    l系统控制要求 

    1．1温度控制要求 

    通过设置在风管里的温湿度一體(tǐ)传感器检测回风温度，并将所测得的温度信号送到PLC的模拟输入端。PLC将测得的温度和通过手术室面板温度设定值比较并进行PID计算，将结果输出到相应模拟量输出，如冷冻／热水的電(diàn)动调节阀，通过控制其开度达到温度控制的目的。 

    1．2湿度控制要求 

    通过设置在风管里的温湿度一體(tǐ)传感器检测回风湿度，并将所测得的温度信号传送到PLC的模拟输入端。PLC将测得的湿度和通过手术室面板湿度设定值比较并进行PID计算，将结果输出到相应模拟量输出。在冬季模式里通过对加湿器電(diàn)动调节阀的开度调节达到湿度控制的目的。而在夏季模式里，湿度的控制并非通过对加湿器开度的单一控制，而是对水阀调节器和加热器的综合PID控制实现的。 

    1．3风道压力控制 

    按照工艺要求，风道内压力需保持一定值，以满足手术室医用(yòng)要求。系统通过变频器驱动送风机，事先将满足工艺要求时的变频器频率值作為(wèi)设定值，将设置在管道内的回风压力检测传感器测得的压力值作為(wèi)反馈值，通过PID计算控制变频器的输出频率，以达到风压控制要求。 

    1．4人机界面要求 

    按照现场工艺要求，在手术室内设有(yǒu)操作面板一块，可(kě)以设定温度，湿度并控制系统启停，同时面板上有(yǒu)实时温度和湿度显示功能(néng)；同样，在控制柜上安装了人机界面TD400C，通过TD400C也可(kě)设定温度湿度启停机组。出于调试系统的目的，在TD400C上设有(yǒu)强制模式，及人工设定回风温湿度，屏蔽报警信号。 

    TD400C的控制优先权高于手术室设定面板，可(kě)屏蔽来自手术室的设定信号。 

    1．5安全要求 

    该系统中故障信号有(yǒu)3种，分(fēn)别是送风机故障信号，缺风保护故障信号，中效压差信号。这3种信号都是為(wèi)了保障风道内的空气流通。报警要有(yǒu)声光显示，提醒工作人员采取措施。 

    2系统硬件及工艺简介 

    2．1硬件组成 

    整个系统硬件由检测元件，控制元件与执行元件组成。 

    通过设置在风道内的温湿度一體(tǐ)传感器来检测回风温湿度；通过设置在管风道内的压力传感器检测回风压力；通过设置在水管上的温度传感器来检测水温并以此判断工作模式；控制元件主要指S7―224PLC，TD400C及手术室控制面板；执行元件包括水管的電(diàn)动调节阀，加湿器调节阀和加热器调节阀等。 

    2．2工艺介绍 

    系统启动后若无缺风保护等报警信号，则开始通过安装在送水管上的传感器检测水温工作模式系统。工作模式分(fēn)為(wèi)冬夏两季。若送水管水温大于30℃则為(wèi)冬季模式，低于30℃则為(wèi)夏季模式。 

    在冬季模式里，若回风温度低于设定温度，则打开水阀执行器，流出更多(duō)的热水以提高温度；若回风湿度低于设定湿度，则打开加湿器开度，以提高湿度。冬季模式里若回风温度高于设定值，则减小(xiǎo)水阀执行器的输出开度；通常情况下冬季模式里回风湿度总是低于设定湿度的，故不考虑回风湿度高于设定湿度的可(kě)能(néng)。在夏季模式里，控制要求主要是除温除湿。该系统要求湿度优先调节。所谓湿度优先调节是指夏季湿度较高时候，控制器通过计算后调节送水管的开度(管内是7℃左右的冷冻水)达到降温除湿的目的，而由此造成的温度差则通过打开電(diàn)加热器来补偿。当回风湿度达到设定要求时，系统自动进入温度控制状态。 

    3系统软件设计 

    根据工艺要求和硬件配置，采用(yòng)西门子公司的STEP7MICRO／WIN32软件进行系统组态和TD400C人机界面设计。 

    软件设计主要包括温湿度控制，强制模式选择，工作模式选择和故障报警处理(lǐ)。 

    3．1模式选择 

    控制模式设置是指系统控制分(fēn)為(wèi)TD400C设置(手动)和手术室控制面板设置(自动)两种。在手动模式下又(yòu)有(yǒu)强制和非强制模式。在手动模式下可(kě)以屏蔽手术室面板的设定温、湿度及系统启停信号。出于调试系统的考虑，系统还设置了强制模式。在强制模式下，可(kě)以手动设定回风温度、回风湿度、回风压力等传感器信号，并可(kě)以手动复位各种故障报警信号。 

    3．2故障报警处理(lǐ) 

