基于PLC的潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)

廖志鋒

（廣州市金儀自動(dòng)化有限公司）

0 引言

隨著藥品生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步及對生產(chǎn)環(huán)境要求的提高，眾多制藥廠都對生產(chǎn)廠房進(jìn)行藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（good manufacture practice，GMP）改造，以滿足產(chǎn)品的驗(yàn)證要求。生產(chǎn)廠房潔凈區(qū)的溫濕度和潔凈度是GMP改造的關(guān)鍵，也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[1-2]，因此潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)是GMP改造的核心內(nèi)容。2013年某藥廠空調(diào)進(jìn)行GMP技術(shù)改造，采用基于S7-200 PLC為控制核心的潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，操作及維護(hù)方便。

1 潔凈空調(diào)系統(tǒng)

該藥廠GMP技術(shù)改造，根據(jù)各區(qū)域生產(chǎn)功能的不同，潔凈區(qū)設(shè)11套潔凈空調(diào)系統(tǒng)，采用組合式空調(diào)機(jī)組。各空調(diào)主要由過濾器、加熱段、加濕段、表冷段、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門等組成。改造要求的室內(nèi)參數(shù)如下：潔凈級別D(8)、溫度18℃～26℃、濕度45%～65%、人均最小新風(fēng)量40 m3/h。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的集散式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體功能[3]。基于PLC的潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用控制和管理2層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有控制器通過控制層網(wǎng)絡(luò)以以太網(wǎng)方式通信，采用分布智能式控制系統(tǒng)[4]，控制層網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行和信號的傳輸；管理站、操作站、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等通過管理層網(wǎng)絡(luò)相連，管理層網(wǎng)絡(luò)采用局域網(wǎng)，以標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議互相通信，在物理連接上利用現(xiàn)有的綜合布線路由，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)置將管理層網(wǎng)絡(luò)連通。

圖1 基于PLC的潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制層采用分布智能式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各控制節(jié)點(diǎn)之間，控制節(jié)點(diǎn)與中央控制中心的操作站之間，以及它們與專用控制、接口設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。控制層每個(gè)現(xiàn)場控制器 PLC采用分散控制的原則，分布在被控的空調(diào)機(jī)組附近，現(xiàn)場工作人員可以通過人機(jī)界面觸摸屏就近操作或監(jiān)測空調(diào)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。每個(gè)現(xiàn)場控制器由PLC、人機(jī)界面觸摸屏、風(fēng)機(jī)變頻器、檢測儀表和控制閥門等構(gòu)成。

管理層網(wǎng)絡(luò)除了連接系統(tǒng)自身的管理設(shè)備，還與上層管理信息系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信、信息共享，并獲取信息共享管理系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的雙向通訊。

2.1 硬件配置

PLC選用西門子S7-200系列CPU226的可編程控制器，通過擴(kuò)展模塊EM235擴(kuò)展模擬量輸入輸出接口，通過通訊模塊CP243-1擴(kuò)展以太網(wǎng)接口。CPU模塊主要對各個(gè)模塊、操作站和現(xiàn)場人機(jī)界面的指令、信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后通過輸出模塊輸出給控制對象，實(shí)現(xiàn)需要的動(dòng)作；模擬量輸入輸出模塊采集現(xiàn)場的模擬量信號，送入CPU處理，并對控制對象的風(fēng)機(jī)變頻器、控制閥門等進(jìn)行控制。

操作站和管理站選用研華IPC610系列工作站；現(xiàn)場人機(jī)界面選用西門子Smart 700 IE觸摸屏。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

操作站和管理站采用西門子組態(tài)軟件WINCC6.2設(shè)計(jì)監(jiān)控、管理模塊；PLC采用西門子 STEP 7-Micro/WIN進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和編程；現(xiàn)場人機(jī)界面采用西門子組態(tài)軟件Wincc flexible 2008 SP4設(shè)計(jì)監(jiān)控、管理模塊。通過WINCC6.2、STEP 7-Micro/WIN和Wincc flexible 2008 SP4的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)操作站、PLC、現(xiàn)場人機(jī)界面之間的通訊[4]。

軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)采集PLC的數(shù)據(jù)，并在設(shè)計(jì)模塊中實(shí)時(shí)顯示各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各個(gè)溫度、壓力、閥門開度等數(shù)值；

2)在線修改和設(shè)置各控制閥門和風(fēng)機(jī)變頻器的PID控制參數(shù)；

3)發(fā)送數(shù)據(jù)、控制指令，對工藝設(shè)定參數(shù)進(jìn)行修改并通過PLC對空調(diào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)控制；

