大空間工業(yè)廠房車間AHU群控控制策略及程序?qū)崿F(xiàn)

朱海明，肖 浩

（廣東招商綜合設(shè)施運營服務(wù)有限公司，廣東東莞523808）

1 概述

群控算法多用于機電系統(tǒng)控制，包括電梯、空調(diào)等包含多臺的設(shè)備的設(shè)施設(shè)備自控系統(tǒng)均需要自控群控邏輯的實現(xiàn)。目前中央空調(diào)的群控主要集中于冷源側(cè)，主要是冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的集中優(yōu)化控制，而且由于冷水機組具有控制部件即控制面板，可以實現(xiàn)單機自動啟停、負荷率限制等單機控制邏輯，因而在冷源側(cè)的控制比較成熟。而對于商場、醫(yī)院、寫字樓等空調(diào)系統(tǒng)往往采用了一拖多的方式，即由單臺組合式空調(diào)或新風(fēng)機組送入到各個區(qū)域進行一對多的控制，一般情況下機組不會對風(fēng)機啟停邏輯進行設(shè)置，其啟停往往根據(jù)用戶需求或是運營計劃進行人為啟停設(shè)置。在某些大型的工業(yè)廠房則相反，是多臺組合式空調(diào)風(fēng)柜 （AHU）同時對同一個區(qū)域進行溫度控制，因而是多對一的控制，但往往機組自帶的控制系統(tǒng)沿用傳統(tǒng)的控制邏輯，不具備風(fēng)機自動啟停及多臺AHU集群控制功能。本文以某電池廠車間為例，研究在該場景下如何實現(xiàn)該類AHU的集群控制，并提出可實現(xiàn)的控制邏輯。

圖1 后工序AHU分布圖

2 項目基本情況介紹

本文中電子廠房采用吊頂式AHU進行溫度控制，溫度控制范圍為22～26℃，濕度范圍45%～75%。本文分析對象為某電池生產(chǎn)廠房四樓北后工序車間，該車間與參觀通道及樓梯相連，非密封空間。圖示中的潔凈房為密封空間，不在本文研究范圍內(nèi)，AHU包括P01～P24及S06～S09一共28臺AHU。AHU分成5個區(qū)域進行區(qū)域溫度控制，包括P01～P06，P07～P12，P13～P18，P19～P24，S06～S09，現(xiàn)有的AHU控制方式為單機控制：冷凍水閥根據(jù)室內(nèi)溫度反饋值進行控制，其他如風(fēng)機頻率、風(fēng)閥無自動控制邏輯，均需要通過人為在控制面板進行手動設(shè)置。

由于自動控制邏輯太簡單，造成目前車間的正壓、溫度無法精準(zhǔn)控制，需要對整棟廠房的AHU進行控制，現(xiàn)在設(shè)施管理服務(wù)公司每天要安排2人專門對整棟廠房共169臺AHU進行抄表并進行調(diào)整，且每天只能抄兩個班次，無法實現(xiàn)精確控制。同時，溫度控制失衡也是較為普遍的現(xiàn)象，由于局部熱負荷不一致，造成局部區(qū)域的空調(diào)溫度過低，車間內(nèi)部熱量分布不均衡。通過檢測，在人工操作的情況下，由于生產(chǎn)計劃變化、晝夜溫差變化，室外新風(fēng)引入等因素影響，會存在機組多開或者少開的情況，局部溫度存在失衡的現(xiàn)象。如下圖為后工序溫度檢測數(shù)據(jù)，通過對整個車間進行網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格測試一個溫度點，其中橫向分為X1～X12共12個點，縱向分為Y1～Y4 4個點。從測試數(shù)據(jù)曲線可以看到，由于生產(chǎn)計劃改變，未能及時開啟機組使得局部溫度達到了28℃以上，而在后工序目檢工序段，則由于機組臺數(shù)多開造成室外低溫新風(fēng)引入過多而溫度過低，最低達到了21℃。

圖2 后工序車間溫度分布

3 控制策略及控制邏輯

基于以上現(xiàn)狀分析，若采用溫度目標(biāo)控制，則風(fēng)柜可能會通過水閥的無限降低，造成機組風(fēng)機電量的損耗，而此時完全可以通過直接關(guān)停一臺機組來實現(xiàn)溫度控制。為實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制，從自動控制方面實現(xiàn)AHU機組的臺數(shù)控制及自動啟停，本文提出以下控制邏輯：

