洁净手术室空调控制系统的设计与实现

2018-09-29 17:18:25

洁净手术室空调控制系统的设计与实现 

 

    摘要洁净手术室空调系统的温度与湿度控制效果对于手术有直接的影响介绍了一种基于西门予S7—200PLCTD400C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大滞后性使用传统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区改善了系统的控制效果有效 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行性

    洁净手术室作为医院中控制要求最高的单位之一其对温湿度有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温度直接影响病人及医护人员的舒适程 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为重要这就要求手术室内的空调系统能够根据特定 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基于西门子S7—224cnPLC和文本显示器TD400C构成控制系 

    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体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电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体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电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为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为反馈值通过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操作面板一块可以设定温度湿度并控制系统启停同时面板上有实时温度和湿度显示功能同样在控制柜上安装了人机界面TD400C,通过TD400C也可设定温度湿度启停机组出于调试系统的目的TD400C上设有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3分别是送风机故障信号缺风保护故障信号中效压差信号3种信号都是为了保障风道内的空气流通报警要有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体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电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为冬夏两季若送水管水温大于30℃则为冬季模式低于30℃则为夏季模式

    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能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 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电 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

    3.1模式选择 

    控制模式设置是指系统控制分为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有强制和非强制模式 手动模式下可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以手动设定回风温度回风湿 回风压力等传感器信号并可以手动复位各种故障报警信号

    3.2故障报警处理 

    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是温湿度控制采用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微分控制

    PID是一种线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)y(t)

    将偏差比例(P),积分(I)和微分(D)通过一定线性组合构成控制量u(t)对被控对象进行控制它的控制规律为:

1

 

    式中:KP为比例系数;TI为积分时间常数,TD为微分时间常数

    当控制量的目标值与检测值之间存在误差(或称为控制偏差)误差小操作量就小误差越大操作量就越大故控制算法中含有偏差 比例项简称P动作对具有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为稳态误差或偏移使控制算法中含有误差积分比例项 消除稳态误差简称I动作偏差的增减反映在操作量上为了改善控制特性所以使控制算法中含有偏差微分比例项简称D动作为一种预先动作包含以上三 种动作的控制算法即为PID控制

    (1)也可以写成

1

 

    式中:KI=KP/TI为积分系数;KD=KP•TD为微分系数

    考虑到被控对象具有大滞后性PLC处理的是数字量将式(2)离散化得

1

 

    式中:θ代表采样周期,e(k)代表此刻的误差,e(k1)代表上次采样周期的误差如果θ足够小这种逼近可相当准确被控过程与连续 控制过程十分接近这种算法称为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关计算时要对e(k)进行累加计算机运算工作量 而且因为计算机输出的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为阀门故采用增量式PID控制算法为宜

    将式(3)按递推原理推得

1

 

    (5)称为增量式PID算法

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

    根据现场控制要求被控过程不能有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大滞后特性不可避免地具有超调

    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中院方希望手 术室的温度调节时间尽可能的快然而温度的快速响应会造成超调并很可能形成长时间的温度震荡温度调节速度和温度控制精度往往不可调和如果在精度允 许的前提下加快调节速度就意味着尽可能地减少震荡通常的做法是在PID调节过程中引入死区来调节控制效果然而即使加了死区保护但受制于现场条件其效果不具备普遍性

    若设定Er为温度误差值,Es为温度设定值,Eb为温度实际值,Et为温度的死区

1

 

    这样带来的后果就是即使引入了死区PID调节效果的改善也是有限的为此引入温度变化率通过温度变化率的变化来人为地改变死区这样PID计算的误差值就会改变调节速度也会随之改变

    T1为一分钟之前的温度,T2为此刻的温度,Tc为温度的变化率Tc=T2T1。通过Tc不仅能够判断温度的升降变化亦能知道温度变化的快慢

    由此利用Tc和当前的温度实际误差EsEb来设定温度死区

    Es—Eb>0即温度没有达到设定值Tc>1,则令Et=|Es—Eb|,即对温度PID调节来说误差Er输入为零这时温度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 

    针对洁净手术室的控制要求建立了以S7—224PLC作为控制核心和TD400C作为人机界面的控制系统通过该系统满足了手术室对温湿度控制要求最大程度地避免了过冲现象提高了整个系统的可控性和稳定性