4)實(shí)時(shí)曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)表等控制功能。

3 溫濕度控制模式

系統(tǒng)調(diào)試初期，由于空氣的熱慣性，導(dǎo)致出現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)波動(dòng)幅度大。為提高調(diào)節(jié)的精確度，控制系統(tǒng)利用安裝在空調(diào)新風(fēng)入風(fēng)口、送風(fēng)總管出口和回風(fēng)總管上的溫、濕度傳感器監(jiān)測潔凈空調(diào)機(jī)組新風(fēng)、回風(fēng)及送風(fēng)溫、濕度，并計(jì)算相應(yīng)的檢測溫度。檢測溫度作為溫度控制反饋值，按照加權(quán)平均計(jì)算如下：

檢測溫度=回風(fēng)溫度（潔凈區(qū)室內(nèi)溫度）×80% +新風(fēng)溫度（即室外溫度）×20%

當(dāng)檢測溫度變化時(shí)，根據(jù)檢測溫度與溫度設(shè)定值的比較，通過PID算法自動(dòng)控制機(jī)組的二通冷凍水閥和蒸汽閥的開度，維持潔凈區(qū)溫度的恒定。

控制系統(tǒng)設(shè)有2種溫濕度控制模式：冬季模式和夏季模式。

3.1 冬季模式

當(dāng)檢測到新風(fēng)溫度低于15℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開蒸汽閥升溫，溫度上升到設(shè)定值時(shí)，如果濕度高于設(shè)定值，則調(diào)節(jié)二通冷水閥進(jìn)行進(jìn)一步除濕。二通冷水閥打開會(huì)影響送風(fēng)溫度，此時(shí)繼續(xù)調(diào)節(jié)蒸汽閥開度保證送風(fēng)溫度接近于設(shè)定值。系統(tǒng)對比溫度和濕度的設(shè)定值，根據(jù)PID分別計(jì)算溫度調(diào)節(jié)量和濕度調(diào)節(jié)量，經(jīng)比較，選擇較大的輸出值對二通冷水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，二通冷水閥和蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方向相反。冬季溫濕度控制邏輯框圖如圖2所示。

圖2 冬季溫濕度控制邏輯框圖

3.2 夏季模式

當(dāng)檢測到新風(fēng)溫度高于28℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)二通冷水閥進(jìn)行降溫，如果濕度達(dá)到設(shè)定值而溫度低于設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)蒸汽閥升溫，此時(shí)繼續(xù)調(diào)節(jié)二通冷水閥開度保證送風(fēng)溫度接近于設(shè)定值。當(dāng)新風(fēng)表冷段二通冷水閥開度達(dá)到 80%，潔凈區(qū)溫度還高于設(shè)定值時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)開啟新回風(fēng)表冷段二通冷水閥，此時(shí)溫度調(diào)節(jié)量將同時(shí)輸出給兩個(gè)冷水閥；當(dāng)新風(fēng)表冷段二通冷水閥開度小于80%時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉新回風(fēng)表冷段二通冷水閥。系統(tǒng)對比溫度和濕度的設(shè)定值，根據(jù)PID分別計(jì)算調(diào)節(jié)量，溫度調(diào)節(jié)量與濕度調(diào)節(jié)量經(jīng)比較后，選擇較大的輸出值對二通冷水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。二通冷水閥和蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方向相反。夏季溫濕度調(diào)節(jié)邏輯框圖如圖3所示。

圖3 夏季溫濕度調(diào)節(jié)邏輯框圖

4 結(jié)語

2013年對某藥廠空調(diào)進(jìn)行GMP技術(shù)改造，采用基于S7-200 PLC為控制核心的潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)投入使用以來，控制效果好、穩(wěn)定可靠、操作方便，滿足生產(chǎn)工藝和監(jiān)控要求，促進(jìn)了生產(chǎn)管理工作，為產(chǎn)品質(zhì)量提供了有效的保障。

[1] 許鐘麟.藥廠潔凈設(shè)計(jì)、醫(yī)藥與GMP認(rèn)證（第2版）[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2011.

[2] 涂光備.制藥工業(yè)的潔凈與空調(diào)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[3] 皮壯行,宮振鳴,李雪華.可編程控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[4] 何獻(xiàn)忠.編程控制器應(yīng)用技術(shù)（西門子S7-200系列）（第2版）[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.