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                实验动物房技术手册 第四章 控制应用
                2020-08-03 15:41 来源:

                第四章 控制应用


                  各种控制方法比较  

                确定如▼何对实验动物设施实现最佳控制与很多因素有关,稳定性、适应性、安全性、能耗、安装成本和运行费用都是必须考虑的问题。本节对各种控制应用的优势、弱点进行了探讨,并对 Phoenix 的控●制方法的益处作了介绍。本节中讨论的控制方法有:

                ·  定『风量控制

                ·  切换定风量控制

                ·  带温湿№度控制的变风量控制

                · 啮齿类动物饲养室的变↓风量控制

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                图 4-1 动物实验室控制〖策略

                通风控制系统的目标是使大环境、小环境稳定。这需要清洁的得到调节的空气进入空间,污浊的湿热空气被排出,还要有适当的房间压力。


                定风量控制

                定风量控制是动物房间最普遍的控制方式。这是因为有持续的高热负荷和设备昼夜连续运行的要求。虽然〓定风量控制是一个简单直接的方法,大多数设施都出现过定ω 风量控制问题,这是因为设备及建筑的状况是随时间而变化←的,这会引起通风系统运行上的差异。即使是很小的变化,如风机皮带磨损,过滤器部分阻塞或流量测】量装置上的灰尘都会在建筑内产生重大的流量及压力问题。除非采用高性能的、压力无关的气流控制设备。

                普通的定风量控制

                普通的定风量控制采用可∮由人工调整的固定的叶片风阀来设定动物房的补风和一般排风量。它们都是压力相々关设备,并且它们不会补偿系统压力的变化。通过设定补风○风阀提供预期的房间每小时换气次数,同时全面排风被调整到稍微低(或高)于补风量的流量以造成室内正压(或负压)。温度控制一般可通过再加热调节过的空气◥来完成。这是一个过时的、不理想々的方法,因为压力相关的风阀不能主动控制房间流量。通◥风系统内的压力波动会使整个系统的流量及气候产生变化,并【且不能维持设施内正确的压力。

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                图 4-2a 普通定风量动∮物房间

                这种方法采用不会自动补偿系统压力波动的◢单叶片风阀。



                优点:

                1. 设计直接、简单;

                2. 控制成本低。

                缺点:

                1. 因为系统√压力相关,所以要牺牲稳定性、安全性及舒适性。变化和波动产生不当的流量和压力问题。系统发生变化或者风机系统性能变差时,在风阀每一个位置上都要重新平衡;

                2. 系统必需作频繁的重新平衡;

                3. 适应性差。未☆来的扩展和饲养动物的数量受限;

                4. 不带监控或报警;

                5. 由于持续的全流量运行能量消耗高。


                Phoenix 的↑定风量房间控制

                对于每个房间,压力无关阀门维持固定送风量与排风量。结果,保证了房间余风量恒定。排风设备通过定风量阀门与房间排风相连。温度及相对湿度由建筑管理系统控制。

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                图 4-2b Phoenix 定风量阀门操作

                系统静压波动时,每个阀门都可以调整其压力无关◥锥体组件以保持设定气流


                益处:

                1. 流量控制准确稳定←;

                2. 在失电状态下不需用昂贵的应急电源维持正确▆的流量;

                3. 不需预╳防性维护;

                4.  不※需作重新平衡--系统是压力无关的,并且在系统变化♂、过滤器阻塞及 HVAC 系统性能变坏时维持稳定↘的流量。


                定风量箱与 Phoenix 定风量阀门的比较

                研究动物的价值是巨大的。例如,转基因小鼠群落的基础鼠群价值上万美元,甚至更多。它们的后代可能饲养在有四个或更多通风笼架的小饲养室』里,每个笼架可↘饲养 700 只小鼠。虽然饲养房里的动物总价值可能以百万美∏元计1 ,但是有时通风控制方面的决定只能节省几百ㄨ美元。通常,这些提前的“节省”成为尝试控制稳定环境的长期负担。

                控制动物房间的一种通用的方法是使用与末端控制模块连线的单叶风阀和皮╲托管、孔板或其它流量或压力测量装置。这就是众所周知的定√风量箱或末端箱,可能选用它的原因是它的初投资小。不幸的是,定风量箱缺少其他流量控制设备∑具有的优点,如不需要重新平衡、重新校准、清洗和应急□ 电源及保证正常运行的直管段。 值得为解决了以上问题㊣ 的通风控制部件额外投资,特别是当研究↙费用及未来运行费用计算在系统价值之中时更是如此。

