暖通空調系統的計算機控制管理(4)

提要　　介紹了計算機在工業廠房、賓館、大型商住樓和人民大會堂等不同類型、不同功能的7個建筑中對空調制冷系統、變風量空調系統的控制管理及城市集中供熱系統的控制應用，這些控制系統均采用了國產計算機控制產品，且經過實際運行效果很好。

關鍵詞　機房控制 加濕器 空調 工程實例

Abstract　　Describes seven cases of computer control application, including a high accuracy control of temperature and humidity, a VAV system, AC systems for a large power station, BAS for People. Systems in all the cases operate well with domestically made computer products.

Keywords　　computer control, air-conditioning, engineering example

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6．1 化纖廠側吹風的恒溫恒濕恒風速控制

　　抽絲工藝的側吹剛化纖生產過程中決定產品質量的最重要的工藝環節。側吹風工藝要求空氣處理系統提供恒溫、恒相對濕度、恒定風速、高潔凈度的空氣。浙江華舍滌綸廠采用RH計算機控制系統較好地實現了側吹風空氣處理室外的控制，滿足了工藝參數要求。

　　為保證潔凈度，此系統采用全新風及中效和高效過濾器。由于送出的空氣將作為回風進入其它空調系統，因此整體來說并不增加新風處理能耗。在室外空氣焓值高于送風露點的焓時，通過兩組表冷器降溫減焓，而當室外空氣焓低于送風露點的焓時，則通過預熱器加熱。通過加熱或降溫的空氣再送到噴淋室內進行等焓加濕，使其相對濕度幾乎至100%，然后通過二次再熱器將空氣加熱到要求的送風溫度。這樣，熱濕過程的控制策略為：
　　--測量噴淋室后面的溫度T12，以要求的送風露點溫度為設定值，控制預熱器或兩級表冷器的電動閥門，使T12維持在要求的送風露點溫度的±0.2℃間；
　　--測量送風溫度T13，控制二次加熱器電動閥，使其溫度控制在要求的送風溫度的±0.1℃間。
　　
　　實際運行表明，這樣的控制策略可以使送風狀態長期穩定地維持在要求的溫濕度參數上，幾乎不會受到外界氣象參數變化的影響。
　　為保證恒定風速，送風機采用變頻風機，根據送風箱內的壓力p11控制風機轉速。這樣，由于過濾器積灰導致阻力變化而造成的風量變化將通過風機轉速的改變來消除，用微壓差傳感器測出的p11可長期穩定地維持設定值，從而嚴格滿足了工藝對風速的要求。
　　為了解兩個過濾器工作情況，在需要時及時更換或清洗過濾器，用壓差開關ΔP11和ΔP12來監測、報警。
　　測量新風的溫濕度值T11、H11則是為了計算新風的焓，以便決定是用預熱器還是表冷器來調節空氣的露點。
　　由于噴淋室是工作在等焓噴淋工況，并且在任何工況下都要求將空氣處理至接近100%的相對濕度，困皮不需要進行任何調節，僅是對循環泵進行自動啟停控制，以用于整個機組的自動啟/停。
　　這一系統自1992年投入運行，系統運行可靠，極少出現故障，保證了送風參數和風速的精確要求，從而為保證產品質量創造了環境條件。該系統服務于從德國巴馬格公司引進的生產線。德國專家在調試過程中不斷檢查溫濕度及風速參數，設有出現一次超限問題。

