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摘要：在洁净空调系统中对生产场所的温、湿度都有一定范围要求，通常是基于产品质量、人体舒适度以及空调调节能力作出。在实际的工程实施中常因自控设计和调试人员由于不理解工艺需求或控制系统设计和选择错误导致能耗增加。本文根据一个已实施电子厂房空调项目的自控方案对比数据化说明了合理的控制系统可以带来的巨大经济效益。
关键词：洁净空调系统；控制方案；优化；节能效益
1.原始空调控制方案及要求
洁净室温湿度要求：
温度：25±3℃/湿度：30～70%
原设计采用DDC （Direct Digital Control） 直接数字控制，调用DDC内置专用恒温恒湿控制模块，采用温湿度定点控制，控制点设定在（25℃，50%），控制器采用 PID 控制算法进行控制，运行模式如下：
其空气处理过程i-d图：
控制器根据 PID 控制算法得出的控制量通过最大值选择（即湿度优先）把控制量转换为冷冻水电动二通阀、加热蒸汽电动二通阀、加湿蒸汽电动二通阀工程量进行控制，控制方式是按照固定设置的温度及湿度目标进行控制，所以在四季的运行中控制器为保证无限接近目标值而产生过度除湿（伴随再加热抵消）和过度加湿，引起运行费用增加。
夏季运行情况分析：
按照标准恒温恒湿控制模式，夏季运行过程如图：
（1）新风（W）和回风（N）混合，混合点（M）；
（2）混合点（M）经过表冷段制冷（除湿）到（1）点；
（3）点通过加热段再加热至送风点（S）。
空调能耗组成：
2.优化的空调控制方案
根据电子行业生产实践，电子产品的加工主要受温湿度单位时间变化率影响较大，绝对的温湿度差异小于变化率影响，本工程对温度和湿度绝对偏差的实际要求范围较宽：温度：22℃～28℃；湿度：30%～70%；房间的温湿度只要符合图示区域即可满足要求。
如为达到最佳节能效果并同时保证产品质量和人体舒适度，最佳选择是应按照控制温湿度单位时间变化率，室内温湿度目标值逐时改变的控制思路进行以达到控制产品质量的同时使节能最大化。
最终控制方案采用浮动温湿度控制策略，温度和湿度控制目标根据室外空气焓值进行相应调整，并且为消除夏季由于除湿产生再热能耗，系统增加了二次回风的自动控制方案，系统简易流程如图：
由于净化厂房围护结构保温良好，并且房间对外维持正压的空调系统，室内通常处于四季发热状态，新风和人流以及物流在冬季所产生的制热负荷极其微小，不足以抵消室内设备发热和送风机作工，基本处于四季制冷模式； 表冷器调节温差可达12℃，配合二次回风量控制可以完全消除夏季的除湿再热能量消耗，可以节省大量运行费用；
系统湿度设置方案（参考室外空气含湿量）：
由于优化后的控制系统只以室内显热量作为表冷器制冷量调节的控制依据，不存在深度除湿和再加热升温过程，系统夏季节能效果是明显的。
两种模式下能耗比較如下图：
3.控制算法的选择
PID（比例-积分-微分控制器）控制算法是经过工程验证的有效温湿度控制方法。
PID有位置式和增量式。
位置式：u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]
增量式：△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]
由于产品质量和人体舒适度受温湿度单位时间变化率影响较大，过快的温湿度变化容易导致次品产生，为抑制变化率最好采用增量式PID。
位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e（k）进行累加，运算量大；而且控制器的输出u（k）对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u（k）的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。
增量式PID控制算法的特点：增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu（k）。采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu（k）对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式u（k）=u（k-1）+Δu（k）程序化来完成。采用增量式PID很容易实现PID的无扰切换，只要温湿度进入预设偏差范围就可退出累积，完全符合本方案节能控制的预想。
4.控制系统的选择
控制系统并非简单的品牌堆砌，而必须根据控制的工艺过程和控制功能进行选择，品牌并不代表控制效果。
暖通空调控制系统通常可以采用DDC （Direct Digital Control） 或PLC（Programmable Logic Controller）。DDC是由PLC发展而来的，DDC的优势在于具备固化专业软件，有标准应用程序和经过严格实验的PID算法及能源管理程序等特殊的功能，使用者可以不懂空调而直接调用其固化程序模块即可完成基本的空调控制，是非专业人员的专业工具，但DDC也存在编程灵活性较差（功能块调用式编程）、控制模式，难以完成复杂的控制逻辑，并且其内置PID基本采用位置式算法，难以满足本项目要求。PLC是一种通用控制器，编程灵活，兼容性好，具备强大的浮点运算能力，但对使用者专业知识要求较高，使用者必须充分了解项目工艺过程才可以编写出符合要求的控制程序。针对本项目的特殊要求并需系统纳入厂务系统，设计中采用了PLC控制系统。