（1）機組臺數(shù)控制 （關(guān)機邏輯）：

當(dāng)平均水閥開度低于40% （可設(shè)定）且持續(xù)10min（可設(shè)定）時，關(guān)閉水閥開度最小的機組，等待30分鐘 （可設(shè)定），當(dāng)水閥仍然低于40%時，按照上述邏輯繼續(xù)關(guān)閉，直至最小關(guān)閉臺數(shù) （可設(shè)定）。關(guān)機依次關(guān)閉對應(yīng)的風(fēng)機、水閥，新風(fēng)閥、回風(fēng)閥。

（2）機組臺數(shù)控制 （開機邏輯）：

當(dāng)平均水閥開度高于95% （可設(shè)定）且持續(xù)10min（可設(shè)定）時，開啟總開機時長最短的機組，等待30分鐘 （可設(shè)定），當(dāng)水閥仍然高于95%時，按照上述邏輯繼續(xù)開啟，直至全部開啟。開機時依次開啟對應(yīng)的回風(fēng)閥、新風(fēng)閥、水閥、風(fēng)機。

（3）全新風(fēng)模式控制邏輯：

過渡季節(jié)或冬季當(dāng)室外空氣焓值低于 ［室內(nèi)空氣焓值-1kJ／kg（可設(shè)定）］時，切換為全新風(fēng)模式，所有機組新風(fēng)閥開啟度為100% （可設(shè)定），回風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)至最小值20% （可設(shè)定，滿足室內(nèi)氣流組織及空氣品質(zhì)要求為前提）。

新風(fēng)模式下，由于室外新風(fēng)溫度低，造成的室內(nèi)低溫情況可通過本專利的機組臺數(shù)控制邏輯解決，當(dāng)溫度低時，機組水閥開度降低，從而觸發(fā)機組關(guān)停。

（4）制冷模式／全新風(fēng)模式新風(fēng)控制：

當(dāng)室外空氣焓值高于 ［室內(nèi)空氣焓值＋1kJ／kg（可設(shè)定）］時，切換為制冷模式。

夏季新風(fēng)開度根據(jù)室內(nèi)正壓反饋值及CO2檢測濃度進行控制，需要同時滿足室內(nèi)正壓最低要求（可設(shè)定）及低于 CO2濃度上限900ppm（可設(shè)定）。當(dāng)正壓高于設(shè)定值及CO2濃度低于設(shè)定值時，則減小所有新風(fēng)閥開度，反之，當(dāng)正壓低于設(shè)定值或CO2濃度高于設(shè)定值時，則加大所有新風(fēng)閥開度。

（5）制冷模式單機自動控制：

水閥控制：開機狀態(tài)下，根據(jù)室內(nèi)回風(fēng)溫度（可設(shè)定）控制冷凍水水閥開度。

風(fēng)機頻率控制：根據(jù)送回風(fēng)溫差 （8℃，可設(shè)定）進行所有風(fēng)機頻率自動控制。

新風(fēng)閥控制：根據(jù)室內(nèi)CO2濃度反饋值與CO2濃度設(shè)定值偏差PID控制所有新風(fēng)閥開度，當(dāng)新風(fēng)閥減小至室內(nèi)正壓設(shè)定值下限時，新風(fēng)閥開度保持不變。

回風(fēng)閥控制：回風(fēng)閥開度＝100-新風(fēng)閥開度。

局部熱負荷過高的處理辦法：當(dāng)出現(xiàn)局部熱負荷過高的情況時，提供手自動切換程序，可將單臺機組從群控程序中獨立出來進行單機自動控制。

4 控制程序?qū)崿F(xiàn)

本文采用LabVIEW軟件進行控制程序開發(fā)，程序的實現(xiàn)主要包括以下幾個模塊，主要程序塊包括了單機控制及加減機臺數(shù)控制，單機控制模塊主要包括機組啟停及全新風(fēng)／制冷模式下的切換及控制邏輯 （圖3所示為主要的控制邏輯流程圖）：

圖3 全新風(fēng)／制冷模式下的切換及控制邏輯

4.1 單機控制模塊

1）機組啟停：

機組啟停接收兩種情況啟動，第一種為程序設(shè)置的強制啟動模式，一種為機組臺數(shù)控制程序觸發(fā)的開停機信號。停機模式時給出停機狀態(tài)的閥門關(guān)閉開度終值，例如關(guān)機狀態(tài)設(shè)定新風(fēng)閥全關(guān)，冷凍水閥門全關(guān)，回風(fēng)閥保持50%開啟。

