基于PLC的洁净空调控制系统

2014-09-29廖志锋

自动化与信息工程 2014年3期

廖志锋

（广州市金仪自动化有限公司）

0 引言

随着药品生产技术的进步及对生产环境要求的提高，众多制药厂都对生产厂房进行药品生产质量管理规范（good manufacture practice，GMP）改造，以满足产品的验证要求。生产厂房洁净区的温湿度和洁净度是GMP改造的关键，也是影响产品质量的重要因素[1-2]，因此洁净空调控制系统是GMP改造的核心内容。2013年某药厂空调进行GMP技术改造，采用基于S7-200 PLC为控制核心的洁净空调控制系统，性能稳定，操作及维护方便。

1 洁净空调系统

该药厂GMP技术改造，根据各区域生产功能的不同，洁净区设11套洁净空调系统，采用组合式空调机组。各空调主要由过滤器、加热段、加湿段、表冷段、风机、风门等组成。改造要求的室内参数如下：洁净级别D(8)、温度18℃～26℃、湿度45%～65%、人均最小新风量40 m3/h。

2 控制系统结构

控制系统采用集中管理、分散控制的集散式控制系统实现整体功能[3]。基于PLC的洁净空调控制系统结构图如图1所示。

系统采用控制和管理2层网络结构。所有控制器通过控制层网络以以太网方式通信，采用分布智能式控制系统[4]，控制层网络中任一节点出现故障时，不会影响系统的正常运行和信号的传输；管理站、操作站、网络通信设备等通过管理层网络相连，管理层网络采用局域网，以标准TCP/IP协议互相通信，在物理连接上利用现有的综合布线路由，通过网络设备的设置将管理层网络连通。

图1 基于PLC的洁净空调控制系统结构图

控制层采用分布智能式控制系统，实现各控制节点之间，控制节点与中央控制中心的操作站之间，以及它们与专用控制、接口设备之间的数据通信。控制层每个现场控制器 PLC采用分散控制的原则，分布在被控的空调机组附近，现场工作人员可以通过人机界面触摸屏就近操作或监测空调机组运行数据。每个现场控制器由PLC、人机界面触摸屏、风机变频器、检测仪表和控制阀门等构成。

管理层网络除了连接系统自身的管理设备，还与上层管理信息系统连接，实现系统间的数据通信、信息共享，并获取信息共享管理系统的相关运行信息，实现相关信息的双向通讯。

2.1 硬件配置

PLC选用西门子S7-200系列CPU226的可编程控制器，通过扩展模块EM235扩展模拟量输入输出接口，通过通讯模块CP243-1扩展以太网接口。CPU模块主要对各个模块、操作站和现场人机界面的指令、信号和数据进行运算处理，然后通过输出模块输出给控制对象，实现需要的动作；模拟量输入输出模块采集现场的模拟量信号，送入CPU处理，并对控制对象的风机变频器、控制阀门等进行控制。

操作站和管理站选用研华IPC610系列工作站；现场人机界面选用西门子Smart 700 IE触摸屏。

2.2 软件设计

操作站和管理站采用西门子组态软件WINCC6.2设计监控、管理模块；PLC采用西门子 STEP 7-Micro/WIN进行系统组态和编程；现场人机界面采用西门子组态软件Wincc flexible 2008 SP4设计监控、管理模块。通过WINCC6.2、STEP 7-Micro/WIN和Wincc flexible 2008 SP4的设置，实现操作站、PLC、现场人机界面之间的通讯[4]。

软件组态实现以下功能：

1)采集PLC的数据，并在设计模块中实时显示各个设备的运行状态和各个温度、压力、阀门开度等数值；

2)在线修改和设置各控制阀门和风机变频器的PID控制参数；

3)发送数据、控制指令，对工艺设定参数进行修改并通过PLC对空调机组实现控制；

4)实时曲线、实时报警、历史报表等控制功能。

3 温湿度控制模式

系统调试初期，由于空气的热惯性，导致出现温湿度调节波动幅度大。为提高调节的精确度，控制系统利用安装在空调新风入风口、送风总管出口和回风总管上的温、湿度传感器监测洁净空调机组新风、回风及送风温、湿度，并计算相应的检测温度。检测温度作为温度控制反馈值，按照加权平均计算如下：

检测温度=回风温度（洁净区室内温度）×80% +新风温度（即室外温度）×20%

当检测温度变化时，根据检测温度与温度设定值的比较，通过PID算法自动控制机组的二通冷冻水阀和蒸汽阀的开度，维持洁净区温度的恒定。

控制系统设有2种温湿度控制模式：冬季模式和夏季模式。

3.1 冬季模式

当检测到新风温度低于15℃时，系统自动打开蒸汽阀升温，温度上升到设定值时，如果湿度高于设定值，则调节二通冷水阀进行进一步除湿。二通冷水阀打开会影响送风温度，此时继续调节蒸汽阀开度保证送风温度接近于设定值。系统对比温度和湿度的设定值，根据PID分别计算温度调节量和湿度调节量，经比较，选择较大的输出值对二通冷水调节阀进行调节，二通冷水阀和蒸汽调节阀调节方向相反。冬季温湿度控制逻辑框图如图2所示。

图2 冬季温湿度控制逻辑框图

3.2 夏季模式

当检测到新风温度高于28℃时，系统自动调节二通冷水阀进行降温，如果湿度达到设定值而温度低于设定值时，调节蒸汽阀升温，此时继续调节二通冷水阀开度保证送风温度接近于设定值。当新风表冷段二通冷水阀开度达到 80%，洁净区温度还高于设定值时，则系统自动开启新回风表冷段二通冷水阀，此时温度调节量将同时输出给两个冷水阀；当新风表冷段二通冷水阀开度小于80%时，系统将自动关闭新回风表冷段二通冷水阀。系统对比温度和湿度的设定值，根据PID分别计算调节量，温度调节量与湿度调节量经比较后，选择较大的输出值对二通冷水阀进行调节。二通冷水阀和蒸汽调节阀调节方向相反。夏季温湿度调节逻辑框图如图3所示。