制药行业空调自控系统的构建与优化

2011年第10卷第7期制药行业空调自控系统的构建与优化
□王承
【摘要】当前制药行业中净化空调自控系统得到了广泛的应用。

在诸多企业应用的过程中衍生出许多无法解决的难题。

这些难题往往被人们逃避甚至忽略，其原因有两个方面，其一，由于问题的多样化和不确定性，人们无法控制和解决问题。

其二，问题的出现不会严重影响到系统的正常工作。

笔者根据在行业中遇到的问题进行剖析，并重点分为两个层面，即HVAC系统的抗干扰能力与HVAC系统节能优化。

【关键词】HVAC系统；空调自控系统；节能；抗干扰
【作者单位】王承，华北制药河北华民药业有限责任公司
一、系统抗干扰能力
（一）干扰概述。

为了保证产品质量，HVAC系统不可或缺的一个能力就是稳定性。

由于空调提供洁净空气不满足条件会造成药品严重的后果。

HVAC系统投入工业环境运行时，系统会受到周围环境干扰。

如果系统不能正常抵制干扰，各电气模块不能正常工作，自控系统往往会因干扰造成程序偏离，现场传感器与控制模块将会输出伪信号，功率驱动模块将会输出畸变的驱动信号，使执行机构如电动阀门动作失常，最终导致系统产生故障，甚至瘫痪。

干扰的来源于多方面，纵向来看，分别为外部干扰与内部干扰；横向分析为硬件与软件。

要使产品正常工作并达到预期的功能，必须保证其具有良好抗干扰性能。

（二）空调系统干扰源的确定。

从干扰种类来看，系统所受到的干扰源分为供电干扰、过程干扰、场干扰、瞬变干扰、电磁干扰等。

在此仅举其中几例来进行说明。

1.供电干扰。

制药企业拥有大量大功率设备，使电压
造型可完全发挥建筑师的想象力，满足艺术的追求。

因此建筑师和设计师充分利用其特点在各种空间的许多部位应用了这种材料。

如国家大剧院音乐厅、戏剧场外环廊墙面为GRG。

广州大剧院音乐厅内墙面、多功能厅内外墙面也是采用GRG材料，只有通过GRG材料，才能实现大尺度、流畅、扭动且表面滑无缝的大体块构成的设计要求。

同时，在一些餐饮、娱乐空间采用GRG材料也取得了非常独特的效果，如深圳蜂巢餐饮空间，在室内空间中国即采用大量的GRG材料制作成白色蘑菇状的造型，由红色墙面衬托，取得了惊人的装饰效果。

三、GRG材料的应用
（一）设计。

GRG作为近年来国内外建筑与装饰领域出现的一种新型材料，由于其独特的性能，受到建筑师的青睐，那么在其设计中，也需要根据材料的性能和设计的要求采用新的设计方法。

比如广州大剧院从建筑设计开始，为了适应项目和材料的特殊性，所用建筑设计软件已跨过一般的建筑制图软件，采用精度较高的新软件，建筑设计、结构设计、声学设计及室内设计都是在同一个虚拟建筑模型上进行，并直接将其转换成指导GRG制造安装的技术手段。

从建筑设计、室内设计、声学设计直到室内施工均是在精密的计算机计算平台上进行的，保证作品的完美和设计师对项目的有效掌控。

（二）GRG材料的施工方式。

由于GRG材料用于复杂的空间形体，已完全无法用传统的建筑设计制图方法来解决，也完全无法用传统的建筑施工工艺来实施。

因此GRG材料
的施工可分为工厂加工预制现场装配和现场加工制作两种方式：
1.工厂加工预制现场装配施工。

在大型项目的GRG生产加工和安装过程中，依据建筑设计的计算机模型，通过电脑控制进行分部位、分单元，再进行翻模浇铸加工生产，在安装时运用红外线、电子经纬仪等高精度测量仪器精确定位，精确安装。

通俗地说，从建筑设计初始就通过新软件建模来控制，直至GRG加工安装，整个过程就像医院对人体进行CT 检查一样，对模型进行切片分析，根据模型的难易程度确定切片密度，将复杂形状简化为面，再设定横纵向网格、间距、再由面转化为线、转化为点。

2.现场加工制作。

一些娱乐、餐饮项目的艺术性很强的造型中，GRG材料的使用主要以现场加工制作为主，首先根据艺术家或设计师的构思焊接骨架做好基础结构，再用环氧树脂等将加工成合适形状基层材料粘接成形，最后面层敷以一定厚度的GRG材料，定型打磨并饰以需要的面层涂料，就成为新颖别致的艺术造型。

【参考文献】
1．（英）韦斯顿著，材料、形式形式和建筑［M］．北京：中国水利水电出版社；知识产权出版社，2005
2．（英）迈克．阿比什．材料与设计［M］．北京：中国建筑工业出版社，2010
3．褚智勇，建筑设计的材料语言［M］．北京：中国电力出版社，2006
2011年第10卷第7期
大幅度地涨落和产生浪涌，并常常出现较高的脉冲干扰。

据统计，电源输入、瞬时短路、过压、电网噪声引起PLC误动作及数据丢失占九成以上。

因此，在抗干扰设计中，应重点考虑电源干扰。

2.过程干扰。

风机房遍布各个生产车间，传输路线比较长会产生通道干扰。

当系统中有电气设备漏电、接地系统不完善、或者传感器测量部件绝缘不好等情况时，都会在通道中直接串入很高的共模电压或差模电压。

各通道的传输线如果处于同一根电缆中，各路间会产生相互间的干扰，尤其是将0 10V的信号线与交流220V的电源线同处于一条很长的管道内，其干扰相当严重。

3.场干扰。

自控系统周围的空间总存在着磁场、电磁场、静电场等。

这些场干扰会通过电源或传输线影响各功能模块的正常工作，使其中的电平发生变化或产生脉冲干扰信号。

4.电磁干扰。

空调自控系统中数字集成电路的工作负荷较大，功能模块计算频繁，这些模块易产生射频干扰脉冲，而相邻的集成电路的高速响应特性又使得这类脉冲很容易被接收，从而导致了新的干扰，即数字电路之间的电磁干扰。