2）參數(shù)輪詢：

通過While Loop循環(huán)＋定時等待實現(xiàn)參數(shù)輪詢。

3）全新風(fēng)／制冷模式切換：

通過室內(nèi)外溫濕度計算焓值實現(xiàn)模式切換。

4）風(fēng)機頻率控制：

通過送回風(fēng)溫差實現(xiàn)風(fēng)機頻率PID控制。

5）冷凍水閥控制：

通過回風(fēng)溫度控制冷凍水閥門開度PID控制。

6）制冷模式下新風(fēng)閥開度控制：

通過CO2濃度及室內(nèi)正壓實現(xiàn)新風(fēng)閥開度控制。

7）新風(fēng)閥開度控制：

制冷模式下通過CO2濃度及室內(nèi)正壓實現(xiàn)新風(fēng)閥開度控制，全新風(fēng)模式下新風(fēng)閥開度控制采用初始化賦值實現(xiàn)。

4.2 機組臺數(shù)控制

1）加減機判斷：

圖4 機組臺數(shù)控制邏輯

圖5 加減機命令觸發(fā)程序界面

機組加減機臺數(shù)控制邏輯如圖4所示，通過統(tǒng)計已開機組的閥門平均開度來判斷是否需要啟停機組，當(dāng)機組平均閥門開度低于40%時，加開風(fēng)柜，當(dāng)機組平均閥門開度高于95%時，加開風(fēng)柜，圖5為加減機命令觸發(fā)程序界面。

2）開機時數(shù)統(tǒng)計及機組開關(guān)機時數(shù)對比：

通過While循環(huán)＋反饋節(jié)點實現(xiàn)各AHU機組開機時間的累計疊加。

開機狀態(tài)×開機時間計算需要關(guān)閉的開機最久的機組；關(guān)機狀態(tài)×開機時間計算需要開啟的開機最短的機組。

3）啟停機組編號選擇：

結(jié)合開機命令，選擇開機累計時間最短的機組進行開機；結(jié)合關(guān)機命令，選擇開機累計時間最長的機組進行開機。

5 應(yīng)用程序仿真

本文控制策略核心為對機組臺數(shù)進行控制，圖6為應(yīng)用程序的仿真結(jié)果界面。通過結(jié)果可以看到，在平均水閥開度超過95%時，執(zhí)行了加機命令，并對開機時數(shù)進行對比分析后，實現(xiàn)了機組的壽命輪換啟停。

同時，該程序還集合了包含基于焓差控制的過渡季節(jié)全新風(fēng)控制，在室內(nèi)外參數(shù)發(fā)生變化時，對應(yīng)的風(fēng)閥開度、水閥開度及風(fēng)機頻率也實現(xiàn)了對應(yīng)的變化，在實際運行過程中只需要調(diào)整對應(yīng)的PID參數(shù)，則可實現(xiàn)對應(yīng)參數(shù)的穩(wěn)定控制。

從圖7結(jié)果數(shù)據(jù)可以看到，在采集數(shù)據(jù)點6當(dāng)室外溫度升高時，由于室外空氣焓值增大，大于室內(nèi)空氣焓值，從而使得控制模式從 “全新風(fēng)模式”變?yōu)?“制冷模式”，新風(fēng)閥開度變?yōu)樽钚≡O(shè)定開度10%；而在數(shù)據(jù)點18則由于CO2濃度升高，大于1000ppm，此時為了滿足室內(nèi)新風(fēng)需求，新風(fēng)閥開度再次變?yōu)?00%；在采集數(shù)據(jù)點36時，由于室內(nèi)溫度升高，制冷需求增大，冷凍水閥門開度增大，同時，為了維持恒定的送回風(fēng)溫差，新風(fēng)機的頻率從原來的25Hz提升至50Hz。

仿真的結(jié)果表明，該程序可以根據(jù)室內(nèi)多目標(biāo)參數(shù)達到對應(yīng)的自動控制，既可以達到AHU臺數(shù)的優(yōu)化自動控制，也可以實現(xiàn)不同氣候模式下的焓差控制，達到節(jié)能的目的。

圖6 AHU臺數(shù)控制程序界面

圖7 LavView控制程序仿真數(shù)據(jù)曲線

6 結(jié)論與展望

本文基于某電子廠房末端AHU系統(tǒng)的節(jié)能控制分析及程序仿真，得到如下結(jié)論：

（1）通過控制冷凍水閥的平均開度，可以實現(xiàn)大空間工業(yè)廠房多臺AHU臺數(shù)的節(jié)能優(yōu)化控制；

（2）通過LabVIEW程序編程，實現(xiàn)了AHU群控控制邏輯，未來可用于類似項目的集中控制；

（3）該控制程序基于環(huán)境參數(shù)變化進行控制動作反饋的隨機仿真，未基于AHU性能模型進行全面模擬仿真，仍待在實際項目改造過程中進行細化及進行PID參數(shù)調(diào)試整定。