（中科華核電技術(shù)研究院有限公司 北京分公司，北京 100037）

潔凈廠房中央空調(diào)PLC冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉巖

（中科華核電技術(shù)研究院有限公司 北京分公司，北京 100037）

電子工業(yè)中的半導(dǎo)體、集成電路的制造，要求有一個(gè)非常潔凈的生產(chǎn)環(huán)境。潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)，是以控制空氣中塵粒為目的的工業(yè)潔凈室技術(shù)，潔凈室主要控制溫度、濕度、風(fēng)速、流場(chǎng)和潔凈度等參數(shù)[1]。GE公司的PLC雙重冗余控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)緊急情況下的無擾動(dòng)切換。并通過變頻器實(shí)現(xiàn)節(jié)能，使空調(diào)具有智能化，人性化，大功率，多功能，節(jié)能等特點(diǎn)[2]。設(shè)計(jì)PID控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)。MATLAB仿真結(jié)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(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件流程。利用設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。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)記錄在操作員站上供查詢和進(jìn)一步的分析優(yōu)化處理。

中央空調(diào)系統(tǒng)；可編程控制器；冗余控制系統(tǒng)

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)由過濾器、表冷器、加熱器、加濕器、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、變頻器、新風(fēng)閥、回風(fēng)閥、風(fēng)管等組成?？照{(diào)箱同時(shí)裝有冷盤管和熱盤管，每組盤管一進(jìn)一回，兩組水管分別接入冷水和熱水，個(gè)別空調(diào)有兩組冷水管分別接入不同溫度的冷水。可以實(shí)現(xiàn)一年不管什么季節(jié)，制冷制熱保濕都可以隨時(shí)進(jìn)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(shí)現(xiàn)溫濕度的控制[3]。

外部空氣進(jìn)入空調(diào)先在過濾器進(jìn)行過濾，之后進(jìn)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(jīng)過表冷器調(diào)節(jié)后由送風(fēng)機(jī)送入車間[4]。

控制系統(tǒng)由溫、濕度傳感器、壓力傳感器、壓差傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)執(zhí)行器、變頻器等構(gòu)成。控制回路有四個(gè)，分別為：室內(nèi)溫度控制；室內(nèi)相對(duì)濕度控制；送風(fēng)量控制；室內(nèi)正壓控制。

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

圖1 空調(diào)系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.1 Air conditioning system control logic diagram

圖2 空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig.2 Air conditioning system flow chart

1 系統(tǒng)硬件選擇設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)選型

根據(jù)技術(shù)要求，選用了雙機(jī)熱備冗余控制器、冗余熱備服務(wù)器、操作站、光纖交換機(jī)、溫度、濕度、露點(diǎn)溫度、壓力、流量、液位等檢測(cè)儀表和空調(diào)機(jī)組調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成本熱備冗余自控系統(tǒng)，主要儀表、檢測(cè)元件、閥門等均采用國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，整套系統(tǒng)完全滿足使用要求，系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的出廠測(cè)試，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試后即可實(shí)現(xiàn)其全部功能。實(shí)現(xiàn)本工程監(jiān)控和節(jié)能管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，能完全滿足標(biāo)書對(duì)自控系統(tǒng)的要求。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：過程控制級(jí)、控制管理級(jí)以及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

過程控制級(jí)由現(xiàn)場(chǎng)雙機(jī)熱備冗余CPU控制站和I/O遠(yuǎn)程站，通過強(qiáng)抗干擾的調(diào)頻式現(xiàn)場(chǎng)總線Genius網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接組成。

控制管理級(jí)位于控制室內(nèi)，由工程師站、操作員站、打印機(jī)、通訊接口裝置等組成。

通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為管理層以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）和現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)（Genius協(xié)議）?，F(xiàn)場(chǎng)控制站與遠(yuǎn)程I/O控制站之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。與常規(guī)控制系統(tǒng)相比較，Genius總線是一種強(qiáng)抗干擾的性能優(yōu)異的現(xiàn)場(chǎng)總線。

該系統(tǒng)進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，可靠、安全，靈活利于操作，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的功能要求。

