多区域厂房空调系统控制策略的设计与实施

石立岸 胡振义 黄 诚 刘爱伦

(上海工业自动化仪表研究院1，上海 200233;华东理工大学信息科学与工程学院2，上海 200237)

0 引言

厂房空调系统的目的是创造一个合适的室内大气环境，保证室内大气环境满足生产工艺过程或科学研究实验过程的需要［1］。现代厂房往往被分成多个区域，各个区域的服务对象和功能都不相同，往往需要采用一套空调系统来保障厂房各区域环境品质。

目前，厂房空调大多采用全负荷设计方法，而在空调使用的大部分时间里空调系统实际是处于部分负荷的状况。因此，可对空调控制系统进行改善，使其既能更好地跟踪负荷变化，又能减少“空转”带来的能量浪费。所以研究控制策略在多区域厂房空调系统中的应用具有重要的意义。

本文以某测试厂房空调控制系统的设计为研究背景，论述了多区域厂房空调控制系统具体的设计方法和控制策略的实施过程，并通过相应的工程实践，证明了该控制策略的有效性。

1 工程概况

某厂房为重型装备存放、测试、检查等工作提供保障，厂房是一个多区域的环境对象，分为测试厅A号厅、装配间B号厅和存放区C号厅三个独立区域。

这三个厅空间大小不一并为不同测试任务服务，都需维持一定的温湿度和洁净度等指标来保障测试任务的顺利完成。设计实施的控制系统既要满足不同工况下三个大厅的环境品质要求，又要保障测试任务中的技术人员和装备安全;同时控制系统还要完成对空调末端装置和空调机组的控制，实现室内环境品质的控制，从而满足厂房各区域负荷变化。

根据厂房多区域的特性，设计了厂房空调系统。该系统主要包括室外新风机组和全空气组合空调机组。新风机组引入新风有利于提高空气品质，节约能耗。全空气组合空调机组由新风段、初效过滤段、回风机段、加热段、表冷段、加湿段、送风机段、消声段、中效过滤段和送风段等组成。新风首先经过新风机组处理后与回风混合，经过组合空调机组处理后，再通过三个送风阀分别送往相应的三个区域。

厂房空调处理流程如图1所示。

图1 空调处理流程图Fig.1 Flowchart of air conditioning process

2 控制策略设计

空气调节的原理是通过向空调房间输送足够量的、经过一定处理的空气，用以消除室内的余热和余湿负荷。本系统设计思路是恒定送风的温湿度(可调参数，方便再设定)，通过改变风量的方法维持室内所需要的温度和湿度。恒定送风温湿度通过综合控制表冷器调节阀、控制电加热器和电加湿器投入功率等方式来实现。在此主要介绍风量调节部分，包括新风控制、末端送风阀控制和系统风量协调控制。

2.1 新风控制策略

新风机组主要完成新风处理和新风量控制。新风处理的目的是初步处理新风，可分为夏季进风处理和冬季进风处理，新风量控制通过焓差控制。焓差控制的目的在于充分回收回风能量和利用新风能量，从而节约能源。在新风口和回风口放置温湿度传感器，并设计程序计算新风焓和回风焓，判别室内外焓值差。不同工况采用不同的控制策略，新风量控制方法如表1所示。

表1 新风量控制方法Tab.1 Fresh air volume control

表1中:hf为新风焓;hr为回风焓。

焓值的计算公式如下:

式中:t为空气温度，℃;d为空气含湿量，g/g;h为空气焓值，kJ/kg［2］。

由式(1)可知，通过温湿度传感器测得空气温度和含湿量，然后通过编制运算程序就可得到空气焓值。

根据环境温度和露点等参数，判断具体工况。当设定露点小于环境露点、设定温度小于环境温度时，为夏季工况;当设定露点大于环境露点、设定温度大于环境温度时，为冬季工况;其余情况属于过渡工况。露点计算公式为:

式中:T为当前温度值;EW为饱和水蒸气压力;RH为相对湿度值;Dp为露点温度［3］。

由式(2)可知，通过温度值和相对湿度值可计算得到饱和水蒸气压力;然后通过式(3)得到露点温度。

2.2 末端送风阀控制策略

末端送风阀控制的目的是调整风阀开度控制风量，从而控制室内温度。在三个大厅的送风通道上都设有一个送风阀，其根据所在大厅的温度状况来调整风阀的开度，并相应改变送入房间的风量，从而达到控制室内温度的目的。PID控制器根据设定温度和实际温度的偏差调整风阀开度，从而改变进入大厅的风量，由此不断修正实际温度和设定温度的偏差。室内温度控制回路如图2所示。

图2 室内温度控制框图Fig.2 Block diagram of indoor temperature control

2.3 风量协调控制策略

风量协调控制主要通过控制风机转速控制系统总风量，三个大厅的送风阀控制进入各大厅的一次风量。当空调区域负荷减小或末端送风阀一次风量减少时，控制器依照某种系统风量控制方法减少系统风量;反之，当空调区域负荷增加或末端送风阀一次风量增加时，控制器将增大系统风量。

