摘 要：潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)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予S7—200PLC和TD一400C的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)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(tǒng)PID調(diào)節(jié)方法難以得到滿意效果，通過引入溫度變化率來調(diào)整死區(qū)，改善了系統(tǒng)的控制效果，有效避免了過沖。經(jīng)過實際運行，驗證其在潔凈手術(shù)室控制系統(tǒng)中的可行性。
關(guān)鍵詞：溫濕度；PID；PLC；溫度變化率；死區(qū)

0 引 言
    潔凈手術(shù)室作為醫(yī)院中控制要求最高的單位之一，其對溫濕度有著恒定的控制要求。但由于手術(shù)室內(nèi)的無影燈、普通照明燈等均會對溫度和濕度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其很難滿足手術(shù)時溫度和濕度需保持恒定的要求，故溫、濕度指標(biāo)是潔凈手術(shù)室中最重要的控制指標(biāo)。溫度直接影響病人及醫(yī)護人員的舒適程度，而當(dāng)房間濕度大于60％時候，細菌繁殖的速度就會大大加快，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(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)特定的算法調(diào)節(jié)溫濕度，并根據(jù)相應(yīng)操作面板上的設(shè)定值快速響應(yīng)實時控制要求。這里采用基于西門子S7—224cn PLC和文本顯示器TD400C構(gòu)成控制系統(tǒng)。

l 系統(tǒng)控制要求
1．1 溫度控制要求
    通過設(shè)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手術(shù)室面板溫度設(shè)定值比較并進行PID計算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)模擬量輸出，如冷凍／熱水的電動調(diào)節(jié)閥，通過控制其開度達到溫度控制的目的。
1．2 濕度控制要求
    通過設(shè)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手術(shù)室面板濕度設(shè)定值比較并進行PID計算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)模擬量輸出。在冬季模式里通過對加濕器電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)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對加濕器開度的單一控制，而是對水閥調(diào)節(jié)器和加熱器的綜合PID控制實現(xiàn)的。
1．3 風(fēng)道壓力控制
    按照工藝要求，風(fēng)道內(nèi)壓力需保持一定值，以滿足手術(shù)室醫(yī)用要求。系統(tǒng)通過變頻器驅(qū)動送風(fēng)機，事先將滿足工藝要求時的變頻器頻率值作為設(shè)定值，將設(shè)置在管道內(nèi)的回風(fēng)壓力檢測傳感器測得的壓力值作為反饋值，通過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(xiàn)場工藝要求，在手術(shù)室內(nèi)設(shè)有操作面板一塊，可以設(shè)定溫度，濕度并控制系統(tǒng)啟停，同時面板上有實時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TD400C也可設(shè)定溫度濕度啟停機組。出于調(diào)試系統(tǒng)的目的，在TD400C上設(shè)有強制模式，及人工設(shè)定回風(fēng)溫濕度，屏蔽報警信號。
    TD400C的控制優(yōu)先權(quán)高于手術(shù)室設(shè)定面板，可屏蔽來自手術(shù)室的設(shè)定信號。
1．5 安全要求
    該系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)硬件及工藝簡介
2．1 硬件組成
    整個系統(tǒng)硬件由檢測元件，控制元件與執(zhí)行元件組成。
    通過設(shè)置在風(fēng)道內(nèi)的溫濕度一體傳感器來檢測回風(fēng)溫濕度；通過設(shè)置在管風(fēng)道內(nèi)的壓力傳感器檢測回風(fēng)壓力；通過設(shè)置在水管上的溫度傳感器來檢測水溫并以此判斷工作模式；控制元件主要指S7—224 PLC，TD400C及手術(shù)室控制面板；執(zhí)行元件包括水管的電動調(diào)節(jié)閥，加濕器調(diào)節(jié)閥和加熱器調(diào)節(jié)閥等。
2．2 工藝介紹
    系統(tǒng)啟動后若無缺風(fēng)保護等報警信號，則開始通過安裝在送水管上的傳感器檢測水溫工作模式系統(tǒng)。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(shè)定溫度，則打開水閥執(zhí)行器，流出更多的熱水以提高溫度；若回風(fēng)濕度低于設(shè)定濕度，則打開加濕器開度，以提高濕度。冬季模式里若回風(fēng)溫度高于設(shè)定值，則減小水閥執(zhí)行器的輸出開度；通常情況下冬季模式里回風(fēng)濕度總是低于設(shè)定濕度的，故不考慮回風(fēng)濕度高于設(shè)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(tǒng)要求濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)。所謂濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)是指夏季濕度較高時候，控制器通過計算后調(diào)節(jié)送水管的開度(管內(nèi)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打開電加熱器來補償。當(dāng)回風(fēng)濕度達到設(shè)定要求時，系統(tǒng)自動進入溫度控制狀態(tài)。工作模式選擇流程圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    根據(jù)工藝要求和硬件配置，采用西門子公司的STEP7 MICRO／WIN32軟件進行系統(tǒng)組態(tài)和TD400C人機界面設(shè)計。
    軟件設(shè)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(shè)置是指系統(tǒng)控制分為TD400C設(shè)置(手動)和手術(shù)室控制面板設(shè)置(自動)兩種。在手動模式下又有強制和非強制模式。在手動模式下可以屏蔽手術(shù)室面板的設(shè)定溫、濕度及系統(tǒng)啟停信號。出于調(diào)試系統(tǒng)的考慮，系統(tǒng)還設(shè)置了強制模式。在強制模式下，可以手動設(shè)定回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、回風(fēng)壓力等傳感器信號，并可以手動復(fù)位各種故障報警信號，其控制模式選擇流程圖如圖2所示。

