朱學(xué)庚 王 磊 張蔚華

可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)是當(dāng)代工業(yè)自動化的主要設(shè)備之一，因其抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定和編程易于實(shí)現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代控制系統(tǒng)中。

藥廠潔凈車間的空調(diào)系統(tǒng)是科研和生產(chǎn)的重要保障，國家GMP對藥廠車間的環(huán)境有著嚴(yán)格的要求。例如溫度、濕度及壓力等。保證空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足控制參數(shù)的要求十分重要，建立在以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)能夠達(dá)到要求。西門子S7-300PLC是一種功能十分強(qiáng)大的控制器，其中央處理器(central processing unit，CPU)運(yùn)行穩(wěn)定、種類齊全及通訊方便，并配有各種擴(kuò)展模塊和操作屏，應(yīng)用起來十分方便。

1 潔凈車間空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在潔凈車間空調(diào)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)上，主要是考慮如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)控制，兼顧投資少、操作方便以及節(jié)能等方面的問題。潔凈車間有3套不同級別的潔凈空調(diào)系統(tǒng)，分別對應(yīng)車間的3個(gè)工作區(qū)域，3套空調(diào)柜分布在2個(gè)機(jī)房內(nèi)，系統(tǒng)要求中的控制點(diǎn)較多，因此采用了西門子S7-300PLC作為控制器，整個(gè)系統(tǒng)有2個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，即工作狀態(tài)和值班狀態(tài)。本設(shè)計(jì)對時(shí)間參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使系統(tǒng)對工作和值班狀態(tài)進(jìn)行自動的轉(zhuǎn)換。

(1)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。主要包括送風(fēng)機(jī)、系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)和房間排風(fēng)機(jī)。由于整個(gè)系統(tǒng)分為工作狀態(tài)和值班狀態(tài)，因此在工作狀態(tài)下，送風(fēng)機(jī)以工作頻率運(yùn)行，排風(fēng)機(jī)運(yùn)行；在值班狀態(tài)下，送風(fēng)機(jī)以值班頻率運(yùn)行，排風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。房間排風(fēng)機(jī)與設(shè)備聯(lián)動，由于房間排風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，會導(dǎo)致系統(tǒng)排風(fēng)量加大，因此為了平衡系統(tǒng)風(fēng)量，在系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)的風(fēng)管上安裝了電動閥，在房間排風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，電動閥處于全開狀態(tài)；當(dāng)房間排風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，根據(jù)房間排風(fēng)機(jī)運(yùn)行的數(shù)量，系統(tǒng)排風(fēng)管電動閥關(guān)閉不同的角度，這樣就保證了系統(tǒng)排風(fēng)量的恒定。

(2)加熱器。系統(tǒng)加熱分為一級加熱和二級加熱，其中一級加熱在啟動后工作在24 h內(nèi)，加熱功率小于二級加熱，主要起到預(yù)加熱的作用，尤其是在新風(fēng)溫度較低的冬季。二級加熱在啟動后系統(tǒng)工作狀態(tài)下運(yùn)行，在值班狀態(tài)下停止。加熱器由溫度開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)加熱器局部溫度過高時(shí)，溫度開關(guān)狀態(tài)變化，系統(tǒng)會停止加熱。只有人工進(jìn)行復(fù)位后才能重新開啟加熱功能。系統(tǒng)對加熱的控制采用PID控制的方式。

(3)制冷閥。主要功能是控制制冷劑進(jìn)入空調(diào)柜的流量，從而達(dá)到制冷和除濕的功能。制冷閥的控制主要采用分段控制的方法，系統(tǒng)可以設(shè)定不同的溫度段，制冷閥開啟不同的程度。這樣可以有效的避免制冷與加熱在同一設(shè)定點(diǎn)相互作用而引起的能源浪費(fèi)。系統(tǒng)在工作狀態(tài)下制冷閥運(yùn)行；在值班狀態(tài)下制冷閥停止運(yùn)行。

(4)加濕器。系統(tǒng)在工作狀態(tài)下加濕器運(yùn)行；在值班狀態(tài)下加濕器停止運(yùn)行。

(5)風(fēng)管電動閥。包括回風(fēng)管電動閥、新風(fēng)管電動閥和排風(fēng)管電動閥。新風(fēng)管和排風(fēng)管電動閥在工作狀態(tài)下打開，在值班狀態(tài)下關(guān)閉。同時(shí)，排風(fēng)管電動閥根據(jù)房間排風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量的不同，開啟不同的角度?；仫L(fēng)管電動閥主要作用是控制房間的壓力，采用PID控制方式控制閥門開啟程度的大小，從而保證房間的壓力控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。在系統(tǒng)的總回風(fēng)管上安裝了一個(gè)電動閥，在系統(tǒng)處于值班狀態(tài)下，送風(fēng)機(jī)的頻率較小，為了保證房間的壓力不至于過低，系統(tǒng)可以適當(dāng)調(diào)節(jié)這個(gè)電動閥以減少回風(fēng)量。

