基于傳感器的空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)檢測技術(shù)研究

基于傳感器的空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)檢測技術(shù)研究

1國外建筑系統(tǒng)檢測技術(shù)的研究與開發(fā)由于不適當(dāng)?shù)脑O(shè)備選擇和安裝、不適當(dāng)?shù)脑O(shè)備維護(hù)以及系統(tǒng)設(shè)備的老化和性能降低，建筑物的空調(diào)系統(tǒng)無法根據(jù)最初的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行運(yùn)營。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行檢測是一種有效的方法,它可以提高系統(tǒng)在建筑生命周期內(nèi)的運(yùn)行性能。早期的檢測主要指在建筑空調(diào)系統(tǒng)投入運(yùn)行前進(jìn)行的一次性人工檢測。近年來系統(tǒng)檢測的定義不斷更新。根據(jù)ASHRAE手冊(cè)1-1996定義,系統(tǒng)檢測是一個(gè)貫穿于整個(gè)建筑生命周期的過程,應(yīng)包括對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、功能調(diào)試以及運(yùn)行各階段的檢測。這個(gè)觀念在北美和歐洲已被廣泛接受。IEA(InternationalEnergyAgency)、ASHRAE(AmericanSocietyofHeatingRefrigerationandAir-conditioningEngineers)、ARTI(Air-conditioningandRefrigerationTechnologyInstitute)、CIBSE(ChartedInstitutionofBuildingServicesEngineering)、CSTB(FrenchNationalCenterforBuildingScienceandTechnology)、NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)、PECI(PortlandEnergyConservation,Inc.)等國際組織都非常重視研究和開發(fā)建筑系統(tǒng)檢測技術(shù)及工具。在香港,HKBCC(HongKongBuildingCommissioningCentre)也正致力于改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)的檢測技術(shù)。隨著現(xiàn)代建筑日益復(fù)雜化及對(duì)可靠的系統(tǒng)檢測需求不斷增長,原來所采用的人工檢測已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。在這種情況下,研究和開發(fā)系統(tǒng)自動(dòng)檢測技術(shù)和工具成為必須。當(dāng)前在建筑中廣泛應(yīng)用的建筑自動(dòng)化系統(tǒng)為自動(dòng)檢測的實(shí)現(xiàn)提供了很好的平臺(tái),雖然建筑空調(diào)系統(tǒng)檢測還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到完全自動(dòng)化的程度,但系統(tǒng)自動(dòng)檢測技術(shù)的研究與開發(fā)已取得了豐碩的成果。2各階段進(jìn)行的檢測系統(tǒng)檢測包括對(duì)空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行等各階段進(jìn)行的檢測。當(dāng)前對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)檢測的工作主要包括以下3方面:系統(tǒng)信息自動(dòng)化管理、系統(tǒng)功能自動(dòng)調(diào)試以及系統(tǒng)性能的自動(dòng)監(jiān)控和故障自動(dòng)診斷。2.1系統(tǒng)信息管理技術(shù)的開發(fā)為了測試、維護(hù)和改進(jìn)建筑空調(diào)系統(tǒng),與系統(tǒng)檢測有關(guān)的系統(tǒng)信息需要不斷保存并更新。因此,信息管理系統(tǒng)應(yīng)追蹤和記錄整個(gè)生命周期內(nèi)系統(tǒng)中的所有變化。精確、連貫的信息對(duì)自動(dòng)檢測是很重要的,它能有效地減少檢測時(shí)的人力、物力,并有助于提高系統(tǒng)檢測的可靠性。