6．2 變風量（VAV）空調

　　該系統供9個房間，由一個空氣處理室統一送風，每個房間都有容量2～60kW不等的發熱設備，并且這些設備的啟停皆根據電視節目制作要求決定，無一定規律。各房間溫度均要求在設定期值的±0.1℃內，相對濕度維持在35%～70%之間。這樣，用變風量系統通過改變進入每上房間的冷風來使之與室內發熱量的變化同步。　　
　　每個房間有一臺變風量末端（VAV box）。該末端實際上是一個風閥及一個風量測量裝置。每一個變風量末端帶有一臺控制器，該控制器測量房間溫度及房間溫度設定值，測量變風量箱的風量，控制變風量箱中的風閥。其控制規律為：
　　--根據房間溫度實測值與設定值之差按PID算法確定變風量箱的風量設定值：
　　--根據風量實測值與風量設定值之差，按照積分算法調整風閥，使風量實測值達到風量設定值。
　　通過這種控制方法，可以使房間溫度較好地控制在設定值周圍。風閥的動作一般由兩個因素引起：①室內負荷突然增大或減小；②風機轉速改變或鄰近室風閥動作，引起變風量箱前的靜壓有較大變化。
　　后一現象出現時，即使房間溫度沒有變化，風閥也馬上動作。這是由于實時測量風量的緣故，這就是所謂"壓力無關"（Pressure independent）的控制。
　　
　　可以控制有關設備的執行器實現：
　　--調節送風機、排風機轉速；
　　--啟/閉新排風閥；
　　--啟/閉加熱器、表冷器和加濕器的水閥。為調節這些執行器，所依據的測量參數為：
　　--通過與各變風量箱進行數字通訊，得到各變風量箱的實測驗風量、風量設定值、實測溫度及溫度設定值；
　　--距風道末端1/3處的風道內靜壓；
　　--送風溫度、濕度；
　　--室外溫度、濕度；
　　--回風溫度、濕度；
　　--回風道回風閥前的靜壓。
　　變風量機組的計算機控制器是在兩個層次上進行控制的：
　　--根據各空調房間的狀況確定送風機轉速及送風溫濕度的設定值；
　　--調整風閥、水閥、排風機轉速，使送風溫度達到要求的設定值，同時還不會使各房間出現太大的正壓或負壓。
　　為了簡單，送風機轉速根據風道上距末端1/3處的靜壓傳感器的靜壓值來調整，通過加大/減小轉速，使該點靜壓維持于180Pa。這樣，每個變風量箱都可以保證有足夠的資用壓頭，在需要時，將風閥開到A時即可達到設計的最大風量。
　　送風溫度設定值的確定是為了使各房間都滿足溫度要求，亦即在任何時候希望系統中總是有的房間風量達到最大風量的80%以上，有的房間風量則在最大風量的60%以下。為此，控制算法為：
　　·計算每個房間風量設定值與設計最大風量值之比r；
　　·若rmax<0.8，則將送風溫度設定值提高0.5℃；
　　·若rmin<0.6，則將送風溫度設定值降低0.5℃；
　　·若各房間0.6<　rmin<0.8，則送風溫度設定值不變；
　　·若rmax>0.8，rmin<0.6，則送風溫度設定值不變。
　　用這種方法，可能盡可能發揮變風量系統的調節作用，滿足各房間負荷變化的需要。由于被控房間屬于內區，全年均為冷負荷，所以不考慮送熱風時的調整。各房間產濕量很小，熱濕比近乎于垂線，因此送風的濕度設定值直接根據房間要求的濕度來確定。
　　送風溫濕度通過控制加熱器、加濕器、表冷器及新回風比來調節。空氣處理方案的分區方法詳見第2講。這里主要討論新回風比的調節方法和維持室內靜壓不出現太高和太低的方法。若室內平均靜壓為零，則空調箱內新回風混和處的壓力p為：
　　
　　s為從空調房間至空調箱間的風道和風閥的阻力系數，∑Gi為總風量，如果新風閥的阻力系數為sN，則新風量GN為：
　　
　　即新風與總風量之比。此時排風側排風機風量，排風機應提供的壓頭Δpe
　　 　　
　　式中se為排風道及排風閥的阻力系數。
　　因此，當送風機轉速增加時，排風機轉速可同時進行調整，以使室內平均靜壓為零。這可以依據回風閥前的壓力傳感器讀取p0來調整，使p0維持在sr(∑Gi)2。這里sr為回風道的阻力系數，它可以在初調節時由實測數據確定。這樣調整，不論總送風量如何變化，新回風比可維持不變，當要改變新回風比時，同步開大或關小新排風閥。但由于要求的排風量隨新回風比的改變而變大或減小，因此排風機工作點為會偏移，使得在新風比加大時p0及室內壓力有所增高；新風減少時，p0及室內壓力有所降低。為此還要根據p0的實測值及設定值sr(∑Gi)2，相應增加或降低排風機轉速。
　　綜合上述分析，新風比及室內壓力的控制規則為：①同步調整新回風閥，以加大/減小新風比；②根據p0調整排風機轉速，使p0→sr(∑Gi)2。
　　實踐表明，上述調節方式簡單可靠，進入過渡季和冬季后，由于室內仍存在冷負荷，送風溫度完全靠不斷地改變新回風比來調節。
　　目前中央電視臺演播大樓中已有兩個系統（K段、J段）采用了這種VAV控制，并陸續有更多的系統將改為VAV方式。

