高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)故障工況切換控制策略

樊海濤

（中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所，昆明 650118）

0 引言

高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室是用于高致病性病原體研究和大規(guī)模病毒培養(yǎng)的特殊場(chǎng)所，其空調(diào)系統(tǒng)必須持續(xù)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，以確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境。因此應(yīng)設(shè)置并聯(lián)運(yùn)行的雙排風(fēng)和雙送風(fēng)變頻風(fēng)機(jī)互為備用，當(dāng)送風(fēng)機(jī)或者排風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，空調(diào)自控系統(tǒng)應(yīng)立即響應(yīng)，通過(guò)響應(yīng)的控制策略在最短的時(shí)間內(nèi)完成工況切換，確保實(shí)驗(yàn)室不會(huì)發(fā)生正壓反置，從而維持穩(wěn)定的負(fù)壓環(huán)境[1-2]。因此本文根據(jù)工程實(shí)踐提出了一種風(fēng)機(jī)故障工況切換的控制策略。

1 高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)配置

高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室空調(diào)系統(tǒng)通常采用雙變頻送風(fēng)機(jī)和雙變頻排風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，末端房間采用定風(fēng)量控制閥（constantairvolumecontrolvalve，CAV）、變風(fēng)量控制閥（variable air volume control valve，VAV）進(jìn)行風(fēng)量和壓差控制，保證室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的負(fù)壓梯度。

送、排風(fēng)機(jī)變頻器根據(jù)安裝于送、排風(fēng)總管中的風(fēng)量傳感器及靜壓傳感器所設(shè)定的風(fēng)量和靜壓對(duì)送、排風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，以保證送、排風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)管靜壓達(dá)到設(shè)定值。每個(gè)房間設(shè)置微壓差傳感器進(jìn)行室內(nèi)壓差檢測(cè)。每個(gè)房間選用末端風(fēng)閥控制器的壓力無(wú)關(guān)型VAV 調(diào)節(jié)閥或文丘里閥，自主進(jìn)行風(fēng)量或壓差控制[3-4]。

于送、排風(fēng)管上VAV 調(diào)節(jié)閥及CAV 調(diào)節(jié)閥前后端均設(shè)置手動(dòng)調(diào)節(jié)閥。在調(diào)試階段應(yīng)設(shè)置適合的變頻風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，并通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)系統(tǒng)壓力及風(fēng)量進(jìn)行初步風(fēng)平衡調(diào)試，使得空調(diào)系統(tǒng)主風(fēng)管保持要求的靜壓及風(fēng)量，保證用于風(fēng)量控制的VAV 調(diào)節(jié)閥及CAV 調(diào)節(jié)閥處于適合的工作壓力范圍內(nèi)[5]。

2 正常運(yùn)行工況下高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室的壓差控制

在正常工況下，高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室壓差控制邏輯如下：房間送風(fēng)VAV 末端風(fēng)閥控制器按照送風(fēng)量設(shè)定值自動(dòng)持續(xù)控制送風(fēng)量（根據(jù)工程造價(jià)和系統(tǒng)的實(shí)際情況，送風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥也可采用CAV調(diào)節(jié)閥）；同樣，房間排風(fēng)VAV 末端風(fēng)閥控制器按照風(fēng)量設(shè)定值以及壓差設(shè)定值，根據(jù)房間的實(shí)際風(fēng)量測(cè)量值和壓差測(cè)量值，對(duì)風(fēng)量和壓差以串級(jí)控制方式進(jìn)行自動(dòng)控制，維持房間壓差的恒定[3，6]。

為避免由于房間門(mén)開(kāi)啟帶來(lái)的瞬間失壓，對(duì)房間排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥與房門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行連鎖控制。當(dāng)房門(mén)開(kāi)啟時(shí)，VAV 調(diào)節(jié)閥在設(shè)定的延遲時(shí)間內(nèi)鎖定開(kāi)度，以減小開(kāi)門(mén)時(shí)房間壓差波動(dòng)導(dǎo)致的VAV 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度大幅變化，避免造成控制系統(tǒng)震蕩。閥門(mén)鎖定的延遲時(shí)間由上位自控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，超出設(shè)定的延遲時(shí)間，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警。

