多區(qū)域廠房空調(diào)系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)與實(shí)施

石立岸 胡振義 黃 誠(chéng) 劉愛倫

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院1，上海 200233;華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院2，上海 200237)

0 引言

廠房空調(diào)系統(tǒng)的目的是創(chuàng)造一個(gè)合適的室內(nèi)大氣環(huán)境，保證室內(nèi)大氣環(huán)境滿足生產(chǎn)工藝過程或科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)過程的需要［1］。現(xiàn)代廠房往往被分成多個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域的服務(wù)對(duì)象和功能都不相同，往往需要采用一套空調(diào)系統(tǒng)來保障廠房各區(qū)域環(huán)境品質(zhì)。

目前，廠房空調(diào)大多采用全負(fù)荷設(shè)計(jì)方法，而在空調(diào)使用的大部分時(shí)間里空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際是處于部分負(fù)荷的狀況。因此，可對(duì)空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改善，使其既能更好地跟蹤負(fù)荷變化，又能減少“空轉(zhuǎn)”帶來的能量浪費(fèi)。所以研究控制策略在多區(qū)域廠房空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的意義。

本文以某測(cè)試廠房空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為研究背景，論述了多區(qū)域廠房空調(diào)控制系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)方法和控制策略的實(shí)施過程，并通過相應(yīng)的工程實(shí)踐，證明了該控制策略的有效性。

1 工程概況

某廠房為重型裝備存放、測(cè)試、檢查等工作提供保障，廠房是一個(gè)多區(qū)域的環(huán)境對(duì)象，分為測(cè)試廳A號(hào)廳、裝配間B號(hào)廳和存放區(qū)C號(hào)廳三個(gè)獨(dú)立區(qū)域。

這三個(gè)廳空間大小不一并為不同測(cè)試任務(wù)服務(wù)，都需維持一定的溫濕度和潔凈度等指標(biāo)來保障測(cè)試任務(wù)的順利完成。設(shè)計(jì)實(shí)施的控制系統(tǒng)既要滿足不同工況下三個(gè)大廳的環(huán)境品質(zhì)要求，又要保障測(cè)試任務(wù)中的技術(shù)人員和裝備安全;同時(shí)控制系統(tǒng)還要完成對(duì)空調(diào)末端裝置和空調(diào)機(jī)組的控制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)的控制，從而滿足廠房各區(qū)域負(fù)荷變化。

根據(jù)廠房多區(qū)域的特性，設(shè)計(jì)了廠房空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括室外新風(fēng)機(jī)組和全空氣組合空調(diào)機(jī)組。新風(fēng)機(jī)組引入新風(fēng)有利于提高空氣品質(zhì)，節(jié)約能耗。全空氣組合空調(diào)機(jī)組由新風(fēng)段、初效過濾段、回風(fēng)機(jī)段、加熱段、表冷段、加濕段、送風(fēng)機(jī)段、消聲段、中效過濾段和送風(fēng)段等組成。新風(fēng)首先經(jīng)過新風(fēng)機(jī)組處理后與回風(fēng)混合，經(jīng)過組合空調(diào)機(jī)組處理后，再通過三個(gè)送風(fēng)閥分別送往相應(yīng)的三個(gè)區(qū)域。

廠房空調(diào)處理流程如圖1所示。

圖1 空調(diào)處理流程圖Fig.1 Flowchart of air conditioning process

2 控制策略設(shè)計(jì)

空氣調(diào)節(jié)的原理是通過向空調(diào)房間輸送足夠量的、經(jīng)過一定處理的空氣，用以消除室內(nèi)的余熱和余濕負(fù)荷。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是恒定送風(fēng)的溫濕度(可調(diào)參數(shù)，方便再設(shè)定)，通過改變風(fēng)量的方法維持室內(nèi)所需要的溫度和濕度。恒定送風(fēng)溫濕度通過綜合控制表冷器調(diào)節(jié)閥、控制電加熱器和電加濕器投入功率等方式來實(shí)現(xiàn)。在此主要介紹風(fēng)量調(diào)節(jié)部分，包括新風(fēng)控制、末端送風(fēng)閥控制和系統(tǒng)風(fēng)量協(xié)調(diào)控制。

2.1 新風(fēng)控制策略

新風(fēng)機(jī)組主要完成新風(fēng)處理和新風(fēng)量控制。新風(fēng)處理的目的是初步處理新風(fēng)，可分為夏季進(jìn)風(fēng)處理和冬季進(jìn)風(fēng)處理，新風(fēng)量控制通過焓差控制。焓差控制的目的在于充分回收回風(fēng)能量和利用新風(fēng)能量，從而節(jié)約能源。在新風(fēng)口和回風(fēng)口放置溫濕度傳感器，并設(shè)計(jì)程序計(jì)算新風(fēng)焓和回風(fēng)焓，判別室內(nèi)外焓值差。不同工況采用不同的控制策略，新風(fēng)量控制方法如表1所示。

表1 新風(fēng)量控制方法Tab.1 Fresh air volume control

表1中:hf為新風(fēng)焓;hr為回風(fēng)焓。

焓值的計(jì)算公式如下:

式中:t為空氣溫度，℃;d為空氣含濕量，g/g;h為空氣焓值，kJ/kg［2］。

由式(1)可知，通過溫濕度傳感器測(cè)得空氣溫度和含濕量，然后通過編制運(yùn)算程序就可得到空氣焓值。

根據(jù)環(huán)境溫度和露點(diǎn)等參數(shù)，判斷具體工況。當(dāng)設(shè)定露點(diǎn)小于環(huán)境露點(diǎn)、設(shè)定溫度小于環(huán)境溫度時(shí)，為夏季工況;當(dāng)設(shè)定露點(diǎn)大于環(huán)境露點(diǎn)、設(shè)定溫度大于環(huán)境溫度時(shí)，為冬季工況;其余情況屬于過渡工況。露點(diǎn)計(jì)算公式為:

式中:T為當(dāng)前溫度值;EW為飽和水蒸氣壓力;RH為相對(duì)濕度值;Dp為露點(diǎn)溫度［3］。

由式(2)可知，通過溫度值和相對(duì)濕度值可計(jì)算得到飽和水蒸氣壓力;然后通過式(3)得到露點(diǎn)溫度。

2.2 末端送風(fēng)閥控制策略

末端送風(fēng)閥控制的目的是調(diào)整風(fēng)閥開度控制風(fēng)量，從而控制室內(nèi)溫度。在三個(gè)大廳的送風(fēng)通道上都設(shè)有一個(gè)送風(fēng)閥，其根據(jù)所在大廳的溫度狀況來調(diào)整風(fēng)閥的開度，并相應(yīng)改變送入房間的風(fēng)量，從而達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的。PID控制器根據(jù)設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的偏差調(diào)整風(fēng)閥開度，從而改變進(jìn)入大廳的風(fēng)量，由此不斷修正實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的偏差。室內(nèi)溫度控制回路如圖2所示。

圖2 室內(nèi)溫度控制框圖Fig.2 Block diagram of indoor temperature control

2.3 風(fēng)量協(xié)調(diào)控制策略

風(fēng)量協(xié)調(diào)控制主要通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)總風(fēng)量，三個(gè)大廳的送風(fēng)閥控制進(jìn)入各大廳的一次風(fēng)量。當(dāng)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷減小或末端送風(fēng)閥一次風(fēng)量減少時(shí)，控制器依照某種系統(tǒng)風(fēng)量控制方法減少系統(tǒng)風(fēng)量;反之，當(dāng)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷增加或末端送風(fēng)閥一次風(fēng)量增加時(shí)，控制器將增大系統(tǒng)風(fēng)量。

由于風(fēng)道上的靜壓值與總風(fēng)量存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，在風(fēng)道上設(shè)立風(fēng)壓測(cè)定點(diǎn)［3－4］，從而建立三個(gè)送風(fēng)閥狀態(tài)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當(dāng)閥門全開時(shí)，說明系統(tǒng)風(fēng)量不足，需要增大靜壓設(shè)定值(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)以保證系統(tǒng)總風(fēng)量;當(dāng)有多個(gè)閥門全開時(shí)，可以快速增大靜壓值(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)以使系統(tǒng)盡快達(dá)到要求風(fēng)量。當(dāng)大部分閥門開度較小時(shí)，說明總風(fēng)量過大，需要減小靜壓值，(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)從而保證最佳的節(jié)能性。模糊控制思想理論上可以更好地逼近系統(tǒng)閥門狀態(tài)和系統(tǒng)最小靜壓值(風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)的關(guān)系。變靜壓模糊控制框圖如圖3所示，三個(gè)送風(fēng)閥開度分別為模糊控制器的輸入，輸出為靜壓增量值。

圖3 變靜壓模糊控制框圖Fig.3 Block diagram of variable static pressure fuzzy control

本系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)如下。

①確定模糊輸入量和輸出量

本系統(tǒng)的輸入量為三個(gè)送風(fēng)閥的閥門開度，論域?yàn)?0，1);輸出為靜壓增量值，論域?yàn)?－1，1)。輸入輸出量化因子根據(jù)實(shí)際尺度進(jìn)行變換。

②輸入輸出隸屬度函數(shù)

隸屬度函數(shù)是模糊集合應(yīng)用于實(shí)際控制的基礎(chǔ)，正確構(gòu)造隸屬度函數(shù)是能否用好模糊控制的關(guān)鍵。目前常用的隸屬度函數(shù)有梯形和三角形等幾種［5］。為便于推理，本系統(tǒng)選取三角形。輸入風(fēng)閥開度模糊子集為(S，M，B)，分別表示閥門開度過小、開度適中和開度過大三種情況。具體的風(fēng)閥開度隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 風(fēng)閥開度隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership function of the air valve opening

輸出靜壓增量值模糊子集為(N、Z、P)，分別表示減小靜壓、靜壓適中和增大靜壓三種情況，具體的輸出靜壓增量值隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 靜壓增量值隸屬度函數(shù)Fig.5 Membership function of the incremental value of static pressure

