空调系统的监测控制

空调系统的监测控制清华大学热能系100084江亿2003-12-1本讲从新风机组的控制开始，逐渐深入地讨论各种空调系统的计算机监测控制，讨论的内容涉及控制系统应具备的功能；要实现这些功能所需要求的硬件设备；控制方案实际的运行效果及可能出现的问题。所讨论的系统顺序为新风机组，全空气定风量系统，变风量系统。冷冻站及水系统的监测控制将在一下讲中介绍。一、新风机组的监测控制图一为一台典型的新风机组。空气¾水换热器夏季通入冷水对新风降温除湿，冬季通入热水对空气加热。干蒸汽加湿器则在冬季用来给新风加湿。对于这样一台新风机组，要用计算机进行全面监测控制管理，可以包括如下功能：监测功能：·测量风机电机的工作状态，确定是处于“开”还是“关”；·测量风机出口空气温湿度状况，以了解机组是否将新风处理到要求的状态；·测量新风过滤器两侧压差，以了解过滤器是否需要换；·测量新风阀状况，以确定其是否打开。控制功能：·可根据要求启/停风机·控制空气_____水换热器水侧调节阀，以使风机出口空气温度达到要求的设定值。·控制干蒸汽加湿器调节阀，使冬季风机出口空气相对湿度达到要求的设定值。保护功能：冬季当某种原因热水温度降低或热水停止供应时，为了防止机组内温度过低，冻裂空气_____水换热器，应自动停止风机，同时关闭新风阀门。当热水恢复供应时，应能重新启动风机，打开新风阀，恢复机组的正常工作。集中管理功能：一座建筑物内可能有若干台新风机组，这样就希望采用分布式计算机系统，通过通讯网将各新风机组的现场控制机与中央控制管理机相连，中央控制管理机应能对每台新风机组实现如下管理：·显示新风机组启/停状况，送风温湿度，风阀水阀状态；·通过中央控制管理机启/停新风机组，修改送风参数的设定值；·当过滤器压差过大时，冬季热水中断机组保护停机时，风机电机过载或其它原因停机时，通过中央控制管理机报警。1。1根据要求的功能确定硬件配置为实现上述四大类功能，首先要选择适宜的传感器，执行器并配置相应的现场控制机。图2为可满足上述各功能的一种配置。为监测风机电机的工作状态，将风机电机交流接触器的辅助触点作为开关量输入信号，接到DCU的DI输入通道上；选择如第一讲介绍过的以占空比形式的信号输出的温度变送器，接至DCU的一个DI输入通道上。选用具有4-20mA电流信号输出的湿度变换器，接在DCU-AI通道上，也可以选择2个都是4-20mA电流输出的温湿度变送器，接至2路AI输入通道上。为准确地了解新风机组工作状况，此时温度传感器的测温精度应优于±0.5℃，湿度传感器测量相对湿度的精度应优于±5%。用微压差开关即可监视新风过滤器两侧压差，当过滤器阻力增大时，微压差开关吸合，从而产生“通”的开关信号，通过一个DI输入通道接入DCU。微压差开关吸合时所对应的压差可以根据过滤器阻力的情况预先设定。这种压差开关的成本远低于可以直接测出压差的微压差传感器，并且比微压差传感器可靠耐用。因此，在这种情况下一般不选择昂贵的可连续输出的微压差传感器。在水盘管出口安装水温传感器，测量出口水温。一方面供控制机用来确定是热水还是冷水，以自动进行工况转换。同时还可以在冬季用来监测热水供应情况，供防冻保护用，水温传感器可使用占空比信号输出的温度变送器，这时接至DCU的DI输入通道，也可选用4-20mA电流输出的温度变送器，那就需要接到AI通道上。以上为必须要测量的参数，为了更好的了解机组工作情况在经费允许时，还可以在过滤器前新风阀后安装温度传感器，测量室外新风的温度，在水盘管的供水侧安水温传感测量供水水温，在风机出口风道上安装风速开关，以确认风机是否开启，新风阀或风道中其它风阀是否打开。由于新风阀不是用来调节风量仅是冬季停机后关闭防冻用，因此可选择通断式风阀控制器，通过一路DO通道来控制，当输出为高电平时，风阀控制器打开风阀，低电平时关闭风阀。为了解风阀实际的状态，此时还可以将风控制器中的全开限位开关和全关限位开关通过2个DI输入通道接入DCU。