大空间工业厂房车间AHU群控控制策略及程序实现

2018-02-15朱海明

制冷 2018年4期

朱海明，肖浩

（广东招商综合设施运营服务有限公司，广东东莞523808）

1 概述

群控算法多用于机电系统控制，包括电梯、空调等包含多台的设备的设施设备自控系统均需要自控群控逻辑的实现。目前中央空调的群控主要集中于冷源侧，主要是冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的集中优化控制，而且由于冷水机组具有控制部件即控制面板，可以实现单机自动启停、负荷率限制等单机控制逻辑，因而在冷源侧的控制比较成熟。而对于商场、医院、写字楼等空调系统往往采用了一拖多的方式，即由单台组合式空调或新风机组送入到各个区域进行一对多的控制，一般情况下机组不会对风机启停逻辑进行设置，其启停往往根据用户需求或是运营计划进行人为启停设置。在某些大型的工业厂房则相反，是多台组合式空调风柜（AHU）同时对同一个区域进行温度控制，因而是多对一的控制，但往往机组自带的控制系统沿用传统的控制逻辑，不具备风机自动启停及多台AHU集群控制功能。本文以某电池厂车间为例，研究在该场景下如何实现该类AHU的集群控制，并提出可实现的控制逻辑。

图1 后工序AHU分布图

2 项目基本情况介绍

本文中电子厂房采用吊顶式AHU进行温度控制，温度控制范围为22～26℃，湿度范围45%～75%。本文分析对象为某电池生产厂房四楼北后工序车间，该车间与参观通道及楼梯相连，非密封空间。图示中的洁净房为密封空间，不在本文研究范围内，AHU包括P01～P24及S06～S09一共28台AHU。AHU分成5个区域进行区域温度控制，包括P01～P06，P07～P12，P13～P18，P19～P24，S06～S09，现有的AHU控制方式为单机控制：冷冻水阀根据室内温度反馈值进行控制，其他如风机频率、风阀无自动控制逻辑，均需要通过人为在控制面板进行手动设置。

由于自动控制逻辑太简单，造成目前车间的正压、温度无法精准控制，需要对整栋厂房的AHU进行控制，现在设施管理服务公司每天要安排2人专门对整栋厂房共169台AHU进行抄表并进行调整，且每天只能抄两个班次，无法实现精确控制。同时，温度控制失衡也是较为普遍的现象，由于局部热负荷不一致，造成局部区域的空调温度过低，车间内部热量分布不均衡。通过检测，在人工操作的情况下，由于生产计划变化、昼夜温差变化，室外新风引入等因素影响，会存在机组多开或者少开的情况，局部温度存在失衡的现象。如下图为后工序温度检测数据，通过对整个车间进行网格划分，每个网格测试一个温度点，其中横向分为X1～X12共12个点，纵向分为Y1～Y4 4个点。从测试数据曲线可以看到，由于生产计划改变，未能及时开启机组使得局部温度达到了28℃以上，而在后工序目检工序段，则由于机组台数多开造成室外低温新风引入过多而温度过低，最低达到了21℃。

图2 后工序车间温度分布

3 控制策略及控制逻辑

基于以上现状分析，若采用温度目标控制，则风柜可能会通过水阀的无限降低，造成机组风机电量的损耗，而此时完全可以通过直接关停一台机组来实现温度控制。为实现节能优化控制，从自动控制方面实现AHU机组的台数控制及自动启停，本文提出以下控制逻辑：

（1）机组台数控制（关机逻辑）：

当平均水阀开度低于40% （可设定）且持续10min（可设定）时，关闭水阀开度最小的机组，等待30分钟（可设定），当水阀仍然低于40%时，按照上述逻辑继续关闭，直至最小关闭台数（可设定）。关机依次关闭对应的风机、水阀，新风阀、回风阀。

（2）机组台数控制（开机逻辑）：

当平均水阀开度高于95% （可设定）且持续10min（可设定）时，开启总开机时长最短的机组，等待30分钟（可设定），当水阀仍然高于95%时，按照上述逻辑继续开启，直至全部开启。开机时依次开启对应的回风阀、新风阀、水阀、风机。

（3）全新风模式控制逻辑：

过渡季节或冬季当室外空气焓值低于［室内空气焓值-1kJ／kg（可设定）］时，切换为全新风模式，所有机组新风阀开启度为100% （可设定），回风阀开度调节至最小值20% （可设定，满足室内气流组织及空气品质要求为前提）。