（三）空调自控系统的抗干扰措施
1.供电系统的抗干扰措施。

抑制供电干扰首先从供电系统上采取措施，即将各功能模块分别用独立的变压、滤波、稳压电路构成的直流电源供电，这样就减少了集中供电的风险，提高了供电的可靠性，利于电源散热。

另外，交流电的引入线应采用粗导线，直流输出线应采用双绞线，尽可能缩短配线长度。

2.过程抗干扰措施。

抑制过程通道上的干扰，主要措施有光电隔离、双绞线传输、阻抗匹配、电流传输以及合理布线等。

在长线传输中，双绞线是较常用的一种传输线，与同轴电缆相比，虽然频带较窄，但阻抗高，降低了共模干扰。

由于双绞线构成的各个环路，改变了线间电磁感应的方向，使其相互抵消，因而对电磁场的干扰有一定的抑制效果。

强电馈线必须单独走线，强信号线与弱信号线应尽量避免平行走向。

3.场干扰的抑制。

防止场干扰的主要方法是良好的屏蔽和正确的接地。

须注意以下问题：一是消除静电干扰最简单的方法是把感应体接地，接地时要防止形成接地环路；二是为了防止电磁场干扰，可采用带屏蔽层的信号线，并将屏蔽层单端接地；三是不要把导线的屏蔽层当作信号线或公用线来使用；四是在布线方面，不要在电源电路和检测、控制电路之间使用公用线，也不要在模拟电路和数字脉冲电路之间使用公用线，以免互相串扰。

（四）软件干扰及其抗干扰措施。

自控系统中当硬件对干扰不在起任何作用时还可通过软件补偿来控制和消除干扰。

1.软件滤波。

用软件来识别有用信号和干扰信号并滤除干扰信号的方法叫软件滤波。

原则上有两种：一是时间原则，掌握有用信号和干扰信号出现的时间规律，程序设计中可在接收有用信号的时段打开输入口，在出现干扰信号的时段封闭输入口，从而滤掉干扰信号；二是空间原则，在程序设计上为保证接收到的信号正确无误，可将从不同位置接收到的同一信号进行比较，根据既定逻辑关系判断真伪，从而滤掉干扰信号。

实际应用中，可以根据上述原则采取适当的软件方式来排除具体干扰。

2.滤波实例。

此处举两个实例来进行说明。

风量滤波优化控制和温湿度串级控制。

风量滤波原理属于软件滤波的第一种即时间原则，通过放大时间轴的同时抽取更多的采样点来使风量过程曲线变得更加平滑，从而过滤掉由于安装或场干扰带来的偏差，通过此方式的优化，系统稳定性得到了大大的提高。

第二种原则空间原则则在温湿度串级控制中得起到了很大的作用。

主要表现在通过更多的空间变量的采集，通过串级的算法将这些变量进行优化整合与计算，从而消除了房间不必要的波动，提高了系统的稳定性。

二、空调自控系统节能优化
在目前能源紧迫、市场竞争激烈的大环境下，国家也倡导绿色节能方案。

为了企业的良性发展，为了提高企业的竞争力，需要在内部进行节能挖掘与优化。

自控系统的理论初衷是好的，但如果无法合理实施则会产生出一些弊端。

经过统计，主要体现在几个方面：系统设计不完善导致温湿度在不同季节工况下损失大量冷能和热能。

系统存在滞后问题导致冷热能损耗。

系统在不同模式下工作不合理导致电能损耗。

系统不合理调控导致增加人力成本。

面对诸多问题解决方案如下：通过风量监测与风量输送、动态负荷匹配、变频调控、智能PID控制等技术，围绕温湿度、压差、风量等关键参数的动态变化对系统进行优化提升。

具体体现在几个方面：
（一）风量控制。

风量参数的检测输送至PLC通过PID 算法计算出变频风机的频率，使输出风量趋向设定风量，同时为了满足房间风量给定，系统根据GMP要求的换气次数来设定各方间电动风阀最小开启角度来满足要求。

系统还可通过新风阀的开度与变频风机的联动来达到节能效果。

（二）微正压控制。

为了使房间压差控制更加稳定，定变风量阀是不错的选择。

PLC根据采集到的各方间的压差通过软件计算，输出各定变风量阀的开度使之满足GMP要求。

期间通过与变频风机的联动组成的回路能最大限度节约风量输送。

（三）温湿度控制。

随着自动化技术的提高，很多系统已经在冷冻水管道上安装了电动阀门，PLC采集回风总管的温度信号后与设定温度进行PID运算，动态调节电动阀的开度来满足要求，同时，可以根据软件内部对编程模块的限幅来限制阀门的开度，这样不但可以弥补设计缺陷，将调试经验赋予至系统代码中，还可通过PID的相关参数的调节来优化电动阀的开关幅度，从而大大节省了冷量、蒸汽热量等重要能源。

综上，空调自控系统在制药行业中的作用和地位日益上升，我们不但要保证系统的正常运行，还要大力开发系统的潜能，通过软件硬件的结合与工程师不间断的创新，使系统上一个新的台阶，更大限度地为企业服务。