ASHRAE、LBNL和PECI等組織都對(duì)系統(tǒng)信息管理技術(shù)進(jìn)行了研究與開發(fā)。早在1996年,LBNL就開始致力于建筑生命周期內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)的研發(fā)。此研究為基于計(jì)算機(jī)的信息管理提供了一個(gè)基本框架,很多后來的研究與開發(fā)都是基于此進(jìn)行的。同時(shí)由LBNL和PECI共同開發(fā)的一個(gè)信息管理軟件(DesignIntentTool),可以記錄設(shè)計(jì)過程中的各種設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和目標(biāo),能夠讓診斷人員、設(shè)備操作人員及業(yè)主等清楚地知道建筑及其子系統(tǒng)的運(yùn)行目標(biāo)。ASHRAETRP-1032也開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來管理2個(gè)空調(diào)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),并在開發(fā)該數(shù)學(xué)模型的過程中,提出了互操作這一重要概念,系統(tǒng)互操作指在保持信息獨(dú)特的性能和關(guān)聯(lián)性的同時(shí),允許數(shù)據(jù)被不同的平臺(tái)和用戶共享?？傊?自動(dòng)化信息管理是建筑系統(tǒng)診斷自動(dòng)化的前提,信息管理工具與其它診斷工具間的互操作也非常關(guān)鍵。2.2功能調(diào)試測試功能調(diào)試是系統(tǒng)測試與檢測的重要部分。系統(tǒng)功能調(diào)試包括對(duì)制冷機(jī)、冷卻塔、風(fēng)機(jī)、水泵等系統(tǒng)元件的調(diào)試,以及對(duì)控制系統(tǒng)、建筑智能系統(tǒng)和各控制環(huán)路的調(diào)試。因?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)是一個(gè)全年運(yùn)行的系統(tǒng),所以它應(yīng)該包括對(duì)不同季節(jié)和各種運(yùn)行工況下的系統(tǒng)調(diào)試。然而,由于調(diào)試方案和調(diào)試現(xiàn)場等的局限性,要實(shí)現(xiàn)這些調(diào)試是很困難的。因此,功能調(diào)試通常在假定的操作狀態(tài)或通過修改設(shè)定值與控制參數(shù)來進(jìn)行測試。通過觀測系統(tǒng)的響應(yīng)情況并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)并修正系統(tǒng)的性能退化。常規(guī)的人工檢測費(fèi)時(shí)費(fèi)力,不適合復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試。建筑自動(dòng)化系統(tǒng)作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)且有效的功能調(diào)試平臺(tái),可以方便的改變?cè)O(shè)定值、控制信號(hào)及PID控制器參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù),有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)試。目前,功能調(diào)試在系統(tǒng)的自動(dòng)檢測中得到了越來越多的應(yīng)用。文獻(xiàn)提出了一種基于模型的方法來對(duì)空氣處理單元進(jìn)行自動(dòng)性能調(diào)試,并分別采用了開環(huán)與閉環(huán)2種方法進(jìn)行測試。開環(huán)測試主要是為了檢測系統(tǒng)是否在其操作范圍內(nèi)正常運(yùn)行;閉環(huán)測試則用來檢測設(shè)備與控制器間的耦合作用。這種方法能有效地檢測出變風(fēng)量末端、風(fēng)機(jī)及冷卻盤管等子系統(tǒng)的故障。此外,功能調(diào)試結(jié)果需要記錄在信息管理數(shù)據(jù)庫中,由于實(shí)際運(yùn)行中存在的問題,系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能與系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的預(yù)測通常是有差別的。