3．2 故障報警處理
    按照設(shè)計要求，如果出現(xiàn)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，其流程圖如圖3所示。

3．3 溫濕度控制
    軟件設(shè)計的核心部分是溫濕度控制，采用PID控制來調(diào)節(jié)溫濕度。PID控制指的是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例積分微分控制。
    常規(guī)PID控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

    PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)和實際輸出值y(t)構(gòu)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)通過一定線性組合構(gòu)成控制量u(t)對被控對象進行控制。它的控制規(guī)律為:

   
式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。
    當(dāng)控制量的目標(biāo)值與檢測值之間存在誤差(或稱為控制偏差)時，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，簡稱P動作。對具有自平衡性的控制對象施行比例控制，最后其步階變化會留下一定的誤差，稱為穩(wěn)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(wěn)態(tài)誤差，簡稱I動作。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，簡稱D動作，為一種預(yù)先動作。包含以上三種動作的控制算法即為PID控制。
    式(1)也可以寫成：

   
式中：KI=KP／TI為積分系數(shù)；KD=KP·TD為微分系數(shù)。
    考慮到被控對象具有大滯后性，且PLC處理的是數(shù)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(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。這種算法稱為位置式算法。位置式算法由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，u(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的?？紤]到本系統(tǒng)控制對象均為閥門，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)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。
    根據(jù)現(xiàn)場控制要求，被控過程不能有過沖現(xiàn)象即超調(diào)出現(xiàn)。然而結(jié)合現(xiàn)場施工情況且溫度、濕度具有大滯后特性，不可避免地具有超調(diào)。
    溫度控制質(zhì)量的決定性環(huán)節(jié)在于溫度的PID控制參數(shù)的整定調(diào)節(jié)，PID參數(shù)整定質(zhì)量決定了溫度控制質(zhì)量。在實際應(yīng)用中，院方希望手術(shù)室的溫度調(diào)節(jié)時間盡可能的快。然而溫度的快速響應(yīng)，會造成超調(diào)，并很可能形成長時間的溫度震蕩。溫度調(diào)節(jié)速度和溫度控制精度往往不可調(diào)和，如果在精度允許的前提下加快調(diào)節(jié)速度就意味著盡可能地減少震蕩。通常的做法是在PID調(diào)節(jié)過程中引入死區(qū)來調(diào)節(jié)控制效果。然而，即使加了死區(qū)保護，但受制于現(xiàn)場條件，其效果不具備普遍性。
    若設(shè)定Er為溫度誤差值，Es為溫度設(shè)定值，Eb為溫度實際值，Et為溫度的死區(qū)，則：

    這樣帶來的后果就是即使引入了死區(qū)，對PID調(diào)節(jié)效果的改善也是有限的。為此，引入溫度變化率，通過溫度變化率的變化來人為地改變死區(qū)，這樣PID計算的誤差值就會改變，調(diào)節(jié)速度也會隨之改變。
    設(shè)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(dāng)前的溫度實際誤差Es一Eb來設(shè)定溫度死區(qū)。
    若Es—Eb>0即溫度沒有達到設(shè)定值，且Tc>1，則令Et=|Es—Eb|，即對溫度PID調(diào)節(jié)來說，誤差Er輸入為零，這時溫度PID則停止調(diào)節(jié)，讓溫度自動上升，達到設(shè)定值。反之亦然。

4 結(jié) 語
    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(tǒng)。通過該系統(tǒng)滿足了手術(shù)室對溫濕度控制要求，最大程度地避免了過沖現(xiàn)象，提高了整個系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性。