净化车间空调系统自动控制方法与原理

一、导读（TL;DR）

本文系统介绍净化车间空调（空调净化系统）自动控制的目标、关键设备与传感器、常见控制策略（包括 PID、级联、前馈、模糊与模型预测控制）、差压与洁净度控制要点、能耗优化与系统集成实现，以及工程实施与调试建议。

二、控制目标与设计原则

净化车间空调系统自动控制的核心目标是：

1. 温度控制：保持工艺与人员要求的温度稳定（常见±0.5–1.0°C 级别，视工艺而定）。
2. 相对湿度（RH）控制：控制在目标范围（例如 30–60%），避免静电、工艺偏差或微生物风险。
3. 压差控制：保持车间与相邻空间的正/负压差，防止颗粒交叉污染（通常以 Pa 为单位精确控制）。
4. 洁净度（粒子数）与换气次数：通过过滤与新风换气满足洁净等级要求。
5. 能效与可靠性：在满足洁净与环境要求的同时实现能耗最优与故障可诊断性。

原则上优先保证洁净与工艺安全，其次优化能耗与运营成本。

三、系统组成与测控点

关键设备

• 空调机组（AHU）/洁净空调箱（带粗、中、高效过滤器/HEPA）
• 末端送风单元（FFU、洁净天花、VAV/风阀）
• 风机（直联或带 VFD 变频器）
• 加热/冷却盘管、加湿器/除湿器
• 差压测量管路与稳压阀

主要测控点（传感器/执行器）

• 温度传感器（送风、回风、室内、盘管入口/出口）
• 相对湿度传感器（室内与送风）
• 差压传感器（室内—前室、室内—走廊）
• 风量/风速传感器（风机、送风口）
• 粒子计数器（关键位置/代表点）
• CO₂/有害气体传感器（按需）
• 执行器：风阀、旁通阀、变频器（VFD）、加热阀、电磁阀、加湿器控制器

四、常见自动控制策略与原理

1) 经典 PID 控制（比例-积分-微分）

用途：温度、湿度、风量和差压的基本调节。
原理：通过实时误差（设定值 - 实测值）计算控制量：

• P（比例）直接与误差成比例；
• I（积分）消除稳态误差；
• D（微分）抑制快速变动与超调。
  优点：结构简单、响应明确。
  局限：耦合系统或强时变工况下单一 PID 难以同时兼顾快反应与稳态精度。

2) 级联控制（Cascade）

用途：温度控制（外环室温，内环送风/盘管出水温或风量）、差压与风速控制。
原理：外环（慢）给出内环（快）的设定值；内环负责快速精细控制，从而提高鲁棒性并减小干扰影响。
优点：抗扰能力强、能更细致控制末端变量。

3) 前馈 + 反馈（Feedforward + Feedback）

用途：对已知扰动（如门开、人员进出、大负荷工艺）提前补偿。
原理：前馈基于扰动预测计算补偿量，反馈（如 PID）处理残余误差。
优点：显著减小系统响应时间与偏差，适合可预见扰动环境。

4) 自适应与模糊控制（Fuzzy / Adaptive）

用途：工况非线性或工艺要求极高的系统。
原理：通过专家规则或在线参数调整，处理模型不确定性与非线性耦合。
优点：对复杂、非线性系统更稳健；缺点是验证调试成本高。

5) 模型预测控制（MPC，Model Predictive Control）

用途：同时优化多个目标（温度、湿度、能耗）与限制条件（压差、最大风量）。
原理：基于系统动态模型，在线优化未来一段时间内的控制序列，满足约束并最小化目标函数（如能耗+偏差）。
优点：能在多变量耦合、约束条件下实现全局最优控制；缺点是对模型精度和计算资源要求高。

