北京時間12月01日消息，中國觸摸屏網(wǎng)訊，    1 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

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    可編程控制器(PLC)是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和信息技術(shù)的一種控制器. 它具有可靠性高、功能性強(qiáng)、開發(fā)簡便、易于維護(hù)和擴(kuò)展且成本較低等特點(diǎn), 自上個世紀(jì)六七十年代被研制出來以后, 就廣泛應(yīng)用于冶金、能源、化工、電力和機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域. 最初的可編程控制器是基于邏輯計(jì)算的, 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展, 可編程控制器的數(shù)字運(yùn)算和分析能力大大增強(qiáng),可以運(yùn)用于更為廣泛的領(lǐng)域中[1].

    潔凈空調(diào)系統(tǒng)作為一種重要的空調(diào)系統(tǒng)分類,目前在醫(yī)藥、電子和化工等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛.從控制和數(shù)據(jù)分析處理的角度來看, 潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)除了具有普通空調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量大、模擬量多、系統(tǒng)運(yùn)行不間斷和數(shù)據(jù)需要存儲等特點(diǎn)以外, 還帶有控制因素多和控制精度高等特點(diǎn). 通常的潔凈空調(diào)系統(tǒng)要求室內(nèi)環(huán)境中的溫度、濕度、壓差和空氣潔凈度等狀態(tài)參數(shù)均保持在一定的閾值范圍內(nèi)[2]. 對這種要求,靠維護(hù)人員的手工操作或者傳統(tǒng)的繼電器控制是根本無法實(shí)現(xiàn)的. 而可編程控制器的引入, 則為潔凈空調(diào)系統(tǒng)的自動控制提供了一種便捷、有效而可靠的解決方案.

    目前, 潔凈空調(diào)自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用有多種方式. 除了傳統(tǒng)的單片(板)機(jī)系統(tǒng)以外,很多用戶選用了局部數(shù)字直接控制(DDC)或是集散控制系統(tǒng)(DCS)[3] ,而PLC 的應(yīng)用還不是很多. 其原因主要是傳統(tǒng)的PLC 在邏輯、計(jì)數(shù)和計(jì)時方面有優(yōu)勢,但在以模擬量為主要處理對象的空調(diào)系統(tǒng)中,缺乏足夠的計(jì)算和分析能力. 近年來, 隨著新型PLC 在存儲容量和運(yùn)算能力方面的迅速發(fā)展, 這一缺陷逐漸得到彌補(bǔ). 許多PLC 生產(chǎn)廠家在PLC硬件水平大幅提升的同時, 又開發(fā)出適于運(yùn)算和分析的PLC 指令集系統(tǒng),并制造了一系列運(yùn)算和通訊等專用模塊來強(qiáng)化這方面的性能. 從發(fā)展趨向來看, PLC 系統(tǒng)在運(yùn)算能力上已經(jīng)與PC 控制系統(tǒng)差別不大, 通訊能力也大為提高, 加上其固有的可靠性、擴(kuò)展性和價(jià)格優(yōu)勢, 必將在空調(diào)自控系統(tǒng)中占據(jù)重要地位.

    2 空調(diào)系統(tǒng)分析

    2.1 工程概況

    上海地區(qū)某制藥廠的生產(chǎn)車間有五層樓, 每層樓的內(nèi)區(qū)為生產(chǎn)區(qū),各層樓的外區(qū)通道、操作人員更衣室等連通, 構(gòu)成過渡區(qū). 各生產(chǎn)區(qū)域的設(shè)備負(fù)荷差異較大. 因?yàn)樯�產(chǎn)工藝的要求, 內(nèi)外區(qū)間以及車間與外界之間的門開關(guān)頻繁, 造成室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)波動較大. 而且該工廠地處海邊, 室外空氣濕度較大.

    2.2 空調(diào)系統(tǒng)要求

    根據(jù)“藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理?xiàng)l例”(藥品生產(chǎn)GMP), 業(yè)主要求生產(chǎn)區(qū)的空氣潔凈度達(dá)到30 萬級潔凈室標(biāo)準(zhǔn), 溫度在20~26℃之間, 相對濕度在40%~60%之間. 壓差按粉劑車間要求設(shè)計(jì), 過渡區(qū)對室外環(huán)境保持12~15 Pa 的正壓,生產(chǎn)區(qū)對過渡區(qū)保持2~5 Pa 的負(fù)壓. 要求利用PLC 自動對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制. 可根據(jù)季節(jié)不同和生產(chǎn)工藝的改變, 通過觸摸屏對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改. 室外環(huán)境的氣象資料和室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行的狀態(tài)和能耗等參數(shù)記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)以供查詢和進(jìn)一步的分析
優(yōu)化處理.

