可编程逻辑控制器在药厂洁净空调控制中的应用

2013-09-11朱学庚张蔚华

中国医学装备 2013年8期

朱学庚王磊张蔚华

可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)是当代工业自动化的主要设备之一，因其抗干扰性强、运行稳定和编程易于实现，被广泛应用于现代控制系统中。

药厂洁净车间的空调系统是科研和生产的重要保障，国家GMP对药厂车间的环境有着严格的要求。例如温度、湿度及压力等。保证空调系统的稳定运行，满足控制参数的要求十分重要，建立在以PLC为基础的控制系统能够达到要求。西门子S7-300PLC是一种功能十分强大的控制器，其中央处理器(central processing unit，CPU)运行稳定、种类齐全及通讯方便，并配有各种扩展模块和操作屏，应用起来十分方便。

1 洁净车间空调系统方案设计

在洁净车间空调系统方案的设计上，主要是考虑如何实现系统的参数控制，兼顾投资少、操作方便以及节能等方面的问题。洁净车间有3套不同级别的洁净空调系统，分别对应车间的3个工作区域，3套空调柜分布在2个机房内，系统要求中的控制点较多，因此采用了西门子S7-300PLC作为控制器，整个系统有2个运行状态，即工作状态和值班状态。本设计对时间参数进行设定，使系统对工作和值班状态进行自动的转换。

(1)风机系统。主要包括送风机、系统排风机和房间排风机。由于整个系统分为工作状态和值班状态，因此在工作状态下，送风机以工作频率运行，排风机运行；在值班状态下，送风机以值班频率运行，排风机停止运行。房间排风机与设备联动，由于房间排风机运行后，会导致系统排风量加大，因此为了平衡系统风量，在系统排风机的风管上安装了电动阀，在房间排风机停止运行时，电动阀处于全开状态；当房间排风机运行后，根据房间排风机运行的数量，系统排风管电动阀关闭不同的角度，这样就保证了系统排风量的恒定。

(2)加热器。系统加热分为一级加热和二级加热，其中一级加热在启动后工作在24 h内，加热功率小于二级加热，主要起到预加热的作用，尤其是在新风温度较低的冬季。二级加热在启动后系统工作状态下运行，在值班状态下停止。加热器由温度开关进行保护，当加热器局部温度过高时，温度开关状态变化，系统会停止加热。只有人工进行复位后才能重新开启加热功能。系统对加热的控制采用PID控制的方式。

(3)制冷阀。主要功能是控制制冷剂进入空调柜的流量，从而达到制冷和除湿的功能。制冷阀的控制主要采用分段控制的方法，系统可以设定不同的温度段，制冷阀开启不同的程度。这样可以有效的避免制冷与加热在同一设定点相互作用而引起的能源浪费。系统在工作状态下制冷阀运行；在值班状态下制冷阀停止运行。

(4)加湿器。系统在工作状态下加湿器运行；在值班状态下加湿器停止运行。

(5)风管电动阀。包括回风管电动阀、新风管电动阀和排风管电动阀。新风管和排风管电动阀在工作状态下打开，在值班状态下关闭。同时，排风管电动阀根据房间排风机运行数量的不同，开启不同的角度。回风管电动阀主要作用是控制房间的压力，采用PID控制方式控制阀门开启程度的大小，从而保证房间的压力控制在设定的范围内。在系统的总回风管上安装了一个电动阀，在系统处于值班状态下，送风机的频率较小，为了保证房间的压力不至于过低，系统可以适当调节这个电动阀以减少回风量。

2 洁净车间空调系统硬件

由于3套空调柜分布在2个机房内，因此整个控制系统使用2套S7-300PLC进行控制。为了节省投入，系统使用一个触摸屏，屏幕和2套PLC采用PROFIBUS总线进行通讯。系统结构如图1所示：

操作屏采用西门子TP170A，2个CPU都具有PROFIBUS通讯接口。另外根据I/O数量配置DI和DO模块。

3 洁净车间空调系统软件

操作屏应用WinCC Flexible2007进行组态，此软件功能强大，使用十分方便。在软件的通讯／连接项中分别设置2个CPU的地址并选择DP网络和配置其他参数后即可与网络中的CPU进行通讯。

对CPU的编程应用SIMATIC STEP7软件，此软件是一个强大的工程工具，用于整个项目流程的设计，软件提供了一系列的应用程序可供编程者使用。系统在控制上大量的采用了PID控制方式，使用这种方式不需要分析被控对象的数学模型，使用十分方便。虽然SIMATIC STEP7软件中提供了PID功能块，为了灵活的控制，系统采用自编PID控制程序的方式，其基本原理如图2所示：

图2 PID控制原理图

被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于0，其输出通过执行器作用于过程。PID调节器是一种线性调节器，他将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

PID表达式：u(t)=up(k)+uI(k)+uD(k)

PID调节器的微分方程：

式中e(t)=r(t)-c(t)

PID调节器的传输函数：

在对车间重点房间的压力控制过程中，由于车间内空气流动的实际情况，压力总是存在着微小的变化。因此，在PID控制环节系统引入了死区环节。另外，在人员出入房间时压力也会出现剧烈的变化，如果这种变化是瞬时的系统并不需要调节。通过以上的分析，系统的PID控制流程如图3所示。

其中e0是房间风压有较大的阶跃时产生的变化量，这有可能是工作人员进出房间开门时引发的变化，这种过程时间较短，所以对阀门并不需要调节。但是在变化一段时间后，压力没有恢复则需要进行调节，否则无法保证房间的压力。房间的压力是针对大气而言，当房间压力低于设定时回风阀将减小开度，当压力增大时将增大开度。因此在计算e(k)时使用反馈减设定的方法。e1是用于确定死区大小的参数，这样就避免了控制动作的过于频繁，消除由于频繁动作所引起的震荡，也延长了回风电动阀的使用寿命。此控制系统实际上是一个非线性系统。即当|e(k)|≤|e1|时，数字调节器输出为0；当|e(k)|＞|e1|时，数字调节器有PID输出。对于e0和e1来说，其具体数值可根据实际控制对象由试验确定。尤其是e1，若值太小，控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若值太大，则系统将产生较大的滞后。因此在系统调试时，对e1的取值要反复的测试，以达到合理的控制。