變風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)末端故障的主動式檢測與診斷

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

變風(fēng)量(variable air volume, VAV)送風(fēng)系統(tǒng)可有效地滿足多區(qū)域用戶不同的冷/熱需求，在大型公共建筑中得到廣泛應(yīng)用。但其系統(tǒng)規(guī)模龐大，控制策略復(fù)雜，各類故障頻發(fā)。在這些故障中，末端裝置故障占據(jù)很大比例。Qin Jianying等[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，香港一棟商業(yè)建筑的VAV系統(tǒng)中，1 251個末端中有261個(20.9%)處于失效狀態(tài)。對諸多VAV末端進(jìn)行手動檢修不僅耗時費(fèi)力，同時也對技術(shù)人員的專業(yè)性有較高要求。因此，自動故障檢測與診斷(fault detection and diagnosis, FDD)方法的研究具有重要科學(xué)價值和工程意義。

對于暖通空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測與診斷的研究起源于20世紀(jì)80年代后期[2]，但多數(shù)只針對空氣處理機(jī)組、制冷系統(tǒng)和節(jié)能器等子系統(tǒng)，對VAV末端的研究相對較少。已有的相關(guān)研究也多基于被動式方法[3-7]，即通過對建筑管理系統(tǒng)(building management system, BMS)中設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的測量值加以分析歸類，以實(shí)現(xiàn)故障檢測與診斷。王海濤等[8-9]設(shè)計了一種基于專家規(guī)則的故障分類器尋找故障源，并開發(fā)了相應(yīng)的故障檢測與診斷軟件。杜志敏[10]提出基于平衡模型的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷方法，利用有效的歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量系統(tǒng)的故障診斷。Zhao Yang等[11-15]開發(fā)了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的VAV末端故障檢測與診斷方法，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)定量描述故障與征兆間的概率關(guān)系，一定程度上克服了診斷信息的不確定性和不完整性問題?；诒粍邮皆\斷的方法雖然簡單實(shí)用，但專家規(guī)則和歷史數(shù)據(jù)的局限性使其能診斷出的故障種類十分有限。

VAV末端故障檢測與診斷主要面臨傳感器數(shù)量少、故障種類多和控制邏輯復(fù)雜等問題，信息不足是主要的挑戰(zhàn)。因此，如何獲取更多的診斷信息成為克服VAV故障診斷困難的關(guān)鍵。近年來，主動式故障檢測與診斷方法得到學(xué)者們的關(guān)注。M. R. Brambley等[16]提出一種基于主動式的FDD方法。該方法在對某一可疑末端進(jìn)行診斷時，先關(guān)閉其他所有VAV末端風(fēng)閥，通過對比低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下和額定轉(zhuǎn)速下的流量值差異，診斷出流量傳感器故障或風(fēng)閥卡死故障。但該方法只針對某幾類特定故障，應(yīng)用范圍有限，且低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的診斷方法限制了其在系統(tǒng)正常運(yùn)行時的應(yīng)用。因此本文提出一種新型主動式故障檢測與診斷方法，即在保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件下，引入小擾動來獲得額外的診斷信息，提高診斷能力。

1 VAV末端及典型故障

1.1 單風(fēng)道壓力無關(guān)型VAV末端

在空調(diào)系統(tǒng)中，單風(fēng)道壓力無關(guān)型VAV末端具有更好的控制穩(wěn)定性和負(fù)荷響應(yīng)特性，因此在眾多大型復(fù)雜變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[17]。圖1所示為典型單風(fēng)道壓力無關(guān)型VAV末端，該末端主要包括送風(fēng)流量傳感器、區(qū)域溫度傳感器、兩個串級控制器及風(fēng)閥執(zhí)行器。

圖1 單風(fēng)道壓力無關(guān)型VAV末端示意圖Fig.1 The schematic of single duct pressure independent VAV terminal