    3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    3.1 空氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)為全空氣系統(tǒng), 各個房間的氣流組織均為上側(cè)送、下側(cè)回. 冷源為兩臺工廠冷凍站提供的7~9℃的冷凍水, 熱源為工廠鍋爐房提供的蒸汽. 送風(fēng)機(jī)由變頻器驅(qū)動控制, 回風(fēng)機(jī)則為開停控制. 送風(fēng)總管分為兩路, 一路通向各生產(chǎn)區(qū), 另一路向過渡區(qū)送風(fēng). 系統(tǒng)采用變風(fēng)量系統(tǒng), 各個房間的送風(fēng)閥和回風(fēng)閥均裝有電動風(fēng)閥執(zhí)行器用來調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度, 以調(diào)節(jié)各個房間的送回風(fēng)量.空氣循環(huán)回路的新風(fēng)段、一次回風(fēng)段和送風(fēng)段分別裝有初效、中效和高中效過濾器.

    3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)的主要控制參數(shù)為: a. 保持空氣潔凈度必須的送風(fēng)量; b. 內(nèi)外區(qū)之間的負(fù)壓壓差和過渡區(qū)與環(huán)境間的正壓壓差; c. 室內(nèi)環(huán)境的濕度; d. 室內(nèi)環(huán)境的溫度.

    空氣潔凈度和溫度可根據(jù)各生產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)工藝要求和“藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范”的規(guī)定,利用PLC 調(diào)節(jié)裝在送回風(fēng)閥上的風(fēng)閥執(zhí)行器來改變風(fēng)門開度;壓差的控制同樣是根據(jù)現(xiàn)場傳感器的采樣數(shù)據(jù), 利用PLC 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 輸出控制量來控制風(fēng)閥的開度以保證各區(qū)域的壓差;因該工廠地處海邊,常年濕度較大,所以濕度控制方式以去濕為主,可通過調(diào)節(jié)冷凍水的流量和溫度來實(shí)現(xiàn).

    圖1 為潔凈空調(diào)自動控制系統(tǒng)的控制框圖.

    除冷凍水的流量和溫度由操作人員人工調(diào)節(jié)(根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)視器顯示的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)冷凍機(jī)冷量和冷凍水開度)外,其余參數(shù)的采集、邏輯判斷、數(shù)值計(jì)算和執(zhí)行器動作均為自動實(shí)施. 但是, 由于此系統(tǒng)的控制對象較多, 且各對象的控制精度要求較高,各控制因子的耦合性很強(qiáng), 所以控制模型比較復(fù)雜. 加之各參數(shù)的波動很大, 不易穩(wěn)定.故采用一般的控制算法容易使系統(tǒng)產(chǎn)生很大的波動,甚至偏差. 但復(fù)雜的算法又使得系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試和維護(hù)的難度以及工作量大大增加. 故作者在設(shè)計(jì)中使用了PLC 內(nèi)部集成的模糊PID 算法函數(shù)為控制函數(shù), 對PLC 控制范圍的上下限做了限制, 在此范圍內(nèi)仍以PID 算法控制, 一旦控制值超出閾值, 則停在閾值限上,這樣大大提高了控制精度和穩(wěn)定性. 各風(fēng)閥的上下限閾值均通過在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況下的測試得到.

    現(xiàn)以夏季運(yùn)行工況下某房間的送回風(fēng)閥上、下限閾值的設(shè)定方法為例.

    a. 根據(jù)房間的標(biāo)準(zhǔn)換氣次數(shù), 測量得到對應(yīng)的回風(fēng)閥開度, 以此為回風(fēng)閥的下限閾值Rl,ex(因?yàn)榉块g為負(fù)壓, 應(yīng)以回風(fēng)閥下限為準(zhǔn);如為正壓,則應(yīng)設(shè)定送風(fēng)閥下限), 從而保證房間的最小換氣次數(shù);

    b. 根據(jù)房間設(shè)定溫度的精度范圍設(shè)定送風(fēng)閥的上、下限閾值Sh,t 和Sl,t, 使得在標(biāo)準(zhǔn)送風(fēng)溫度的情況下, 房間溫度不會超出GMP 規(guī)定的溫度范圍;

    c. 根據(jù)送風(fēng)量最小時的最不利情況, 即送風(fēng)閥處于最小閥位Sl, t 時, 設(shè)定回風(fēng)閥上限閾值Rh,p,使房間在最不利情況下的負(fù)壓壓差小于10 Pa;

    d. 根據(jù)回風(fēng)閥的閥位閾值 Rh,p 和Rl,ex, 重新設(shè)定送風(fēng)閥的上下限閥位Sh,p 和Sl,p,使得在回風(fēng)閥處于最不利情況時, 即回風(fēng)閥開度為上限或下限閾值時,房間能夠保持最低負(fù)壓壓差5 Pa 的壓差下限.

