CN102029203A - 一种实验室变风量通风柜控制系统 - Google Patents

Abstract

一种实验室变风量通风柜控制系统，其特征在于：包括通风柜、安装在通风柜的排风支管上的文丘里阀、位移传感器、门高报警开关、面风速监测及控制系统、风机变频系统、阀门控制器及阀门执行器，面风速监测及控制系统包括面风速传感器及变风量控制器，变风量控制器实时测量通风柜开度，同时面风速传感器实时测量面风速，并将其转化成电压信号传给变风量控制器，变风量控制器根据面风速实际值与设定值进行比较，如果风速不在设定值范围内，变风量控制器向阀门控制器输出信号，阀门控制器再向阀门执行器输出信号，阀门执行器驱动文丘里阀的活塞上下移动，改变通风截面积，调节通风风量。

Description

一种实验室变风量通风柜控制系统

技术领域

本发明涉及实验室设备领域，特别是一种通风系统。

背景技术

现有的实验室的通风系统大多采用普通变频系统，而普通变频系统的信号源始开启通风柜的控制开关，也就是说每开启/关闭1台通风柜，系统都将增加/减少一定的排风量，整个系统风量变化为档位式调节；普通阀门采用手动调节，无自动功能，影响系统安全；压力不独立，同一系统内会相互影响；控制精度低，且风量越小精度越差；由于快开特性，可测比往往只有3∶1；安装时需要现场调试和定期维护。普通变频系统的通风柜面风速是变化的，风速的变化会影响到实验的结果。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提供一种对实验室内压力进行实时无极调节、面风速恒定、控制精度高的变风量通风柜控制系统。

本发明的原理是这样实现的：

一种实验室变风量通风柜控制系统，其特征在于：包括通风柜、安装在通风柜的排风支管上的文丘里阀、位移传感器、门高报警开关、面风速监测及控制系统、风机变频系统、阀门控制器及阀门执行器，面风速监测及控制系统包括面风速传感器及变风量控制器，变风量控制器实时测量通风柜开度，同时面风速传感器实时测量面风速，并将其转化成电压信号传给变风量控制器，变风量控制器根据面风速实际值与设定值进行比较，如果风速不在设定值范围内，变风量控制器向阀门控制器输出信号，阀门控制器再向阀门执行器输出信号，阀门执行器驱动文丘里阀的活塞上下移动，改变通风截面积，调节通风风量。

其中，所述文丘里阀包括阀体、装置在阀体内的两连杆座、锥形活塞、连杆及控制杆，阀体内腔设有与锥形活塞相适配合的缩径，锥形活塞通过活塞套、活塞帽及弹簧帽装在连杆的一端，控制杆一端通过导向杆与连杆铰接，控制杆另一端与阀门执行器相连。

上述风机变频系统包括安装在每个排气系统风机入口稳流段的压力传感器，每打开或关闭某房间的电动排气阀必定引起管道静压的变化，检测实时静压值与设定静压值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，输出相应信号调整变频器输出频率，实现节能运行。

上述面风速监测及控制系统包括：

1)、阀门采用变风量文丘里阀，能够按照设计要求独立的完成单台通风柜的变风量的控制，有效及时地从污染源排放有毒气体和颗粒，安全可靠地工作；

2)、面风速不受管道气压影响，也不受到通风柜内外的干扰；

3)、当柜门上下移动时，能够自动控制变风量的阀门，使面风速稳定在0.5m/s，阀门反应速度应为快反应，平衡时间小于1秒；要求变风量控制阀实测面风速，控制调节方式应为闭环控制，控制面板直接显示面风速。

4)、自动调节排风量以满足不同状态下的安全面风速需要，可以通过控制面板设定阀的最小、最大排风量或面风速设定值，并能够维持要求的最小排气量或面风速；

5)、当出现面风速过低等不安全情况时应自动发出声光报警，控制器应有紧急情况按钮，当发生火灾及意外紧急情况时，按动此按钮，风阀应按最大风量运行，并发出报警。

本发明还包括洁净机通风控制系统，洁净区控制系统由触摸屏、控制器、输入输出模块、传感器、变频器组成，每台风机设置独立变频器，控制系统实现以下控制功能：

1)、温度控制，根据回风温度与设定温度值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，调节表冷器进水阀门的开度或加热器档位，使受控环境的温度保持在要求的范围内；

2)、湿度控制，根据回风湿度与设定湿度值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，调节加湿阀门开度，使受控环境的温度保持在要求的范围内；