水阀需要是连续调节的电动调节阀以控制风温。图2中的配置采用2个DO输出通道控制，一路控制电动执行器正转，开大阀门，另一路使执行器反转，并小阀门，为了解准确的阀位还通过一路AI输入通道测量阀门的阀位反馈信号。如果阀门控制器中安装了阀位定位器，还可以通过AO输出通道输出4-20mA或0-10mA的电流信号直接对阀门的开度进行控制。干蒸汽加湿器也是通过一个电动调节阀来调节蒸汽量，其电控原理与水阀相同。用计算机控制电动阀门时，对阀位有一定的控制精度，有的调节阀定位精度为2.5%，有的为1%。图3，4为阀门全开时的压降与该支路其余部分的管件及盘管的压降之比分别为50%，1倍，2倍时，，使用线性流量特性的阀门，当空气出口温度为20℃时，阀位再开大2.5%后，冬季工况及夏季工况下出口空气温度的变化。从图中可以看出，当阀门所占压降较小，支路中其余管件所占压降比例较大时，2.5%时阀位变化导致出口空气温度的变化超过3℃。冬季比夏季温度变化的更大是由于冬季换热温差大，需要的盘管换热面积小，而本例中冬夏季共用一个盘管，按照夏季要求的面积选择的盘管，冬季换热面积偏大，调节性能差。图5，6为将盘管换热面积再加大一倍后的情况。可见，不适应地加大设备容量也会使调节性能恶化，根据图3，4，5，6可看出为保证较好的调节效果，要尽可能增加调节阀应占压降的比例，同时还要恰当选择换热设备，不能使其容量过大。当采用等百分比流量特性的调节阀时，调节特性会有很大改善，但极端情况下也存在这些问题。按照图2的设置，需要DI通道五路，AI通道3路(用于湿度测量及电动水阀电动蒸汽阀阀位测量)，DO通道六路。由此可以选择现场控制机，只要它能够提供上述这些输入输出通道，并有足够的数据存贮区及编程空间，通讯功能与建筑物内空调管理系统选择的通讯网兼容，原则上都可以选用。1.2通过软件实现各要求的功能对于定型的现场控制机产品，都带有通用的输入输出程序并提供一些编程方法。不论采用哪种编程方法，其目的都是要描述具体使用场合的特殊性，使现场控制机了解其特点和任务，实现各项指定的功能。这种特殊性的描述一般包括对输入输出的描述及对各种控制，保护功能的描述两部分。1.2.1输入输出描述例输入通道：fan:风机状态，由DI1通道测出，高电平为风机开，低电平为关。temp_air:送风温度，由DI2通道测出，为占空比信号，需要以表的形式定义不同占空比所对应的温度数值。j_air:送风相对湿度，由AI1通道测出，为4~20mA信号，相对湿度与电流信号的关系为：j=6I-20，I为测出的电流信号1mA，j为转换的相对湿度百分数。DP:过滤器压差报警开关，由DI3通道测出，高电平为压差过大，低电平正常。d_air：新风阀开关状态，由DI4通道测出，高电平为全开，低电平为全关。temp_water:空气水换热器出口水温，由DI5通道测出，为占空比信号。V-water:电动调节水阀阀位，由AI2通道测出，其阀位为：v_water=0.06I-0.2,I为测出的电流，mAV-stem：电动调节蒸汽阀阀位，由AI3通道测出，其阀位为：V-steam=0.06I-0.2，I为测出的电流,mA输出通道：fan_on:控制风机，与DO1通道连接，高电平风机开，低电平风机关v_water_on:控制电动调节水阀开大，与DO2通道连接v_water_off:控制电动调节水阀关小，与DO3通道连接v_steam_on:控制电动蒸汽阀开大，与DO4通道连接v_steam_off:控制电动蒸汽阀关小，与DO5通道连接d_air_on:控制新风阀，与DO6通道连接，高电平打开，低电平关闭以上给出上例新风机组监测控制所要求的输入输出通道全部信息，根据这些信息可按照现场控制机具体的编程要求描述输入输出通道，也可以将这些信息提交给控制机的供应商，代为编程。1.2.2自动和运动控制风机的启/停及各个阀的调节可以由现场机根据控制及保护的要求确定，也可以由中央控制管理机通过通讯下命令进行运动。