潔凈廠房中央空調PLC冗余控制系統設計與實現

（中科華核電技術研究院有限公司 北京分公司，北京 100037）

潔凈廠房中央空調PLC冗余控制系統設計與實現

劉巖

（中科華核電技術研究院有限公司 北京分公司，北京 100037）

電子工業中的半導體、集成電路的制造，要求有一個非常潔凈的生產環境。潔凈廠房空調系統，是以控制空氣中塵粒為目的的工業潔凈室技術，潔凈室主要控制溫度、濕度、風速、流場和潔凈度等參數[1]。GE公司的PLC雙重冗余控制系統實現緊急情況下的無擾動切換。并通過變頻器實現節能，使空調具有智能化，人性化，大功率，多功能，節能等特點[2]。設計PID控制相結合的控制系統。MATLAB仿真結果表明，該方法的控制效果較好，為溫、濕度控制提供了一種行之有效的方法。并介紹了該系統的硬件構成和軟件流程。利用設備監控系統自動對空調系統進行調節控制。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操作員站上供查詢和進一步的分析優化處理。

中央空調系統；可編程控制器；冗余控制系統

0 引言

空調系統由過濾器、表冷器、加熱器、加濕器、送風機、排風機、變頻器、新風閥、回風閥、風管等組成。空調箱同時裝有冷盤管和熱盤管，每組盤管一進一回，兩組水管分別接入冷水和熱水，個別空調有兩組冷水管分別接入不同溫度的冷水?？梢詫崿F一年不管什么季節，制冷制熱保濕都可以隨時進行。表冷器可以冷卻及除濕，加熱器用來加熱空氣，加濕器用來加濕空氣，表冷器、加熱器、加濕器組合起來可以實現溫濕度的控制[3]。

外部空氣進入空調先在過濾器進行過濾，之后進入加熱器加熱，加熱后的空氣利于空氣在之后在加濕器中加濕。加濕后的空氣再經過表冷器調節后由送風機送入車間[4]。

控制系統由溫、濕度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器、電動調節執行器、變頻器等構成?？刂苹芈酚兴膫€，分別為：室內溫度控制；室內相對濕度控制；送風量控制；室內正壓控制。

溫度控制回路由溫度傳感器、表冷器、加熱器、執行器（冷水閥、加熱蒸汽閥）及房間對象組成。濕度控制回路由濕度傳感器、表冷器、加濕器、執行器（冷水閥、蒸汽加濕閥）以及房間對象組成。

圖1 空調系統控制邏輯圖Fig.1 Air conditioning system control logic diagram

圖2 空調系統流程圖Fig.2 Air conditioning system flow chart

1 系統硬件選擇設計

1.1系統選型

根據技術要求，選用了雙機熱備冗余控制器、冗余熱備服務器、操作站、光纖交換機、溫度、濕度、露點溫度、壓力、流量、液位等檢測儀表和空調機組調節閥等構成本熱備冗余自控系統，主要儀表、檢測元件、閥門等均采用國外進口產品，整套系統完全滿足使用要求，系統經過嚴格的出廠測試，經現場安裝調試后即可實現其全部功能。實現本工程監控和節能管理系統的各項功能，能完全滿足標書對自控系統的要求。

控制系統的結構為：過程控制級、控制管理級以及通訊網絡系統。

過程控制級由現場雙機熱備冗余CPU控制站和I/O遠程站，通過強抗干擾的調頻式現場總線Genius網絡聯接組成。

控制管理級位于控制室內，由工程師站、操作員站、打印機、通訊接口裝置等組成。

通訊網絡系統分為管理層以太網（TCP/IP協議）和現場總線控制網（Genius協議）?，F場控制站與遠程I/O控制站之間通過現場總線網絡聯接。與常規控制系統相比較，Genius總線是一種強抗干擾的性能優異的現場總線。

該系統進行了精心的設計，可靠、安全，靈活利于操作，實現環境參數的功能要求。

1）空調控制系統配置說明

配置有一套PAC系列雙機熱備冗余PLC控制站，配置有1個CPU機柜，另在兩側配置有6個遠程I/O站，用于采集溫度、濕度、壓力、壓差、流量、變頻器信號，控制空調機組風機、水閥等設備、滿足電子廠房監控要求。

2）動力控制系統配置說明

配置有一套PAC系列雙機熱備冗余PLC控制站，配置有1個CPU機柜，另在兩側配置有3個遠程I/O站，用于采集溫度、壓力、壓差、流量、變頻器信號，控制空調機組風機、水閥等設備、滿足電子廠房監控要求。