3)、节能运行，包括以下状态：

(a)、自动状态：检测新、回风温湿度，通过控制器的焓运算，根据新、回风的焓值机热湿负荷，自动调节新风阀、回风阀及排风阀的开度比例，使空调节能运行；

(b)、手动状态：洁净室送风机运行频率随各房间送风阀门开启的数量来调节变频器的上限运行频率(多级控制)，排风系统采用定静压控制来调节排风机变频器运行频率；

4)、定静压控制，对正压洁净室，检测回风管静压值与设定静压值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，一方面调节排风机的变频器输出频率，另一方面调节新阀门的开度，使系统新风量、回风量及排风量维持动态平衡，保证整个系统正压；

5)、联锁控制，包括：

(a)、新风阀门、回风阀门、排风阀门、加热器、加湿阀、排气风机、消防联动控制装置等均与洁净系统送风机联锁；

(b)、开机程序，新风阀优先回风阀开启，送风机优先排风机开启，新风阀优先送风机开启；各实验室送风阀门优先于回风阀门开启；

(c)、停机程序，洁净系统的排风机优先送风机关闭，确保整个系统正压；当所有风阀关闭时，风机自动停止运行；

(d)、排风机处于运行状态时洁净系统送风机严禁关闭；当处于消防状态时，消防中心同时发出报警信号及停机联动信号，控制系统延时3分钟后洁净区域所有风机自动停止运行；

(e)、当风速传感器检测到实时风速低于系统值班状所维持的最小送风量对应的风速时，加热器严禁启动；当高温开关动作时，加热器停止工作；

6)、房间恒压控制，对正压洁净室，房间压差传感器检测到房间实时压差低于设定值时，自动减少回风阀门的开度，当回风阀门处于最低开度时房间压差仍未达到设定值，则自动增大送风机转速。

本发明洁净机通风控制系统由触摸屏来实现以下功能：

1)、控制设备可独立控制每个风阀、水阀及每台风机的运行状态，可手动调节变频器运行频率，可设定为工作状态和值班状态、白天及夜晚四种工况；

2)、设定系统的温度、湿度、风压、风阀开度、风机运行频率等参数；

3)、监测新风、回风、送风及各房间的温湿度，各风阀、水阀的开度，风机手动、自动运行状态，送风管风速，风机运行频率，房间实时压差值、通风柜排风系统工作状态、消防状态等等；

4)、风机热过载报警、变频器超载报警、过滤器堵塞报警、低温报警、加热器高温报警、房间压差报警、消防状态报警、防火阀动作报警等等；

5)、每台风机实现手动、自动、定时等多种运行模式，工频与变频切换，当变频器故障时，可转换到工频运行。

本发明文丘里阀通风系统与传统蝶阀通风系统的比较：

1、通风系统的变频信号来源不同：

传统蝶阀通风系统的信号源始开启通风柜的控制开关，也就是说每开启/关闭1台通风柜，系统都将增加/减少一定的排风量，整个系统风量变化为档位式调节；本发明文丘里阀变频系统的信号源为管道压力传感器，系统中每个风量值(包括开启/关闭1台通风柜和通风柜操作窗高度)变化都将引起管道压力变化，系统将依据压力进行实时无极调节。

2、系统精度不同：

以1.5米通风柜为例，每台通风柜设计风量为1700m³/h。传统蝶阀通风系统每次改变风量都是以1700m³/h为单位，具体为一台风量1700m³/h、两台风量3400m³/h、三台风量5100m³/h、四台风量6800m³/h依此类推，文丘里阀变频系统是由通风柜实际需要排风量来改变的，依据通风柜操作窗高度不同而变化。假定第一台需要风量为1200m³/h、第二台需要风量为1500m³/h、第三台需要风量为1700m³/h、第四台需要风量为900m³/h，这时系统的排风量为5300m³/h，而不是普通变频系统的6800m³/h。

3、控制结果不同：

(1)、传统变频系统的通风柜面风速是变化的。

风量计算公式：Q＝V*S(Q为通风柜排风量、V为通风柜面风速、S为操作窗通风截面积)，通风截面积计算公式：S＝L*H(L为操作窗宽度、H为操作窗开启高度)，将S＝L*H带入公式Q＝V*S可得Q＝V*L*H(公式Q＝V*L*H中Q、L为常量)。将公式转换一下可得Q＝V*L*H→Q/L＝V*H，即V*H为一个常量，由此可见V和H为反比关系，操作窗开启高度H越大面风速V越小，反之操作窗开启高度H约小面风速V越大，无法做到面风速恒定。