5.项目效果
项目已投产三年，经过或之前用户类似系统比较，经过自控优化的系统其生产能耗明显降低，达到了设计要求。
关键词：洁净空调系统；控制方案；优化；节能效益
1.原始空调控制方案及要求
洁净室温湿度要求：
温度：25±3℃/湿度：30～70%
原设计采用DDC （Direct Digital Control） 直接数字控制，调用DDC内置专用恒温恒湿控制模块，采用温湿度定点控制，控制点设定在（25℃，50%），控制器采用 PID 控制算法进行控制，运行模式如下：
其空气处理过程i-d图：
控制器根据 PID 控制算法得出的控制量通过最大值选择（即湿度优先）把控制量转换为冷冻水电动二通阀、加热蒸汽电动二通阀、加湿蒸汽电动二通阀工程量进行控制，控制方式是按照固定设置的温度及湿度目标进行控制，所以在四季的运行中控制器为保证无限接近目标值而产生过度除湿（伴随再加热抵消）和过度加湿，引起运行费用增加。
夏季运行情况分析：
按照标准恒温恒湿控制模式，夏季运行过程如图：
（1）新风（W）和回风（N）混合，混合点（M）；
（2）混合点（M）经过表冷段制冷（除湿）到（1）点；
（3）点通过加热段再加热至送风点（S）。
空调能耗组成：
2.优化的空调控制方案
根据电子行业生产实践，电子产品的加工主要受温湿度单位时间变化率影响较大，绝对的温湿度差异小于变化率影响，本工程对温度和湿度绝对偏差的实际要求范围较宽：温度：22℃～28℃；湿度：30%～70%；房间的温湿度只要符合图示区域即可满足要求。
如为达到最佳节能效果并同时保证产品质量和人体舒适度，最佳选择是应按照控制温湿度单位时间变化率，室内温湿度目标值逐时改变的控制思路进行以达到控制产品质量的同时使节能最大化。
最终控制方案采用浮动温湿度控制策略，温度和湿度控制目标根据室外空气焓值进行相应调整，并且为消除夏季由于除湿产生再热能耗，系统增加了二次回风的自动控制方案，系统简易流程如图：
由于净化厂房围护结构保温良好，并且房间对外维持正压的空调系统，室内通常处于四季发热状态，新风和人流以及物流在冬季所产生的制热负荷极其微小，不足以抵消室内设备发热和送风机作工，基本处于四季制冷模式； 表冷器调节温差可达12℃，配合二次回风量控制可以完全消除夏季的除湿再热能量消耗，可以节省大量运行费用；
系统湿度设置方案（参考室外空气含湿量）：
由于优化后的控制系统只以室内显热量作为表冷器制冷量调节的控制依据，不存在深度除湿和再加热升温过程，系统夏季节能效果是明显的。
两种模式下能耗比較如下图：
3.控制算法的选择
PID（比例-积分-微分控制器）控制算法是经过工程验证的有效温湿度控制方法。
PID有位置式和增量式。
位置式：u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]
增量式：△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+Kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]
由于产品质量和人体舒适度受温湿度单位时间变化率影响较大，过快的温湿度变化容易导致次品产生，为抑制变化率最好采用增量式PID。
位置式PID控制算法的缺点：当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关，计算时要对e（k）进行累加，运算量大；而且控制器的输出u（k）对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，u（k）的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。
增量式PID控制算法的特点：增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu（k）。采用增量式算法时，计算机输出的控制量Δu（k）对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能，才能完成对被控对象的控制操作。执行机构的累积功能可以采用硬件的方法实现；也可以采用软件来实现，如利用算式u（k）=u（k-1）+Δu（k）程序化来完成。采用增量式PID很容易实现PID的无扰切换，只要温湿度进入预设偏差范围就可退出累积，完全符合本方案节能控制的预想。
4.控制系统的选择
控制系统并非简单的品牌堆砌，而必须根据控制的工艺过程和控制功能进行选择，品牌并不代表控制效果。
暖通空调控制系统通常可以采用DDC （Direct Digital Control） 或PLC（Programmable Logic Controller）。DDC是由PLC发展而来的，DDC的优势在于具备固化专业软件，有标准应用程序和经过严格实验的PID算法及能源管理程序等特殊的功能，使用者可以不懂空调而直接调用其固化程序模块即可完成基本的空调控制，是非专业人员的专业工具，但DDC也存在编程灵活性较差（功能块调用式编程）、控制模式，难以完成复杂的控制逻辑，并且其内置PID基本采用位置式算法，难以满足本项目要求。PLC是一种通用控制器，编程灵活，兼容性好，具备强大的浮点运算能力，但对使用者专业知识要求较高，使用者必须充分了解项目工艺过程才可以编写出符合要求的控制程序。针对本项目的特殊要求并需系统纳入厂务系统，设计中采用了PLC控制系统。
5.项目效果
项目已投产三年，经过或之前用户类似系统比较，经过自控优化的系统其生产能耗明显降低，达到了设计要求。