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                1转基因或者分离品系♂基础动物群用于在一段时间内维持品系基因的完整性和稳定性。建立小鼠转基因/分离品系可能是昂贵的,有时需要多次尝试以ω 成功嵌入或者分离想要的基因,有时需要某★些交叉和反交叉交配以形成一个稳定的能可靠表达预期基因特征的品系。有些分离品系可能是独特的,以至◎于一旦形成,他们就不可能再被精确复制,这使得这些动物变得非常珍贵,它们的损失可能会超过十万美元。


                降低风量的定风量控制 - 应急电源控制的低成本选择方案

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                图 4-2c Phoenix 降低风量的定风量控制

                Phoenix的PEV及PSV型阀门在︻失电期间自动将流量调整到预置的正确数值。不需要昂贵的应急电★源。非关○键性房间(储藏室、办公室、某些操作间)减少风量运¤行,而饲养室及其它关键房间维持不变风量运行。


                益处:

                1. Phoenix 阀门不需『要昂贵的应急电源;

                2. 自动失效保护㊣ ,降低气流运行;

                3. 维持适当的房间压力@;

                4. 自动补偿风道中压力的波动。






                正常模式 : 空气处理机(AHU),排风机和房间的空气阀门在设计的全风量下定风量运行。

                应急电源模式 : AHU 和排风▲机在应急电源下运行以维持降低后的流々量。双稳态的 Phoenix 控制阀门(型号 PEV,PSV)用来提供自动失效保护

                流量控制。

                Phoenix 控制优点 :不需要应急电源连接就可自动↓改变到减小的流量位置并可精确地维持降低后的流量。

                定风量箱的缺点 : 每个箱子都需要昂贵的应急电源以保证在电源失效时功能正常。

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                图 4-2d 增加定风量设备的需要


                定风量阀门维持精确的流量,每个设备不再需要未来的重▂新平衡


                  切换定风量控制  


                房间控制

                饲养室可通过房间监控器切换送风(或排风)流量使房间在正々负压力间切换。内部走廊通过调整排风¤量(或送风量)补偿余风量变化。操作间维持负○压。气闸间维持正压。

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                图 4-3 Phoenix 可切换压力的空∞气阀操作


                系统静压波动时,每个阀门调整其压力♀无关锥体组件以维持设定的气流量。定风量阀维持一个设定流量,而切换阀门作为双稳态控制器操作。


                益处:

                1. Phoenix 阀门的重复性同时顾及可靠流量及余风量控制;

                2. 压力控制稳定;

                3. 简单、直接及方便的々解决方案;

                4.  无需预防性维护。

                用于可切◥换压力:

                1. 饲养☉室可逆,可处理突发事件;

                2. 房间转换用于检疫;

                3. 动物物种的变化(由无特定病原体菌啮齿动物换成非人灵长类动物,需要房间由正压转变为负压)。



                  带温湿度控制的变风量控制  

                房间控制

                温度和「湿度传感器给楼宇管理系统控制器提供反馈信号进行模拟量集成,或为 Phoenix Controls 公司的控制器提供反馈信号用于数字集成,这两◥种形式将在本章后面加以描述。通过调节送风量、再←加热阀门、加湿器和其它调整设备使房间保持设定温度和相↑对湿度设定点。房间压力也得到维持。

                正如第二章中讨论的,许多实》验动物空间是变负荷的,例如:改变动物数量、操作间的使用/闲置、动物笼清洗操作周期。这些空间都需》要正确的压力、通风、温湿度控制。Phoenix Control Accel II 阀为这◥些应用提供了高级的控制。

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                图 4 -4  变风▆量阀操作

                对于系统中的压力波动,压力无关的阀门锥体组件自▓动调节,在整个指令范围内保持正确的流量。热或通风需求指令送风阀控№制需要的送风量,而房间全面排风阀调节维持房间压力

                益处:

                1. 高级流量控制,调节快速、稳定;

                2. 流量变化范围大,可调比可达 20 :1;

                3. 大的流量变化范围内维持房【间压力稳定;