(2)、文丘里阀变频系统的通风柜面风速是恒定的。

还是上面的公式Q＝V*L*H，我们首先控制不变的是V(通风柜面风速)，L为常量，那么公式变成了Q/H＝V*L，V*L为常量，Q随H的变化而变化。

4、文丘里阀和普通阀门功能比较：

(1)、普通阀门：手动调节，无自动功能，影响系统安全；压力不独立，同一系统内会相互影响；控制精度低，且风量越小精度越差；由于快开特性，往往只有3∶1；需要现场调试；需要定期维护，通常为每年1次。

(2)、文丘里阀：反应速度小于1秒，做到良好控制；压力独立，不会相互影响；控制精度高，全范围内都是读数的5％；可测比高，最大可到20∶1；不需要现场调试，出厂前严格调试检测；不需要定期维护。

文丘里阀将高速智能控制、机械自动补偿和压力无关控制技术有机融合，满足通风系统中对气流控制的特殊需求。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明文丘里阀信号传送示意图；

图2为本发明文丘里阀的结构示意图；

图3为本发明单台通风柜控制原理示意图；

图4为本发明单台通风柜控制接线示意图；

图5为本发明多台通风柜控制原理示意图；

图6为本发明多台通风柜控制接线示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种实验室变风量通风柜控制系统，包括通风柜1、安装在通风柜1的排风支管上的文丘里阀2、位移传感器4、门高报警开关5、面风速监测及控制系统、风机变频系统、阀门控制器7及阀门执行器8，通过控制操作面板，一方面输出信号开启电动风阀，另一个输出输出信号启动变频器运行。面风速监测及控制系统包括面风速传感器3及变风量控制器6，变风量控制器6实时测量通风柜1开度，同时面风速传感器3实时测量面风速，并将其转化成电压信号传给变风量控制器6，变风量控制器6根据面风速实际值与设定值进行比较，如果风速不在设定值(0.50m/s)范围内，变风量控制器6向阀门控制器7输出信号，阀门控制器7再向阀门执行器8输出信号，阀门执行器8驱动文丘里阀2的活塞21上下移动，改变通风截面积，调节通风风量，整个通风柜变风量控制系统的响应时间＜1秒。

本发明可采用单台通风柜控制系统，图3为本发明单台通风柜控制原理示意图，图4为本发明单台通风柜控制接线示意图。

本发明可采用多台通风柜控制系统，如图5所示本发明多台通风柜控制原理示意图，图6为本发明多台通风柜控制接线示意图。

如图2所示，本发明文丘里阀2包括阀体22、装置在阀体22内的两连杆座23a、23b、锥形活塞21、连杆24及控制杆25，阀体22内腔设有与锥形活塞21相适配合的缩径，锥形活塞21通过活塞套26、活塞帽27及弹簧帽28装在连杆24的一端，控制杆25一端通过导向杆29与连杆24铰接，控制杆25另一端与阀门执行器8相连。

对于需要排气的实验室，每房间设置一个操作面板及一个排气电动风量总阀门，阀门采用开关量调节(全开或全关)。操作人员操作监控操作面板的排气按钮，一方面打开排风阀门及新风阀门，另一方面输出一组无源触点信号给PLC，启动排风机及新风机的变频器运行。

风机变频系统包括安装在每个排气系统风机入口稳流段的压力传感器，每打开或关闭某房间的电动排气阀必定引起管道静压的变化，检测实时静压值与设定静压值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，输出相应信号调整变频器输出频率，实现节能运行。

所述面风速监测及控制系统包括：

1)、阀门采用变风量文丘里阀2，能够按照设计要求独立的完成单台通风柜1的变风量的控制，有效及时地从污染源排放有毒气体和颗粒，安全可靠地工作；

2)、面风速不受管道气压影响，也不受到通风柜内外的干扰；

3)、当通风柜1柜门上下移动时，能够自动控制变风量的阀门，使面风速稳定在0.5m/s，阀门反应速度应为快反应，平衡时间小于1秒；要求变风量控制阀实测面风速，控制调节方式应为闭环控制，控制面板直接显示面风速。

4)、自动调节排风量以满足不同状态下的安全面风速需要，可以通过控制面板设定阀的最小、最大排风量或面风速设定值，并能够维持要求的最小排气量或面风速；

5)、当出现面风速过低等不安全情况时应自动发出声光报警，控制器应有紧急情况按钮，当发生火灾及意外紧急情况时，按动此按钮，风阀应按最大风量运行，并发出报警。

本发明还包括洁净机通风控制系统，洁净区控制系统由触摸屏、控制器、输入输出模块、传感器、变频器组成，每台风机设置独立变频器，控制系统实现以下控制功能：

1、温度控制，根据回风温度与设定温度值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，调节表冷器进水阀门的开度或加热器档位，使受控环境的温度保持在要求的范围内；