2.3多模型故障診斷法由于空調(diào)系統(tǒng)元部件的老化與不恰當(dāng)?shù)木S護(hù),空調(diào)系統(tǒng)部件有時(shí)會(huì)部分失效甚至完全失效。理論研究與實(shí)驗(yàn)調(diào)查表明,通過排除故障及優(yōu)化控制,建筑能耗可降低20%～30%。性能自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)故障診斷技術(shù)在自動(dòng)檢測過程中正是用來實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)并修正出現(xiàn)的故障。性能監(jiān)控是在正常運(yùn)行情況下檢測系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。LBNL組織開發(fā)的信息監(jiān)控與管理系統(tǒng)(InformationManagementBuildingSystem),能有效地監(jiān)控系統(tǒng)性能,并具有一定的自動(dòng)故障診斷功能。系統(tǒng)故障診斷的方法多種多樣,根據(jù)是否采用模型可分為2大類:基于模型的故障診斷和非模型的故障診斷。非模型的故障診斷方法不需對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)和物理模型,比如采用元件冗余法或噪聲分析法來檢測故障的發(fā)生,其故障診斷方法簡單,可以避免建模過程中遇到的困難,但對(duì)于大型、復(fù)雜的系統(tǒng),卻并不適用?；谀Ｐ偷墓收显\斷方法需要建立系統(tǒng)在正常條件、甚至已知的故障條件下的系統(tǒng)模型,利用這些模型實(shí)時(shí)地對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行預(yù)測,將預(yù)測的各參數(shù)與實(shí)際測量的各參數(shù)相比較,二者的偏差作為分類器的輸入而進(jìn)行故障分類。用于故障診斷的參考模型通常有純物理模型、灰色模型和黑色模型(或純數(shù)學(xué)模型,包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和統(tǒng)計(jì)模型法)。參考模型的誤差大小對(duì)故障診斷的準(zhǔn)確性有較大的影響,因此,要提高系統(tǒng)故障診斷的可靠性,必須要盡可能的減少模型的誤差。目前有不少自動(dòng)故障診斷工具已開發(fā)或正在開發(fā),比如已開發(fā)的CITE-AHU工具可以用來自動(dòng)檢測空氣處理單元的故障。雖然空調(diào)系統(tǒng)故障診斷的策略與工具很多,但目前還不能實(shí)現(xiàn)用某一種方法就可以有效地檢測出空調(diào)系統(tǒng)中所有的故障。因此,自動(dòng)檢測技術(shù)需要綜合不同的故障診斷方法。通過調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn),盡管建筑空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)檢測的方法與工具很多,但大多數(shù)的研究都集中于系統(tǒng)部件的故障診斷,很少有故障診斷方法考慮了傳感器的可靠性。其實(shí),傳感器的可靠性對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的控制和系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,同時(shí)傳感器的讀數(shù)也是進(jìn)行系統(tǒng)部件故障診斷的根據(jù)。如果傳感器的測量有偏差而不能反映測量數(shù)據(jù),那么以這些測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的部件故障診斷很有可能是誤診。本文提出了一種針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)傳感器的魯棒故障診斷策略,并在建筑智能系統(tǒng)上開發(fā)了相應(yīng)的軟件包來實(shí)現(xiàn)空氣處理單元中傳感器典型故障的自動(dòng)檢測。3各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系空調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量控制過程,它包括對(duì)溫度、流量以及壓力等參數(shù)的監(jiān)測與控制。