6．3 葛洲壩電廠空調通風自控系統

　　這是利用微機對分布于大江電廠、二江電廠及1個500kW開關站共3個區的通風空調系統進行控制的中央控制系統。
　　該系統集散式控制結構，硬件部分主要由4大部分組成：管理工作站RH-MCS（包括中央管理工作站和區域管理工作站），通訊網絡RH-NET，現場控制機RH-DCRU及傳感器和執行器。在管理工作站和現場控制機中配置相應的運行環境軟件和應用軟件。上述軟件和硬件合理搭配組成一套完整的監控系統，該工程中采用1套中央管理工作站、3套區哉管理工作站，通訊系統采用6個電流環，用通訊接口機聯接進行數據信息的轉換傳遞，現場控制機配置包括：RH-OCU-6403型13臺，RH-DCU-3202型16臺，RH-DCU-1601型93臺，以及相應的傳感器、變送器和執行器。
　　該微機自動監控系統網絡結構上包括3個子系統：即大江電廠空調通風子系統、二江電廠空調通風子系統和500kW開關站空調通風子系統。各子系統相互獨立，因此在微機自控的設計中考慮其靈活性和可靠性，即便于獨立運行，又便于管理，采用兩級管理工作站方式，即大江電廠、二江電廠和500kW開關站分別設區域管理工作站為第二級管理工作站；大江電廠配置一套中央管理工作站為第一級管理工作站，負責葛洲壩全廠的空調通風系統的監督、調度、管理，每個區域管理工作站與其所有的子系統各現場機之間采用電流環通訊網聯接。通訊網負責現場機之間以及現場機與管理工作站之間的數據傳遞。區域管理工作站與中央管理工作站之間采用另一個電流環通訊網相連，負責區域管理工作站以及其余管理工作站與中央管理工作站之間的數據交換，此區域級電流環與各子系統電流環之間通過環接口機進行數據轉換傳送。　　
　　該工程中采用二級管理工作站方式，即中央管理工作站和區域管理工作站。它們在硬件配置上并無區別，主要的不同是在管理權限和功能上。中央管理工作站負責全廠空調通風設備的運行監控管理，而區域工作站負責本子系統內設備的運行監督管理。中央管理工作站的重要職能是協調調度和指導運行，區域工作站則主要負責檢測、控制和管理。
　　管理工作站基本配置如下：
　　1． 硬件配置
　　LX-P5/60PT主機
　　LASERJET-4L激光打印機1臺
　　通訊電源
　　環接口機
　　2．軟件配置
　　DBMAN4.0 RH數據庫與通訊管理程序
　　FORE4.0圖形化及用戶接口定義文件
　　EUMS設備運行管理軟件
　　3． 基本功能
　　通過彩色監視器顯示多個不同的畫面和各子系統實時測量參數，測量數據也可用曲線、直方圖顯示出來。同時可能進行數據處理、儲存和打印任意時間的報表。通過鼠標器，操作人員可以轉換畫面，檢查以前的歷史數據，指導站內各子系統的運行模式，直接啟動、停止所轄任何一臺設備，實現中央管理及實時監測與監控。
　　通過RH-NET網與各DCU相連，可隨時得到各臺DCU的各種測量與控制信息。同時還可以隨時向DCU發出各種控制命令，實現中央自動控制管理。
　　管理工作站中有3個軟件--DBMAN管理機內硬盤的數據庫及通訊，FORE作為圖形化實時人機接口，EuMs管理系統內的機電設備檔案。以上3種軟件用以支持整個系統的運行和操作，實現微機系統對廠區的空調通風系統的集中管理及監控。
　　由于葛洲壩電廠的廠區非常大，并且受控設備布置極為分散，同時各子系統的控制要求也不同，為了實現對整個廠區設備的集中管理，降低管理工作強度，提高工作效率，建立一個有效可靠的通訊網是非常關鍵的。葛洲壩電廠自控系統中采用RH-NET局部通訊網絡，完成中央管理工作站與區域管理工作站之間、區域管理工作站之間、區域管理工作站與現場控制機之間及現場控制機之間的信息處交換。RH-NET有一個突出特點即所有需要交換信息的設備在通訊網內的安裝物理位置不受限制，可以實現任意兩點之間的通訊，其通訊協議采用"廣播"式通訊協議，網內信息供網內所有設備共享。即只要用戶需要，通訊網內設備可以接收網內的任何信息。網內每一事件的發生都可以對網內設備產生影響。并改變控制機模式或發出警報信號等。各空氣處理室的控制與前面介紹過的大同小異，因此不再介紹。下面介紹其中一個冷凍站的控制系統，即大江電廠左區冷凍站。
　　冷凍站所用設備
　　--冷水機組3臺
　　--冷凍水循環泵3臺
　　--冷凍水供水泵3臺
　　--冷卻水增壓泵2臺
　　--排水泵1臺
　　--蓄冷水池1座
　　--電動調節閥1只
　　　②冷凍站自空設備配置
　　--RH-DCU-6403型現場控制機2臺
　　--RH-DCWS水道溫度傳感器22臺
　　--RH-CAY-FB水道壓力傳感器11臺
　　--RH-DCYW液位傳感器4臺
　　--RH-DCU現場控制機軟件
　　③監控功能
　　--檢測冷卻水進出水溫度、壓力，檢測冷凍水供回水溫度；檢測冷凍水供水泵出口壓力；
　　--檢測冷卻水上游、除污器出口及冷卻水下游壓力；
　　--檢測蓄冷水池液位，并可自動啟動補水電動閥進行自動補水及溢流報警；
　　--顯示各測量參數，修改各設定值，以便改變運行工況；
　　--監視并調整各設備的運行情況，包括根據上游水位情況自動投入加壓水泵，根據除污器出口壓力情況自動進行反沖洗、磁力磁場盤室供水泵的故障轉換；
　　--循環水泵、供水泵以及電動閥門的控制，包括各種聯鎖、聯動程序控制等；
　　--自動控制/手動控制的切換；
　　--控制設備的啟停和切換；
　　--設備故障報警；
　　--控制系統故障報警；
　　--記錄設備運行時間。
　　在該工程中，自控系統充分顯示了其監測和自控的優勢，實現了對一個龐大而分散的系統的中央和區域管理控制，充分實現了系統的安全運行管理，提高了系統管理的方便性和實時性。同時降低了系統監視的工作強度，提高了工作效率。

