134实时专家系统在特殊环境舱内的应用研究正文

实时专家系统在特殊环境舱内的应用研究天津大学李国建朱能刘晓林胡艳军摘要针对专用船空调系统的负荷特点，将实时专家系统引入专用船中央空调控制系统中，依靠现代计算机基础建立实时专家空调控制系统。讨论了空调系统对实时专家系统的控制要求，以及实时专家系统的温湿度的控制策略，分析了实时专家空调控制系统的硬件与软件设计。说明其不仅具有实时监测，数据管理、报表打印、状态显示和报警等功能，更具有专家系统的故障实时诊断，特殊环境下多方面评估的相关功能。对于提高专用船整体系统的运行可靠性，延长设备的使用寿命，降低系统的能源消耗，提高专用船的特殊使用性能具有十分重要的意义。关键字：控制策略，实时专家系统，专用船空调控制系统0.引言特殊环境舱内空调系统的应用，对于创造舒适可靠的舱室微环境具有很重要的意义。如何更好的改善现有系统存在的问题，提高系统的稳定性，保障舱室内人员的健康，设备的安全，需要我们对空调系统的有效控制进行更深一步的研究。1.专用船舱室内的使用要求。在专用船内，中央空调可以用来改变专用船舱内空气温、湿度，为船员创造良好的工作生活环境，同时可以阻止船内动力、电池、电子等设备结霜、出汗等症状，确保设备的安全运行。但在专用船空调系统的实际运行中，船内人员密度大，产生大量的热和湿，同时由于专用船内部设备的发热量大，且其在不同的航行模式下四周水温、气候条件变化也很大，导致专用船内部冷热负荷不均且波动幅度大；另外，专用船中可放置空调制冷设备的空间有限，因此制冷能力有限。船内空调的目的就并不是把船内每部分空间都进行冷却或加热，而是针对特殊要求及需要来运行。虽然此类专用船空调装置的一些性能有所改善。但还存在一些问题[1]，如：（1）空调效果不够理想。在某些水域航行时，使用空调以后主要居住舱室内的平均温度每天仍有9小时高于32℃，相对温度80％以上，这样的效果与对舱内温湿度处理标准差距较大。（2）噪声大。有的船使用空调以后，供空调使用的吸入风机和水泵的噪声一般高达9ldb，超过了正常生活工作要求的范围。（3）能耗大。某些型号的船只在使用经济航行时使用空调，续航力下降47.2％。空调的效果差和能耗大对船员的工作能力和专用船的航行时间具有不利的影响。随着信息自动化的发展，针对专用船的空调负荷特点，现在已有能力建立有效的监测控制软件系统对专用船舱内空气及空调制冷系统进行实时监测控制，为此，我们建立了一套有效的实时专家控制系统，对测量结果进行分析处理，这不仅能提高空调系统的效率，减少能耗。而且能对专用船的温湿度环境和设备运行状况进行评估，并可实现实时监测，故障报警等多项功能。这对保障专用船内船员的健康和安全，提高整舰的性能是非常必须的。2.专用船空调系统温湿度控制的主要要求：专用船的工作特点决定了专用船内空调系统的使用控制，必须与专用船的运行特点相结合，基于专用船的空调负荷特点，建立温湿度控制技术之专家评估系统软件。包括相应的硬件系统和软件系统。硬件系统可包括各种正常运行的执行机构和故障状态下的紧急处理执行机构、各种用于参数测量的传感器、控制器和计算机控制系统等；软件系统为智能专家系统，采用VB高级语言编程，针对专用船的不同运行状况编写有不同的控制策略，设有航行控制和特殊航行控制。实时专家控制系统应具有的要求。（1）实时性：能够实时连续记录各类数据、针对设定参数能实时传递报警，并可实现数据的输出打印和历史数据调用。（2）有效性：利用各类评估方法对系统环境进行评估。（3）完备性：各类功能齐全，数据记录完备，提供全面有效的系统故障表，实现有效诊断、预报。