化學實驗室變風量通風自控系統

韓君輝 孫婷

摘要 針對化學實驗樓變風量通風控制系統普遍存在的：結構復雜、檢測傳感器價格貴、系統故障點多、維護成本高的問題，提出了根據各個通風柜柜門處于不同開度時所需排風量的變化，通過變頻方式實時調整排風風機的轉速，滿足通風柜面風風速保持在0.5m/s±20%的需求，同時通過變頻方式調整新風風機的轉速，實時向實驗室房間內送風，使室內風壓保持在-lOPa至-6Pa之間的解決方案。經過在多個化學實驗樓的實際應用，取得了很好的控制效果，并有效的節約了能源。

【關鍵詞】變風量控制 實驗室通風 變頻技術

1 引言

實驗室通風控制不僅要使通風柜的排風量滿足0.5m/s±20%面風風速的需求，還要使實驗室室內保持在微負壓-lOPa至-6Pa狀態，以免污染氣體、煙塵外泄污染環境和室內正、負風壓過大造成氣流。所以，實驗室通風系統需要實時對新風風量、排風風量進行調整。

通風柜面風風速要求保持在0.5m/s±20%，對測量儀器精度要求高，并且難以準確測量。采用通風柜出風口排風閥的開度來控制排風量，即不節能又難以實現。由于大部分實驗室不是完全密閉的空間，對室內空氣微負壓狀態難以準確測量，所以也無法準確調整新風風量。

本方案通過對通風柜所需風量的準確計算計量，采用變頻調控技術調整新風、排風風機轉速，并通過控制程序對控制方式等多個參數進行調整，實現了對各種工況的實驗室通風系統進行變風量控制，既能達到國家對通風柜、實驗室通風標準的要求，又實現了節能的目的。

2 系統組成

本系統由新風風機、新風風機變頻控制柜、新風系統中心控制單元、新風風道電動調節閥門、新風風速傳感器、房間控制單元、通風柜啟停開關、通風柜柜門開閉狀態傳感器、排風風道電動調節閥門、排風風速傳感器、排風系統中心控制單元、排風風機變頻控制柜、排風風機組成。見圖1。

2.1 房間控制單元

位于各間實驗室內，房間控制單元由單片機電路、三組4-20mA信號輸入電路、二組電動調節閥控制電路、二組485信號輸入輸出電路、一組開關信號輸入電路、一組人機界面電路組成。

分別與本實驗室內的新風風速傳感器、排風風速傳感器、通風柜柜門開閉狀態傳感器、通風柜啟停開關相連。

通過外置人機界面可進行參數設定、程序調整。

房間控制單元通過數據總線將新（排）風風速傳感器、新（排）風風道電動調節閥門、通風柜啟停開關的數據，傳輸至對應新（排）風系統中心控制單元。見圖2。

2.2 新（排）系統中心控制單元

位于中心控制室，由單片機電路、一組4-20mA信號輸出電路、二組485信號輸入輸出電路、一組RJ45計算機網絡信號輸出電路、一組與計算機相連電路、一組人機界面電路組成。

中心控制單元通過數據總線與一個或多個房間控制單元、新（排）風風機變頻控制柜相連。根據房間控制單元提供的數據，通過控制線對新（排）風風機變頻控制柜發出控制指令，實現對實驗室排風系統的變風量控制。可通過人機界面接收、編制控制程序和數據，并可與計算機網絡連接，實現數據遠傳。見圖3。

3 控制策略

當通風柜開啟時，房間控制單元向對應的新風和排風風道電動調節閥門發出開啟的信號，并實時將對應的新風和排風風道電動調節閥門的狀態傳輸到對應的中心控制單元;同時檢測通風柜柜門開閉狀態傳感器傳來的通風柜門開啟高度H1，根據通風櫥寬度為L1，計算出通風柜柜門開啟通風截面面積為S=HixLi，從而計算出保持通風櫥面風風速為0.5m/s時的每秒需排風體積為V1=Sx0.5m/s。該通風柜排風風道的截面積為S1，根據公式v1=Vl÷S1計算出排風風速v1，房間控制單元將該信號傳輸到對應中心控制單元，當中心控制單元檢測到排風風道電動調節閥門的開到位信號后，向對應的排風風機變頻控制柜發出控制信號，調整排風風機轉速，使該通風柜排風風道風速保持在v1。

當多間實驗室由同一臺排風風機排風時，房間控制單元可對排風電動調節閥的開度進行調整，消除距排風風機位置不同、風道管徑不同帶來的排風量的影響。也可在中心控制單元向對應變頻器發出排風風機恒定轉速運行指令的情況下，房間控制單元通過對排風風道電動調節閥開度的調整，滿足排風風道風速保持在u1的要求。

房間控制單元根據排風風量V1，實驗室新風風道截面積S2，計算出所需送風風速為u2= （V1Xx%）÷S2，x%為所需新風量與排風量的比例系數，該系數可以通過人機界面在房間控制單元中進行調整，數值范圍為0%-100%。房間控制單元將u2數值傳輸到對應中心控制單元。當中心控制單元檢測到新風風道電動調節閥門開度信號后，中心控制單元按照程序通過對對應新風風機變頻控制柜發出控制信號，調整新風風機轉速，使該實驗室新風風道風速保持在u2。

當多間實驗室由同一臺新風風機送風時，房間控制單元可對新風風道電動調節閥的開度進行調整，消除距新風風機位置不同、風道管徑不同帶來的送風量的影響。也可在中心控制單元向對應變頻器發出新風風機恒定轉速下運行指令的情況下，房間控制單元通過對新風風道電動調節閥開度的調整，滿足新風風道風速保持在u2的要求。

當通風柜關閉時，房間控制單元向對應的新風和排風風道電動調節閥門發出關閉的信號，同時向對應的中心控制單元發出通風柜關閉的信號，中心控制單元即設置所需的排風風速u1為Om/s、新風風速u2為Om/s。當收到新風和排風風道電動調節閥門關到位信號時，在系統顯示為該電動調節閥門正常關閉，該通風柜正常關閉。

如果新風或排風風道電動調節閥門在接到開啟、關閉指令30秒內，未向房間控制單元發送閥門的開、關到位信號，房間控制單元、中心控制單元分別發出故障信息。

多個房間控制單元通過數據線與中心控制單元、該中心控制單元所對應的新風風機變頻控制柜或排風風機變頻控制柜相連，可實現對多間實驗室通風系統的變風量控制。

本方案支持根據實際需求減少風速傳感器的數量，在一些控制精度需求不高的場所，可只在新（排）風總入（出）風口處設置一個風速傳感器，根據風道截面積和額定風速值計算出入（出）風口所需達到的風速，通過變頻器對風機轉速進行調整，使進、排風量滿足通風系統的需求。

當北方冬季需要對新風進行加熱時，系統可以依據新風溫度對新風風量、風速進行調控，在保證室溫的前提下，運行通風系統。

4 結論

本方案已實際應用于多個化學專業實驗樓的變風量通風自動化控制中，通過準確的調控、靈活可變的控制方式，滿足了不同工況的需求，實現了成本低、故障率低、能耗低、控制精確率高、適應度高的目標。