    于是可以確定, 送風(fēng)閥的上限閾值Sh=min{Sh, t, Sh,p},下限閾值Sl = max{Sl, t, Sl,p}; 回風(fēng)閥的上限閾值Rh=Rh,p,下限閾值Rl= Rl,ex.冬季的情況與夏季大致相同, 冬季運(yùn)行時,只需操作人員在觸摸屏上設(shè)置季節(jié)切換, PID 計(jì)算的控制函數(shù)將改變?yōu)樨?fù)邏輯, 這樣就順利地完成了季節(jié)更替的運(yùn)行. 在過渡季節(jié), 通過適當(dāng)調(diào)整冷凍水和蒸汽閥, 同樣可以使得各控制參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)達(dá)到用戶的要求.

    本系統(tǒng)在節(jié)能方面也采取了一些措施. 生產(chǎn)過程中有些房間的使用是間斷性或季節(jié)性的, 有些房間是作為臨時存儲地點(diǎn)而無操作人員駐留的,這些房間及其他夜間不生產(chǎn)的房間(該車間不是三班制, 每天工作時間為16 h)需維持潔凈狀態(tài)和保持濕度, 其要求低于生產(chǎn)時的工況(房間換氣次數(shù)可減少到只要維持狀態(tài)要求). 作者在編制程序中預(yù)設(shè)多種工作模式組合. 操作人員可隨時將某房間設(shè)置為非占用, 下班以后將整個系統(tǒng)設(shè)為夜間模式,使風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥和蒸汽閥等均處于低能耗的工作狀態(tài). 使用這種做法大大降低了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性.

    觸摸屏通過RS485總線與PLC通訊,可以實(shí)時調(diào)整系統(tǒng)的工作模式、季節(jié)切換、送風(fēng)參數(shù)、各房間的狀態(tài)參數(shù)設(shè)定值和風(fēng)閥運(yùn)行的上下限值等.

    PLC 的專用通訊模塊通過RS232串口通訊與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接, 連續(xù)地將當(dāng)前的各采樣值以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上. 計(jì)算機(jī)中實(shí)時運(yùn)行的上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析, 并保存在數(shù)據(jù)庫中.

    利用工廠內(nèi)部的局域網(wǎng), 生產(chǎn)、質(zhì)量、動力以及管理部門可以實(shí)時地得到現(xiàn)場的數(shù)據(jù), 進(jìn)而作出分析和決策.

    4 運(yùn)行效果

    4.1 室內(nèi)環(huán)境的保持

    工程完成以后運(yùn)行至今已超過 12 個月, 時間跨越夏季和冬季. 室內(nèi)環(huán)境完全達(dá)到用戶的要求,符合“藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理?xiàng)l例”標(biāo)準(zhǔn). 且系統(tǒng)軟硬件的運(yùn)行均十分穩(wěn)定, 除在運(yùn)行期間對一些控制參數(shù)微調(diào)以外, 無故障和波動等異常情況. 由于采取了多工作模式組合和變風(fēng)量的控制方式, 整個空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用也大大降低, 節(jié)能超過30%.

    以夏季工況下某生產(chǎn)主操作區(qū)的房間為例.作出房間的溫度、濕度和房間-過渡區(qū)的負(fù)壓差等控制參數(shù)隨時間變化的曲線, 以及空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)變頻器的日工作時間曲線.

    圖2 是某主要生產(chǎn)區(qū)的溫度時間曲線圖. 在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中, 由于室內(nèi)潔凈度所要求的換氣次數(shù)遠(yuǎn)大于由熱負(fù)荷所要求的換氣次數(shù), 因此, 白天工作時, 當(dāng)空氣經(jīng)過表冷器去濕后必須用蒸汽加熱到一定的送風(fēng)溫度以防止室內(nèi)的溫度過冷超調(diào). 在夜間22 點(diǎn)和第二天早上8 點(diǎn)之前該車間不生產(chǎn), 所以在這段時間內(nèi)系統(tǒng)處于最小能耗狀態(tài),室內(nèi)的熱負(fù)荷較小, 這種情況仍然處于PLC 控制閾值的范圍內(nèi). 從圖中亦可看出, 室內(nèi)溫度較好地與設(shè)定溫度相符合. 從該車間一天的溫度曲線來看, 溫度比較平穩(wěn), 與設(shè)定值的誤差在5%以下,完全符合該潔凈空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制要求.

