大空間工業廠房車間AHU群控控制策略及程序實現

朱海明，肖 浩

（廣東招商綜合設施運營服務有限公司，廣東東莞523808）

1 概述

群控算法多用于機電系統控制，包括電梯、空調等包含多臺的設備的設施設備自控系統均需要自控群控邏輯的實現。目前中央空調的群控主要集中于冷源側，主要是冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔的集中優化控制，而且由于冷水機組具有控制部件即控制面板，可以實現單機自動啟停、負荷率限制等單機控制邏輯，因而在冷源側的控制比較成熟。而對于商場、醫院、寫字樓等空調系統往往采用了一拖多的方式，即由單臺組合式空調或新風機組送入到各個區域進行一對多的控制，一般情況下機組不會對風機啟停邏輯進行設置，其啟停往往根據用戶需求或是運營計劃進行人為啟停設置。在某些大型的工業廠房則相反，是多臺組合式空調風柜 （AHU）同時對同一個區域進行溫度控制，因而是多對一的控制，但往往機組自帶的控制系統沿用傳統的控制邏輯，不具備風機自動啟停及多臺AHU集群控制功能。本文以某電池廠車間為例，研究在該場景下如何實現該類AHU的集群控制，并提出可實現的控制邏輯。

圖1 后工序AHU分布圖

2 項目基本情況介紹

本文中電子廠房采用吊頂式AHU進行溫度控制，溫度控制范圍為22～26℃，濕度范圍45%～75%。本文分析對象為某電池生產廠房四樓北后工序車間，該車間與參觀通道及樓梯相連，非密封空間。圖示中的潔凈房為密封空間，不在本文研究范圍內，AHU包括P01～P24及S06～S09一共28臺AHU。AHU分成5個區域進行區域溫度控制，包括P01～P06，P07～P12，P13～P18，P19～P24，S06～S09，現有的AHU控制方式為單機控制：冷凍水閥根據室內溫度反饋值進行控制，其他如風機頻率、風閥無自動控制邏輯，均需要通過人為在控制面板進行手動設置。

由于自動控制邏輯太簡單，造成目前車間的正壓、溫度無法精準控制，需要對整棟廠房的AHU進行控制，現在設施管理服務公司每天要安排2人專門對整棟廠房共169臺AHU進行抄表并進行調整，且每天只能抄兩個班次，無法實現精確控制。同時，溫度控制失衡也是較為普遍的現象，由于局部熱負荷不一致，造成局部區域的空調溫度過低，車間內部熱量分布不均衡。通過檢測，在人工操作的情況下，由于生產計劃變化、晝夜溫差變化，室外新風引入等因素影響，會存在機組多開或者少開的情況，局部溫度存在失衡的現象。如下圖為后工序溫度檢測數據，通過對整個車間進行網格劃分，每個網格測試一個溫度點，其中橫向分為X1～X12共12個點，縱向分為Y1～Y4 4個點。從測試數據曲線可以看到，由于生產計劃改變，未能及時開啟機組使得局部溫度達到了28℃以上，而在后工序目檢工序段，則由于機組臺數多開造成室外低溫新風引入過多而溫度過低，最低達到了21℃。

圖2 后工序車間溫度分布

3 控制策略及控制邏輯

基于以上現狀分析，若采用溫度目標控制，則風柜可能會通過水閥的無限降低，造成機組風機電量的損耗，而此時完全可以通過直接關停一臺機組來實現溫度控制。為實現節能優化控制，從自動控制方面實現AHU機組的臺數控制及自動啟停，本文提出以下控制邏輯：

（1）機組臺數控制 （關機邏輯）：

當平均水閥開度低于40% （可設定）且持續10min（可設定）時，關閉水閥開度最小的機組，等待30分鐘 （可設定），當水閥仍然低于40%時，按照上述邏輯繼續關閉，直至最小關閉臺數 （可設定）。關機依次關閉對應的風機、水閥，新風閥、回風閥。

（2）機組臺數控制 （開機邏輯）：

當平均水閥開度高于95% （可設定）且持續10min（可設定）時，開啟總開機時長最短的機組，等待30分鐘 （可設定），當水閥仍然高于95%時，按照上述邏輯繼續開啟，直至全部開啟。開機時依次開啟對應的回風閥、新風閥、水閥、風機。

（3）全新風模式控制邏輯：

過渡季節或冬季當室外空氣焓值低于 ［室內空氣焓值-1kJ／kg（可設定）］時，切換為全新風模式，所有機組新風閥開啟度為100% （可設定），回風閥開度調節至最小值20% （可設定，滿足室內氣流組織及空氣品質要求為前提）。

新風模式下，由于室外新風溫度低，造成的室內低溫情況可通過本專利的機組臺數控制邏輯解決，當溫度低時，機組水閥開度降低，從而觸發機組關停。

（4）制冷模式／全新風模式新風控制：

當室外空氣焓值高于 ［室內空氣焓值＋1kJ／kg（可設定）］時，切換為制冷模式。

夏季新風開度根據室內正壓反饋值及CO2檢測濃度進行控制，需要同時滿足室內正壓最低要求（可設定）及低于 CO2濃度上限900ppm（可設定）。當正壓高于設定值及CO2濃度低于設定值時，則減小所有新風閥開度，反之，當正壓低于設定值或CO2濃度高于設定值時，則加大所有新風閥開度。

