高等级生物安全实验室风机故障工况切换控制策略

樊海涛

（中国医学科学院医学生物学研究所，昆明 650118）

0 引言

高等级生物安全实验室是用于高致病性病原体研究和大规模病毒培养的特殊场所，其空调系统必须持续稳定、可靠运行，以确保实验室内的负压环境。因此应设置并联运行的双排风和双送风变频风机互为备用，当送风机或者排风机发生故障时，空调自控系统应立即响应，通过响应的控制策略在最短的时间内完成工况切换，确保实验室不会发生正压反置，从而维持稳定的负压环境[1-2]。因此本文根据工程实践提出了一种风机故障工况切换的控制策略。

1 高等级生物安全实验室空调系统配置

高等级生物安全实验室空调系统通常采用双变频送风机和双变频排风机并联运行，末端房间采用定风量控制阀（constantairvolumecontrolvalve，CAV）、变风量控制阀（variable air volume control valve，VAV）进行风量和压差控制，保证室内环境稳定的负压梯度。

送、排风机变频器根据安装于送、排风总管中的风量传感器及静压传感器所设定的风量和静压对送、排风机进行变频控制，以保证送、排风风量和风管静压达到设定值。每个房间设置微压差传感器进行室内压差检测。每个房间选用末端风阀控制器的压力无关型VAV 调节阀或文丘里阀，自主进行风量或压差控制[3-4]。

于送、排风管上VAV 调节阀及CAV 调节阀前后端均设置手动调节阀。在调试阶段应设置适合的变频风机运行频率，并通过手动调节阀对系统压力及风量进行初步风平衡调试，使得空调系统主风管保持要求的静压及风量，保证用于风量控制的VAV 调节阀及CAV 调节阀处于适合的工作压力范围内[5]。

2 正常运行工况下高等级生物安全实验室的压差控制

在正常工况下，高等级生物安全实验室压差控制逻辑如下：房间送风VAV 末端风阀控制器按照送风量设定值自动持续控制送风量（根据工程造价和系统的实际情况，送风VAV 调节阀也可采用CAV调节阀）；同样，房间排风VAV 末端风阀控制器按照风量设定值以及压差设定值，根据房间的实际风量测量值和压差测量值，对风量和压差以串级控制方式进行自动控制，维持房间压差的恒定[3，6]。

为避免由于房间门开启带来的瞬间失压，对房间排风VAV 调节阀与房门开关信号进行连锁控制。当房门开启时，VAV 调节阀在设定的延迟时间内锁定开度，以减小开门时房间压差波动导致的VAV 调节阀开度大幅变化，避免造成控制系统震荡。阀门锁定的延迟时间由上位自控系统进行设定，超出设定的延迟时间，系统将发出报警。

3 风机故障时的工况切换控制策略

为及时检测到风机故障，控制系统应有全面的故障参数检测装置，用以检测断电信号、电动机故障信号、变频器故障信号及风机两端压差、风量、静压等参数，以判断风机是否出现故障。

当风机出现故障时，如果仍然采用正常工况下的控制方法，变频器将根据系统送、排风量或总风管静压的设定大幅变频，房间VAV 末端风阀控制器也根据设定值进行自主调节，多个变量互相耦合扰动，风机系统大概率会出现严重震荡，恢复稳定时间较长，难以保证房间维持稳定的负压梯度，因此必须考虑不同的控制策略。

对高等级生物安全实验室风机故障工况切换要求为切换时房间不能出现正压反置现象并应保持相应的压力梯度，应在最短的时间（通常要求60 s）内使各房间的压差回归至切换前的正常状态。

风机故障工况切换可简单分为以下3 种情况：

（1）1 台送风机故障，会导致系统送风量不足、排风量过剩，并出现房间负压过大。对于此种情况，在接收到送风机故障信号时，备用送风机迅速提频到预设值，排风机保持固定频率不变；同时切换房间VAV 调节阀控制方式，将送、排风VAV 调节阀的控制权限交由上位自控系统，由上位自控系统直接进行控制，加大或维持送风VAV 调节阀开度（最优阀门开度可在调试过程找出），减小或维持排风阀开度。当备用风机运行稳定满足主风管静压要求后释放阀门控制权限至房间VAV 调节阀末端风阀控制器，自动进行风量及压差控制。

（2）1 台排风机故障，会导致系统排风量不足、送风量过剩，易出现压差反置。对于此种情况，在接收到排风机故障信号时，备用排风机迅速提频至预设值，送风机快速降频至预设值，如有必要可关闭送风机。同时，切换房间VAV 调节阀控制方式，将送、排风VAV 调节阀的控制权限交由上位自控系统控制，减小送风VAV 调节阀开度甚至关闭，加大排风VAV调节阀开度或维持不变。当备用风机运行稳定，并满足主风管静压要求后，再将控制权限释放至VAV 末端风阀控制器，自动进行风量及压差的控制。