2、湿度控制，根据回风湿度与设定湿度值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，调节加湿阀门开度，使受控环境的温度保持在要求的范围内；

3、节能运行，包括以下状态：

(a)、自动状态：检测新、回风温湿度，通过控制器的焓运算，根据新、回风的焓值机热湿负荷，自动调节新风阀、回风阀及排风阀的开度比例，使空调节能运行；

(b)、手动状态：洁净室送风机运行频率随各房间送风阀门开启的数量来调节变频器的上限运行频率(多级控制，排风系统采用定静压控制来调节排风机变频器运行频率；

4)、定静压控制，对正压洁净室，检测回风管静压值与设定静压值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，一方面调节排风机的变频器输出频率，另一方面调节新阀门的开度，使系统新风量、回风量及排风量维持动态平衡，保证整个系统正压；

5)、联锁控制，包括：

(a)、新风阀门、回风阀门、排风阀门、加热器、加湿阀、排气风机、消防联动控制装置等均与洁净系统送风机联锁；

(b)、开机程序，新风阀优先回风阀开启，送风机优先排风机开启，新风阀优先送风机开启；各实验室送风阀门优先于回风阀门开启；

(c)、停机程序，洁净系统的排风机优先送风机关闭，确保整个系统正压；当所有风阀关闭时，风机自动停止运行；

(d)、排风机处于运行状态时洁净系统送风机严禁关闭；当处于消防状态时，消防中心同时发出报警信号及停机联动信号，控制系统延时3分钟后洁净区域所有风机自动停止运行；

(e)、当风速传感器检测到实时风速低于系统值班状所维持的最小送风量对应的风速时，加热器严禁启动；当高温开关动作时，加热器停止工作；

6)、房间恒压控制，对正压洁净室，房间压差传感器检测到房间实时压差低于设定值时，自动减少回风阀门的开度，当回风阀门处于最低开度时房间压差仍未达到设定值，则自动增大送风机转速。

本发明洁净机通风控制系统由触摸屏来实现以下功能：

1)、控制设备可独立控制每个风阀、水阀及每台风机的运行状态，可手动调节变频器运行频率，可设定为工作状态和值班状态、白天及夜晚四种工况；

2)、设定系统的温度、湿度、风压、风阀开度、风机运行频率等参数；

3)、监测新风、回风、送风及各房间的温湿度，各风阀、水阀的开度，风机手动、自动运行状态，送风管风速，风机运行频率，房间实时压差值、通风柜排风系统工作状态、消防状态等等；

4)、风机热过载报警、变频器超载报警、过滤器堵塞报警、低温报警、加热器高温报警、房间压差报警、消防状态报警、防火阀动作报警等等；

5)、每台风机实现手动、自动、定时等多种运行模式，工频与变频切换，当变频器故障时，可转换到工频运行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实验室变风量通风柜控制系统，其特征在于：包括通风柜(1)、安装在通风柜(1)的排风支管上的文丘里阀(2)、位移传感器(4)、门高报警开关(5)、面风速监测及控制系统、风机变频系统、阀门控制器(7)及阀门执行器(8)，面风速监测及控制系统包括面风速传感器(3)及变风量控制器(6)，所述变风量控制器(6)实时测量通风柜(1)开度，同时面风速传感器(3)实时测量面风速，并将其转化成电压信号传给变风量控制器(6)，变风量控制器(6)根据面风速实际值与设定值进行比较，如果风速不在设定值范围内，变风量控制器(6)向阀门控制器(7)输出信号，阀门控制器(7)再向阀门执行器(8)输出信号，阀门执行器(8)驱动文丘里阀(2)的活塞(21)上下移动，改变通风截面积，调节通风风量。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述文丘里阀(2)包括阀体(22)、装置在阀体(22)内的两连杆座(23a、23b)、锥形活塞(21)、连杆(24)及控制杆(25)，阀体(22)内腔设有与锥形活塞(21)相适配合的缩径，锥形活塞(21)通过活塞套(26)、活塞帽(27)及弹簧帽(28)装在连杆(24)的一端，控制杆(25)一端通过导向杆(29)与连杆(24)铰接，控制杆(25)另一端与阀门执行器(8)相连。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述风机变频系统包括安装在每个排气系统风机入口稳流段的压力传感器，每打开或关闭某房间的电动排气阀必定引起管道静压的变化，检测实时静压值与设定静压值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，输出相应信号调整变频器输出频率，实现节能运行。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述面风速监测及控制系统包括：