为了不使现场控制机的控制与中央控制管理机的命令发生冲突，就要增设一个“远动/自动”标志Auto，Auto=1时，各设备由现场控制机自行控制，Auto=0时，则现场控制机不做与控制有关的分析计算，各设备均直接由中央控制管理机发出的命令控制。标志Auto为贮存在现场控制机中的一个变量，其数值可以由中央控制管理机通过通讯网直接设定修改。这样，各设备动作的逻辑关系为：不论Auto为何值，风机都可以由中央控制管理机启/停，在需要防冻保护时，也都可以由现场控制机停止。当Auto=1时，现场控制机可以在防冻保护解除后，重新启动风机。新风阀完全根据风机状态而定，开风机后开新风阀，关风机后关闭新风阀。Auto=1时，水阀、蒸汽阀由现场控制机根据送风温湿度进行调节,Auto=0时，这两个阀门根据中央控制管理机发来的命令动作。1.2.3送风参数的控制当Auto=1时，水阀，蒸汽阀的控制逻辑如下：如果水温temp_water低于20℃，初步判定为夏季工况，此时关闭蒸汽阀门，调节水阀开度使送风温度达到送风温度的设定值。这时可按照比例积分调节方式(PI)。由于计算机，调节是以一定的时间步长一步步进行，因此需要用离散的PI算法。PI的一般算法为：(1)式中，V(t)为要求的阀门位置，Dt为送风温度与设定值之差，在夏季Dt应为实测送风温度减去送风温度设定值，TI为所谓“积分时间”，TI的值越小，积分作用越大，K为放大倍数，即对应于1℃温度偏差阀门需要的调整量。上式可写作式(3)为可实际使用的控制算式，其中应为上一次调节阀门起至现在时刻这段时间内送风温度与设定值的偏差的平均值。图7，8分别为等百分比阀和线性阀门在夏季工况下阀门开度与空气出口温度之间的关系。从图中可看出，出口温度变化1℃对应的阀位变化为3%至20%之间。因此式(3)中K可取5~10之间即温度偏差1℃阀位调节5%至10%。积分时间TI取3~10分钟，Dt根据阀门的动作速度和现场控制机的情况，取1分钟左右。在Dt的时间内，可以测量几次送风温度的偏差，取其平均值即为。由图7，8可以看出，由于换热器的性能的非线性，阀位处于不同位置时阀位变化与温度变化之比相差很大，因此采用上述的比例积分控制器在阀位较小时调节量偏大，阀位很小的变化就能使送风温度有较大变化，由此造成送风温度上下波动，而当阀位处于较大值时，阀位的变化仅引起温度的微小变化，从而造成调节缓慢，送风温度会长时间偏于设定值的一侧。由阀位对比例系数K进行修正可以有效地改善这种状况，但修正曲线与阀门特性，换热器特性都有关系，不太容易预先给定。新风机组的主要干扰源是不断变化的室外空气状态。图9，10分别给出使用线性阀门和等百分比阀门时要维持送风温度不变，阀位随进口空气温度的变化。可以看出，要求的阀位与外温之间是很好的线性关系，因此如果增加一个外温测点tout，可以采用下式对阀门进行调节：V=A(tout-tset)(4)这里的tout为外温，tset为送风温度设定值，A为比例系数。对于不同的系统特性，比例系数A差别很大，不可能事先确定，这时，可以采用PI的方法不断对它修正：此时的K值可取0.2~0.4，TI可仍取作3~10分钟，A的初值可取3~5，用这种方法，控制器不断根据系统的运行状况修正系数A，待偏差Δt消除后，A就不再变化，系统即可稳定地按式(4)进行前馈控制。以后再出现偏差，式(5)即会自动对A进行修正。当判断水温temp_water高于25℃时，初步判定为冬季工况，此时调整水阀控制送风温度，调整蒸汽阀控制送风湿度。水阀可完全按照夏季方式控制，只是送风温度偏差Δt应为设定值减实测值，这样温度偏低时阀位增大。当采用式(4)，(5)通过测量外温进行前馈控制时，式(4)前应加一负号，由于系统参数不同，系数A，K也应相应有所变化。通过喷蒸汽向空气加湿，在I-d图中可近似为一个等温增d的过程。也就是说调整蒸汽阀改变喷蒸汽的量，仅影响送风空气的绝对含湿量d，而基本上不影响送风温度。本例新风机组的控制中，用的是相对湿度的湿度测量元件，