由于能量、質(zhì)量守恒準(zhǔn)則和自動(dòng)反饋控制及其它控制策略(比如DCV策略),空調(diào)系統(tǒng)的控制變量或參數(shù)間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)傳感器故障存在時(shí),必然會(huì)影響到各參數(shù)間的這種相關(guān)性,故可以通過檢測它們之間的相關(guān)性來判斷可能的傳感器故障。除了采用物理或數(shù)學(xué)模型來描述各參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系外,也可采用統(tǒng)計(jì)方法來描述。統(tǒng)計(jì)方法通過對(duì)正常數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到正常運(yùn)行情況下各參數(shù)間的關(guān)系以及它們的正常變化范圍,當(dāng)某個(gè)測量數(shù)據(jù)導(dǎo)致相關(guān)性超出正常范圍時(shí),通常就意味著有故障發(fā)生。主成分分析方法就是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的故障診斷方法。3.1q-統(tǒng)計(jì)值的計(jì)算主成分分析法是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。其基本數(shù)學(xué)原理如下:假定x是包含有m個(gè)變量的向量,矩陣X是由n個(gè)x樣本所組成的1個(gè)矩陣。根據(jù)PCA方法,矩陣X可分解為:X=?X+E(?X⊥E)(1)X=X?+E(X?⊥E)(1)式中,?XX?為主成分子空間,它保持了系統(tǒng)中變量間的絕大部分相關(guān)性;E為殘差子空間,反映了不確定的干擾或噪音的影響。?XX?與E可分別由式(2)、(3)表示:?X=ΡΡΤX(2)E=(1-ΡΡΤ)X(3)X?=PPTX(2)E=(1?PPT)X(3)式中,P為荷載矩陣(P∈Rm×k,k<m),可由系統(tǒng)在正常情況下運(yùn)行的一系列數(shù)據(jù)得到。此外P的列向量分別是X的協(xié)方差陣的前k個(gè)最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量;X的協(xié)方差陣可用下式進(jìn)行估計(jì):Cov=XΤX/(n-1)(4)Cov=XTX/(n?1)(4)上述為主成分分析方法的建模過程。由此,在處理一個(gè)新測量數(shù)據(jù)樣本時(shí),可將該樣本根據(jù)式(5)分解成2部分:xnew=?xnew+e(5)xnew=x?new+e(5)其中,?xnew=Cxxnew=ΡΡΤxnew(6)e=xnew-?xnew=(1-ΡΡΤ)xnew(7)Cx=Ρ(ΡΤΡ)-1ΡΤ=ΡΡΤ(8)x?new=Cxxnew=PPTxnew(6)e=xnew?x?new=(1?PPT)xnew(7)Cx=P(PTP)?1PT=PPT(8)式中,?xx?new是測量向量在主成分子空間上的投影;e為測量向量在殘差子空間上的投影;Cx為其對(duì)應(yīng)的投影矩陣。在故障診斷過程中,用殘差平方和即Q-統(tǒng)計(jì)值(Q-statistic)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來判斷故障是否發(fā)生。Q-統(tǒng)計(jì)值可以采用式(9)來表示:Q-statistic=∥e∥2=∥(Ι-ΡΡΤ)xnew∥2≤Qα(9)Q?statistic=∥e∥2=∥(I?PPT)xnew∥2≤Qα(9)式中,Qα為Q-統(tǒng)計(jì)值的閾值,可通過統(tǒng)計(jì)分析得到。當(dāng)Q-統(tǒng)計(jì)值<Qα?xí)r,認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行正常;當(dāng)Q-統(tǒng)計(jì)值>Qα?xí)r,系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障,此時(shí)可通過Q-分布圖來判斷具體是哪一個(gè)傳感器最有可能出現(xiàn)故障。通常而言,對(duì)Q-統(tǒng)計(jì)值貢獻(xiàn)(ηi)最大的那個(gè)傳感器最有可能出現(xiàn)故障。ηi=∥ei∥2Q-statistic(i=1,2,?,m)(10)ηi=∥ei∥2Q?statistic(i=1,2,?,m)(10)3.2基于pca方法的故障診斷仿真測試圖1給出了1個(gè)典型VAV空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理單元控制原理圖。