                4. 不需重新平衡。压力无关的系统在系╲统变化、过滤器阻塞、HVAC 性能变坏时◢维持稳定的流量;

                5. 不用→预防性维护;

                6. 低噪声。




                  啮齿类动物饲养室的变风量控制  

                房间控制

                房间空气换气次数可以采用这种风量控制方式降低,因为房间内的热负∏荷、气味和其它气体排放物被排出了房间而不是返回到房间。这种方法更加灵活并且节能。

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                图 4-5 啮齿类动物饲养室的变风量控制--空气阀操作

                温度或通风需求命令送风阀调整到需要的流↑量,房间全面排风阀自动调整以维持房间压力。通风笼架风量维持√恒定。


                益处:

                1. Phoenix 阀门维持大、小环境的稳◆定,同时将房间空气★换气次数尽可能减少到最低;

                2. 通过快速、稳定的调节获得』优良的流量控制;

                3. 流量变化范围非常大,可调比可达 20 :1;

                4. 大的流量变化范围内维持房间压力稳定;

                5. 不需重新平衡。压力无关的系统在系统变化、过滤器阻塞、HVAC 性能变▅坏时维持稳定的流量;

                6. 无需预防性维护;

                7. 低噪声。


                  动物设施的监控  

                监控要求

                “对 HVAC 系统ζ进行正规的监控是十分重要的,并且最好是作用到单独房间”(ILAR, 第 75 页)国际实验动物★管理评估与鉴定委员会的认可一般需要如下记录:

                1. 房间温度;

                2. 房间相∑对湿度;

                3. 房间压力;

                4. 送风系统的流量;

                5. 排风系统的流量。


                较少情『况下,房间空气换气次数也要被监控。通常对这些参数还要进行实时记录储存,尤其当联邦法规需要或是设施要得到国际实验动物管理评估与★鉴定委员会的◥认可时1 。规划状况评估(PSE)是规︾划评定时的一个文件。

                在获得国际实验动物管理评估与鉴定ζ 委员会认可时,HVAC 系统作为最终打孔列表项目是普遍的。这归因于系统在评价时要经过严格测试,这些评价要证明系统有能力维持所要求的支持可能为期几年的研究的稳定性。

                动物实验室监控系统

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                1 国际实验动物管理评估与鉴定委员会(AAALAC)的鉴定要求的气流监控可以有多种方法。例如:风道流量测量站、气流控制阀门反馈信号、周期气流柜数据都可满足 AAALAC 的要求。

                采用建筑物管理▲系统监控动物实验室还□没有被广泛接受,因为监控与控制常常在远程进行,也々许在园区的中心,远离动物设施。这并未考虑动物设施工作人员常常需要获希望具有的灵活性、控制和把握。这种状况已经为环境监控系统进入动物实验室领域打开了大门。


                  监测和控制系统的集成  

                数据采集及报告可通过以下几种方法完成:

                1.专门的动物实验室环境监控系统ㄨ。

                例如:Edstrom Industries,Rees Scientific.

                这些系统是 BMS 之外的系统Ψ,它们为动物设施工作人员提供他们自己的监测々系统,该系统将数据报告给工作人员而不是通过 BMS 系统前端。

                2.建筑物管理系统(BMS):

                例如:Andover Controls, Automated Logic, Honeywell, Johnson controls,

                Siebe, Siemens.

                Phoenix 公司在监视和控制的数字集成方面与上述所有 BMS 公司建立了合作伙伴关系。同时提供同上面列举的公司集成的模拟集成♀接口。

                监视传感器/设备

                温度:一般设置在风道上并/或设置在房间△的墙上。

                湿度:通常设置在房间排风道上并/或设置「在房间内。

                照明:根据需要确定位置。

                气流:风道安装或●采用可靠的气流阀流量反馈信号。

                压力:压力监控设备提供报警和显示实际压差。这些设备也可能包括切换房间正负压力的功☉能。

                监视这些参数可以对 HVAC 和照明系统进行正确的↑报警和控制。


                  与建筑管理系统(BMS)集成  

                集成的实验动物设施气流控制系统为我们提供了所有独立应用系统所能提供的优点:增强的稳↓定性、最大的安全性、减小初投资、减少运行费用以及高可靠性和高适应性。这些优点仍▆然是我们提供的技术的基础,同时,环境控制与建筑物管理系统的集成使得我们易于集中监控动物实验室状态,获得运行数据。系统集成通过提供以下功能,并增强了系统的主要优点:

                · 综合的远程监控和诊断

                · 监测温度、相对湿度、照明和〗压力的能力

                · 提供监测运行趋势数据的功能

                · 易于识←别潜在的运行问题

                · 能够生成报表如:报警监测、安全分析、能源︼使用情况等╲

                Phoenix 控制公司提』供使用其模拟型系列产品或数字型系列产品进行系统集ξ 成。


                  使用模拟型产品集成  

                Phoenix 控制公司可将其产品与所有的能够监控 0~10Vdc 信号的大楼⌒管理系统或环境监控系统集成。

                典型的监控点包括:

                · 房间送风量

                · 房间余风量

                · 全面排风量

                此外,我们的控制器能够接受以下两种形式中的任一种热补偿信号:

                1. 电信号(0-10 VDC)可直接来自电子温控器或 DDC 模拟输出。

                2. 气动信号或电动信号,通常来ζ自电子温控器。


                同 Phoenix 控制公司的模拟产品集成方法是点到点的集成∩。它是通过对一个或多个补风控№制器(MAC 系列)提供的模拟信号的采样完成。每个 BMS 监控点需要一个模拟输入点。所有 BMS 厂家都可采用这种形式集成。

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                  使用数字型产品集成  

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                图 4-7 Celeris 系统

                空间照明、温度、湿度控制,以及房间压力报警监控


                Celeris?是 Phoenix 控制公司提供的第二代数字控■制系统。Celeris?将高性能的 Accel II 文丘里阀门和灵活的多功能控制平台结合在一起构成了〖一个完整的环境控制系统。如同其模◆拟产品,Celeris 实现了实验室气流控制的核心目标:

                .  通风柜的气流封ω 锁

                .  房间压力

                .  通风和温度控制


                此外,Celeris?系统还提供湿度控制、占用控制和应急控制等功★能,同时提供用于房间检测和控制的房间级的 I/O 辅助设备。网络平台提供就地和远程访问系统的方法、调试、测点监控、大楼管理系统(BMS)集成、设备或系统升级。其它特点包括:

                .  基于 PC 的调试系统

                .  就地或远程数〗据库建立

                .  可以进行就地和远程诊断

                .  直接将所有房间◥级的设备同 BAS 的集成功能


                注意:每一个 BAS 的供应商¤要进行该集成在其产品终端需要独特的软件和硬件才能实现。Phoenix 控制公司承担同 BAS 的供应商共同为业主开发必要接口以完成系统集成的任务。请向 Phoenix 控制公司咨询最新的系统集成解决方案。

                Celeris? 与BACnet的集成于1998年开发成功并一直作为同BAS的供应商集成♂的首选方法。互用性是一直在进行中,并且我们一直在为大多数集成伙伴提供精制的接口。目前→的集成伙伴包括:

                .   Alerton

                .   American Aotomatrix

                .    Andover Controls

                .  Automated Logic

                .   Carrier

                .  Delta

                .  Honeywell

                .   Invensys

                .  Johnson Controls

                .   Siemems

                .    Trane

                .  Tridium

                非常重要的是尽管 Celeris?控制▃系统是兼容集成系统,但它可以独立作为一︾种控制解决方案。所有控制、保险装置和报警策略可以设置到房间级。所有控制、系统状态和报警数据可以方便传输到 BAS,许多设定点可以方便地在 BAS 工作站上进行设定。


                可以进行集成的点包括:

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                Celeris 系统通过网关完成系统集成。网关完成从房间级设备收集数据,建立 BACnet 设备的虚拟网Ψ 络,转换 Celeris 设备▂和点作为 BACnet 对象。网关实际为一个工业 PC,在其上装有所有集成点的数据库,运行着 BACnet 驱动,运行着多个配置和诊断工具。有关Ψ细节参阅下一页的“Celeris 环境控制系统概述”部分。


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                图 4-8 房间级和建筑级网∞络


                Celeris 系统采用 LonWorks 技术建立了一种对等的控制系统。控制规划依靠基于LonWorks 的智能阀门控制器(LVC)实现,阀门控制器同时被配置来完成】特定的控制功能。Celeris 系统提供灵活的多功能控制平台来在房间级基础上完成房间的复杂控制策略。Celeris 系统在房间级的网络基础上↙实现控制目标。建筑级的网络能够使房间级▼的网络连接在一起集成和进行数据集中采集。

