北京時間12月01日消息，中國觸摸屏網訊，    1 現狀和發展趨勢

    本文來自：http://www.shushumall.com/touchscreen/news/front/200912/01-3979.html

    可編程控制器(PLC)是以微處理器為基礎,綜合了計算機技術、自動控制技術和信息技術的一種控制器. 它具有可靠性高、功能性強、開發簡便、易于維護和擴展且成本較低等特點, 自上個世紀六七十年代被研制出來以后, 就廣泛應用于冶金、能源、化工、電力和機械等工業領域. 最初的可編程控制器是基于邏輯計算的, 隨著工業技術的發展, 可編程控制器的數字運算和分析能力大大增強,可以運用于更為廣泛的領域中[1].

    潔凈空調系統作為一種重要的空調系統分類,目前在醫藥、電子和化工等行業應用十分廣泛.從控制和數據分析處理的角度來看, 潔凈空調控制系統除了具有普通空調控制系統的數據量大、模擬量多、系統運行不間斷和數據需要存儲等特點以外, 還帶有控制因素多和控制精度高等特點. 通常的潔凈空調系統要求室內環境中的溫度、濕度、壓差和空氣潔凈度等狀態參數均保持在一定的閾值范圍內[2]. 對這種要求,靠維護人員的手工操作或者傳統的繼電器控制是根本無法實現的. 而可編程控制器的引入, 則為潔凈空調系統的自動控制提供了一種便捷、有效而可靠的解決方案.

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

    2 空調系統分析

    2.1 工程概況

    上海地區某制藥廠的生產車間有五層樓, 每層樓的內區為生產區,各層樓的外區通道、操作人員更衣室等連通, 構成過渡區. 各生產區域的設備負荷差異較大. 因為生產工藝的要求, 內外區間以及車間與外界之間的門開關頻繁, 造成室內環境狀態波動較大. 而且該工廠地處海邊, 室外空氣濕度較大.

    2.2 空調系統要求

    根據“藥品生產質量管理條例”(藥品生產GMP), 業主要求生產區的空氣潔凈度達到30 萬級潔凈室標準, 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計, 過渡區對室外環境保持12~15 Pa 的正壓,生產區對過渡區保持2~5 Pa 的負壓. 要求利用PLC 自動對空調系統進行調節控制. 可根據季節不同和生產工藝的改變, 通過觸摸屏對運行參數進行修改. 室外環境的氣象資料和室內空調運行的狀態和能耗等參數記錄在計算機內以供查詢和進一步的分析
優化處理.

    3 空調系統設計

    3.1 空氣處理系統設計

    系統為全空氣系統, 各個房間的氣流組織均為上側送、下側回. 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. 送風機由變頻器驅動控制, 回風機則為開停控制. 送風總管分為兩路, 一路通向各生產區, 另一路向過渡區送風. 系統采用變風量系統, 各個房間的送風閥和回風閥均裝有電動風閥執行器用來調節風閥開度, 以調節各個房間的送回風量.空氣循環回路的新風段、一次回風段和送風段分別裝有初效、中效和高中效過濾器.

    3.2 控制系統設計

    系統的主要控制參數為: a. 保持空氣潔凈度必須的送風量; b. 內外區之間的負壓壓差和過渡區與環境間的正壓壓差; c. 室內環境的濕度; d. 室內環境的溫度.

    空氣潔凈度和溫度可根據各生產區的生產工藝要求和“藥品生產質量管理規范”的規定,利用PLC 調節裝在送回風閥上的風閥執行器來改變風門開度;壓差的控制同樣是根據現場傳感器的采樣數據, 利用PLC 對數據進行分析, 輸出控制量來控制風閥的開度以保證各區域的壓差;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,可通過調節冷凍水的流量和溫度來實現.

    圖1 為潔凈空調自動控制系統的控制框圖.

    除冷凍水的流量和溫度由操作人員人工調節(根據遠程監視器顯示的系統參數調節冷凍機冷量和冷凍水開度)外,其余參數的采集、邏輯判斷、數值計算和執行器動作均為自動實施. 但是, 由于此系統的控制對象較多, 且各對象的控制精度要求較高,各控制因子的耦合性很強, 所以控制模型比較復雜. 加之各參數的波動很大, 不易穩定.故采用一般的控制算法容易使系統產生很大的波動,甚至偏差. 但復雜的算法又使得系統的開發、調試和維護的難度以及工作量大大增加. 故作者在設計中使用了PLC 內部集成的模糊PID 算法函數為控制函數, 對PLC 控制范圍的上下限做了限制, 在此范圍內仍以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定性. 各風閥的上下限閾值均通過在標準運行工況下的測試得到.

    現以夏季運行工況下某房間的送回風閥上、下限閾值的設定方法為例.

    a. 根據房間的標準換氣次數, 測量得到對應的回風閥開度, 以此為回風閥的下限閾值Rl,ex(因為房間為負壓, 應以回風閥下限為準;如為正壓,則應設定送風閥下限), 從而保證房間的最小換氣次數;

    b. 根據房間設定溫度的精度范圍設定送風閥的上、下限閾值Sh,t 和Sl,t, 使得在標準送風溫度的情況下, 房間溫度不會超出GMP 規定的溫度范圍;

    c. 根據送風量最小時的最不利情況, 即送風閥處于最小閥位Sl, t 時, 設定回風閥上限閾值Rh,p,使房間在最不利情況下的負壓壓差小于10 Pa;

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

    于是可以確定, 送風閥的上限閾值Sh=min{Sh, t, Sh,p},下限閾值Sl = max{Sl, t, Sl,p}; 回風閥的上限閾值Rh=Rh,p,下限閾值Rl= Rl,ex.冬季的情況與夏季大致相同, 冬季運行時,只需操作人員在觸摸屏上設置季節切換, PID 計算的控制函數將改變為負邏輯, 這樣就順利地完成了季節更替的運行. 在過渡季節, 通過適當調整冷凍水和蒸汽閥, 同樣可以使得各控制參數在設定范圍內達到用戶的要求.