（3）送、排风机均有1 台故障，此时系统送、排风量同时不足。对于此种情况，在接收到故障信号时，备用送、排风机同时提频至预设值，但送风机的提频速度应略低于排风机。同时，切换房间VAV 末端风阀控制方式，将送、排风VAV 调节阀的控制权限交由上位自控系统直接进行控制，固定其阀位不动。当备用风机运行稳定，并满足主风管静压要求后，再逐步释放控制权限至房间VAV 调节阀末端阀门控制器，自动进行风量及压差控制。虽然此种故障状态下房间压差反置出现的概率不高，但也不排除个别房间会出现压差反置问题，此时可针对特例房间设定不同的送、排风VAV 调节阀开度值。

上述3 类故障工况切换完成，系统风机正常运行后，应逐步释放控制权，先释放系统内较大房间控制权限，再释放较小房间的控制权限，以避免由于控制权限同时下放至阀门带来较大的系统震荡及压差波动。

4 VAV 末端风阀控制器功能需求

为实现以上所述的房间压差稳定以及备用风机切换控制策略，选用的VAV 末端风阀控制器应具备以下功能：

（1）上位自控系统可通过工控通信协议（如MODbus）与VAV 末端风阀控制器通信。上位自控系统可通过工控通信协议对风阀控制器进行压差目标值设定、压差控制死区设定、风量目标值设定、余风量差范围值设定等。

（2）上位自控系统可通过工控通信协议对VAV末端风阀控制器风量、阀位以及房间压差等参数进行监控。

（3）上位自控系统可通过工控通信协议实现对VAV 末端风阀控制器的手动/自动模式切换：在自动模式下，VAV 末端风阀控制器可自主进行风量或压差控制；在手动模式下，可由上位自控系统设定阀位开度参数。

由于上位自控系统采用工控通信协议（如MODbus）通过VAV 调节风阀控制器对VAV 调节阀进行控制，数据通信量较大，在设置通信回路时每个通信回路的VAV 末端风阀控制器的数量建议咨询相关供货商。

5 风机故障工况切换控制策略在实际工程中的应用

由于高生物安全风险疫苗生产车间的负压环境、风机故障工况切换控制策略与高等级生物安全实验室相同，现以某高生物安全风险疫苗生产车间废液灭活区的风机故障工况切换为例，采用上文所述的切换控制策略进行工况切换，并进行切换效果检测。

该高生物安全风险疫苗生产车间废液灭活区采用了双变频送风机和双变频排风机并联运行，房间压差采用CAV 调节阀和VAV 调节阀进行控制。

排风机故障及恢复控制逻辑在此以排风机故障为例说明，其余风机故障情况切换方法类似。排风机故障可采用拉闸方式进行模拟。

5.1 排风机故障切换

当1 台排风机故障时，立刻关闭故障排风机，将备用排风机迅速升频到设定频率，送风机2 台机组同时降频到设定频率（设定频率根据调试数据确定，风机在此频率下主风道静压接近正常工况）。同时，房间VAV 调节阀由上位自控系统直接控制，保持各房间排风VAV 调节阀固定开度不变。在系统稳定，风机正常运行满足主风道静压后，房间VAV 调节阀切换为自动运行。

5.2 排风机恢复

排风机故障排除后，在上位自控系统界面点击系统恢复按钮，原故障排风机立刻启动，备用排风机保持原有频率运行。待原故障排风机升频到30 Hz时，打开该排风机两侧风阀，同时2 台排风机运行到设定频率（设定频率根据调试数据确定）。在排风机故障恢复期间，房间VAV 调节阀由上位自控系统直接控制，保持各房间排风VAV 调节阀固定开度不变。在系统稳定，风机运行正常满足主风道静压要求后，房间VAV 调节阀切换为自动运行。

排风机故障工况切换及恢复过程压差曲线如图1 所示，从图1 可以看出，采用该切换控制方法，系统可以快速完成切换、恢复稳定，不会出现正压反置的情况，并保持各房间压差梯度。切换过程可以在60 s 以内完成。

图1 排风机故障工况切换及恢复过程压差曲线图

6 小结

由于高等级生物实验室对负压控制有严格要求，需要采用带自主控制器的末端压力无关型VAV调节阀，对风量和压差进行连续调节，才能更好地满足实验室稳定负压梯度的需求。但当送、排风机故障时，系统出现巨大扰动，自主控制的VAV 调节阀反而会对系统快速恢复稳定状态产生很大影响，系统容易发生震荡，甚至出现正压反置。因此，本研究根据实践提出，当风机发生故障时，末端自主控制的VAV调节阀转移控制权限，由上位自控系统根据预先设定的参数直接控制风阀阀位，同时设定风机变频器的运行频率，使系统快速达到稳定状态后再逐步释放控制权到VAV 末端风阀控制器。在多个项目的实践中，该高等级生物安全实验室风机故障切换控制策略得到了验证，取得较好的控制效果。