（4）通用性和可扩充性：模块化设计使系统更加灵活合理，便于对系统移植完善；能满足用户增长的需要，能对系统有效补充扩展。（5）互动性：提供良好的人机交互功能，方便用户操作，减少用户操作的复杂性，提供具有丰富的演示模块，提高用户对系统运行的认识。（6）安全性：分布式系统设置，系统设有不同级别的密码，授权不同的用户进行操作，防止误操作。2.1实时专家系统硬件设计实时专家空调控制系统的硬件结构可采用主机中央控制，现场直接控制的方式。采用直接数字控制(DDC)，直接对各分散的现场设备进行监控；由监控计算机(主机)对各现场控制器(远程机)进行统一管理，协调它们的工作。主机带有显示器、打印机与键盘、鼠标等，完成系统的监测数据显示、数据管理、报表打印、状态显示与报警以及人机交互功能等。远程机配有A／D、D／A转换，它既可由主机提供设定值，接受主机的监督管理，又可独立地对现场设备进行控制与监测，并向主机传送相关的参量数据和状态信息。系统远程机的采样周期可根据空调过程的需要选择，在每个采样周期中，主机根据远程机送来的数据和信息，根据编制的控制规则向远程机发出相应的控制信号。实时专家空调控制系统的硬件结构示意如图1所示。用户网络接口主机远程机1D/A执行器1受控对象1测量仪器A/D远程机nD/A执行器n测量仪器A/D受控对象n网络接口图1实时专家控制系统的硬件结构示意图2.2实时专家空调控制系统的软件设计实时专家空调控制系统除实现系统监测、数据管理、报表打印、状态显示和报警等传统空调控制系统拥有的软件功能外，更应实现专家系统的故障实时诊断，特殊环境得多方面评估的相关软件功能[2，3]。如图2所示为实时专家控制系统软件的整体结构在线监测模块效能评估模块故障诊断模块数据记录与调用模块系统帮助模块系统管理模块专家控制软件图2实时专家控制系统软件结构图2.2.1在线监测模块可实现本机自行监测和监测点扩展功能。实现对所设定参数的数据实时监测，采集数据存储在数据库里。对超过报警值的参数实现报警，并实时进行故障诊断。根据监测对象的不同该模块包括舱室区，冷热源系统和空调机组三大区域。具备舱室和机组增加以及监测点增加的功能，可自行设定监测采样时间，实时故障部位声光报警，并显示故障的问题和解决的方法。如图3为空调机组在线监测的画面。图3空调机组在线监测画面图4空调机组在线故障诊断画面2.2.2专用船的效能评估包括使用温湿度环境的评估方法，对舱室内的温湿度环境，极端环境人体忍受时间，舱室空气质量进行评估，利用COP值等对空调系统设备运行状况，能量输送效率评价。（1）热舒适性评估方法：目前国际上比较通用的是采用ASHRAE标准和Fanger的热舒适方程求出人体的热舒适感受，进而评价环境的舒适度状况。在专用船内，按照舱室的功能可将专用船划分为工作舱室，动力设备系统舱室，居住生活舱室等。不同舱室具有不同的功能，在不同舱室里，艇员劳动强度也不一样，对环境的温湿度要求也不尽相同。在理论研究分析和结合国内外多年的研究的基础上可编写程序，使用热感应尺度标准，对潜艇舱室内的温湿度环境舒适性进行有效评估。计算后可输出热感应指标（热，暖，较暖，适中，微凉，凉，冷）对环境评估。（2）极端环境忍受能力评估：专用船具有极端环境，主要是高温高湿环境。当温度过高时，由于人体热量不宜发散，引起血管膨胀、血液循环加剧，皮肤温度增高，大量出汗而大量丧失水分和盐分，影响代谢机能，甚至会使人昏迷以至死亡。人对温度的感觉取决于相对湿度(即一定温度下的湿度)。湿度大时，人体散热困难。评价与划分高温作业环境热强度及高温作业实施劳动安全卫生等级，采用国际通用的WBGT指标。