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DDC(DirectDigitalControl),即直接數(shù)字控制[3]。廣義上講,DDC控制在控制過(guò)程中不需要現(xiàn)場(chǎng)控制器,控制算法設(shè)計(jì)均在上位計(jì)算機(jī)內(nèi)完成。現(xiàn)場(chǎng)僅需要底層傳感器、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。由于所有控制均在上位機(jī)完成,因此這種方式易于管理。狹義上講,DDC控制為集成封裝,配有中央處理器、存儲(chǔ)單元、輸入輸出通道等。控制算法由編程軟件設(shè)計(jì),并燒制進(jìn)控制器內(nèi),通過(guò)通訊總線進(jìn)行通訊。這樣的控制器多位于現(xiàn)場(chǎng)末端,靈活方便。本文中所選用的DDC控制器兼具廣義DDC控制和狹義DDC控制二者功能,配有RS485接口以滿足第三方設(shè)備需要,同時(shí)配置以太網(wǎng)同上位機(jī)通訊,控制邏輯和控制算法的設(shè)計(jì)可通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn),通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議將控制邏輯下載至現(xiàn)場(chǎng)DDC內(nèi)。具有配置靈活,易于監(jiān)控,可以隨時(shí)調(diào)整控制邏輯等優(yōu)點(diǎn)。
2VAV末端控制器控制原理
從控制原理上來(lái)看,VAVBOX有壓力無(wú)關(guān)型和壓力有關(guān)型兩種類型,其控制原理分別如圖1、圖2所示。壓力有關(guān)型VAVBOX其控制回路僅具有溫度控制環(huán)節(jié),通過(guò)溫度設(shè)定值和當(dāng)前值進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)末端風(fēng)閥開(kāi)度以調(diào)整風(fēng)量,從而改變房間溫度。這種結(jié)構(gòu)同風(fēng)管靜壓值息息相關(guān),使得系統(tǒng)的超調(diào)量和滯后性較大[4]。而壓力無(wú)關(guān)型末端,通過(guò)引入風(fēng)量控制環(huán)節(jié)(內(nèi)環(huán)),同溫度控制環(huán)節(jié)(外環(huán))共同作用,實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。由于風(fēng)量的給定值由溫度控制環(huán)節(jié)計(jì)算,因此末端風(fēng)閥的風(fēng)量輸出與風(fēng)系統(tǒng)管道靜壓無(wú)關(guān),避免房間溫度控制超調(diào)現(xiàn)象。但是這種VAVBOX會(huì)和送風(fēng)機(jī)的控制回路耦合嚴(yán)重,因此對(duì)控制算法要求很高。本文通過(guò)改進(jìn)DDC的控制算法,研究壓力無(wú)關(guān)型末端控制器。其功能框圖設(shè)計(jì)如圖3所示。由圖3可知,壓力無(wú)關(guān)型末端控制器的信號(hào)輸入主要有:當(dāng)前風(fēng)量、房間當(dāng)前溫度、房間設(shè)定溫度、閥門開(kāi)度反饋。信號(hào)輸出為末端風(fēng)閥開(kāi)度控制。當(dāng)前風(fēng)量:DC0~10V電壓信號(hào),接至DDCAI通道,由末端壓差傳感器提供。房間當(dāng)前溫度:DC4~20mA電流信號(hào),接入DDCAI通道,由溫度傳感器提供。閥門開(kāi)度反饋:DC0~10V電壓信號(hào),接至DDCAI通道。房間溫度設(shè)定:本文中,房間溫度設(shè)定可由房間內(nèi)溫度控制面板設(shè)定,也可通過(guò)上位機(jī)對(duì)DDC的RSP端口賦值,遠(yuǎn)程設(shè)定。兩種方式均為標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU信號(hào),接至DDC的Modbus通訊接口。末端風(fēng)閥開(kāi)度控制:DC0~10V電壓信號(hào),由DDCAO通道輸出。通過(guò)DDC控制邏輯計(jì)算后,由AO端口直接輸出至風(fēng)閥。綜上,將DDC同VAVBOX相結(jié)合,得到其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3DDC末端控制器控制邏輯設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文所選用的DDC,其控制邏輯設(shè)計(jì)是由上位設(shè)計(jì)軟件BasPro完成,通過(guò)以太網(wǎng)接口將控制邏輯下載至DDC內(nèi)。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)是隨著房間負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)自身工作效率,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。由于在工作時(shí)會(huì)受到很多隨機(jī)干擾,常規(guī)的PID控制器的參數(shù)不能夠隨著系統(tǒng)變化而尋優(yōu)。更特殊的是,變風(fēng)量末端控制同送風(fēng)機(jī)的控制回路相互耦合,因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的末端控制器要求抗干擾性強(qiáng),控制穩(wěn)定、精度高[6]。故本文選用的是FPID(自適應(yīng)PID控制模塊)結(jié)構(gòu)如圖5所示。FPID控制模塊具有實(shí)現(xiàn)諸多功能的輸入端子,在面對(duì)隨機(jī)干擾時(shí),能夠快速整定出PID參數(shù),滿足當(dāng)前工況。其數(shù)字量輸入端子和模擬量輸入端子功能如表1、表2所示[7]。由表1、表2可設(shè)計(jì)如下控制功能:a.手動(dòng)模式:如果系統(tǒng)為手動(dòng)模式,即A/M=0時(shí),輸出端子OUT的循環(huán)為Mop的參數(shù)。即OUT的值可由用戶定義。b.自動(dòng)模式:如果系統(tǒng)在自動(dòng)模式下,即A/M=1時(shí),則通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制輸出端OUT為控制器計(jì)算值。