多區域廠房空調系統控制策略的設計與實施

石立岸 胡振義 黃 誠 劉愛倫

(上海工業自動化儀表研究院1，上海 200233;華東理工大學信息科學與工程學院2，上海 200237)

0 引言

廠房空調系統的目的是創造一個合適的室內大氣環境，保證室內大氣環境滿足生產工藝過程或科學研究實驗過程的需要［1］。現代廠房往往被分成多個區域，各個區域的服務對象和功能都不相同，往往需要采用一套空調系統來保障廠房各區域環境品質。

目前，廠房空調大多采用全負荷設計方法，而在空調使用的大部分時間里空調系統實際是處于部分負荷的狀況。因此，可對空調控制系統進行改善，使其既能更好地跟蹤負荷變化，又能減少“空轉”帶來的能量浪費。所以研究控制策略在多區域廠房空調系統中的應用具有重要的意義。

本文以某測試廠房空調控制系統的設計為研究背景，論述了多區域廠房空調控制系統具體的設計方法和控制策略的實施過程，并通過相應的工程實踐，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、測試、檢查等工作提供保障，廠房是一個多區域的環境對象，分為測試廳A號廳、裝配間B號廳和存放區C號廳三個獨立區域。

這三個廳空間大小不一并為不同測試任務服務，都需維持一定的溫濕度和潔凈度等指標來保障測試任務的順利完成。設計實施的控制系統既要滿足不同工況下三個大廳的環境品質要求，又要保障測試任務中的技術人員和裝備安全;同時控制系統還要完成對空調末端裝置和空調機組的控制，實現室內環境品質的控制，從而滿足廠房各區域負荷變化。

根據廠房多區域的特性，設計了廠房空調系統。該系統主要包括室外新風機組和全空氣組合空調機組。新風機組引入新風有利于提高空氣品質，節約能耗。全空氣組合空調機組由新風段、初效過濾段、回風機段、加熱段、表冷段、加濕段、送風機段、消聲段、中效過濾段和送風段等組成。新風首先經過新風機組處理后與回風混合，經過組合空調機組處理后，再通過三個送風閥分別送往相應的三個區域。

廠房空調處理流程如圖1所示。

圖1 空調處理流程圖Fig.1 Flowchart of air conditioning process

2 控制策略設計

空氣調節的原理是通過向空調房間輸送足夠量的、經過一定處理的空氣，用以消除室內的余熱和余濕負荷。本系統設計思路是恒定送風的溫濕度(可調參數，方便再設定)，通過改變風量的方法維持室內所需要的溫度和濕度。恒定送風溫濕度通過綜合控制表冷器調節閥、控制電加熱器和電加濕器投入功率等方式來實現。在此主要介紹風量調節部分，包括新風控制、末端送風閥控制和系統風量協調控制。

2.1 新風控制策略

新風機組主要完成新風處理和新風量控制。新風處理的目的是初步處理新風，可分為夏季進風處理和冬季進風處理，新風量控制通過焓差控制。焓差控制的目的在于充分回收回風能量和利用新風能量，從而節約能源。在新風口和回風口放置溫濕度傳感器，并設計程序計算新風焓和回風焓，判別室內外焓值差。不同工況采用不同的控制策略，新風量控制方法如表1所示。

表1 新風量控制方法Tab.1 Fresh air volume control

表1中:hf為新風焓;hr為回風焓。

焓值的計算公式如下:

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得空氣溫度和含濕量，然后通過編制運算程序就可得到空氣焓值。

根據環境溫度和露點等參數，判斷具體工況。當設定露點小于環境露點、設定溫度小于環境溫度時，為夏季工況;當設定露點大于環境露點、設定溫度大于環境溫度時，為冬季工況;其余情況屬于過渡工況。露點計算公式為:

式中:T為當前溫度值;EW為飽和水蒸氣壓力;RH為相對濕度值;Dp為露點溫度［3］。

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

2.2 末端送風閥控制策略

末端送風閥控制的目的是調整風閥開度控制風量，從而控制室內溫度。在三個大廳的送風通道上都設有一個送風閥，其根據所在大廳的溫度狀況來調整風閥的開度，并相應改變送入房間的風量，從而達到控制室內溫度的目的。PID控制器根據設定溫度和實際溫度的偏差調整風閥開度，從而改變進入大廳的風量，由此不斷修正實際溫度和設定溫度的偏差。室內溫度控制回路如圖2所示。

