邱振彬,嚴 惠,鄧小龍

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院, 江蘇 無錫 214153)

醫(yī)藥行業(yè)的凈化工程事關(guān)醫(yī)藥產(chǎn)品質(zhì)量并與從業(yè)人員的安全息息相關(guān),《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》(good manufacturing practices,GMP)對凈化空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計做出了詳細規(guī)定[1-4].針劑生產(chǎn)線系統(tǒng)需通過GMP認證方可具備市場準入條件,使針劑生產(chǎn)的恒溫、恒濕環(huán)境得到保證.新版GMP對潔凈度提出了更高要求,通過增加換氣次數(shù)提高系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)監(jiān)視實時性[5].新風效應(yīng)是空調(diào)系統(tǒng)控制室的常用措施,主要采用合適的新風量與空氣過濾及吸附,目前尚無其他可替代手段[6].為確保生產(chǎn)環(huán)境達到GMP要求,必須配有凈化空調(diào)系統(tǒng)[7-8].通過空調(diào)凈化智能調(diào)控系統(tǒng)對環(huán)境實時監(jiān)控并作出快速處理與報警,提高醫(yī)藥生產(chǎn)系統(tǒng)的診斷實時性[9].

1 設(shè)計目標及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計針劑生產(chǎn)環(huán)境中央空調(diào)智能調(diào)控系統(tǒng)有空調(diào)機組6套,配有新風系統(tǒng)、排風系統(tǒng),潔凈區(qū)域溫度控制在夏季(23±1) ℃、冬季(21±1) ℃,濕度控制在夏季(55±5)%,冬季(50±5)%.設(shè)計智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件、硬件,在上位機集中顯示所有設(shè)備的運行狀況、故障狀態(tài)、參數(shù)監(jiān)控等信息.主要設(shè)備(包括主機、水泵、送風機、排風機、閥門等)都實現(xiàn)遠程控制.結(jié)合監(jiān)控信息與工作時序,實現(xiàn)各區(qū)域空調(diào)控制范圍內(nèi)的設(shè)備協(xié)調(diào)節(jié)能運行.

中央空調(diào)調(diào)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用離散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖1所示,包括：

圖1 中央空調(diào)調(diào)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

1) 中心管理層由監(jiān)測、統(tǒng)計、分析、報表、能量管理系統(tǒng)(EMS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、遠程操作控制等組成,設(shè)置2套操作員站,含BMS上位機、EMS上位機、液晶顯示屏、彩色激光打印機和UPS電源,通過EMS實現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)部能量控制,維持微電網(wǎng)功率平衡,保證微電網(wǎng)正常運行,同時根據(jù)負荷變化系統(tǒng)輸出冷量自動變化,從而達到節(jié)能目的;

2) 控制層采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進行傳輸,執(zhí)行管理層發(fā)出的相關(guān)命令,采用西門子S7-1500PLC+ET200M分布式系統(tǒng);

3) 智能設(shè)備層檢測系統(tǒng)溫度、壓力、流量、壓差、大氣參數(shù)、功耗等參數(shù),并執(zhí)行區(qū)域控制層指令,調(diào)節(jié)系統(tǒng)各相關(guān)運行參數(shù).

2 中央空調(diào)系統(tǒng)智能控制設(shè)計

2.1 不同工作模式下的控制

空調(diào)系統(tǒng)回風溫度控制在設(shè)定值±1 ℃范圍內(nèi),可通過溫度設(shè)定界面設(shè)置.主要通過冷凍水(夏季)和蒸汽(冬季)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)實現(xiàn)房間溫度的控制,中央空調(diào)系統(tǒng)具有正常工作、消毒、消毒全排風、值班四種模式.

2.1.1 正常工作溫濕度控制

在正常工作模式下,空調(diào)系統(tǒng)正常運行,房間的溫濕度保持在生產(chǎn)工藝要求的設(shè)定值.如圖2所示,系統(tǒng)啟動之前判斷機組配電柜是否切換到遠程控制,如果未連接則手動切換到遠程控制;檢查上位機監(jiān)控系統(tǒng)是否連接,確認通訊正常后設(shè)定系統(tǒng)參數(shù);就緒后啟動系統(tǒng)工作.

圖2 正常工作溫濕度控制流程

2.1.2 消毒模式控制

根據(jù)新版GMP規(guī)定生產(chǎn)廠房應(yīng)當按照操作規(guī)程進行必要的消毒.本系統(tǒng)采用臭氧消毒,系統(tǒng)的消毒模式工作流程如圖3所示.系統(tǒng)啟動前的準備工作與正常工作流程一致,啟動消毒模式工作后,檢查消毒設(shè)置時間,關(guān)閉加濕閥,若回風閥未打開則自動打開,設(shè)定變頻器頻率為消毒頻率,打開新風閥,關(guān)閉排風機;開啟臭氧發(fā)生器,若消毒時間到,則關(guān)閉臭氧發(fā)生器,切換到消毒排風模式.