    圖3 是同一生產(chǎn)區(qū)同一時間的濕度時間曲線圖. 業(yè)主要求相對濕度為40%~60%, 從圖中可以看到, 白天生產(chǎn)時該區(qū)的相對濕度保持在此控制范圍內(nèi). 夜間送風(fēng)量大大減少, 相對濕度處于比較高的水平, 但由于夜間不生產(chǎn), 此種情況仍滿足控制要求. 因該廠地處濱海地區(qū), 濕度較大, 季節(jié)性變化不大, 所以,運(yùn)行時季節(jié)變換對表冷段冷凍水的要求沒有太大的波動. 根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況保持恒定的冷凍水量和溫度基本可以保證系統(tǒng)的濕度要求.

    圖4 是同一生產(chǎn)區(qū)的壓差時間曲線圖. 從圖中可看出, 在白天生產(chǎn)期內(nèi)室內(nèi)環(huán)境壓差比較穩(wěn)定, 基本符合潔凈空調(diào)系統(tǒng)必需的壓差條件. 因該房間經(jīng)常搬運(yùn)貨物, 外門開關(guān)次數(shù)較多, 造成了整個工作區(qū)的壓差波動. 但仍能保持對過渡區(qū)的負(fù)壓并很快恢復(fù)到設(shè)定的壓差值.

    圖5 為同一時間系統(tǒng)送風(fēng)機(jī)變頻器的時間曲線圖. 該圖反映了整個空氣系統(tǒng)的風(fēng)量變化, 同樣也可作為反映系統(tǒng)能耗的指標(biāo). 白天變頻器的波動是由各工作區(qū)工作模式組合的變化以及各工作區(qū)室內(nèi)狀態(tài)的變化共同作用引起的. 進(jìn)入夜間,系統(tǒng)處于最低能耗階段——夜間模式, 系統(tǒng)僅維持環(huán)境必需的最低要求. 這樣大大節(jié)約了整個系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用.

    結(jié)合以上圖線進(jìn)行分析可以看出, 在白天生產(chǎn)期間被控參數(shù)均很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)時的精度要求. 系統(tǒng)在夜間運(yùn)行模式下, 值班風(fēng)機(jī)的電機(jī)頻率降至最低值, 大大節(jié)約了能量, 整個車間的環(huán)境基本上能保持與白天相同的參數(shù)條件.

    4.2 數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)保存

    利用可編程控制器的專用通訊模塊, PLC—觸摸屏以及PLC—PC 之間的通訊可以穩(wěn)定持續(xù)地保持?jǐn)?shù)據(jù)通暢. 整套空調(diào)自控系統(tǒng)投入運(yùn)行以后,操作人員可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù); 管理人員可隨時通過企業(yè)局域網(wǎng)遠(yuǎn)程查看生產(chǎn)的環(huán)境;現(xiàn)場工控機(jī)里的數(shù)據(jù)定期地保存到企業(yè)局域網(wǎng)的文件服務(wù)器里.

    4.3 數(shù)據(jù)對工況和運(yùn)行策略的分析和預(yù)測

    通過對運(yùn)行一年來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 可以重新對初設(shè)的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定, 使之運(yùn)行更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定. 利用新風(fēng)口的傳感器得到的氣象資料可為工廠以及其他相關(guān)部門的研究積累數(shù)據(jù). 生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的產(chǎn)品相聯(lián)系, 為質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)品工藝改進(jìn)和企業(yè)管理等方面提供了依據(jù). 從綜合方面來說, 環(huán)境參數(shù)和控制參數(shù)的保存給企業(yè)的發(fā)展帶來更大的長遠(yuǎn)利益.

    5 結(jié)論

    從工程的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及運(yùn)行的情況來看,可編程控制器在空調(diào)系統(tǒng)特別是潔凈空調(diào)系統(tǒng)這種控制精度、穩(wěn)定性要求高的領(lǐng)域中應(yīng)用的效果很好, 開發(fā)難度比較低, 經(jīng)濟(jì)性較高, 完全可以推廣使用. 由于可編程控制器本身固有的高穩(wěn)定性、低成本和廣泛的通用性, 它完全可以像在其他工業(yè)控制領(lǐng)域一樣在空調(diào)系統(tǒng)控制方面占據(jù)重要的地位.

    本系統(tǒng)還有一些問題有待解決. 主要在于資料的不足, 一是程序方面以往沒有太多可供復(fù)用的程序代碼; 另一方面, 目前通用的DCS 系統(tǒng)一般都對用戶封閉了內(nèi)部的控制算法,而PLC 廠商很少有專用的應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的專用模塊, 所以研發(fā)人員沒有太多的算法資料和控制參數(shù).

    綜上所述, 可編程控制器在潔凈空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域中有較廣的應(yīng)用性,但對工程的實(shí)施、控制算法的選取、系統(tǒng)的合理化等方面還可作進(jìn)一步深入的研究.