樊海濤

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所，昆明 650118）

0 引言

高等級生物安全實驗室是用于高致病性病原體研究和大規(guī)模病毒培養(yǎng)的特殊場所，其空調(diào)系統(tǒng)必須持續(xù)穩(wěn)定、可靠運行，以確保實驗室內(nèi)的負壓環(huán)境。因此應(yīng)設(shè)置并聯(lián)運行的雙排風(fēng)和雙送風(fēng)變頻風(fēng)機互為備用，當送風(fēng)機或者排風(fēng)機發(fā)生故障時，空調(diào)自控系統(tǒng)應(yīng)立即響應(yīng)，通過響應(yīng)的控制策略在最短的時間內(nèi)完成工況切換，確保實驗室不會發(fā)生正壓反置，從而維持穩(wěn)定的負壓環(huán)境[1-2]。因此本文根據(jù)工程實踐提出了一種風(fēng)機故障工況切換的控制策略。

1 高等級生物安全實驗室空調(diào)系統(tǒng)配置

高等級生物安全實驗室空調(diào)系統(tǒng)通常采用雙變頻送風(fēng)機和雙變頻排風(fēng)機并聯(lián)運行，末端房間采用定風(fēng)量控制閥（constantairvolumecontrolvalve，CAV）、變風(fēng)量控制閥（variable air volume control valve，VAV）進行風(fēng)量和壓差控制，保證室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的負壓梯度。

送、排風(fēng)機變頻器根據(jù)安裝于送、排風(fēng)總管中的風(fēng)量傳感器及靜壓傳感器所設(shè)定的風(fēng)量和靜壓對送、排風(fēng)機進行變頻控制，以保證送、排風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)管靜壓達到設(shè)定值。每個房間設(shè)置微壓差傳感器進行室內(nèi)壓差檢測。每個房間選用末端風(fēng)閥控制器的壓力無關(guān)型VAV 調(diào)節(jié)閥或文丘里閥，自主進行風(fēng)量或壓差控制[3-4]。

于送、排風(fēng)管上VAV 調(diào)節(jié)閥及CAV 調(diào)節(jié)閥前后端均設(shè)置手動調(diào)節(jié)閥。在調(diào)試階段應(yīng)設(shè)置適合的變頻風(fēng)機運行頻率，并通過手動調(diào)節(jié)閥對系統(tǒng)壓力及風(fēng)量進行初步風(fēng)平衡調(diào)試，使得空調(diào)系統(tǒng)主風(fēng)管保持要求的靜壓及風(fēng)量，保證用于風(fēng)量控制的VAV 調(diào)節(jié)閥及CAV 調(diào)節(jié)閥處于適合的工作壓力范圍內(nèi)[5]。

2 正常運行工況下高等級生物安全實驗室的壓差控制

在正常工況下，高等級生物安全實驗室壓差控制邏輯如下：房間送風(fēng)VAV 末端風(fēng)閥控制器按照送風(fēng)量設(shè)定值自動持續(xù)控制送風(fēng)量（根據(jù)工程造價和系統(tǒng)的實際情況，送風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥也可采用CAV調(diào)節(jié)閥）；同樣，房間排風(fēng)VAV 末端風(fēng)閥控制器按照風(fēng)量設(shè)定值以及壓差設(shè)定值，根據(jù)房間的實際風(fēng)量測量值和壓差測量值，對風(fēng)量和壓差以串級控制方式進行自動控制，維持房間壓差的恒定[3，6]。

為避免由于房間門開啟帶來的瞬間失壓，對房間排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥與房門開關(guān)信號進行連鎖控制。當房門開啟時，VAV 調(diào)節(jié)閥在設(shè)定的延遲時間內(nèi)鎖定開度，以減小開門時房間壓差波動導(dǎo)致的VAV 調(diào)節(jié)閥開度大幅變化，避免造成控制系統(tǒng)震蕩。閥門鎖定的延遲時間由上位自控系統(tǒng)進行設(shè)定，超出設(shè)定的延遲時間，系統(tǒng)將發(fā)出報警。

3 風(fēng)機故障時的工況切換控制策略

為及時檢測到風(fēng)機故障，控制系統(tǒng)應(yīng)有全面的故障參數(shù)檢測裝置，用以檢測斷電信號、電動機故障信號、變頻器故障信號及風(fēng)機兩端壓差、風(fēng)量、靜壓等參數(shù)，以判斷風(fēng)機是否出現(xiàn)故障。

當風(fēng)機出現(xiàn)故障時，如果仍然采用正常工況下的控制方法，變頻器將根據(jù)系統(tǒng)送、排風(fēng)量或總風(fēng)管靜壓的設(shè)定大幅變頻，房間VAV 末端風(fēng)閥控制器也根據(jù)設(shè)定值進行自主調(diào)節(jié)，多個變量互相耦合擾動，風(fēng)機系統(tǒng)大概率會出現(xiàn)嚴重震蕩，恢復(fù)穩(wěn)定時間較長，難以保證房間維持穩(wěn)定的負壓梯度，因此必須考慮不同的控制策略。