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

2.3 風量協調控制策略

風量協調控制主要通過控制風機轉速控制系統總風量，三個大廳的送風閥控制進入各大廳的一次風量。當空調區域負荷減小或末端送風閥一次風量減少時，控制器依照某種系統風量控制方法減少系統風量;反之，當空調區域負荷增加或末端送風閥一次風量增加時，控制器將增大系統風量。

由于風道上的靜壓值與總風量存在對應關系，在風道上設立風壓測定點［3－4］，從而建立三個送風閥狀態和風機轉速之間的關系。當閥門全開時，說明系統風量不足，需要增大靜壓設定值(風機轉速)以保證系統總風量;當有多個閥門全開時，可以快速增大靜壓值(風機轉速)以使系統盡快達到要求風量。當大部分閥門開度較小時，說明總風量過大，需要減小靜壓值，(風機轉速)從而保證最佳的節能性。模糊控制思想理論上可以更好地逼近系統閥門狀態和系統最小靜壓值(風機轉速)的關系。變靜壓模糊控制框圖如圖3所示，三個送風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

本系統模糊控制器設計如下。

①確定模糊輸入量和輸出量

本系統的輸入量為三個送風閥的閥門開度，論域為(0，1);輸出為靜壓增量值，論域為(－1，1)。輸入輸出量化因子根據實際尺度進行變換。

②輸入輸出隸屬度函數

隸屬度函數是模糊集合應用于實際控制的基礎，正確構造隸屬度函數是能否用好模糊控制的關鍵。目前常用的隸屬度函數有梯形和三角形等幾種［5］。為便于推理，本系統選取三角形。輸入風閥開度模糊子集為(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。具體的風閥開度隸屬度函數如圖4所示。

圖4 風閥開度隸屬度函數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如圖5所示。

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

③模糊控制規則

模糊控制規則的實質是將操作人員的控制經驗加以總結而得到的若干條模糊條件語句。

當三個送風閥只有一個閥門開度很大時，說明總風量不夠，需要增加風機轉速;當三個送風閥閥門開度都比較適中時，說明總風量適合;當三個送風閥只有一個閥門開度很小時，就說明總風量太大，需要適當減小風機轉速，由此確定系統風量控制模糊規則如表2所示。

表2 模糊規則表Tab.2 Fuzzy rules

④模糊推理及解模糊化

根據上述模糊規則便可作模糊推理，經模糊推理后得到一個模糊的集合，而實際控制必須要求控制量是精確值，所以必須對模糊輸出量進行去模糊化處理。常用的方法有重心法、最大隸屬度法和加權平均法等，在此采用最大隸屬度法［6］。

3 控制策略實施方案及效果

在控制策略實施過程中，首先由溫濕度傳感器采集新風、回風以及三個大廳的溫濕度，并將它們轉換為4～20 mA電信號。各個風閥都選用帶有閥位反饋(電阻值反饋)的風閥執行器，通過硬接線方式傳遞給PLC系統的模擬量輸入模塊(AI)，再通過Profibus傳遞給CPU;最后通過以太網傳遞給上位機，上位機記錄和顯示采集值。同時，溫濕度值、閥位值將在PLC程序中進行工況判斷以及各種控制策略的計算并算出控制量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場風閥執行器或變頻器，從而實現空調系統的控制策略［7］。

采用S7-300 PLC實現模糊算法，歸納起來有以下兩種方法。

①使用西門子開發的S7模糊控制軟件包。該軟件包包含了控制塊(FB)、數據塊(背景數據塊)以及配套用戶界面友好的組態工具。使用該軟件包開發模糊算法的優點是組態容易、開發周期短，但是需要購買軟件包，成本較高。

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

本設計采用后者。A大廳的溫度要求是25℃，誤差在1 K內;濕度要求是45%，誤差在5%內。A大廳溫濕度實時曲線如圖6所示。

圖6 溫濕度實時趨勢圖Fig.6 Real-time trends of temperature and humidity

由圖6可知，實施效果達到預定要求，其他兩個大廳的溫濕度也符合要求。因此，本文所述的控制策略實施效果能夠基本達到廠房環境品質要求。

4 結束語

本文論述了新風控制策略、末端風閥控制策略及風量協調控制策略，重點論述的風量協調控制策略將模糊控制與PID調節相結合，實現了三個大廳的室內溫濕度控制回路與變靜壓調節的總風量控制回路協調。這樣既保證了三個大廳的溫濕度要求，又使得總風量的供給得以更加合理。該文論述了多區域廠房空調系統控制策略的設計思想和運用西門子S7-300 PLC編程實現的方法。該控制方法既能保證控制品質，又具有節能意義，可推廣到其他相類似多區域空調系統中［8－9］。

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