圖2所示為壓力無關(guān)型VAV末端的區(qū)域溫度串級控制回路。其中，區(qū)域溫度控制為主回路，溫度控制器(FC-1)根據(jù)空調(diào)區(qū)域的實(shí)測溫度(T1)和溫度設(shè)定值確定風(fēng)量設(shè)定值；流量控制為二次回路，風(fēng)量控制器(FC-2)根據(jù)風(fēng)量測量值和風(fēng)量設(shè)定值來控制閥門(D-1)的開度，風(fēng)閥根據(jù)控制器指令調(diào)整開度改變送風(fēng)量。串級控制使系統(tǒng)的故障征兆之間存在傳遞性，增加了故障診斷的難度。例如，當(dāng)故障為風(fēng)閥卡在最小開度時導(dǎo)致主回路區(qū)域溫度產(chǎn)生偏差，空氣流量設(shè)定值增大。在二次回路中，風(fēng)閥開度的控制信號將根據(jù)空氣流速測量值和設(shè)定值的偏差進(jìn)行調(diào)整，但風(fēng)閥卡死無法隨控制信號變化。最終空氣流量設(shè)定值將增至最大值。同時，二次回路中風(fēng)閥的控制信號達(dá)到全開。類似的控制效果也會發(fā)生在傳感器、控制器等故障中，而不同的故障引起的系統(tǒng)測量值變化會有相似的特征，給故障診斷帶來困難。

圖2 壓力無關(guān)型VAV末端串級控制回路Fig.2 Cascade control loop of pressure independent VAV terminal

1.2 壓力無關(guān)型VAV末端典型故障

本文的研究對象主要為12種VAV末端典型硬件故障，可分為風(fēng)閥、控制器、傳感器故障3大類，其中傳感器故障又可分為溫度傳感器和流量傳感器，具體如表1所示。

圖3 主動式VAV空調(diào)系統(tǒng)末端FDD方法流程圖Fig.3 The flow chart of proactive FDD method for VAV terminals in air conditioning systems

種類名稱/描述編號風(fēng)閥風(fēng)閥卡在全開位置F1風(fēng)閥卡在部分開度F2風(fēng)閥卡在全關(guān)位置F3遲滯F4控制器風(fēng)量最小值偏大F5風(fēng)量最大值偏小F6流量傳感器讀數(shù)不變F7讀數(shù)正偏差F8讀數(shù)負(fù)偏差F9溫度傳感器讀數(shù)不變F10讀數(shù)正偏差F11讀數(shù)負(fù)偏差F12

2 主動式故障檢測與診斷方法

本文提出的主動式VAV空調(diào)系統(tǒng)末端FDD方法的流程如圖3所示。該方法可分為故障檢測和故障診斷兩個過程。首先，在線獲取BMS系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。然后，利用故障檢測規(guī)則(如表2所示)對VAV末端進(jìn)行故障檢測。若系統(tǒng)存在故障，則進(jìn)入被動式診斷過程，通過可疑故障分類(如表3所示)得到可能發(fā)生的故障列表。若該方法可分離出唯一故障，則診斷結(jié)束。但多數(shù)情況下無法實(shí)現(xiàn)故障分離，主動式方法可以進(jìn)一步診斷故障，通過選擇恰當(dāng)?shù)闹鲃邮紽DD行為獲取額外診斷信息，實(shí)現(xiàn)故障診斷。若所有表1中的可疑故障都被排除后仍未找到故障源，則建議操作人員手動排查其他表1中未考慮的故障。

2.1 被動式故障檢測與診斷

表2所示為VAV末端故障檢測的判斷規(guī)則，即空調(diào)系統(tǒng)末端發(fā)生故障時，建筑管理系統(tǒng)監(jiān)測到的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)會發(fā)生異常，當(dāng)系統(tǒng)測量值表現(xiàn)出的異常特征滿足表2中的條件時，系統(tǒng)進(jìn)入故障診斷流程。

表2 VAV空調(diào)系統(tǒng)末端故障檢測規(guī)則Tab.2 The fault detection rule of VAV air conditioning system terminals

注：F為末端風(fēng)量測量值，L/s；T為房間溫度測量值，℃；Δt為故障給系統(tǒng)帶來的異常時間，s；n為根據(jù)不同系統(tǒng)特性預(yù)先設(shè)定的時長，s。

進(jìn)入故障診斷階段后，首先進(jìn)行被動式故障診斷過程。表3所示為可疑故障分類，通過研究VAV末端常見故障的征兆，即系統(tǒng)的區(qū)域溫度測量值(T)、區(qū)域溫度設(shè)定值(Tset)、空氣流量測量值(F)、空氣流量設(shè)定值(Fset)和風(fēng)閥開度控制信號(μ)等參數(shù)在故障時的變化，總結(jié)出由5類征兆組成的故障分類。

2.2 主動式故障診斷

主動式FDD方法的目標(biāo)是從上一步可疑故障分類表中得到的多個可疑故障中診斷出故障源。表4所示為可采取的主動式行為。以5類征兆中的12種可疑故障為例，對主動式FDD方法的應(yīng)用進(jìn)行說明，表5所示為5類征兆采用的主動式行為和能夠診斷出的故障類型。