                 . 房间级控制网络-在房间级,多台 LVC 共享数据,使用 LonTalk 协议,构造房间级控制网络。房间级控制网络可以定义一个压力区。流量、温度、湿度和报警数据可以在一个压【力区中的 LVC 间共享,并且完成房间级控制的各种功能。房间级网络使☉用 FFT-10,78kbps 的通信发送器。

                . 建筑级的网络-建筑级的网络将多台 LVC 在一个通信主干〖网上进行连接以便于访问和集◥成。多个房间级的控制网络可以连接在一起构成建筑级的网络。LonTalk 协议使得所有在 LonTalk 网络上的设备可以从网络上「其它节点发送接收数据。在 Celeris 系统中,路由器用来隔离从一个房间级网络到另一个房间级网络的流量。路由器还用来提升房间级网络速度 78Kbps 到建筑级网络的 1.25Mbps。

                LVC 同现场设备,如传感器,再加热器,加湿器和通风柜可以直接连接,数据通过简单的双绞线网络传输到控制设〓置单元。所有阀门控制器和网络设备采用 24VAC供电。


                企】业级集成

                Celeris 系统提供了简单有效的集成手段。LonTalk 协议是一个非常优秀的用于分布式控制功能的对等←协议,BACnet则是一个更为广泛接受的BAS集成协议。Celeris系统使▆用工业 PC(GWY300)从所有房间级设备上采集数据然后将它们转发给 BAS进行读写访问。GWY300 在建立共同使用网络方面提供多项主要功能;它是一个集成工具,一个网络操作工具和一个配置工具。网○关是建立 BACnet 设备、对象和服务虚拟网络的集成工具。

                . 网关在 BACnet 网络@ 上起到服务器功能,允许任何 BACnet 客户端请求数据/或设置ω设定点。

                . 将↓集成点从 LonTalk 数据转换成 BACnet 对象。

                . 数据存储在网关的缓存中,数据将连续被房间级设备更新以备 BAS 取回,典型的更新速率为 300~400 点/秒。

                . 网关将从 BAS 来的 BACnet 指令转换成 LonTalk 信息,发∮送它们到相应的 LVC 并且响应每一条成功指令。

                . 网关处理由房间级设备产生的报警数据保证 BAS 能■够收到每一个报警数据,典型报警处理时间小于 2 秒。

                1596439627600205.png

                图 4-9 Celeris 系统和楼宇自动化系统集〗成的一个例子


                网关作为网络管理工具:

                . 网关可以直↓接连接到建筑的LAN网络并且可以采用以太网或TCP/IP以10/100mbps速度同其它 BACnet 设备通信。

                . 网关作为 BACnet 客户ω 端的服务器。

                . 可以采用所有 Microsoft 网络配置和服务工具。

                . 网关从 BAS“路由”信息到相应的 LVC。

                . 网关在BAS和Celeris网络之间还作为信息过滤来防止企业级网络通信被房间级通信干扰。

                网■关作为配置工具:

                . 配置、诊●断和远程访问工具都被储存在网关卐中用作调试和故障诊断目的。

                . 网关上装︻有 Celeris 数据库,包括所有设定点和配置特性。

                . 集成点的“映射”文件是由网关建立和存储的。

                . 房间级设备和点自动映射到网关用作配置和/或集成。


                  Celeris 的应用  

                控制功能

                Celeris 系统建立在一个或多个用ζ作房间级压力和舒适控制的智能阀门控制器周围。房间级网络基本定义为压力控制区。在每一个压力控制区内,每一个 LVC 被配置为进行特定的阀门控制功ㄨ能并且还可能实施多种房╳间级控制功能。1596439776775991.png

                应用的分类

                阀门的应用可以〇分类为:

                . 实验室应︾用-需要对两态和变风量控※制的通风柜进≡行补风控制的场合。

                . 追踪∞对应用-当通风柜不需要补风并且◥通风的改变是由温度和使用需要控制确定的。

                实验室应用

                实验室应用中通风率主要按通风柜需求改变。通风柜阀门还有补风阀和/或全面排风阀必须能够在一秒之内响应通风柜调节门位置改变,以保证正确的通风柜防护和稳定的房间余风量。在这些应用♀场合ㄨ,需要采用高速的执行器和高速的区域平▂衡算法。因为要求通信带宽保证在一个实验室内以一秒的卐速度响应所有阀门的动作,因此在一个≡区域内最多可以使用 20 个 LVC。20 个节点可以分配如下:

                . 最多达 10 个通※风柜时,每一个可以有多达 2 个辅助阀;

                . 多达 4 个补风阀时,每一个可以有多达 4 个辅助阀;

                . 一个全▓面排风阀时,可以有多达 8 个辅助阀。

                每个区①域可以有:

                .  每个实验室空间可以有多达 4 个独立∑ 的温度控制区。

                -  2 个主要的和 1 个辅助的温度控制回路;

                -  多个传感器温度平均△值将空间作为一个区域进行控制;

                -  双风∮道温度控制;

                -  多达 100 种的温度控制策略可供选用。

                .  2 套或更多套的追踪对可以用于在实验室内的或实验室周围的办公室和其它相关空间。

                .  内置的加湿和除湿控制回路。

                .  占用、非占用或备用〗控制指定。

                .  4 种应急控制◎模式。

                .  内置多种报警,对应总的排风量的多个报警设定点。

                .  提醒操作者】注意的就地报警控制功◥能 。1596439937698249.png

                图 4-10 Celeris 环境控制系统的实验室应用


                追踪对应用△

                在追踪对应用中通风率的改变仅由温度或占用控制需要来确」定。在这些设施中,对执行器的响应速度要求不是很严格。控制主要是保证余风量。在追踪对应用中压力区域被规定々为由 2 个、3 个或 4 个 LVC 来完成余风量和舒适性控制。多达 32个追踪对应用的 LVC 可以被组合▓在一个 78kbps 的子网络中,以减少系统中所需〖路由器个数。

                .  正如实验室应用一样,每一个压力控制区可以有:

                -  每个空间可以有⊙ 1 个独立的温度控制区域;

                -  2 个主要的和 1 个辅助的温度控制回路;

                -  多个传感器温度平均值将空间作↙为一个区域进行控制;

                -  双风道温度控制;

                -  多达 100 种的温度控制策略可供选用;

                .  内置的加湿和除湿控制回路。1596440014992766.png


                图 4-11 Celeris 环境控制系统的(tracking pair)双跟踪应用


                .  占用、非占用或备用控制指定。

                .  4 种应急控︼制模式。

                .  内置多种报警,对应总的排风量的多个报警设定点。

                .  提醒操作者注意的就地报警控制功能。


                执行

                LVC 被设计来使用任何一△种三种不同的阀门执行器来控制阀门阀位。对于不需要两态或 VAV 补风的压力区域控制通风柜,可以使用低速的电动①执行器。在对需要补风控制的通风柜或需要小于 1 秒的响应速度々的应用场合,可以选用∮气动或高速电动阀门。希望的执行器必须在定货时明确说明。下面给出了三种类型执行器的选择码。

                控制类型:

                .  低速(60 秒)电动执行器

                .  高速(1 秒)电动执行器

                .  高速(1 秒)气动执行器

                电动执行器需要 24V(AC)电源。气动执行器需要 20psi 的压缩空气驱动。对高速∩执行器可以规定常开或常闭作为其失效保护状态。低速执行器则提供故障情况下◥返回到上次动作位置的功能。


                适应性

                Celeris 系统的设计可以最大限度地适□应广泛的控制策略。例如,温度控制功能可以被配置实现多达 100 种不同■的温度控制策略。毫不夸张的讲有多达千种可能的控制策√略配置。

                每一个 LVC 有:

                .  3 路通用输入-可以配置╳为 10~10Vdc、4~20mA、0~65k 欧姆或一个温度传感器。

                .  1 路数字量输入-可以配置☆为干触点输入或逻辑电平输入。

                .  2 路模拟量输出-可以ㄨ配置为◆ 0~10Vdc 或 4~20mA。

                .  1 路数字量输出-可以配置为 SPDT 继电器可以用作报警输出或两态设备的控制。


                LVC 上的输入/输出(I/O)可以用于进行房间级的传感〇器和控制设备是同房间级控制功能相对应的。另外从非网∴络

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