由于风道上的静压值与总风量存在对应关系，在风道上设立风压测定点［3－4］，从而建立三个送风阀状态和风机转速之间的关系。当阀门全开时，说明系统风量不足，需要增大静压设定值(风机转速)以保证系统总风量;当有多个阀门全开时，可以快速增大静压值(风机转速)以使系统尽快达到要求风量。当大部分阀门开度较小时，说明总风量过大，需要减小静压值，(风机转速)从而保证最佳的节能性。模糊控制思想理论上可以更好地逼近系统阀门状态和系统最小静压值(风机转速)的关系。变静压模糊控制框图如图3所示，三个送风阀开度分别为模糊控制器的输入，输出为静压增量值。

图3 变静压模糊控制框图Fig.3 Block diagram of variable static pressure fuzzy control

本系统模糊控制器设计如下。

①确定模糊输入量和输出量

本系统的输入量为三个送风阀的阀门开度，论域为(0，1);输出为静压增量值，论域为(－1，1)。输入输出量化因子根据实际尺度进行变换。

②输入输出隶属度函数

隶属度函数是模糊集合应用于实际控制的基础，正确构造隶属度函数是能否用好模糊控制的关键。目前常用的隶属度函数有梯形和三角形等几种［5］。为便于推理，本系统选取三角形。输入风阀开度模糊子集为(S，M，B)，分别表示阀门开度过小、开度适中和开度过大三种情况。具体的风阀开度隶属度函数如图4所示。

图4 风阀开度隶属度函数Fig.4 Membership function of the air valve opening

输出静压增量值模糊子集为(N、Z、P)，分别表示减小静压、静压适中和增大静压三种情况，具体的输出静压增量值隶属度函数如图5所示。

图5 静压增量值隶属度函数Fig.5 Membership function of the incremental value of static pressure

③模糊控制规则

模糊控制规则的实质是将操作人员的控制经验加以总结而得到的若干条模糊条件语句。

当三个送风阀只有一个阀门开度很大时，说明总风量不够，需要增加风机转速;当三个送风阀阀门开度都比较适中时，说明总风量适合;当三个送风阀只有一个阀门开度很小时，就说明总风量太大，需要适当减小风机转速，由此确定系统风量控制模糊规则如表2所示。

表2 模糊规则表Tab.2 Fuzzy rules

④模糊推理及解模糊化

根据上述模糊规则便可作模糊推理，经模糊推理后得到一个模糊的集合，而实际控制必须要求控制量是精确值，所以必须对模糊输出量进行去模糊化处理。常用的方法有重心法、最大隶属度法和加权平均法等，在此采用最大隶属度法［6］。

3 控制策略实施方案及效果

在控制策略实施过程中，首先由温湿度传感器采集新风、回风以及三个大厅的温湿度，并将它们转换为4～20 mA电信号。各个风阀都选用带有阀位反馈(电阻值反馈)的风阀执行器，通过硬接线方式传递给PLC系统的模拟量输入模块(AI)，再通过Profibus传递给CPU;最后通过以太网传递给上位机，上位机记录和显示采集值。同时，温湿度值、阀位值将在PLC程序中进行工况判断以及各种控制策略的计算并算出控制量U(t)。控制量将通过模拟量输出模块(AO)，通过硬接线方式传递给现场风阀执行器或变频器，从而实现空调系统的控制策略［7］。

采用S7-300 PLC实现模糊算法，归纳起来有以下两种方法。

①使用西门子开发的S7模糊控制软件包。该软件包包含了控制块(FB)、数据块(背景数据块)以及配套用户界面友好的组态工具。使用该软件包开发模糊算法的优点是组态容易、开发周期短，但是需要购买软件包，成本较高。

②自己开发模糊控制模块。这种方法的难点是编程工作量比较大，但可以降低购买工具包软件的成本。

本设计采用后者。A大厅的温度要求是25℃，误差在1 K内;湿度要求是45%，误差在5%内。A大厅温湿度实时曲线如图6所示。

图6 温湿度实时趋势图Fig.6 Real-time trends of temperature and humidity

由图6可知，实施效果达到预定要求，其他两个大厅的温湿度也符合要求。因此，本文所述的控制策略实施效果能够基本达到厂房环境品质要求。

4 结束语

本文论述了新风控制策略、末端风阀控制策略及风量协调控制策略，重点论述的风量协调控制策略将模糊控制与PID调节相结合，实现了三个大厅的室内温湿度控制回路与变静压调节的总风量控制回路协调。这样既保证了三个大厅的温湿度要求，又使得总风量的供给得以更加合理。该文论述了多区域厂房空调系统控制策略的设计思想和运用西门子S7-300 PLC编程实现的方法。该控制方法既能保证控制品质，又具有节能意义，可推广到其他相类似多区域空调系统中［8－9］。

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