表3 可疑故障分類Tab.3 Suspicious faults

表4 主動式行為Tab.4 Proactive behavior

表5 主動式故障診斷行為與診斷結(jié)果對比Tab.5 The comparison of the proactive fault diagnosis behavior and the diagnosis results

1) 征兆1：T>Tset，F(xiàn)

征兆1發(fā)生時，VAV末端風(fēng)閥的控制信號已為最大值(μmax)，但實(shí)際風(fēng)量不能達(dá)到設(shè)定值。此時可能為風(fēng)閥故障(F2、F3)，或送風(fēng)靜壓不合理等設(shè)計操作問題，而這些故障不能通過被動式診斷進(jìn)行分離。若給故障末端加入一個持續(xù)時長Δt的擾動(A2)，即將溫度設(shè)定點(diǎn)Tset調(diào)高ε，則該末端會產(chǎn)生動態(tài)變化，具體變化如圖4所示。

當(dāng)故障為F2時，提高室內(nèi)設(shè)定溫度，風(fēng)量設(shè)定值和風(fēng)閥開度控制信號會相應(yīng)減小，但風(fēng)閥的實(shí)際開度不變，因此風(fēng)量測量值F不會發(fā)生明顯變化。當(dāng)故障為F3時，將溫度設(shè)定值升至高于當(dāng)前室內(nèi)溫度，則風(fēng)量設(shè)定值會減小，但由于風(fēng)閥始終關(guān)閉，風(fēng)量測量值F一直為0。通過上述操作，可以區(qū)別出F2和F3。若以上兩種情況都不滿足，則可能是設(shè)計或操作問題，需要進(jìn)一步手動排查。

2) 征兆2：T>Tset，F(xiàn)=Fset，F(xiàn)set=Fmax，μ≤μmax，采用主動式行為A2，可診斷出F6，F(xiàn)8和F11需要進(jìn)一步人工排查。

征兆2發(fā)生時，風(fēng)量測量值F可維持在設(shè)定值Fset，但室內(nèi)溫度測量值T卻無法到達(dá)設(shè)定值Tset。此時可能是控制器故障(F6)、傳感器故障(F8、F11)或末端不匹配和送風(fēng)溫度不合理等設(shè)計操作問題。若給故障末端加入一個主動式擾動(A2)，即將Tset調(diào)高ε，則該末端會產(chǎn)生動態(tài)變化，具體變化如圖5所示。

圖5 征兆2加入主動式FDD行為后末端的風(fēng)量響應(yīng)Fig.5 The air flow rate response when the proactive FDD behavior is introduced in situation 2

當(dāng)室內(nèi)設(shè)定溫度略高于當(dāng)前室內(nèi)溫度時，風(fēng)量設(shè)定值和風(fēng)閥開度均相應(yīng)減小，但由于溫差變化較小，所以風(fēng)量變化也很小。此時，若風(fēng)量明顯低于無故障風(fēng)量記錄值，則說明風(fēng)量最大設(shè)定值過低(F6)；若高于無故障風(fēng)量記錄值，則說明傳感器出現(xiàn)偏差，但無法確定故障傳感器，需要人工排查。其余情況則可能由設(shè)計操作類問題導(dǎo)致，在此不作討論。

3) 征兆3～4。

由表3可知，征兆3～4和征兆1～2有對應(yīng)相反的表現(xiàn)，采用相反的主動式策略即可，在此不再贅述。

4) 征兆5：T=Tset，F(xiàn)=Fset，F(xiàn)set維持在±ΔF范圍內(nèi)超過nmin，采用主動式行為A2，可診斷出F4、F7和F10故障。

當(dāng)風(fēng)閥遲滯(F4)和傳感器讀數(shù)不變 (F7、F10) 等故障發(fā)生時，溫度和風(fēng)量測量值均能維持在當(dāng)前設(shè)定值，所以需要加入主動式行為A2進(jìn)行判別。對于F4故障，在系統(tǒng)穩(wěn)定時風(fēng)閥遲滯效應(yīng)對系統(tǒng)的影響很小，但加入A2擾動后，風(fēng)閥遲滯故障會顯著影響風(fēng)閥執(zhí)行器對控制信號的響應(yīng)速度。對于正常系統(tǒng)，加入主動式行為后短時間內(nèi)系統(tǒng)即可穩(wěn)定，而故障系統(tǒng)則有明顯震蕩延遲，需要較長時間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但如果系統(tǒng)溫度和風(fēng)量測量值持續(xù)波動無法穩(wěn)定，則說明故障為F7；如果系統(tǒng)溫度和風(fēng)量測量值始終不變，則說明故障為F10。