對高等級生物安全實驗室風(fēng)機故障工況切換要求為切換時房間不能出現(xiàn)正壓反置現(xiàn)象并應(yīng)保持相應(yīng)的壓力梯度，應(yīng)在最短的時間（通常要求60 s）內(nèi)使各房間的壓差回歸至切換前的正常狀態(tài)。

風(fēng)機故障工況切換可簡單分為以下3 種情況：

（1）1 臺送風(fēng)機故障，會導(dǎo)致系統(tǒng)送風(fēng)量不足、排風(fēng)量過剩，并出現(xiàn)房間負壓過大。對于此種情況，在接收到送風(fēng)機故障信號時，備用送風(fēng)機迅速提頻到預(yù)設(shè)值，排風(fēng)機保持固定頻率不變；同時切換房間VAV 調(diào)節(jié)閥控制方式，將送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥的控制權(quán)限交由上位自控系統(tǒng)，由上位自控系統(tǒng)直接進行控制，加大或維持送風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥開度（最優(yōu)閥門開度可在調(diào)試過程找出），減小或維持排風(fēng)閥開度。當備用風(fēng)機運行穩(wěn)定滿足主風(fēng)管靜壓要求后釋放閥門控制權(quán)限至房間VAV 調(diào)節(jié)閥末端風(fēng)閥控制器，自動進行風(fēng)量及壓差控制。

（2）1 臺排風(fēng)機故障，會導(dǎo)致系統(tǒng)排風(fēng)量不足、送風(fēng)量過剩，易出現(xiàn)壓差反置。對于此種情況，在接收到排風(fēng)機故障信號時，備用排風(fēng)機迅速提頻至預(yù)設(shè)值，送風(fēng)機快速降頻至預(yù)設(shè)值，如有必要可關(guān)閉送風(fēng)機。同時，切換房間VAV 調(diào)節(jié)閥控制方式，將送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥的控制權(quán)限交由上位自控系統(tǒng)控制，減小送風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥開度甚至關(guān)閉，加大排風(fēng)VAV調(diào)節(jié)閥開度或維持不變。當備用風(fēng)機運行穩(wěn)定，并滿足主風(fēng)管靜壓要求后，再將控制權(quán)限釋放至VAV 末端風(fēng)閥控制器，自動進行風(fēng)量及壓差的控制。

（3）送、排風(fēng)機均有1 臺故障，此時系統(tǒng)送、排風(fēng)量同時不足。對于此種情況，在接收到故障信號時，備用送、排風(fēng)機同時提頻至預(yù)設(shè)值，但送風(fēng)機的提頻速度應(yīng)略低于排風(fēng)機。同時，切換房間VAV 末端風(fēng)閥控制方式，將送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥的控制權(quán)限交由上位自控系統(tǒng)直接進行控制，固定其閥位不動。當備用風(fēng)機運行穩(wěn)定，并滿足主風(fēng)管靜壓要求后，再逐步釋放控制權(quán)限至房間VAV 調(diào)節(jié)閥末端閥門控制器，自動進行風(fēng)量及壓差控制。雖然此種故障狀態(tài)下房間壓差反置出現(xiàn)的概率不高，但也不排除個別房間會出現(xiàn)壓差反置問題，此時可針對特例房間設(shè)定不同的送、排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥開度值。

上述3 類故障工況切換完成，系統(tǒng)風(fēng)機正常運行后，應(yīng)逐步釋放控制權(quán)，先釋放系統(tǒng)內(nèi)較大房間控制權(quán)限，再釋放較小房間的控制權(quán)限，以避免由于控制權(quán)限同時下放至閥門帶來較大的系統(tǒng)震蕩及壓差波動。

4 VAV 末端風(fēng)閥控制器功能需求

為實現(xiàn)以上所述的房間壓差穩(wěn)定以及備用風(fēng)機切換控制策略，選用的VAV 末端風(fēng)閥控制器應(yīng)具備以下功能：

（1）上位自控系統(tǒng)可通過工控通信協(xié)議（如MODbus）與VAV 末端風(fēng)閥控制器通信。上位自控系統(tǒng)可通過工控通信協(xié)議對風(fēng)閥控制器進行壓差目標值設(shè)定、壓差控制死區(qū)設(shè)定、風(fēng)量目標值設(shè)定、余風(fēng)量差范圍值設(shè)定等。

（2）上位自控系統(tǒng)可通過工控通信協(xié)議對VAV末端風(fēng)閥控制器風(fēng)量、閥位以及房間壓差等參數(shù)進行監(jiān)控。