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

    觸摸屏通過RS485總線與PLC通訊,可以實時調整系統的工作模式、季節切換、送風參數、各房間的狀態參數設定值和風閥運行的上下限值等.

    PLC 的專用通訊模塊通過RS232串口通訊與工業控制計算機連接, 連續地將當前的各采樣值以及系統運行參數發送到計算機上. 計算機中實時運行的上位機軟件對數據進行處理和分析, 并保存在數據庫中.

    利用工廠內部的局域網, 生產、質量、動力以及管理部門可以實時地得到現場的數據, 進而作出分析和決策.

    4 運行效果

    4.1 室內環境的保持

    工程完成以后運行至今已超過 12 個月, 時間跨越夏季和冬季. 室內環境完全達到用戶的要求,符合“藥品生產質量管理條例”標準. 且系統軟硬件的運行均十分穩定, 除在運行期間對一些控制參數微調以外, 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量的控制方式, 整個空調系統的運行費用也大大降低, 節能超過30%.

    以夏季工況下某生產主操作區的房間為例.作出房間的溫度、濕度和房間-過渡區的負壓差等控制參數隨時間變化的曲線, 以及空調系統送風機變頻器的日工作時間曲線.

    圖2 是某主要生產區的溫度時間曲線圖. 在潔凈空調系統中, 由于室內潔凈度所要求的換氣次數遠大于由熱負荷所要求的換氣次數, 因此, 白天工作時, 當空氣經過表冷器去濕后必須用蒸汽加熱到一定的送風溫度以防止室內的溫度過冷超調. 在夜間22 點和第二天早上8 點之前該車間不生產, 所以在這段時間內系統處于最小能耗狀態,室內的熱負荷較小, 這種情況仍然處于PLC 控制閾值的范圍內. 從圖中亦可看出, 室內溫度較好地與設定溫度相符合. 從該車間一天的溫度曲線來看, 溫度比較平穩, 與設定值的誤差在5%以下,完全符合該潔凈空調系統的溫度控制要求.

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

    圖4 是同一生產區的壓差時間曲線圖. 從圖中可看出, 在白天生產期內室內環境壓差比較穩定, 基本符合潔凈空調系統必需的壓差條件. 因該房間經常搬運貨物, 外門開關次數較多, 造成了整個工作區的壓差波動. 但仍能保持對過渡區的負壓并很快恢復到設定的壓差值.

    圖5 為同一時間系統送風機變頻器的時間曲線圖. 該圖反映了整個空氣系統的風量變化, 同樣也可作為反映系統能耗的指標. 白天變頻器的波動是由各工作區工作模式組合的變化以及各工作區室內狀態的變化共同作用引起的. 進入夜間,系統處于最低能耗階段——夜間模式, 系統僅維持環境必需的最低要求. 這樣大大節約了整個系統的運行費用.

    結合以上圖線進行分析可以看出, 在白天生產期間被控參數均很好地達到了設計時的精度要求. 系統在夜間運行模式下, 值班風機的電機頻率降至最低值, 大大節約了能量, 整個車間的環境基本上能保持與白天相同的參數條件.

    4.2 數據通訊和數據保存

    利用可編程控制器的專用通訊模塊, PLC—觸摸屏以及PLC—PC 之間的通訊可以穩定持續地保持數據通暢. 整套空調自控系統投入運行以后,操作人員可根據生產實際調節運行參數; 管理人員可隨時通過企業局域網遠程查看生產的環境;現場工控機里的數據定期地保存到企業局域網的文件服務器里.

    4.3 數據對工況和運行策略的分析和預測

    通過對運行一年來的數據進行分析, 可以重新對初設的空調系統運行參數進行設定, 使之運行更加準確和穩定. 利用新風口的傳感器得到的氣象資料可為工廠以及其他相關部門的研究積累數據. 生產環境的數據與相應的產品相聯系, 為質量檢驗、產品工藝改進和企業管理等方面提供了依據. 從綜合方面來說, 環境參數和控制參數的保存給企業的發展帶來更大的長遠利益.

    5 結論

    從工程的設計、實現以及運行的情況來看,可編程控制器在空調系統特別是潔凈空調系統這種控制精度、穩定性要求高的領域中應用的效果很好, 開發難度比較低, 經濟性較高, 完全可以推廣使用. 由于可編程控制器本身固有的高穩定性、低成本和廣泛的通用性, 它完全可以像在其他工業控制領域一樣在空調系統控制方面占據重要的地位.

    本系統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用的程序代碼; 另一方面, 目前通用的DCS 系統一般都對用戶封閉了內部的控制算法,而PLC 廠商很少有專用的應用于空調系統的專用模塊, 所以研發人員沒有太多的算法資料和控制參數.

    綜上所述, 可編程控制器在潔凈空調系統領域中有較廣的應用性,但對工程的實施、控制算法的選取、系統的合理化等方面還可作進一步深入的研究.