3）網絡系統配置說明

為便于監控和管理，中央控制室采用了以太網，將中控室PLC和兩臺互為備用的上位機和一臺數據管理計算機連接在一起。

采用光纖交換機通過光纖環網實現上位機和2個雙機熱備冗余PAC7i控制的數據交換和控制，控制系統和遠程I/O站點滴通訊使用Genius現場總線通訊。

1.2控制系統

1）PLC柜硬件設計

表1 控制系統模塊表Table1 Table control system module

各站控制器均采用GE Fanuc公司的系列PAC7I PLC，它是GE Fanuc自動化公司的系列PAC可編程控制器家庭中的一員，提供最先進的編程特性，易于組態便于安裝，它的CPU具有強大的功能，如內裝PID，結構化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊，能完成復雜的操作。按設計要求選取PLC柜模塊：

模塊上自帶285個AI點，384個DI點，92個AO點，187個DO點。

2）熱備冗余系統

冗余CPU使用于重要環境和在系統單個元件發生錯誤時繼續操作。冗余系統使用2個CPU，其中1個激活的單元控制進程，備份單元與激活單元同步并且在必要時接過程序控制權。當2個單元處于運行狀態時2個單元同步，備份單元通過1個冗余通訊模塊從激活單元接收到最新的狀態和同步信息，并且2個單元都同步的運行各自的邏輯程序。

每個單元必須有1個冗余CPU（IC698CRE020）和1個或2個冗余通訊模塊（IC698RMX016）。冗余通訊通過1對或2對RMX單元來提供通訊路徑。當檢測到激活單元的故障時，控制自動切換到備用單元。可以通過激活RMX 模塊上的轉換開關開始控制轉換或者通過應用程序激活1個切換服務請求。當用戶定義的控制切換發生了，CPU轉換角色，激活單元變成備份單元，備份單元變成激活單元。

系統通過控制數據的交換來保持同步，其中的數據包括已定義機器的狀態和保持CPU同步操作必須的所有內部數據[5]。每個掃描周期從激活單元到備份單元同步2次數據。CPU到CPU的傳輸經過數據完整性校驗。任何單點的故障都可以繼續運行（除了Genius設備和總線節點）。

該冗余系統支持2個冗余通訊模塊連接，可以在線更換故障元件，并手動切換激活單元和備份單元的控制，實現CPU1個掃描周期內無縫切換。

3 系統軟件設計

無論是簡單的單機人機界面（HMI），還是復雜的多節點、多現場的數據采集和控制系統（SCADA），Proficy HMI/SCADA-iFIX都可以方便地滿足各種應用類型和應用規模的需要。而且還可以在將來需要的時候隨時方便地擴展系統規模。

iClient是GE Fanuc標準的客戶端軟件，它作為傳統的客戶端安裝在Proficy HMI/SCADA-iFIX客戶節點上。通過在View節點設置適當的客戶端權限，用戶可以訪問到網絡中任意SCADA Server中的數據。實時動態畫面、趨勢顯示、報表等應用都運行在iClient上。而且在網絡中各個View節點上都能在線進行開發工作，包括開發畫面、為本地和分布式服務器上增加標簽。

3.1功能組顯示

在功能組顯示中包含過程輸入變量、報警條件、輸出值、輸入值、設定值、回路標號、縮寫的文字標題、控制方式、報警值等，功能組顯示畫面包含所有調節回路及順控回路。

3.2細節顯示

在細節顯示中可觀察以某一回路為基礎的所有信息，細節顯示畫面所包含的每一回路的有關信息。

3.3畫面功能

畫面調用采用召喚方式。整個畫面顯示清晰穩定，在畫面上可按設備進行操作，每個設備可生成設備控制操作菜單，可用三維動畫形象動態地反映現設備狀態。畫面可屏幕拷貝輸出。

在標準畫面顯示中包含報警顯示、趨勢顯示、成組顯示、棒圖顯示等。

3.4其它顯示

此外還包括有幫助顯示、系統狀態顯示等。

3.5事故記錄和追憶

當發生事故時，監控系統立即以中斷方式響應，并自動顯示，記錄事故名稱及時間；記錄、顯示和打印相關設備的動作情況；自動啟動事故處理流程；自動記錄前一分鐘和后一分鐘相關模擬量數據變化。事故后，監控系統提供了事故追憶，可用表格形式表示。

3.6報表系統

全廠運行日志，各種一覽表（包括事故一覽表，故障一覽表，狀態一覽表，操作一覽表等）的自動統計。設備

運行工況、事故與操作次數的統計。

按用戶指定的格式將所有歷史記錄制成打印表格，包括：交接班記錄、日報、月報、操作記錄、設備運行記錄等。

3.7用戶管理監控子系統根據需要設置用戶權限和規定不同的用戶組，通過對來訪者的不同身份進行不同的授權和活動區限制，實現系統的安全運行和系統維護。

3.8語言報警

監控系統提供了語音報警功能，對所有量均能語音報警。并報出事故類型，以便值班員能迅速做出判斷，并采取相應措施。

3.9歷史數據的存儲和檢索

對重要的過程數據和計算數據進行在線存儲，并可保存至少48h，當發生事故時可以立即調出相應的趨勢畫面。用戶可定期將這些數據轉存成歷史數據。用戶可以根據數據的組號、測點號、測點名稱、時間間距等任一項目來檢索所存儲的歷史數據。