    按照设计要求，如果出现送风机故障信号，缺风保护故障信号，中效压差信号，将有(yǒu)声光显示，提醒工作人员采取措施。 

    3．3温湿度控制 

    软件设计的核心部分(fēn)是温湿度控制，采用(yòng)PID控制来调节温湿度。PID控制指的是闭环控制系统的比例积分(fēn)微分(fēn)控制。 

    PID是一种線(xiàn)性控制器，它根据给定值r(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差： 

    e(t)=r(t)一y(t) 

    将偏差比例(P)，积分(fēn)(I)和微分(fēn)(D)通过一定線(xiàn)性组合构成控制量u(t)对被控对象进行控制。它的控制规律為(wèi): 

式中：KP為(wèi)比例系数；TI為(wèi)积分(fēn)时间常数，TD為(wèi)微分(fēn)时间常数。 

    当控制量的目标值与检测值之间存在误差(或称為(wèi)控制偏差)时，误差小(xiǎo)，操作量就小(xiǎo)，误差越大，操作量就越大，故控制算法中含有(yǒu)偏差比例项，简称P动作。对具有(yǒu)自平衡性的控制对象施行比例控制，最后其步阶变化会留下一定的误差，称為(wèi)稳态误差或偏移。使控制算法中含有(yǒu)误差积分(fēn)比例项，可(kě)消除稳态误差，简称I动作。偏差的增减反映在操作量上，為(wèi)了改善控制特性，所以使控制算法中含有(yǒu)偏差微分(fēn)比例项，简称D动作，為(wèi)一种预先动作。包含以上三种动作的控制算法即為(wèi)PID控制。 

    式(1)也可(kě)以写成： 

 式中：KI=KP／TI為(wèi)积分(fēn)系数；KD=KP・TD為(wèi)微分(fēn)系数。 

    考虑到被控对象具有(yǒu)大滞后性，且PLC处理(lǐ)的是数字量，将式(2)离散化得： 

式中：θ代表采样周期，e(k)代表此刻的误差，e(k一1)代表上次采样周期的误差。如果θ足够小(xiǎo)，这种逼近可(kě)相当准确，被控过程与连续控制过程十分(fēn)接近。这种算法称為(wèi)位置式算法。位置式算法由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有(yǒu)关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因為(wèi)计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的。考虑到本系统控制对象均為(wèi)阀门，故采用(yòng)增量式PID控制算法為(wèi)宜。 

    将式(3)按递推原理(lǐ)推得： 

式(5)称為(wèi)增量式PID算法。 

    由于控制增量△u(k)的确定仅与最近k次的采样值有(yǒu)关，所以较容易通过加权处理(lǐ)而获得较好的控制效果。 

    根据现场控制要求，被控过程不能(néng)有(yǒu)过冲现象即超调出现。然而结合现场施工情况且温度、湿度具有(yǒu)大滞后特性，不可(kě)避免地具有(yǒu)超调。 

    温度控制质量的决定性环节在于温度的PID控制参数的整定调节，PID参数整定质量决定了温度控制质量。在实际应用(yòng)中，院方希望手术室的温度调节时间尽可(kě)能(néng)的快。然而温度的快速响应，会造成超调，并很(hěn)可(kě)能(néng)形成長(cháng)时间的温度震荡。温度调节速度和温度控制精度往往不可(kě)调和，如果在精度允许的前提下加快调节速度就意味着尽可(kě)能(néng)地减少震荡。通常的做法是在PID调节过程中引入死區(qū)来调节控制效果。然而，即使加了死區(qū)保护，但受制于现场条件，其效果不具备普遍性。 

    若设定Er為(wèi)温度误差值，Es為(wèi)温度设定值，Eb為(wèi)温度实际值，Et為(wèi)温度的死區(qū)，则： 

 这样带来的后果就是即使引入了死區(qū)，对PID调节效果的改善也是有(yǒu)限的。為(wèi)此，引入温度变化率，通过温度变化率的变化来人為(wèi)地改变死區(qū)，这样PID计算的误差值就会改变，调节速度也会随之改变。 

    设T1為(wèi)一分(fēn)钟之前的温度，T2為(wèi)此刻的温度，Tc為(wèi)温度的变化率，则Tc=T2一T1。通过Tc不仅能(néng)够判断温度的升降变化，亦能(néng)知道温度变化的快慢。 

    由此，利用(yòng)Tc和当前的温度实际误差Es一Eb来设定温度死區(qū)。 

    若Es―Eb>0即温度没有(yǒu)达到设定值，且Tc>1，则令Et=|Es―Eb|，即对温度PID调节来说，误差Er输入為(wèi)零，这时温度PID则停止调节，让温度自动上升，达到设定值。反之亦然。 

    4结语 

温度直接影响病人及医护人员的舒适程度，而当房间湿度大于60％时候，细菌繁殖的速度就会大大加快，从控制细菌滋生的角度出发，湿度控制也极為(wèi)重要。这就要求手术室内的空调系统能(néng)够根据特定的算法调节温湿度，并根据相应操作面板上的设定值快速响应实时控制要求。这里采用(yòng)基于西门子S7―224cnPLC和文(wén)本显示器TD400C构成控制系统。