3 風(fēng)機(jī)故障時(shí)的工況切換控制策略

為及時(shí)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)故障，控制系統(tǒng)應(yīng)有全面的故障參數(shù)檢測(cè)裝置，用以檢測(cè)斷電信號(hào)、電動(dòng)機(jī)故障信號(hào)、變頻器故障信號(hào)及風(fēng)機(jī)兩端壓差、風(fēng)量、靜壓等參數(shù)，以判斷風(fēng)機(jī)是否出現(xiàn)故障。

當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，如果仍然采用正常工況下的控制方法，變頻器將根據(jù)系統(tǒng)送、排風(fēng)量或總風(fēng)管靜壓的設(shè)定大幅變頻，房間VAV 末端風(fēng)閥控制器也根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，多個(gè)變量互相耦合擾動(dòng)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)大概率會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重震蕩，恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，難以保證房間維持穩(wěn)定的負(fù)壓梯度，因此必須考慮不同的控制策略。

對(duì)高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)故障工況切換要求為切換時(shí)房間不能出現(xiàn)正壓反置現(xiàn)象并應(yīng)保持相應(yīng)的壓力梯度，應(yīng)在最短的時(shí)間（通常要求60 s）內(nèi)使各房間的壓差回歸至切換前的正常狀態(tài)。

風(fēng)機(jī)故障工況切換可簡(jiǎn)單分為以下3 種情況：

（1）1 臺(tái)送風(fēng)機(jī)故障，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)送風(fēng)量不足、排風(fēng)量過(guò)剩，并出現(xiàn)房間負(fù)壓過(guò)大。對(duì)于此種情況，在接收到送風(fēng)機(jī)故障信號(hào)時(shí)，備用送風(fēng)機(jī)迅速提頻到預(yù)設(shè)值，排風(fēng)機(jī)保持固定頻率不變；同時(shí)切換房間VAV 調(diào)節(jié)閥控制方式，將送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥的控制權(quán)限交由上位自控系統(tǒng)，由上位自控系統(tǒng)直接進(jìn)行控制，加大或維持送風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度（最優(yōu)閥門(mén)開(kāi)度可在調(diào)試過(guò)程找出），減小或維持排風(fēng)閥開(kāi)度。當(dāng)備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定滿(mǎn)足主風(fēng)管靜壓要求后釋放閥門(mén)控制權(quán)限至房間VAV 調(diào)節(jié)閥末端風(fēng)閥控制器，自動(dòng)進(jìn)行風(fēng)量及壓差控制。

（2）1 臺(tái)排風(fēng)機(jī)故障，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)排風(fēng)量不足、送風(fēng)量過(guò)剩，易出現(xiàn)壓差反置。對(duì)于此種情況，在接收到排風(fēng)機(jī)故障信號(hào)時(shí)，備用排風(fēng)機(jī)迅速提頻至預(yù)設(shè)值，送風(fēng)機(jī)快速降頻至預(yù)設(shè)值，如有必要可關(guān)閉送風(fēng)機(jī)。同時(shí)，切換房間VAV 調(diào)節(jié)閥控制方式，將送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥的控制權(quán)限交由上位自控系統(tǒng)控制，減小送風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度甚至關(guān)閉，加大排風(fēng)VAV調(diào)節(jié)閥開(kāi)度或維持不變。當(dāng)備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，并滿(mǎn)足主風(fēng)管靜壓要求后，再將控制權(quán)限釋放至VAV 末端風(fēng)閥控制器，自動(dòng)進(jìn)行風(fēng)量及壓差的控制。