3 驗(yàn)證及討論

本文在TRNSYS平臺上搭建了采用壓力無關(guān)型末端的VAV空調(diào)系統(tǒng)，分別在有無故障兩種情況下對主動式FDD方法進(jìn)行了驗(yàn)證。該仿真模型包括4個辦公區(qū)域，面積共168 m2，送風(fēng)溫度設(shè)定值為16 ℃，靜壓設(shè)定值為0.3 kPa，區(qū)域溫度設(shè)定值為25 ℃，VAV末端部件模型按照實(shí)際參數(shù)設(shè)計，采用上海天氣參數(shù)，選取夏季8月某日典型工況，系統(tǒng)故障和主動式行為通過手動添加。本文對表5中涉及的故障均進(jìn)行了驗(yàn)證，以下僅以3種典型故障為例說明。

3.1 仿真模型可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺的可靠性，在正常運(yùn)行的仿真系統(tǒng)中添加主動式行為，分析了溫度測量值、風(fēng)量測量值、實(shí)際風(fēng)閥開度等參數(shù)。

對區(qū)域1的VAV末端添加主動式行為，得到各參數(shù)測量值與其設(shè)定值的變化如圖6所示。首先將Tset在14∶00—14∶30內(nèi)提高2 ℃，由圖6(a)可知，系統(tǒng)迅速響應(yīng)，溫差引起風(fēng)量設(shè)定值Fset改變，圖6(b)中的風(fēng)閥開度控制信號Cset也隨之變化，執(zhí)行器接收信號后改變風(fēng)閥開度，進(jìn)而改變送風(fēng)量。5 min后，室內(nèi)溫度即可達(dá)到設(shè)定值。

上述系統(tǒng)特性變化均與控制策略的理論期望值相符，表明搭建的仿真平臺能較好地模擬空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)過程。同時，上述在無故障時添加主動式行為后的系統(tǒng)變化特性可為后續(xù)主動式故障檢測與診斷提供分析對照的依據(jù)。

圖6 無故障時引入主動式FDD行為后仿真系統(tǒng)中末端響應(yīng)變化曲線Fig.6 The response curve of VAV terminal in simulation system when the proactive FDD behavior is introduced in a normal condition

3.2 風(fēng)閥卡死故障的主動式FDD方法驗(yàn)證

風(fēng)閥卡死故障表現(xiàn)為風(fēng)閥執(zhí)行器在某一時刻卡在當(dāng)前開度后，不隨控制信號變化而變化。如圖7(b)所示，在11:00給系統(tǒng)添加F2故障，實(shí)線為風(fēng)閥信號，虛線為風(fēng)閥實(shí)際開度。故障發(fā)生后，風(fēng)閥開度卡在50%左右，導(dǎo)致房間溫度逐漸上升，如圖7(a)中Tsensor曲線所示。當(dāng)溫度測量值與設(shè)定溫度之差超過一定范圍后，故障即可被檢測出。通過被動式診斷進(jìn)一步將該故障歸為征兆1，此時可疑故障為F2、F3。根據(jù)該征兆下的主動式診斷策略向系統(tǒng)添加主動式行為，將Tset在14:00～14:30內(nèi)提高2 ℃。溫差變化引起Fset改變，風(fēng)閥開度控制信號Cset也隨之變化。但因風(fēng)閥卡死導(dǎo)致Fsensor始終無明顯變化，房間溫度也同樣無法達(dá)到設(shè)定值。此時根據(jù)設(shè)定的診斷規(guī)則，風(fēng)閥卡死故障即可分離。

3.3 風(fēng)閥遲滯故障的主動式FDD方法驗(yàn)證

風(fēng)閥遲滯故障表現(xiàn)為風(fēng)閥執(zhí)行器對于控制信號響應(yīng)遲緩。當(dāng)控制信號不變時該故障對系統(tǒng)無影響，但控制信號出現(xiàn)波動后，系統(tǒng)穩(wěn)定所需時間明顯增加。通過減小執(zhí)行器響應(yīng)速度給系統(tǒng)添加F4故障。未添加主動式行為前，系統(tǒng)仍保持正常運(yùn)行，如圖8所示。通過被動診斷將該故障歸為征兆5，此時可疑故障為F4、F7和F10。根據(jù)該征兆下的主動式診斷策略向系統(tǒng)添加主動式行為，將Tset在14∶00—14∶15內(nèi)提高1 ℃，溫差變化引起Fset、Cset改變。但因遲滯導(dǎo)致風(fēng)閥實(shí)際開度變化慢于控制信號變化，使風(fēng)量測量值無法達(dá)到設(shè)定值，導(dǎo)致房間溫度發(fā)生震蕩。此時根據(jù)設(shè)定的診斷規(guī)則，風(fēng)閥遲滯故障即可分離。