1）數據采集和處理

生產過程運行參數的采集和處理。墻掛式壓力傳感器、風管式壓力傳感器、風管溫濕度傳感器、房間溫濕度傳感器、風管溫度風速傳感器等主要設備運行參數的采集和處理,并進行狀態的監視及事件順序記錄。

2）生產過程的控制

監控子系統具有對輸水沿線主要機電設備、輔助設備的全面監視和控制功能[5]。

操作對象包括開關風閥、電動水閥、電動蝶閥、電動水閥、動力站電動蒸汽閥、動力站、變頻器、風機、水泵、風機前后端壓差開關、壓縮空氣供氣主管等[3]。

操作類型有閥門開、關、流量增減等操作。

3）在線自診斷和冗余管理

監控子系統具有完善的系統自檢、診斷和自恢復、自起動功能，包括系統硬件設備故障診斷和軟件故障診斷。

4 總結

宇芯（成都）集成電路封裝測試有限公司各區域的環境指標要求如下：

主要生產區域：溫度22℃±2℃，相對濕度50%±5%，相對于室外大氣的正壓差10到15Pa，空氣潔凈度10000級。投產至今，運行穩定、可靠、安全，操作方便，本工程具有以下特點：

1）計算機監控系統設計是按“無人值班、少人值守”的原則進行設計的。

2）高可靠性的網絡通道，多層網絡冗余。

3）先進的分布式系統，既提高了系統的可靠性，同時也減輕了網絡負載。

4）先進的面向對象結構設計，方便系統維護。

[1]任秀珍,王永初．節能控制系統[M]．北京：中國石化出版社,1994：398-426．

[2]B Nielsen,H Madsen．Identification of Transfer Functions for Control of Greenhouse Air Temperature[J]．Agricultural Engineering Research,1995,60(1)：25-34．

[3]陳金華．可編程序控制器應用技術[M]．北京：電子工業出版社,1995．

[4]陳霖新．潔凈廠房的設計與施工[M]．北京：化學工業出版社,2003：1-18．

[5]王海橋,李銳銳．空氣潔凈技術[M]．北京：機械工業出版社,2007．

論文摘要四要素

論文摘要一應包含目的、方法、結果、結論四要素。

1）目的：指研究的范圍、目的、重要性、任務和前提條件，不是主題的簡單重復。

2）方法： 簡述課題的工作流程，研究了哪些主要內容，在這個過程中都做了哪些工作，包括對象、原理、條件、程序、手段等。

3）結果：陳述研究之后重要的新發現、新成果及價值，包括通過調研、實驗、觀察取得的數據和結果，并剖析其不理想的局限部分。

4）結論：課題研究的結果得出的結論，包括從中取得證實的正確觀點，分析、比較，預測其在實際工作中運用的意義，理論與實際相結合的價值等。

解釋一下這四要素：

（1）目的是說為什么做？做任何研究都是有目的的，都是要解決一些特定的問題，也就是一般說的目的，一般可以表述為“為了什么...針對什么...”

（2）方法是說怎么做的？是指告訴讀者“你做的方法、使用的工具、試驗方案、創新之處”。

（3）做的結果是什么？這是大多數摘要所缺少的，這也是判斷論文水平的一個要點。

（4）結論是說結果證明了什么？或者說有什么價值？結論是將研究結果提升，體現出研究的價值和意義。為了充分地體現研究結果的價值，也可以加上一些延展性的應用展望或者是進一步研究的方向。

Clean Room Central Air Conditioning Field PLC Redundancy Control System Design and Implementation

Liu Yan
（Progress in nuclear power technology research institute co.,LTD. Beijing branch,Beijing 100037,China）

The integrated circuit manufacturing of Semiconductor electronics industry, which require a very clean production environment. Clean room air conditioning system, the dust particles in the air to control for the purpose of industrial clean room technology clean room, which mainly control temperature, humidity, wind speed, flow and cleanliness and other parameters. The dual redundant PLC control system of GE is able to make emergency non-disturbance switch coming true. And saving energy through the inverter. So the air condition have intelligent, humane, high-power, multi-functional, energy-saving features.PID control design control system combined, MATLAB simulation results show that this method of control is better for temperature and humidity control provides an effective method. Outdoor environment and indoor air conditioning weather data and energy parameters such as the state recorded in the operator station for reference and further analysis of query optimization.

central air conditioner system;PLC control;redundancy control system

TH

A

1671-1041(2014)06-00027-04

2014-09-15

劉巖（1985-）,男，山東德州人，碩士，測試工程師，從事測控系統及工業自動化實現。