（3）送、排風(fēng)機(jī)均有1 臺(tái)故障，此時(shí)系統(tǒng)送、排風(fēng)量同時(shí)不足。對(duì)于此種情況，在接收到故障信號(hào)時(shí)，備用送、排風(fēng)機(jī)同時(shí)提頻至預(yù)設(shè)值，但送風(fēng)機(jī)的提頻速度應(yīng)略低于排風(fēng)機(jī)。同時(shí)，切換房間VAV 末端風(fēng)閥控制方式，將送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥的控制權(quán)限交由上位自控系統(tǒng)直接進(jìn)行控制，固定其閥位不動(dòng)。當(dāng)備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，并滿(mǎn)足主風(fēng)管靜壓要求后，再逐步釋放控制權(quán)限至房間VAV 調(diào)節(jié)閥末端閥門(mén)控制器，自動(dòng)進(jìn)行風(fēng)量及壓差控制。雖然此種故障狀態(tài)下房間壓差反置出現(xiàn)的概率不高，但也不排除個(gè)別房間會(huì)出現(xiàn)壓差反置問(wèn)題，此時(shí)可針對(duì)特例房間設(shè)定不同的送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度值。

上述3 類(lèi)故障工況切換完成，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行后，應(yīng)逐步釋放控制權(quán)，先釋放系統(tǒng)內(nèi)較大房間控制權(quán)限，再釋放較小房間的控制權(quán)限，以避免由于控制權(quán)限同時(shí)下放至閥門(mén)帶來(lái)較大的系統(tǒng)震蕩及壓差波動(dòng)。

4 VAV 末端風(fēng)閥控制器功能需求

為實(shí)現(xiàn)以上所述的房間壓差穩(wěn)定以及備用風(fēng)機(jī)切換控制策略，選用的VAV 末端風(fēng)閥控制器應(yīng)具備以下功能：

（1）上位自控系統(tǒng)可通過(guò)工控通信協(xié)議（如MODbus）與VAV 末端風(fēng)閥控制器通信。上位自控系統(tǒng)可通過(guò)工控通信協(xié)議對(duì)風(fēng)閥控制器進(jìn)行壓差目標(biāo)值設(shè)定、壓差控制死區(qū)設(shè)定、風(fēng)量目標(biāo)值設(shè)定、余風(fēng)量差范圍值設(shè)定等。

（2）上位自控系統(tǒng)可通過(guò)工控通信協(xié)議對(duì)VAV末端風(fēng)閥控制器風(fēng)量、閥位以及房間壓差等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

（3）上位自控系統(tǒng)可通過(guò)工控通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)VAV 末端風(fēng)閥控制器的手動(dòng)/自動(dòng)模式切換：在自動(dòng)模式下，VAV 末端風(fēng)閥控制器可自主進(jìn)行風(fēng)量或壓差控制；在手動(dòng)模式下，可由上位自控系統(tǒng)設(shè)定閥位開(kāi)度參數(shù)。

由于上位自控系統(tǒng)采用工控通信協(xié)議（如MODbus）通過(guò)VAV 調(diào)節(jié)風(fēng)閥控制器對(duì)VAV 調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)通信量較大，在設(shè)置通信回路時(shí)每個(gè)通信回路的VAV 末端風(fēng)閥控制器的數(shù)量建議咨詢(xún)相關(guān)供貨商。

5 風(fēng)機(jī)故障工況切換控制策略在實(shí)際工程中的應(yīng)用

由于高生物安全風(fēng)險(xiǎn)疫苗生產(chǎn)車(chē)間的負(fù)壓環(huán)境、風(fēng)機(jī)故障工況切換控制策略與高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室相同，現(xiàn)以某高生物安全風(fēng)險(xiǎn)疫苗生產(chǎn)車(chē)間廢液滅活區(qū)的風(fēng)機(jī)故障工況切換為例，采用上文所述的切換控制策略進(jìn)行工況切換，并進(jìn)行切換效果檢測(cè)。

該高生物安全風(fēng)險(xiǎn)疫苗生產(chǎn)車(chē)間廢液滅活區(qū)采用了雙變頻送風(fēng)機(jī)和雙變頻排風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，房間壓差采用CAV 調(diào)節(jié)閥和VAV 調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。