6．4 豐澤園飯店空調自控系統

　　豐澤園飯店為一個公用性建筑，該工程的自控工程監控范圍為K1～K8共8個空調系統，X1～X5共5個新風機組，15個送排風系統、令東站、熱交換站、生活水系統及雨水、污水系統等
　　該系統由1套中央管理工作站、25臺DCU現場控制機、1套RH-NET局部通訊網及若干溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、電動執行器等設備組成。
　　①中央管理工作站功能
　　--控制系統圖形顯示（網絡圖、系統圖、曲線圖）；
　　--系統運行參數及設備狀態的實時監測與顯示；
　　--設定值修改；
　　--設備的遠動控制；
　　--故障診斷與顯示；
　　--中央管理工作站的運行控制；
　　--數據庫檢索和打印報表。
　　②RH-NET局部通訊網絡
　　由一臺中央通訊接口機（RH-NCI）、25臺現場機通訊接口（RH-NTI）及通訊線路構成，它負責中央管理工作站與各現場控制機及現場控制機之間的數據傳輸與數據共享。
　　③現場控制機
　　共用9臺RH-DCU-4040型現場控制機，12臺RH-DCU-2020型現場控制機和4臺RH-H-DCU-6260型現場控制機對空調系統、新風系統、15個排風系統、冷凍站、熱交換站、生活水系統和雨水污水系統進行控制管理。針對不同系統，配置不同型號的現場控制機。
　　主要功能；
　　--自動實時檢測新風、送風、回風和被控環境溫濕度；
　　--自動實時檢測冷熱水閥門開度及送風機、進風機、排風機的啟停狀態；
　　--自動實時檢測蒸汽壓力、熱水溫度、流量、水泵啟停狀態及水池水位；
　　--根據氣象參數及不同控制要求，自動調節和切換各閥門，從而控制新風處理狀態及全空氣空調系統的室內狀態；
　　--能夠實現被控參數設定值的修改；
　　--能夠接收中央管理工作站的遠動控制功能；
　　--風機與相關閥門的軟件聯鎖；
　　--控制機具有掉電保護功能。
　　④自控系統基本控制原理
　　空調系統及冷凍站系統的控制原理在前幾講中已經有深入論述，本講不詳細復述，現對該工程中的給排水系統進行說明。
　　豐澤園飯店的水系統控制機范圍主要有：生活水系統、高低區熱水系統、凝結水系統。上述系統共用一臺RH-DCU-6260型現場控制機。生活水系統中有兩臺生活水泵，一用一備。根據屋頂水箱和地下貯水池的水位來控制泵的啟停，并實現報警。高低區熱水循環泵一用一備。由回水溫度來控制啟停。同時檢測熱交換器內的水溫和混水器的水溫。凝結水泵由凝結水池的水位來控制其啟停，同時實現溢流報警。污水和雨水系統配置兩臺RH-DCU-4040型現場控制機來實現自動控制和報警。污水系統共有4個污水池和8臺污水泵。每個污水池配置2臺污水泵（一用一備），污水泵的啟停由污水池的水位來決定，當液位達到溢流水位時系統會溢流報警。雨水系統共有2個雨水池、4臺雨水泵，每個雨水池配2臺雨水泵（一用一備），同時由雨水池水位來控制雨水泵的啟停，并能及時發出溢流報警。
　　本工程已運行5年以上，由于應用了微機控制系統，給飯店的后勤服務和管理都帶來了極大的方便。使各系統的運行效果明顯提高。加強了設備運行的合理性，降低了能耗，同時加強了對樓宇設備的運行管理，提高了運行管理的科學性。