③模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則的實(shí)質(zhì)是將操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而得到的若干條模糊條件語(yǔ)句。

當(dāng)三個(gè)送風(fēng)閥只有一個(gè)閥門開度很大時(shí)，說明總風(fēng)量不夠，需要增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速;當(dāng)三個(gè)送風(fēng)閥閥門開度都比較適中時(shí)，說明總風(fēng)量適合;當(dāng)三個(gè)送風(fēng)閥只有一個(gè)閥門開度很小時(shí)，就說明總風(fēng)量太大，需要適當(dāng)減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，由此確定系統(tǒng)風(fēng)量控制模糊規(guī)則如表2所示。

表2 模糊規(guī)則表Tab.2 Fuzzy rules

④模糊推理及解模糊化

根據(jù)上述模糊規(guī)則便可作模糊推理，經(jīng)模糊推理后得到一個(gè)模糊的集合，而實(shí)際控制必須要求控制量是精確值，所以必須對(duì)模糊輸出量進(jìn)行去模糊化處理。常用的方法有重心法、最大隸屬度法和加權(quán)平均法等，在此采用最大隸屬度法［6］。

3 控制策略實(shí)施方案及效果

在控制策略實(shí)施過程中，首先由溫濕度傳感器采集新風(fēng)、回風(fēng)以及三個(gè)大廳的溫濕度，并將它們轉(zhuǎn)換為4～20 mA電信號(hào)。各個(gè)風(fēng)閥都選用帶有閥位反饋(電阻值反饋)的風(fēng)閥執(zhí)行器，通過硬接線方式傳遞給PLC系統(tǒng)的模擬量輸入模塊(AI)，再通過Profibus傳遞給CPU;最后通過以太網(wǎng)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)記錄和顯示采集值。同時(shí)，溫濕度值、閥位值將在PLC程序中進(jìn)行工況判斷以及各種控制策略的計(jì)算并算出控制量U(t)。控制量將通過模擬量輸出模塊(AO)，通過硬接線方式傳遞給現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)閥執(zhí)行器或變頻器，從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的控制策略［7］。

采用S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)模糊算法，歸納起來有以下兩種方法。

①使用西門子開發(fā)的S7模糊控制軟件包。該軟件包包含了控制塊(FB)、數(shù)據(jù)塊(背景數(shù)據(jù)塊)以及配套用戶界面友好的組態(tài)工具。使用該軟件包開發(fā)模糊算法的優(yōu)點(diǎn)是組態(tài)容易、開發(fā)周期短，但是需要購(gòu)買軟件包，成本較高。

②自己開發(fā)模糊控制模塊。這種方法的難點(diǎn)是編程工作量比較大，但可以降低購(gòu)買工具包軟件的成本。

本設(shè)計(jì)采用后者。A大廳的溫度要求是25℃，誤差在1 K內(nèi);濕度要求是45%，誤差在5%內(nèi)。A大廳溫濕度實(shí)時(shí)曲線如圖6所示。

圖6 溫濕度實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖Fig.6 Real-time trends of temperature and humidity

由圖6可知，實(shí)施效果達(dá)到預(yù)定要求，其他兩個(gè)大廳的溫濕度也符合要求。因此，本文所述的控制策略實(shí)施效果能夠基本達(dá)到廠房環(huán)境品質(zhì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了新風(fēng)控制策略、末端風(fēng)閥控制策略及風(fēng)量協(xié)調(diào)控制策略，重點(diǎn)論述的風(fēng)量協(xié)調(diào)控制策略將模糊控制與PID調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)大廳的室內(nèi)溫濕度控制回路與變靜壓調(diào)節(jié)的總風(fēng)量控制回路協(xié)調(diào)。這樣既保證了三個(gè)大廳的溫濕度要求，又使得總風(fēng)量的供給得以更加合理。該文論述了多區(qū)域廠房空調(diào)系統(tǒng)控制策略的設(shè)計(jì)思想和運(yùn)用西門子S7-300 PLC編程實(shí)現(xiàn)的方法。該控制方法既能保證控制品質(zhì)，又具有節(jié)能意義，可推廣到其他相類似多區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)中［8－9］。

［1］俞炳豐.中央空調(diào)新技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］余躍進(jìn).中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2007.

［3］魏海波.基于PLC的潔凈廠房空氣處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(10):76 －78.

［4］趙相彬.VAV空調(diào)系統(tǒng)的變靜壓控制和研究方法［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(6):17 －19.

［5］俞金壽.工業(yè)過程先進(jìn)控制技術(shù)［M］.上海:華東理工大學(xué)出版社，2008.

［6］李峰.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的模糊控制［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(4):261－263.

［7］張涇周.模糊自適應(yīng)PID控制的研究及應(yīng)用仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2009(9):132 －135.

［8］梁艷妮黃運(yùn)生.軟熔性能測(cè)試過程智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30(2):55 －57，60.

［9］潘健，劉斌，陳剛.基于Active－X技術(shù)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)［J］.控制工程，2008，15(1):61 －63.