【摘 要】潔凈手術(shù)室空調系統的溫度與濕度控制效果對于手術(shù)有直接的影響。介紹了一種基于西門(mén)予S7―200PLC和TD一400C的控制系統來(lái)實(shí)現潔凈手術(shù)室對溫濕度的控制。由于溫濕度具有大滯后性，使用傳統PID調節方法難以得到滿(mǎn)意效果，通過(guò)引入溫度變化率來(lái)調整死區，改善了系統的控制效果，有效避免了過(guò)沖。經(jīng)過(guò)實(shí)際運行，驗證其在潔凈手術(shù)室控制系統中的可行性。 

　引 言 

　　潔凈手術(shù)室作為醫院中控制要求最高的單位之一，其對溫濕度有著(zhù)恒定的控制要求。但由于手術(shù)室內的無(wú)影燈、普通照明燈等均會(huì )對溫度和濕度產(chǎn)生影響，導致其很難滿(mǎn)足手術(shù)時(shí)溫度和濕度需保持恒定的要求，故溫、濕度指標是潔凈手術(shù)室中最重要的控制指標。溫度直接影響病人及醫護人員的舒適程度，而當房間濕度大于60％時(shí)候，細菌繁殖的速度就會(huì )大大加快，從控制細菌滋生的角度出發(fā)，濕度控制也極為重要。這就要求手術(shù)室內的空調系統能夠根據特定的算法調節溫濕度，并根據相應操作面板上的設定值快速響應實(shí)時(shí)控制要求。這里采用基于西門(mén)子S7―224cnPLC和文本顯示器TD400C構成控制系統。 
　　l、系統控制要求 
　　1．1溫度控制要求 
　　通過(guò)設置在風(fēng)管里的溫濕度一體傳感器檢測回風(fēng)溫度，并將所測得的溫度信號送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的溫度和通過(guò)手術(shù)室面板溫度設定值比較并進(jìn)行PID計算，將結果輸出到相應模擬量輸出，如冷凍／熱水的電動(dòng)調節閥，通過(guò)控制其開(kāi)度達到溫度控制的目的。 
　　1．2濕度控制要求 
　　通過(guò)設置在風(fēng)管里的溫濕度一體傳感器檢測回風(fēng)濕度，并將所測得的溫度信號傳送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的濕度和通過(guò)手術(shù)室面板濕度設定值比較并進(jìn)行PID計算，將結果輸出到相應模擬量輸出。在冬季模式里通過(guò)對加濕器電動(dòng)調節閥的開(kāi)度調節達到濕度控制的目的。而在夏季模式里，濕度的控制并非通過(guò)對加濕器開(kāi)度的單一控制，而是對水閥調節器和加熱器的綜合PID控制實(shí)現的。 
　　1．3風(fēng)道壓力控制 
　　按照工藝要求，風(fēng)道內壓力需保持一定值，以滿(mǎn)足手術(shù)室醫用要求。系統通過(guò)變頻器驅動(dòng)送風(fēng)機，事先將滿(mǎn)足工藝要求時(shí)的變頻器頻率值作為設定值，將設置在管道內的回風(fēng)壓力檢測傳感器測得的壓力值作為反饋值，通過(guò)PID計算控制變頻器的輸出頻率，以達到風(fēng)壓控制要求。 
　　1．4人機界面要求 
　　按照現場(chǎng)工藝要求，在手術(shù)室內設有操作面板一塊，可以設定溫度，濕度并控制系統啟停，同時(shí)面板上有實(shí)時(shí)溫度和濕度顯示功能；同樣，在控制柜上安裝了人機界面TD400C，通過(guò)TD400C也可設定溫度濕度啟停機組。出于調試系統的目的，在TD400C上設有強制模式，及人工設定回風(fēng)溫濕度，屏蔽報警信號。 
　　TD400C的控制優(yōu)先權高于手術(shù)室設定面板，可屏蔽來(lái)自手術(shù)室的設定信號。 
　　1．5安全要求 
　　該系統中故障信號有3種，分別是送風(fēng)機故障信號，缺風(fēng)保護故障信號，中效壓差信號。這3種信號都是為了保障風(fēng)道內的空氣流通。報警要有聲光顯示，提醒工作人員采取措施。 