（3）上位自控系統(tǒng)可通過工控通信協(xié)議實現(xiàn)對VAV 末端風(fēng)閥控制器的手動/自動模式切換：在自動模式下，VAV 末端風(fēng)閥控制器可自主進行風(fēng)量或壓差控制；在手動模式下，可由上位自控系統(tǒng)設(shè)定閥位開度參數(shù)。

由于上位自控系統(tǒng)采用工控通信協(xié)議（如MODbus）通過VAV 調(diào)節(jié)風(fēng)閥控制器對VAV 調(diào)節(jié)閥進行控制，數(shù)據(jù)通信量較大，在設(shè)置通信回路時每個通信回路的VAV 末端風(fēng)閥控制器的數(shù)量建議咨詢相關(guān)供貨商。

5 風(fēng)機故障工況切換控制策略在實際工程中的應(yīng)用

由于高生物安全風(fēng)險疫苗生產(chǎn)車間的負壓環(huán)境、風(fēng)機故障工況切換控制策略與高等級生物安全實驗室相同，現(xiàn)以某高生物安全風(fēng)險疫苗生產(chǎn)車間廢液滅活區(qū)的風(fēng)機故障工況切換為例，采用上文所述的切換控制策略進行工況切換，并進行切換效果檢測。

該高生物安全風(fēng)險疫苗生產(chǎn)車間廢液滅活區(qū)采用了雙變頻送風(fēng)機和雙變頻排風(fēng)機并聯(lián)運行，房間壓差采用CAV 調(diào)節(jié)閥和VAV 調(diào)節(jié)閥進行控制。

排風(fēng)機故障及恢復(fù)控制邏輯在此以排風(fēng)機故障為例說明，其余風(fēng)機故障情況切換方法類似。排風(fēng)機故障可采用拉閘方式進行模擬。

5.1 排風(fēng)機故障切換

當1 臺排風(fēng)機故障時，立刻關(guān)閉故障排風(fēng)機，將備用排風(fēng)機迅速升頻到設(shè)定頻率，送風(fēng)機2 臺機組同時降頻到設(shè)定頻率（設(shè)定頻率根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)確定，風(fēng)機在此頻率下主風(fēng)道靜壓接近正常工況）。同時，房間VAV 調(diào)節(jié)閥由上位自控系統(tǒng)直接控制，保持各房間排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥固定開度不變。在系統(tǒng)穩(wěn)定，風(fēng)機正常運行滿足主風(fēng)道靜壓后，房間VAV 調(diào)節(jié)閥切換為自動運行。

5.2 排風(fēng)機恢復(fù)

排風(fēng)機故障排除后，在上位自控系統(tǒng)界面點擊系統(tǒng)恢復(fù)按鈕，原故障排風(fēng)機立刻啟動，備用排風(fēng)機保持原有頻率運行。待原故障排風(fēng)機升頻到30 Hz時，打開該排風(fēng)機兩側(cè)風(fēng)閥，同時2 臺排風(fēng)機運行到設(shè)定頻率（設(shè)定頻率根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)確定）。在排風(fēng)機故障恢復(fù)期間，房間VAV 調(diào)節(jié)閥由上位自控系統(tǒng)直接控制，保持各房間排風(fēng)VAV 調(diào)節(jié)閥固定開度不變。在系統(tǒng)穩(wěn)定，風(fēng)機運行正常滿足主風(fēng)道靜壓要求后，房間VAV 調(diào)節(jié)閥切換為自動運行。

排風(fēng)機故障工況切換及恢復(fù)過程壓差曲線如圖1 所示，從圖1 可以看出，采用該切換控制方法，系統(tǒng)可以快速完成切換、恢復(fù)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)正壓反置的情況，并保持各房間壓差梯度。切換過程可以在60 s 以內(nèi)完成。

圖1 排風(fēng)機故障工況切換及恢復(fù)過程壓差曲線圖

6 小結(jié)

由于高等級生物實驗室對負壓控制有嚴格要求，需要采用帶自主控制器的末端壓力無關(guān)型VAV調(diào)節(jié)閥，對風(fēng)量和壓差進行連續(xù)調(diào)節(jié)，才能更好地滿足實驗室穩(wěn)定負壓梯度的需求。但當送、排風(fēng)機故障時，系統(tǒng)出現(xiàn)巨大擾動，自主控制的VAV 調(diào)節(jié)閥反而會對系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生很大影響，系統(tǒng)容易發(fā)生震蕩，甚至出現(xiàn)正壓反置。因此，本研究根據(jù)實踐提出，當風(fēng)機發(fā)生故障時，末端自主控制的VAV調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)移控制權(quán)限，由上位自控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)直接控制風(fēng)閥閥位，同時設(shè)定風(fēng)機變頻器的運行頻率，使系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定狀態(tài)后再逐步釋放控制權(quán)到VAV 末端風(fēng)閥控制器。在多個項目的實踐中，該高等級生物安全實驗室風(fēng)機故障切換控制策略得到了驗證，取得較好的控制效果。