新风模式下，由于室外新风温度低，造成的室内低温情况可通过本专利的机组台数控制逻辑解决，当温度低时，机组水阀开度降低，从而触发机组关停。

（4）制冷模式／全新风模式新风控制：

当室外空气焓值高于［室内空气焓值＋1kJ／kg（可设定）］时，切换为制冷模式。

夏季新风开度根据室内正压反馈值及CO2检测浓度进行控制，需要同时满足室内正压最低要求（可设定）及低于 CO2浓度上限900ppm（可设定）。当正压高于设定值及CO2浓度低于设定值时，则减小所有新风阀开度，反之，当正压低于设定值或CO2浓度高于设定值时，则加大所有新风阀开度。

（5）制冷模式单机自动控制：

水阀控制：开机状态下，根据室内回风温度（可设定）控制冷冻水水阀开度。

风机频率控制：根据送回风温差（8℃，可设定）进行所有风机频率自动控制。

新风阀控制：根据室内CO2浓度反馈值与CO2浓度设定值偏差PID控制所有新风阀开度，当新风阀减小至室内正压设定值下限时，新风阀开度保持不变。

回风阀控制：回风阀开度＝100-新风阀开度。

局部热负荷过高的处理办法：当出现局部热负荷过高的情况时，提供手自动切换程序，可将单台机组从群控程序中独立出来进行单机自动控制。

4 控制程序实现

本文采用LabVIEW软件进行控制程序开发，程序的实现主要包括以下几个模块，主要程序块包括了单机控制及加减机台数控制，单机控制模块主要包括机组启停及全新风／制冷模式下的切换及控制逻辑（图3所示为主要的控制逻辑流程图）：

图3 全新风／制冷模式下的切换及控制逻辑

4.1 单机控制模块

1）机组启停：

机组启停接收两种情况启动，第一种为程序设置的强制启动模式，一种为机组台数控制程序触发的开停机信号。停机模式时给出停机状态的阀门关闭开度终值，例如关机状态设定新风阀全关，冷冻水阀门全关，回风阀保持50%开启。

2）参数轮询：

通过While Loop循环＋定时等待实现参数轮询。

3）全新风／制冷模式切换：

通过室内外温湿度计算焓值实现模式切换。

4）风机频率控制：

通过送回风温差实现风机频率PID控制。

5）冷冻水阀控制：

通过回风温度控制冷冻水阀门开度PID控制。

6）制冷模式下新风阀开度控制：

通过CO2浓度及室内正压实现新风阀开度控制。

7）新风阀开度控制：

制冷模式下通过CO2浓度及室内正压实现新风阀开度控制，全新风模式下新风阀开度控制采用初始化赋值实现。

4.2 机组台数控制

1）加减机判断：

图4 机组台数控制逻辑

图5 加减机命令触发程序界面

机组加减机台数控制逻辑如图4所示，通过统计已开机组的阀门平均开度来判断是否需要启停机组，当机组平均阀门开度低于40%时，加开风柜，当机组平均阀门开度高于95%时，加开风柜，图5为加减机命令触发程序界面。

2）开机时数统计及机组开关机时数对比：

通过While循环＋反馈节点实现各AHU机组开机时间的累计叠加。

开机状态×开机时间计算需要关闭的开机最久的机组；关机状态×开机时间计算需要开启的开机最短的机组。

3）启停机组编号选择：

结合开机命令，选择开机累计时间最短的机组进行开机；结合关机命令，选择开机累计时间最长的机组进行开机。

5 应用程序仿真

本文控制策略核心为对机组台数进行控制，图6为应用程序的仿真结果界面。通过结果可以看到，在平均水阀开度超过95%时，执行了加机命令，并对开机时数进行对比分析后，实现了机组的寿命轮换启停。

同时，该程序还集合了包含基于焓差控制的过渡季节全新风控制，在室内外参数发生变化时，对应的风阀开度、水阀开度及风机频率也实现了对应的变化，在实际运行过程中只需要调整对应的PID参数，则可实现对应参数的稳定控制。

从图7结果数据可以看到，在采集数据点6当室外温度升高时，由于室外空气焓值增大，大于室内空气焓值，从而使得控制模式从 “全新风模式”变为 “制冷模式”，新风阀开度变为最小设定开度10%；而在数据点18则由于CO2浓度升高，大于1000ppm，此时为了满足室内新风需求，新风阀开度再次变为100%；在采集数据点36时，由于室内温度升高，制冷需求增大，冷冻水阀门开度增大，同时，为了维持恒定的送回风温差，新风机的频率从原来的25Hz提升至50Hz。

仿真的结果表明，该程序可以根据室内多目标参数达到对应的自动控制，既可以达到AHU台数的优化自动控制，也可以实现不同气候模式下的焓差控制，达到节能的目的。