WBGT指数亦称为湿球黑球温度(℃)，是表示人体接触生产环境热强度的一个经验指数。它易于测量，设备简单、便宜、耐用，计算简明。WBGT将湿度、空气流速、空气温度、辐射综合成一个指标。采用舱室内湿球黑球温度的计算公式得到WBGT值，并可得到在不同劳动强度（不同新陈代谢率）情况，不同WBGT值时的人体热忍受时间。（3）根据国标《集中式空调系统经济运行》对制冷机组实时COP值进行评价：制冷机组在某时段或在某工况下的制冷量与输入功率（机组输入功率，不包括冷却塔部分）之比。与它的额定工况下的COP进行比较。按照机组类型，与其额定工况下的COP差值比来衡量。在设备运行评估后给出管理运行建议：对效果不理想的运行状况评价后给出运行参考意见。针对最主要的COP值，若其偏小，则说明系统的负荷减小，并且偏小到一定程度，此时，根据负荷公式计算，在比较确定实际负荷的情况下，由实时负荷与额定负荷的比值确定增加停止制冷机组，从而提高系统的运行效率。如图5为机组运行台数的控制图5为机组运行台数的控制2.2.3故障诊断模块：可对故障知识浏览、添加、修改和删除。该知识库直接与实时报警相连，当在线监测报警时，调用该故障知识库内知识，解决相应问题[4]。如图6所示为整个故障简明列表。系统内制冷剂不足温度设定值偏高蒸发器表面冻结送风量不足空调机供冷量不足冷凝温度偏高系统内混有空气机组容量偏小压缩机方面的故障干燥过滤器堵塞膨胀阀堵塞风量设定档位偏小风机容量不适合新回风过滤器积尘太多风机方面的的故障蒸发器肋片氧化或片间脏堵水冷系统冷却水量偏小进水温度偏高冷凝器换热不良外界湿求温度过高压缩机突然停机低压保护器动作高压保护器动作油压保护器动作压缩机过载冷却水量不足，使近处水温差大于8~10℃进水温度过高，超过33℃冷凝器中结垢或堵塞制冷系统内有空气制冷剂充入太多吸气压力过高水冷冷凝器吸油滤网堵塞油量减少油泵修理油中溶有过多制冷剂空调系统故障调高档位图6空调系统故障简明列表2.2.4数据记录与调用模块采用不同的数据表记录不同参数的值，该模块对存储记录进行调用，可实现对参数按类别和时间查询，Excel表输出。包括：舱室区，空调机组，冷热源系统，系统和各设备启停状况。同时可调用不同状态下的系统运行状况。2.2.5系统管理模块可对系统的管理员密码，用户使用密码进行修改。对报警值参数的报警值进行修改。2.2.6系统帮助模块为用户提供系统运行的演示帮助，包括空调机组，冷源，热源的运行原理和运行控制过程，变水量调节和变风量调节的演示等。综上所述，将实时专家系统引入专用船空调控制系统中，提供在线监测、效能评估、管理运行建议、系统设备控制、负荷预测、故障诊断等功能。对于提高系统的运行可靠性，延长设备的使用寿命，降低系统的能源消耗，提高专用船的特殊使用性能具有十分显著的效果。但是，专用船空调系统不同于普通中央空调系统，专用设备和环境的差异性，要求开展相关的更复杂的工作，不断应用完善系统。该课题值得进一步研究。参考文献：[1]刘荣，杨一评改善潜艇空气品质研究，制冷学报，1994，4：53-55[2]童明俶，幸晓珂，扬本强实时专家系统在空调控制系统中的应用研究，建筑电气，2003，3：4-6[3]陈友明，中央空调实时专家控制系统的设计与应用，测控技术，1998，18（4）：4-7[4]郭辉，袁旭东，熊永福，实时故障诊断专家系统在空调中的应用，电气传动自动化，2004，26（3）：41-43李国建、男、1979年2月、博士研究生、天津大学环境学院0340信箱、300072022-27409188、022-87401883、[e-mail]