2 潔凈車間空調(diào)系統(tǒng)硬件

由于3套空調(diào)柜分布在2個(gè)機(jī)房內(nèi)，因此整個(gè)控制系統(tǒng)使用2套S7-300PLC進(jìn)行控制。為了節(jié)省投入，系統(tǒng)使用一個(gè)觸摸屏，屏幕和2套PLC采用PROFIBUS總線進(jìn)行通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

操作屏采用西門子TP170A，2個(gè)CPU都具有PROFIBUS通訊接口。另外根據(jù)I/O數(shù)量配置DI和DO模塊。

3 潔凈車間空調(diào)系統(tǒng)軟件

操作屏應(yīng)用WinCC Flexible2007進(jìn)行組態(tài)，此軟件功能強(qiáng)大，使用十分方便。在軟件的通訊／連接項(xiàng)中分別設(shè)置2個(gè)CPU的地址并選擇DP網(wǎng)絡(luò)和配置其他參數(shù)后即可與網(wǎng)絡(luò)中的CPU進(jìn)行通訊。

對CPU的編程應(yīng)用SIMATIC STEP7軟件，此軟件是一個(gè)強(qiáng)大的工程工具，用于整個(gè)項(xiàng)目流程的設(shè)計(jì)，軟件提供了一系列的應(yīng)用程序可供編程者使用。系統(tǒng)在控制上大量的采用了PID控制方式，使用這種方式不需要分析被控對象的數(shù)學(xué)模型，使用十分方便。雖然SIMATIC STEP7軟件中提供了PID功能塊，為了靈活的控制，系統(tǒng)采用自編PID控制程序的方式，其基本原理如圖2所示：

圖2 PID控制原理圖

被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于0，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，他將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。

PID表達(dá)式：u(t)=up(k)+uI(k)+uD(k)

PID調(diào)節(jié)器的微分方程：

式中e(t)=r(t)-c(t)

PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)：

在對車間重點(diǎn)房間的壓力控制過程中，由于車間內(nèi)空氣流動的實(shí)際情況，壓力總是存在著微小的變化。因此，在PID控制環(huán)節(jié)系統(tǒng)引入了死區(qū)環(huán)節(jié)。另外，在人員出入房間時(shí)壓力也會出現(xiàn)劇烈的變化，如果這種變化是瞬時(shí)的系統(tǒng)并不需要調(diào)節(jié)。通過以上的分析，系統(tǒng)的PID控制流程如圖3所示。

其中e0是房間風(fēng)壓有較大的階躍時(shí)產(chǎn)生的變化量，這有可能是工作人員進(jìn)出房間開門時(shí)引發(fā)的變化，這種過程時(shí)間較短，所以對閥門并不需要調(diào)節(jié)。但是在變化一段時(shí)間后，壓力沒有恢復(fù)則需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則無法保證房間的壓力。房間的壓力是針對大氣而言，當(dāng)房間壓力低于設(shè)定時(shí)回風(fēng)閥將減小開度，當(dāng)壓力增大時(shí)將增大開度。因此在計(jì)算e(k)時(shí)使用反饋減設(shè)定的方法。e1是用于確定死區(qū)大小的參數(shù)，這樣就避免了控制動作的過于頻繁，消除由于頻繁動作所引起的震蕩，也延長了回風(fēng)電動閥的使用壽命。此控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)非線性系統(tǒng)。即當(dāng)|e(k)|≤|e1|時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出為0；當(dāng)|e(k)|＞|e1|時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)器有PID輸出。對于e0和e1來說，其具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際控制對象由試驗(yàn)確定。尤其是e1，若值太小，控制動作過于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定被控對象的目的；若值太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后。因此在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，對e1的取值要反復(fù)的測試，以達(dá)到合理的控制。

圖3 系統(tǒng)的PID控制流程

4 結(jié)語

潔凈車間空調(diào)系統(tǒng)滿足了對車間溫度、濕度和房間壓力的控制要求。系統(tǒng)自使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，西門子S7-300 PLC在潔凈車間空調(diào)的控制中已經(jīng)大量的應(yīng)用，效果十分顯著。

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