1)、阀门采用变风量文丘里阀(2)，能够按照设计要求独立的完成单台通风柜(1)的变风量的控制，有效及时地从污染源排放有毒气体和颗粒，安全可靠地工作；

2)、面风速不受管道气压影响，也不受到通风柜(1)内外的干扰；

3)、当通风柜(1)柜门上下移动时，能够自动控制变风量的阀门，使面风速稳定在0.5m/s，阀门反应速度应为快反应，平衡时间小于1秒；要求变风量控制阀实测面风速，控制调节方式应为闭环控制，控制面板直接显示面风速；

4)、自动调节排风量以满足不同状态下的安全面风速需要，可以通过控制面板设定阀的最小、最大排风量或面风速设定值，并能够维持要求的最小排气量或面风速；

5)、当出现面风速过低等不安全情况时应自动发出声光报警，控制器应有紧急情况按钮，当发生火灾及意外紧急情况时，按动此按钮，风阀应按最大风量运行，并发出报警。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：还包括洁净机通风控制系统，洁净区控制系统由触摸屏、控制器、输入输出模块、传感器、变频器组成，每台风机设置独立变频器，控制系统实现以下控制功能：

1)、温度控制，根据回风温度与设定温度值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，调节表冷器进水阀门的开度或加热器档位，使受控环境的温度保持在要求的范围内；

2)、湿度控制，根据回风湿度与设定湿度值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，调节加湿阀门开度，使受控环境的温度保持在要求的范围内；

3)、节能运行，包括以下状态：

(a)、自动状态：检测新、回风温湿度，通过控制器的焓运算，根据新、回风的焓值机热湿负荷，自动调节新风阀、回风阀及排风阀的开度比例，使空调节能运行；

(b)、手动状态：洁净室送风机运行频率随各房间送风阀门开启的数量来调节变频器的上限运行频率(多级控制)，排风系统采用定静压控制来调节排风机变频器运行频率；

4)、定静压控制，对正压洁净室，检测回风管静压值与设定静压值比较后的差值及其极性，通过控制器的PID运算，一方面调节排风机的变频器输出频率，另一方面调节新阀门的开度，使系统新风量、回风量及排风量维持动态平衡，保证整个系统正压；

5)、联锁控制，包括：

(a)、新风阀门、回风阀门、排风阀门、加热器、加湿阀、排气风机、消防联动控制装置等均与洁净系统送风机联锁；

(b)、开机程序，新风阀优先回风阀开启，送风机优先排风机开启，新风阀优先送风机开启；各实验室送风阀门优先于回风阀门开启；

(c)、停机程序，洁净系统的排风机优先送风机关闭，确保整个系统正压；当所有风阀关闭时，风机自动停止运行；

(d)、排风机处于运行状态时洁净系统送风机严禁关闭；当处于消防状态时，消防中心同时发出报警信号及停机联动信号，控制系统延时3分钟后洁净区域所有风机自动停止运行；

(e)、当风速传感器检测到实时风速低于系统值班状所维持的最小送风量对应的风速时，加热器严禁启动；当高温开关动作时，加热器停止工作；

6)、房间恒压控制，对正压洁净室，房间压差传感器检测到房间实时压差低于设定值时，自动减少回风阀门的开度，当回风阀门处于最低开度时房间压差仍未达到设定值，则自动增大送风机转速。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于：所述触摸屏实现以下功能：

1)、控制设备可独立控制每个风阀、水阀及每台风机的运行状态，可手动调节变频器运行频率，可设定为工作状态和值班状态、白天及夜晚四种工况；

2)、设定系统的温度、湿度、风压、风阀开度、风机运行频率等参数；

3)、监测新风、回风、送风及各房间的温湿度，各风阀、水阀的开度，风机手动、自动运行状态，送风管风速，风机运行频率，房间实时压差值、通风柜排风系统工作状态、消防状态等等；

4)、风机热过载报警、变频器超载报警、过滤器堵塞报警、低温报警、加热器高温报警、房间压差报警、消防状态报警、防火阀动作报警等等；

5)、每台风机实现手动、自动、定时等多种运行模式，工频与变频切换，当变频器故障时，可转换到工频运行。

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