排風(fēng)機(jī)故障及恢復(fù)控制邏輯在此以排風(fēng)機(jī)故障為例說(shuō)明，其余風(fēng)機(jī)故障情況切換方法類(lèi)似。排風(fēng)機(jī)故障可采用拉閘方式進(jìn)行模擬。

5.1 排風(fēng)機(jī)故障切換

當(dāng)1 臺(tái)排風(fēng)機(jī)故障時(shí)，立刻關(guān)閉故障排風(fēng)機(jī)，將備用排風(fēng)機(jī)迅速升頻到設(shè)定頻率，送風(fēng)機(jī)2 臺(tái)機(jī)組同時(shí)降頻到設(shè)定頻率（設(shè)定頻率根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)確定，風(fēng)機(jī)在此頻率下主風(fēng)道靜壓接近正常工況）。同時(shí)，房間VAV 調(diào)節(jié)閥由上位自控系統(tǒng)直接控制，保持各房間排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥固定開(kāi)度不變。在系統(tǒng)穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行滿(mǎn)足主風(fēng)道靜壓后，房間VAV 調(diào)節(jié)閥切換為自動(dòng)運(yùn)行。

5.2 排風(fēng)機(jī)恢復(fù)

排風(fēng)機(jī)故障排除后，在上位自控系統(tǒng)界面點(diǎn)擊系統(tǒng)恢復(fù)按鈕，原故障排風(fēng)機(jī)立刻啟動(dòng)，備用排風(fēng)機(jī)保持原有頻率運(yùn)行。待原故障排風(fēng)機(jī)升頻到30 Hz時(shí)，打開(kāi)該排風(fēng)機(jī)兩側(cè)風(fēng)閥，同時(shí)2 臺(tái)排風(fēng)機(jī)運(yùn)行到設(shè)定頻率（設(shè)定頻率根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)確定）。在排風(fēng)機(jī)故障恢復(fù)期間，房間VAV 調(diào)節(jié)閥由上位自控系統(tǒng)直接控制，保持各房間排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥固定開(kāi)度不變。在系統(tǒng)穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常滿(mǎn)足主風(fēng)道靜壓要求后，房間VAV 調(diào)節(jié)閥切換為自動(dòng)運(yùn)行。

排風(fēng)機(jī)故障工況切換及恢復(fù)過(guò)程壓差曲線(xiàn)如圖1 所示，從圖1 可以看出，采用該切換控制方法，系統(tǒng)可以快速完成切換、恢復(fù)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)正壓反置的情況，并保持各房間壓差梯度。切換過(guò)程可以在60 s 以?xún)?nèi)完成。

圖1 排風(fēng)機(jī)故障工況切換及恢復(fù)過(guò)程壓差曲線(xiàn)圖

6 小結(jié)

由于高等級(jí)生物實(shí)驗(yàn)室對(duì)負(fù)壓控制有嚴(yán)格要求，需要采用帶自主控制器的末端壓力無(wú)關(guān)型VAV調(diào)節(jié)閥，對(duì)風(fēng)量和壓差進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，才能更好地滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定負(fù)壓梯度的需求。但當(dāng)送、排風(fēng)機(jī)故障時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)巨大擾動(dòng)，自主控制的VAV 調(diào)節(jié)閥反而會(huì)對(duì)系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生很大影響，系統(tǒng)容易發(fā)生震蕩，甚至出現(xiàn)正壓反置。因此，本研究根據(jù)實(shí)踐提出，當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，末端自主控制的VAV調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)移控制權(quán)限，由上位自控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)直接控制風(fēng)閥閥位，同時(shí)設(shè)定風(fēng)機(jī)變頻器的運(yùn)行頻率，使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再逐步釋放控制權(quán)到VAV 末端風(fēng)閥控制器。在多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐中，該高等級(jí)生物安全實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)故障切換控制策略得到了驗(yàn)證，取得較好的控制效果。