　　2、系統硬件及工藝簡(jiǎn)介 
　　2．1硬件組成 
　　整個(gè)系統硬件由檢測元件，控制元件與執行元件組成。 
　　通過(guò)設置在風(fēng)道內的溫濕度一體傳感器來(lái)檢測回風(fēng)溫濕度；通過(guò)設置在管風(fēng)道內的壓力傳感器檢測回風(fēng)壓力；通過(guò)設置在水管上的溫度傳感器來(lái)檢測水溫并以此判斷工作模式；控制元件主要指S7―224PLC，TD400C及手術(shù)室控制面板；執行元件包括水管的電動(dòng)調節閥，加濕器調節閥和加熱器調節閥等。 
　　2．2工藝介紹 
　　系統啟動(dòng)后若無(wú)缺風(fēng)保護等報警信號，則開(kāi)始通過(guò)安裝在送水管上的傳感器檢測水溫工作模式系統。工作模式分為冬夏兩季。若送水管水溫大于30℃則為冬季模式，低于30℃則為夏季模式。 
　　在冬季模式里，若回風(fēng)溫度低于設定溫度，則打開(kāi)水閥執行器，流出更多的熱水以提高溫度；若回風(fēng)濕度低于設定濕度，則打開(kāi)加濕器開(kāi)度，以提高濕度。冬季模式里若回風(fēng)溫度高于設定值，則減小水閥執行器的輸出開(kāi)度；通常情況下冬季模式里回風(fēng)濕度總是低于設定濕度的，故不考慮回風(fēng)濕度高于設定濕度的可能。在夏季模式里，控制要求主要是除溫除濕。該系統要求濕度優(yōu)先調節。所謂濕度優(yōu)先調節是指夏季濕度較高時(shí)候，控制器通過(guò)計算后調節送水管的開(kāi)度(管內是7℃左右的冷凍水)達到降溫除濕的目的，而由此造成的溫度差則通過(guò)打開(kāi)電加熱器來(lái)補償。當回風(fēng)濕度達到設定要求時(shí)，系統自動(dòng)進(jìn)入溫度控制狀態(tài)。 
　　3、系統軟件設計 
　　根據工藝要求和硬件配置，采用西門(mén)子公司的STEP7MICRO／WIN32軟件進(jìn)行系統組態(tài)和TD400C人機界面設計。 
　　軟件設計主要包括溫濕度控制，強制模式選擇，工作模式選擇和故障報警處理。 
　　3．1模式選擇 
　　控制模式設置是指系統控制分為T(mén)D400C設置(手動(dòng))和手術(shù)室控制面板設置(自動(dòng))兩種。在手動(dòng)模式下又有強制和非強制模式。在手動(dòng)模式下可以屏蔽手術(shù)室面板的設定溫、濕度及系統啟停信號。出于調試系統的考慮，系統還設置了強制模式。在強制模式下，可以手動(dòng)設定回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、回風(fēng)壓力等傳感器信號，并可以手動(dòng)復位各種故障報警信號。 
　　3．2故障報警處理 
　　按照設計要求，如果出現送風(fēng)機故障信號，缺風(fēng)保護故障信號，中效壓差信號，將有聲光顯示，提醒工作人員采取措施。 
　　3．3溫濕度控制 
　　軟件設計的核心部分是溫濕度控制，采用PID控制來(lái)調節溫濕度。PID控制指的是閉環(huán)控制系統的比例積分微分控制。 
　　PID是一種線(xiàn)性控制器，它根據給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)構成控制偏差： 
　　e(t)=r(t)一y(t) 
　　將偏差比例(P)，積分(I)和微分(D)通過(guò)一定線(xiàn)性組合構成控制量u(t)對被控對象進(jìn)行控制。它的控制規律為: 
　　 式中：KP為比例系數；TI為積分時(shí)間常數，TD為微分時(shí)間常數。 