五、净化车间中的差压与洁净度自动控制要点

1. 差压控制
   • 差压点应布置在代表性位置（靠近门缝或通道处）。
   • 使用高精度差压传感器（分辨率小于 1 Pa），配合风阀/回风旁通与 VFD 调节风量。
   • 采用级联控制（外环差压 → 内环风阀/VFD）以提高稳定性。
   • 设置合理死区/滞后避免风量频繁切换导致扰动。
2. 洁净度（粒子控制）
   • 粒子计数器用于监测并触发报警/加强换气。
   • 在洁净度异常时，可触发快速模式：临时提高送风量或切换更高效过滤路径，同时记录事件以便追踪原因。
   • 定期联动过滤器压降监测和风量补偿，保证过滤效率不因堵塞而下降。

六、能耗优化策略（与自动控制的结合）

• 需求侧控制（Demand Control）：基于工艺占用/洁净度/CO₂ 数据动态调整风量与新风比。
• VFD + PID 优化：风机采用变频驱动，结合风量闭环控制，按需变速运行。
• 自由冷却/余热回收策略：在外界气候允许时优先使用自由冷却，减少机械制冷运行。
• 节能运行模式调度：夜间/非生产时段自动切换至节能模式（降低风量、扩大温湿偏差范围），并在开工前按计划快速恢复到工艺模式。
• MPC 应用：把能耗与工艺偏差作为目标函数，通过预测优化控制实现整体能效提升。

七、报警、联锁与故障诊断

• 多级报警：分为信息、警告、故障三级；要区分工艺影响与设备故障的报警。
• 安全联锁：滤网过压、加湿器泄漏、温度越限等关键事件应触发联锁以保护产品与人员。
• 异常检测与诊断：基于变量趋势（如风量与差压不匹配）与模型残差进行故障定位（如风阀卡死、传感器漂移、风机效率下降）。
• 日志与回放：保存关键曲线便于追溯事件与优化 PID / MPC 参数。

八、系统集成与通信

• BMS / SCADA 集成：推荐采用开放式协议（如 BACnet、Modbus、OPC 等）实现空调与楼宇管理系统信息共享。
• 数据采集与可视化：实时显示温湿、差压、风量、过滤器压差、粒子计数与能耗指标，支持趋势分析与报表导出。
• 远程运维：支持参数下发、远程调试与固件升级，但要做好网络安全与权限控制。

九、工程实施、调试与验证要点

1. 方案前期论证：明确洁净等级、工艺容忍度、最小/最大换气量，确定控制精度要求与备份策略。
2. 设备选型：优先选择带现场控制器与开放通讯接口的器件，传感器选择需考虑漂移、重复性与维护便捷性。
3. 联调与 PID 调参：从稳态小增益开始，逐步增加带积分项，必要时采用 Ziegler–Nichols 或经验法快速初调，再通过工况仿真细化。
4. 功能测试：包括差压门开启/关闭测试、突增负荷（如门同时开启）响应、过滤器堵塞仿真、加湿器故障响应等。
5. 验收与运行监测：建立运行记录与 SOP（标准运行程序），逐步调整节能策略并记录节能效果。
6. 维护计划：传感器校准周期、过滤器更换周期、风机维护与加湿器清洁等需制度化。

十、常见实现案例

• 级联+前馈的温湿控制：外环以室内温湿为主，内环以送风温湿或盘管入口温度为快环；门/外界温度作为前馈量，用于提前补偿。适用于对温湿敏感的生产线。
• MPC 用于能耗最优：将能耗与温湿偏差加入目标函数，结合天气预测与工艺排班，实现白天生产高性能、夜间节能模式切换。

十一、对比表：常用控制策略速览

十二、结论与行动清单（针对工程负责人）

• 明确工艺与洁净度的最低控制精度需求。
• 在关键点采用级联 + 前馈策略以提高鲁棒性；对能耗敏感场景考虑引入 MPC。
• 选用稳定、可校准的传感器并建立定期校验流程。
• 将控制系统与 BMS/SCADA 集成，建立告警、日志与远程运维能力。
• 做好预验收与运行一段周期后的参数回调，确保长期稳定运行。