3.4 流量傳感器讀數(shù)不變故障的主動式FDD方法驗(yàn)證

流量傳感器不變故障表現(xiàn)為溫度測量值、風(fēng)量設(shè)定值和風(fēng)閥控制信號持續(xù)震蕩。在12:00給系統(tǒng)添加F7故障。如圖9(a)所示，故障發(fā)生后，F(xiàn)sensor保持不變，由于串級控制的復(fù)雜性，導(dǎo)致Tsensor、Fset、風(fēng)閥開度及控制信號發(fā)生震蕩，且振幅緩慢增加。當(dāng)系統(tǒng)檢測出故障后，通過被動式診斷將故障歸為征兆5，可疑故障為F4、F7或F10。根據(jù)該征兆下的主動式診斷策略向系統(tǒng)添加主動式行為，將Tset在14∶00—14∶15內(nèi)提高1 ℃，由于傳感器讀數(shù)保持不變，此時溫差的增大導(dǎo)致系統(tǒng)測量值和控制信號震幅顯著增加，且系統(tǒng)始終無法達(dá)到穩(wěn)定，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的診斷規(guī)則，可診斷出流量傳感器讀數(shù)不變的故障。

圖7 征兆1發(fā)生F2時引入主動式FDD行為后仿真系統(tǒng)中末端響應(yīng)變化曲線Fig.7 The response curve of VAV terminal in simulation system when the proactive FDD behavior is introduced in a fault condition

圖9 征兆5發(fā)生F7時引入主動式FDD行為后仿真系統(tǒng)中末端響應(yīng)變化曲線Fig.9 The response curve of VAV terminal in simulation system when the proactive FDD behavior is introduced in a fault condition

4 結(jié)論

針對VAV送風(fēng)系統(tǒng)末端傳感器數(shù)量少、故障種類多和控制邏輯復(fù)雜導(dǎo)致的故障檢測與診斷難度較大的問題，本文提出一種主動式VAV送風(fēng)系統(tǒng)末端故障檢測與診斷方法，對該方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1) 對VAV末端故障特征進(jìn)行了分析總結(jié)，列舉了12種常見的硬件故障。針對這些故障，提出了5種被動式診斷分類規(guī)則，并根據(jù)不同的分類規(guī)則設(shè)定了對應(yīng)的主動式診斷行為。

2) 與傳統(tǒng)的被動式診斷方法相比，主動式VAV送風(fēng)系統(tǒng)末端故障檢測與診斷方法在其基礎(chǔ)上添加擾動，在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的情況下能夠獲得更多的診斷信息，且無需增加額外的傳感器。

3) 在TRNSYS仿真平臺上搭建了VAV空調(diào)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中手動添加特定故障及主動式擾動，對系統(tǒng)運(yùn)行特性的分析結(jié)果表明，該方法可有效診斷出風(fēng)閥卡死、遲滯以及傳感器讀數(shù)不變等壓力無關(guān)型VAV末端常見硬件故障。

該方法對文中涉及的VAV末端典型故障檢測與診斷十分有效，但無法診斷出由于設(shè)計操作和傳感器讀數(shù)偏差導(dǎo)致的故障等，需要進(jìn)一步研究。

本文受浙江省文物局文物保護(hù)科技項(xiàng)目(2015012)和浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY15E060003)資助。(The project was supported by Zhejiang Province Cultural Relics Protection Technology Project(No. 2015012)and Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(No. LY15E060003).)

符號說明

F———區(qū)域風(fēng)量測量值,L/sFset———區(qū)域風(fēng)量設(shè)定值,L/st———時間,sn———系統(tǒng)異常時長,sT———區(qū)域溫度測量值,℃Tset———區(qū)域溫度設(shè)定值,℃μ———風(fēng)閥開度控制信號Fmax———區(qū)域流量最大設(shè)定值,L/sFmin———區(qū)域流量最小設(shè)定值,L/sμmax———風(fēng)閥開度最大設(shè)定值μmin———風(fēng)閥開度最小設(shè)定值ε———溫差,℃Cvavbox———風(fēng)閥開度實(shí)際值Cset———風(fēng)閥開度設(shè)定值Fsensor———流量傳感器讀數(shù),L/sTsensor———溫度傳感器讀數(shù),L/s