（5）制冷模式單機自動控制：

水閥控制：開機狀態下，根據室內回風溫度（可設定）控制冷凍水水閥開度。

風機頻率控制：根據送回風溫差 （8℃，可設定）進行所有風機頻率自動控制。

新風閥控制：根據室內CO2濃度反饋值與CO2濃度設定值偏差PID控制所有新風閥開度，當新風閥減小至室內正壓設定值下限時，新風閥開度保持不變。

回風閥控制：回風閥開度＝100-新風閥開度。

局部熱負荷過高的處理辦法：當出現局部熱負荷過高的情況時，提供手自動切換程序，可將單臺機組從群控程序中獨立出來進行單機自動控制。

4 控制程序實現

本文采用LabVIEW軟件進行控制程序開發，程序的實現主要包括以下幾個模塊，主要程序塊包括了單機控制及加減機臺數控制，單機控制模塊主要包括機組啟停及全新風／制冷模式下的切換及控制邏輯 （圖3所示為主要的控制邏輯流程圖）：

圖3 全新風／制冷模式下的切換及控制邏輯

4.1 單機控制模塊

1）機組啟停：

機組啟停接收兩種情況啟動，第一種為程序設置的強制啟動模式，一種為機組臺數控制程序觸發的開停機信號。停機模式時給出停機狀態的閥門關閉開度終值，例如關機狀態設定新風閥全關，冷凍水閥門全關，回風閥保持50%開啟。

2）參數輪詢：

通過While Loop循環＋定時等待實現參數輪詢。

3）全新風／制冷模式切換：

通過室內外溫濕度計算焓值實現模式切換。

4）風機頻率控制：

通過送回風溫差實現風機頻率PID控制。

5）冷凍水閥控制：

通過回風溫度控制冷凍水閥門開度PID控制。

6）制冷模式下新風閥開度控制：

通過CO2濃度及室內正壓實現新風閥開度控制。

7）新風閥開度控制：

制冷模式下通過CO2濃度及室內正壓實現新風閥開度控制，全新風模式下新風閥開度控制采用初始化賦值實現。

4.2 機組臺數控制

1）加減機判斷：

圖4 機組臺數控制邏輯

圖5 加減機命令觸發程序界面

機組加減機臺數控制邏輯如圖4所示，通過統計已開機組的閥門平均開度來判斷是否需要啟停機組，當機組平均閥門開度低于40%時，加開風柜，當機組平均閥門開度高于95%時，加開風柜，圖5為加減機命令觸發程序界面。

2）開機時數統計及機組開關機時數對比：

通過While循環＋反饋節點實現各AHU機組開機時間的累計疊加。

開機狀態×開機時間計算需要關閉的開機最久的機組；關機狀態×開機時間計算需要開啟的開機最短的機組。

3）啟停機組編號選擇：

結合開機命令，選擇開機累計時間最短的機組進行開機；結合關機命令，選擇開機累計時間最長的機組進行開機。

5 應用程序仿真

本文控制策略核心為對機組臺數進行控制，圖6為應用程序的仿真結果界面。通過結果可以看到，在平均水閥開度超過95%時，執行了加機命令，并對開機時數進行對比分析后，實現了機組的壽命輪換啟停。

同時，該程序還集合了包含基于焓差控制的過渡季節全新風控制，在室內外參數發生變化時，對應的風閥開度、水閥開度及風機頻率也實現了對應的變化，在實際運行過程中只需要調整對應的PID參數，則可實現對應參數的穩定控制。

從圖7結果數據可以看到，在采集數據點6當室外溫度升高時，由于室外空氣焓值增大，大于室內空氣焓值，從而使得控制模式從 “全新風模式”變為 “制冷模式”，新風閥開度變為最小設定開度10%；而在數據點18則由于CO2濃度升高，大于1000ppm，此時為了滿足室內新風需求，新風閥開度再次變為100%；在采集數據點36時，由于室內溫度升高，制冷需求增大，冷凍水閥門開度增大，同時，為了維持恒定的送回風溫差，新風機的頻率從原來的25Hz提升至50Hz。

仿真的結果表明，該程序可以根據室內多目標參數達到對應的自動控制，既可以達到AHU臺數的優化自動控制，也可以實現不同氣候模式下的焓差控制，達到節能的目的。

圖6 AHU臺數控制程序界面

圖7 LavView控制程序仿真數據曲線

6 結論與展望

本文基于某電子廠房末端AHU系統的節能控制分析及程序仿真，得到如下結論：

（1）通過控制冷凍水閥的平均開度，可以實現大空間工業廠房多臺AHU臺數的節能優化控制；

（2）通過LabVIEW程序編程，實現了AHU群控控制邏輯，未來可用于類似項目的集中控制；

（3）該控制程序基于環境參數變化進行控制動作反饋的隨機仿真，未基于AHU性能模型進行全面模擬仿真，仍待在實際項目改造過程中進行細化及進行PID參數調試整定。