該系統(tǒng)中共用了9個(gè)傳感器,它們是VAV系統(tǒng)各自動(dòng)控制環(huán)路所必須的。其中,送風(fēng)靜壓控制環(huán)路通過調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到送風(fēng)靜壓點(diǎn)的靜壓值;送風(fēng)溫度控制環(huán)路通過調(diào)節(jié)冷凍水流量來保證送風(fēng)溫度設(shè)定值;回風(fēng)和新風(fēng)溫濕度的控制是為了采用經(jīng)濟(jì)通風(fēng)(Economizercontrol)等控制策略。系統(tǒng)中各傳感器的測量質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的控制可靠性、AHU的能效以及室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)等都有很大的影響?；赑CA方法的故障檢測方法可以檢測這9個(gè)傳感器是否出現(xiàn)故障。通過仿真測試發(fā)現(xiàn),當(dāng)把所有9個(gè)傳感器讀數(shù)構(gòu)成一個(gè)測量空間(X)時(shí),基于這9個(gè)傳感器讀數(shù)所建立的PCA模型由于所有變量間關(guān)聯(lián)性變化較大,導(dǎo)致模型Q-統(tǒng)計(jì)值的閾值較大,從而造成PCA模型對(duì)較弱小的傳感器故障不敏感。為了提高PCA模型對(duì)傳感器故障的敏感度,本文有選擇性地利用部分系統(tǒng)變量來建立PCA模型以增強(qiáng)它們之間的相關(guān)性。從空氣處理過程能量守恒的角度,可以選擇9個(gè)變量來建立系統(tǒng)的PCA模型,它們分別是:新風(fēng)流量(Mfre)、送風(fēng)流量(Msup)、回風(fēng)流量(Mrtn)、新風(fēng)溫度(Tfre)、送風(fēng)溫度(Tsup)、回風(fēng)溫度(Trtn)、新風(fēng)濕度(hfre)、回風(fēng)濕度(hrtn)以及冷凍水閥門的控制信號(hào)(Cw)。因?yàn)镃w在很大程度上代表了冷卻盤管的熱交換量,它能提高PCA模型對(duì)傳感器故障的敏感度。本文利用基于TRNSYS平臺(tái)的仿真器來驗(yàn)證基于PCA的故障診斷方法在如圖1所示的VAV空調(diào)系統(tǒng)中對(duì)傳感器故障診斷的性能。圖2、3顯示了12:30時(shí),在回風(fēng)濕度傳感器讀數(shù)發(fā)生0.001kg/kg干空氣偏差的故障情況下使用PCA模型檢測到的結(jié)果。當(dāng)故障發(fā)生時(shí),Q-統(tǒng)計(jì)值明顯超過了它的閾值,并且回風(fēng)濕度的Q貢獻(xiàn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它測量變量。因此,PCA方法能有效地檢測和分離傳感器的故障。3.3故障診斷工具建筑智能系統(tǒng)(BAS)為空調(diào)系統(tǒng)的在線自動(dòng)檢測與診斷提供了一個(gè)方便的平臺(tái)。BAS中央管理服務(wù)器能連續(xù)地采集傳感器的讀數(shù)和直接數(shù)字控制器的控制信號(hào)等數(shù)據(jù),也能讓故障診斷工具等應(yīng)用軟件通過信息交換界面,比如DDE、OPC、AxtiveX等,方便地獲取采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí),BAS系統(tǒng)能為用戶提供友好的界面來顯示傳感器的故障診斷結(jié)果。在本研究中,基于PCA的故障診斷軟件包已在香港理工大學(xué)智能建筑實(shí)驗(yàn)室(如圖4所示)開發(fā)出來,圖5顯示了該軟件包與BAS的信息交換示意圖。BAS上的控制器負(fù)責(zé)收集HVAC系統(tǒng)中傳感器的測量值,采集的測量值和控制信號(hào)都保存在BAS中央管理器數(shù)據(jù)庫內(nèi)。故障診斷工具通過界面檢索到這些測量數(shù)據(jù)和控制信號(hào),然后進(jìn)行故障診斷,并將診斷結(jié)果通過相同的界面返回給BAS管理軟件來通知操作人員。在實(shí)際工程中,很多故障都是不允許人為地引入到真實(shí)系統(tǒng)中的,因?yàn)樗鼈儠?huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行,甚至?xí)p壞設(shè)備。為了模擬這些故障并測試故障診斷工具,仿真方法是方便有效的。在香港理工大學(xué)智能建筑實(shí)驗(yàn)室中,用一個(gè)基于TRNSYS的虛擬建筑系統(tǒng)代替真實(shí)建筑系統(tǒng),可