6．5 撫順市新華區熱網控制

　　人民大會堂的空調及制冷站系統采用RH分布式計算機控制系統進行控制管理。它由6臺中央管理機、近60臺RH-DCU現場控制機及相應的通訊網絡和通訊設備構成，系統主要分冷凍站的控制管理和幾個區空調的控制管理。計算機網絡見圖6-11。由于人民大會堂的使用特點，各廳堂在使用前要迅速將環境參數調整到要求值，在使用時負荷會突然增加，要求空調系統能及時做出反應，對環境參數給予準確控制。此外，各廳的同時使用率不高，因此通過風道連接各廳的空調系統，在需要時調整有關電動風閥，可調用鄰近廳堂的空氣處理設備共同承擔一個廳堂的預冷和使用時的高負荷，同時還可使一臺空調機出現故障時啟動鄰近的機組。
　　
　　①根據廳堂使用要求和空調機組狀況，自動對風閥進行一些相應轉換，對風道系統進行調整。
　　②根據預選規定的時間表，自動提前啟動空調系統，使相應的廳堂在規定的時間達到要求的環境參數，并能在負荷大幅度變化下維持環境參數。
　　③根據各廳堂空調的要求，相應調整冷凍站冷凍機的運行臺數，使之與變化的需求相適應。
　　這些工作都由設在幾個區的中央管理機承擔。由運行管理人員預先設定好各廳堂要求的運行時間表和各時間段的溫濕度標準、風道調整要求等。中央管理計算機即可根據這些要求，實時指揮各臺現場控制機進行相應操作，完成這類控制調節任務。
　　人民大會堂空調自控系統已連續運行3年以上。在各項重大的國事活動中很好地實現了各廳堂的各種環境控制要求，受到了中央有關部門的好評。計算機控制系統的采用，提高了系統運行的可靠性，使要求的各種環境條件得以準確實現。同時也在很大程度上降低了運行人員的勞動強度。在這樣的高標準、嚴要求的系統中全部采用國產設備（包括計算機硬件、軟件、通訊系統及傳感器），并獲得令人滿意的效果，表明我國的空調計算機控制的研究、開發、設備生產及工程實施能力都已達到很高水平。在一般的控制工程中應優先考慮國產產品和系統，不一定全部采用進口的。中國已有能夠承擔和出色完成重大的空調計算機控制工程的全套軟件、硬件和工程實施的民族企業，但是仍需國內各界同仁共同提攜，才能將這一株幼苗培養成大樹，使我國暖通空調領域的計算機控制管理技術和產品掌握在中國人手里。這是發展我國暖通空調領域中的計算機控制技術，也是發展我國暖通空調事業的唯一途徑。