圖3 消毒模式控制流程

2.1.3 消毒全排風模式控制

為了消散消毒后室內(nèi)殘留的消毒劑,系統(tǒng)要進行消毒排風.消毒全排風模式如圖4所示.系統(tǒng)準備狀態(tài)就緒后,啟動全排風模式,設(shè)定全排風時間,關(guān)閉加濕閥、回風閥、設(shè)定全排風頻率、新風閥按照指定開度打開、打開排風閥;排風時間達到設(shè)定值后,切換到正常工作模式.

圖4 消毒全排風模式控制流程

2.1.4 值班模式控制

針劑藥品生產(chǎn)的空氣凈化系統(tǒng)在非生產(chǎn)時段可適當放寬溫濕度的控制范圍,以減少非生產(chǎn)時段空調(diào)系統(tǒng)運行帶來的能耗浪費,即為值班運行模式.如圖5所示,啟動值班模式、檢查值班模式設(shè)定時間后,打開回風閥、變頻器調(diào)節(jié)至值班頻率、打開新風閥、排風閥、判斷溫濕度是否達到設(shè)定值,若未達到則啟動加濕、PID調(diào)節(jié)溫度;值班模式時間結(jié)束則進入正常工作模式.

通過變頻控制不同工作模式,如在值班模式下風機頻率降低50%,整個系統(tǒng)處于低能耗狀態(tài),可達到節(jié)能的效果.

圖5 值班模式控制流程

2.2 系統(tǒng)溫濕度的模糊PID控制設(shè)計

針劑的生產(chǎn)工藝對環(huán)境溫濕度有嚴格要求,因此,溫濕度控制成為空調(diào)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵一環(huán).目前工程上使用得較多的是PID控制方法,PID控制雖然有不錯的適應(yīng)性,但其參數(shù)難以整定的問題比較突出,對系統(tǒng)模型和工程人員經(jīng)驗的依賴性比較大;尤其是對于中央空調(diào)系統(tǒng)這一滯后、時變、非線性系統(tǒng),常規(guī)的PID控制往往難以實現(xiàn)高效、節(jié)能的預(yù)期目標.針對溫濕度控制時變、非線性的特點,本文利用模糊控制不依賴對象模型的特性[10],結(jié)合常規(guī)PID控制方法,設(shè)計一種模糊PID控制器,自動調(diào)整控制器參數(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制.

2.2.1 模糊PID控制原理

針對系統(tǒng)的溫濕度控制,設(shè)計一個2輸入3輸出的二維模糊PID控制器,以系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度與傳感器實際測量的溫濕度的偏差e及偏差e的變化率ec作為控制器的輸入,以PID控制器的參數(shù)kp、ki、kd的修正值Δkp、Δki、Δkd作為控制器的輸出,如圖6所示.經(jīng)模糊運算修正后,PID控制器的參數(shù)為：kp′=kp+Δkp,ki′=ki+Δki,kd′=kd+Δkd,其中kp、ki、kd為控制器的預(yù)整定值.經(jīng)系統(tǒng)試運行,kp、ki、kd的值分別為1、0.05、0.

圖6 模糊PID控制原理圖

2.2.2 輸入、輸出變量的模糊集合

在進行溫度控制時,將溫度的偏差e及偏差e的變化率ec的模糊論域設(shè)置為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},分別對應(yīng)模糊集合E和EC,每個集合用{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}7個子集來描述,分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大.集合E對應(yīng)的實際含義分別為：溫度高、較高、略高、相等、略低、較低、低;集合EC對應(yīng)的實際含義分別為：溫度上升快、較快、略有上升、不變、略有下降、下降較快、快.同樣,輸出Δkp、Δki、Δkd的論域也設(shè)置為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},對應(yīng)的模糊集合KP、KI、KD也用{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}7個子集來描述.隸屬度函數(shù)均采用較容易實現(xiàn)的三角型隸屬度函數(shù),如圖7所示.濕度的變化與控制方式與溫度相似,也采用同樣的處理方法.

圖7 三角型隸屬度函數(shù)

2.2.3 模糊控制規(guī)則

在PID控制中,比例對系統(tǒng)的偏差進行調(diào)節(jié),積分主要用來消除穩(wěn)態(tài)誤差,微分則是對偏差的變化趨勢實現(xiàn)超前調(diào)節(jié),改善動態(tài)特性.因此,當溫度偏差e較大時,應(yīng)加大比例的調(diào)節(jié)作用,減小微分的調(diào)節(jié)作用;偏差e較小時,要增加積分的調(diào)節(jié)作用,以減少超調(diào)和震蕩;當偏差e及其變化率ec較大時,則應(yīng)增加微分調(diào)節(jié)的作用.根據(jù)以上原則,制定Δkp、Δki、Δkd的模糊控制規(guī)則各49條,如表1、表2、表3所示.經(jīng)模糊規(guī)則推理計算后,還要對模糊變量進行清晰化處理,即在推理得到的模糊集合中取1個值作為結(jié)果.本文采用重心法對輸出的模糊量進行解模糊處理.