c.凍結(jié)OUT值:通過(guò)PV端子設(shè)置上限值和下限值來(lái)保證輸出值。如果PV與SP(RSP或LSP)的絕對(duì)差值在最大閥值的范圍內(nèi),則輸出OUT為計(jì)算所得,直至PV的值超出了最大閥值。此功能為設(shè)置房間的最小和最大進(jìn)風(fēng)量,避免房間溫度控制出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。由于設(shè)置了最小進(jìn)風(fēng)量,房間的空氣品質(zhì)也能夠得到保證。d.制冷和制熱模式切換:當(dāng)Action=0,DDC執(zhí)行正向PID控制。即房間設(shè)定溫度小于當(dāng)前房間溫度,此時(shí)控制器處于夏季制冷模式。同理,當(dāng)Action=1,DDC執(zhí)行反向PID控制。e.禁止模式:如果EN=0,系統(tǒng)禁止PID調(diào)節(jié),OUT的值設(shè)為用戶自定義。綜上,在VAV末端控制器的外環(huán)(溫度控制)控制器和內(nèi)環(huán)(風(fēng)量控制)控制器均采用的是上述FPID參數(shù)尋優(yōu)模塊,其最終控制邏輯如圖6所示。由于FPID控制模塊采用的是自適應(yīng)PID控制,且系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制系統(tǒng),根據(jù)目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)法可知,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和風(fēng)量?jī)蓚€(gè)控制器參數(shù)的同時(shí)尋優(yōu)[8]。需要對(duì)兩個(gè)控制器是否失控進(jìn)行邏輯判斷,即對(duì)兩個(gè)控制器分別進(jìn)行PID參數(shù)尋優(yōu)。判斷邏輯如圖7所示。由圖7可知,若出現(xiàn)主環(huán)(溫度控制環(huán)節(jié))和副環(huán)(風(fēng)量控制環(huán)節(jié))同時(shí)失控,則計(jì)時(shí)器_61和計(jì)時(shí)器_62的輸出端子Q均為1。將與非門運(yùn)算結(jié)果0賦值給溫度控制器的A/M(溫度尋優(yōu)控制模塊的手動(dòng)/自動(dòng)切換)端子,同時(shí)將與門運(yùn)算結(jié)果1賦值給風(fēng)量控制器的A/M端子。簡(jiǎn)而言之,即先將溫度控制器設(shè)為手動(dòng),先進(jìn)行風(fēng)量控制器尋優(yōu)。待風(fēng)量控制器整定完畢后,再進(jìn)行溫度控制器的參數(shù)尋優(yōu)工作。綜上所述,基于DDC的VAVBOX參數(shù)尋優(yōu)PID末端控制器的工作流程如圖8所示。
4變風(fēng)量末端控制器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用
在完成對(duì)DDC控制器的控制邏輯的設(shè)計(jì)后,利用DDC所帶的Modbus接口同BA系統(tǒng)連接,將其DDC變風(fēng)量末端控制器同VAVBOX結(jié)合,通過(guò)LabVIEW采集系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)[9],如圖9所示。由圖9可知,房間設(shè)定溫度為20℃,房間的實(shí)際溫度及風(fēng)閥的開(kāi)度及實(shí)際送風(fēng)量均能夠很好地跟隨變化。房間的過(guò)渡時(shí)間較為良好,溫度超調(diào)控制在0.3℃之間,因此DDC控制器的實(shí)驗(yàn)效果較為理想。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)引入隨機(jī)干擾以改變房間的末端負(fù)荷,觀察控制器的參數(shù)自整定效果和房間溫度曲線,得到圖10。同圖6對(duì)比發(fā)現(xiàn),由于引入隨機(jī)干擾改變了房間負(fù)荷變化,風(fēng)量控制器參數(shù)隨之發(fā)生變化,房間的溫度也伴有波動(dòng),待風(fēng)量控制器的參數(shù)尋優(yōu)完畢后,其中P=1.5,I=0.05,控制器已能夠適應(yīng)當(dāng)前工況。如采用傳統(tǒng)PID控制,房間溫度會(huì)在24.5°附近徘徊。由于采用的是參數(shù)自尋優(yōu)PID控制,因此控制器能夠適應(yīng)此時(shí)的工況變化,房間的溫度能夠繼續(xù)下降。由于實(shí)驗(yàn)中所采用的溫度傳感器和壓差傳感器的安裝位置多為手動(dòng)布置,空調(diào)系統(tǒng)管道及風(fēng)機(jī)已經(jīng)施工完畢,不能夠完全反映房間的狀態(tài)。加之風(fēng)量控制器和溫度控制器的失調(diào)判斷標(biāo)準(zhǔn)為工程經(jīng)驗(yàn),因而在實(shí)驗(yàn)時(shí)多有遺憾。如果能有暖通專業(yè)配合,選取合適的測(cè)量點(diǎn),重新選取末端風(fēng)閥,相信控制效果還能做到更好,節(jié)能效果也更加明顯。
5結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)探討DDC在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用,完成VAV末端控制器的設(shè)計(jì),深化了建筑電氣設(shè)計(jì),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示,空調(diào)控制系統(tǒng)具有過(guò)渡時(shí)間快,超調(diào)量小,易于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)管理的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)同暖通空調(diào)專業(yè)的配合,充分發(fā)揮DDC在建筑電氣設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì),一定能夠從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)的高效管理。
作者:孫曙單位:中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司