　　當控制量的目標值與檢測值之間存在誤差(或稱(chēng)為控制偏差)時(shí)，誤差小，操作量就小，誤差越大，操作量就越大，故控制算法中含有偏差比例項，簡(jiǎn)稱(chēng)P動(dòng)作。對具有自平衡性的控制對象施行比例控制，最后其步階變化會(huì )留下一定的誤差，稱(chēng)為穩態(tài)誤差或偏移。使控制算法中含有誤差積分比例項，可消除穩態(tài)誤差，簡(jiǎn)稱(chēng)I動(dòng)作。偏差的增減反映在操作量上，為了改善控制特性，所以使控制算法中含有偏差微分比例項，簡(jiǎn)稱(chēng)D動(dòng)作，為一種預先動(dòng)作。包含以上三種動(dòng)作的控制算法即為PID控制。 
　　式(1)也可以寫(xiě)成： 
　　 式中：KI=KP／TI為積分系數；KD=KP?TD為微分系數。 
　　考慮到被控對象具有大滯后性，且PLC處理的是數字量，將式(2)離散化得： 
　　 式中：θ代表采樣周期，e(k)代表此刻的誤差，e(k一1)代表上次采樣周期的誤差。如果θ足夠小，這種逼近可相當準確，被控過(guò)程與連續控制過(guò)程十分接近。這種算法稱(chēng)為位置式算法。位置式算法由于全量輸出，所以每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計算時(shí)要對e(k)進(jìn)行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的u(k)對應的是執行機構的實(shí)際位置，如計算機出現故障，u(k)的大幅度變化，會(huì )引起執行機構位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的?？紤]到本系統控制對象均為閥門(mén)，故采用增量式PID控制算法為宜。 
　　將式(3)按遞推原理推得： 
　　 式(5)稱(chēng)為增量式PID算法。 
　　由于控制增量△u(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權處理而獲得較好的控制效果。 
　　根據現場(chǎng)控制要求，被控過(guò)程不能有過(guò)沖現象即超調出現。然而結合現場(chǎng)施工情況且溫度、濕度具有大滯后特性，不可避免地具有超調。 
　　溫度控制質(zhì)量的決定性環(huán)節在于溫度的PID控制參數的整定調節，PID參數整定質(zhì)量決定了溫度控制質(zhì)量。在實(shí)際應用中，院方希望手術(shù)室的溫度調節時(shí)間盡可能的快。然而溫度的快速響應，會(huì )造成超調，并很可能形成長(cháng)時(shí)間的溫度震蕩。溫度調節速度和溫度控制精度往往不可調和，如果在精度允許的前提下加快調節速度就意味著(zhù)盡可能地減少震蕩。通常的做法是在PID調節過(guò)程中引入死區來(lái)調節控制效果。然而，即使加了死區保護，但受制于現場(chǎng)條件，其效果不具備普遍性。 
　　若設定Er為溫度誤差值，Es為溫度設定值，Eb為溫度實(shí)際值，Et為溫度的死區，則： 
　　這樣帶來(lái)的后果就是即使引入了死區，對PID調節效果的改善也是有限的。為此，引入溫度變化率，通過(guò)溫度變化率的變化來(lái)人為地改變死區，這樣PID計算的誤差值就會(huì )改變，調節速度也會(huì )隨之改變。 
　　設T1為一分鐘之前的溫度，T2為此刻的溫度，Tc為溫度的變化率，則Tc=T2一T1。通過(guò)Tc不僅能夠判斷溫度的升降變化，亦能知道溫度變化的快慢。 
　　由此，利用Tc和當前的溫度實(shí)際誤差Es一Eb來(lái)設定溫度死區。 
　　若Es―Eb>0即溫度沒(méi)有達到設定值，且Tc>1，則令Et=|Es―Eb|，即對溫度PID調節來(lái)說(shuō)，誤差Er輸入為零，這時(shí)溫度PID則停止調節，讓溫度自動(dòng)上升，達到設定值。反之亦然。 
　　結 語(yǔ) 
　　針對潔凈手術(shù)室的控制要求，建立了以S7―224PLC作為控制核心和TD400C作為人機界面的控制系統。通過(guò)該系統滿(mǎn)足了手術(shù)室對溫濕度控制要求，最大程度地避免了過(guò)沖現象，提高了整個(gè)系統的可控性和穩定性。