表1 Δkp模糊控制規(guī)則表

表2 Δki模糊控制規(guī)則表

表3 Δkd模糊控制規(guī)則表

2.2.4 Smith預(yù)估補償環(huán)節(jié)

以溫度控制為例,空調(diào)溫度控制系統(tǒng)是一個二階系統(tǒng),但其動態(tài)特性一般可用帶延遲的一階模型近似描述：

式中：K為放大系數(shù);T為時間常數(shù);τ為傳遞滯后.

通過階躍響應(yīng)測試法得出系統(tǒng)的近似模型為：

針劑生產(chǎn)工藝對潔凈室溫濕度的控制提出的要求高,本空調(diào)系統(tǒng)采用離散控制方式進行控制.由系統(tǒng)模型可以看出,控制對象具有純滯后環(huán)節(jié),這將降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性.引入補償環(huán)節(jié),在模糊PID控制器上并聯(lián)一個Smith預(yù)估器可以對系統(tǒng)提前做出調(diào)整,獲得更優(yōu)的控制效果.根據(jù)系統(tǒng)模型,Smith預(yù)估器的表達式為：

經(jīng)過補償后,系統(tǒng)將不含純滯后環(huán)節(jié).

2.2.5 仿真結(jié)果分析

采用參數(shù)經(jīng)驗整定的PID控制方法和模糊PID控制對系統(tǒng)進行控制仿真,得到仿真曲線如圖8、圖9所示.仿真結(jié)果表明,采用模糊PID控制方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性更好,幾乎沒有振蕩,對于有延遲的溫度控制對象有更佳的控制效果,可以應(yīng)用于實際控制測試.

圖8 PID控制響應(yīng)曲線

2.3 遠程智能數(shù)據(jù)采集監(jiān)控界面設(shè)計

遠程智能監(jiān)控界面采用西門子上位機組態(tài)軟件WinCC設(shè)計,有主界面、報警界面、報表、權(quán)限管理界面等.界面可以切換不同的單體中央空調(diào)界面進行監(jiān)視,每一個單體界面可實現(xiàn)在屏幕上顯示操作提示、報警信息、查看報警或確認報警等系列指令功能;通過用戶權(quán)限管理,用戶需要輸入正確的用戶名和密碼才能進行相應(yīng)的操作;畫面主要包括系統(tǒng)控制、系統(tǒng)狀態(tài)以及空調(diào)實時動畫監(jiān)控,可以實時反映當前風閥的開關(guān)狀態(tài)、壓差狀態(tài)報警信息以及溫濕度的實時值等,監(jiān)控界面如圖10所示.

圖9 模糊PID控制響應(yīng)曲線

圖10 遠程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控界面

3 控制系統(tǒng)運行測試

通過離散控制與集中監(jiān)控提高了系統(tǒng)實時安全性,系統(tǒng)故障平均消除時間小于0.4 h,大大提高了故障修復(fù)實時性.采用模糊PID控制生產(chǎn)環(huán)境溫濕度,提高了系統(tǒng)運行的可靠性與精準度,溫度控制精度達±0.1 ℃,相對濕度控制精度達±2%,滿足設(shè)計要求.

與經(jīng)驗整定參數(shù)PID控制方法相比,模糊PID控制器有著更好的控制精度和更快的響應(yīng)速度,表4為夏季對系統(tǒng)運行測試的結(jié)果.不同工作模式下系統(tǒng)的運行參數(shù)不同,可使系統(tǒng)處于低能耗工作狀態(tài).將傳統(tǒng)控制方法的同類生產(chǎn)車間的用電量作為預(yù)期能耗,根據(jù)2021年7月—12月的用電分析,本文控制系統(tǒng)節(jié)省了約24%的耗電量,如圖11所示.

表4 系統(tǒng)運行測試數(shù)據(jù)

圖11 空調(diào)系統(tǒng)運行能耗對比

4 結(jié)語

本文設(shè)計的中央空調(diào)控制系統(tǒng)已投入運行,經(jīng)驗收達到了新版GMP規(guī)范要求,節(jié)省了設(shè)備的能耗,提高了能源使用效率與智能化水平,節(jié)省了人力、物力成本,運行穩(wěn)定,滿足目標精度要求.