1）空調(diào)控制系統(tǒng)配置說明

配置有一套PAC系列雙機(jī)熱備冗余PLC控制站，配置有1個(gè)CPU機(jī)柜，另在兩側(cè)配置有6個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，用于采集溫度、濕度、壓力、壓差、流量、變頻器信號(hào)，控制空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)、水閥等設(shè)備、滿足電子廠房監(jiān)控要求。

2）動(dòng)力控制系統(tǒng)配置說明

配置有一套PAC系列雙機(jī)熱備冗余PLC控制站，配置有1個(gè)CPU機(jī)柜，另在兩側(cè)配置有3個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，用于采集溫度、壓力、壓差、流量、變頻器信號(hào)，控制空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)、水閥等設(shè)備、滿足電子廠房監(jiān)控要求。

3）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置說明

為便于監(jiān)控和管理，中央控制室采用了以太網(wǎng)，將中控室PLC和兩臺(tái)互為備用的上位機(jī)和一臺(tái)數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)連接在一起。

采用光纖交換機(jī)通過光纖環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和2個(gè)雙機(jī)熱備冗余PAC7i控制的數(shù)據(jù)交換和控制，控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)滴通訊使用Genius現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。

1.2控制系統(tǒng)

1）PLC柜硬件設(shè)計(jì)

表1 控制系統(tǒng)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(dòng)化公司的系列PAC可編程控制器家庭中的一員，提供最先進(jìn)的編程特性，易于組態(tài)便于安裝，它的CPU具有強(qiáng)大的功能，如內(nèi)裝PID，結(jié)構(gòu)化編程，中斷控制，間接尋址及各種功能模塊，能完成復(fù)雜的操作。按設(shè)計(jì)要求選取PLC柜模塊：

模塊上自帶285個(gè)AI點(diǎn)，384個(gè)DI點(diǎn)，92個(gè)AO點(diǎn)，187個(gè)DO點(diǎn)。

2）熱備冗余系統(tǒng)

冗余CPU使用于重要環(huán)境和在系統(tǒng)單個(gè)元件發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)繼續(xù)操作。冗余系統(tǒng)使用2個(gè)CPU，其中1個(gè)激活的單元控制進(jìn)程，備份單元與激活單元同步并且在必要時(shí)接過程序控制權(quán)。當(dāng)2個(gè)單元處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)2個(gè)單元同步，備份單元通過1個(gè)冗余通訊模塊從激活單元接收到最新的狀態(tài)和同步信息，并且2個(gè)單元都同步的運(yùn)行各自的邏輯程序。

每個(gè)單元必須有1個(gè)冗余CPU（IC698CRE020）和1個(gè)或2個(gè)冗余通訊模塊（IC698RMX016）。冗余通訊通過1對(duì)或2對(duì)RMX單元來提供通訊路徑。當(dāng)檢測(cè)到激活單元的故障時(shí)，控制自動(dòng)切換到備用單元。可以通過激活RMX 模塊上的轉(zhuǎn)換開關(guān)開始控制轉(zhuǎn)換或者通過應(yīng)用程序激活1個(gè)切換服務(wù)請(qǐng)求。當(dāng)用戶定義的控制切換發(fā)生了，CPU轉(zhuǎn)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(tǒng)通過控制數(shù)據(jù)的交換來保持同步，其中的數(shù)據(jù)包括已定義機(jī)器的狀態(tài)和保持CPU同步操作必須的所有內(nèi)部數(shù)據(jù)[5]。每個(gè)掃描周期從激活單元到備份單元同步2次數(shù)據(jù)。CPU到CPU的傳輸經(jīng)過數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)。任何單點(diǎn)的故障都可以繼續(xù)運(yùn)行（除了Genius設(shè)備和總線節(jié)點(diǎn)）。

該冗余系統(tǒng)支持2個(gè)冗余通訊模塊連接，可以在線更換故障元件，并手動(dòng)切換激活單元和備份單元的控制，實(shí)現(xiàn)CPU1個(gè)掃描周期內(nèi)無縫切換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無論是簡(jiǎn)單的單機(jī)人機(jī)界面（HMI），還是復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)、多現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)（SCADA），Proficy HMI/SCADA-iFIX都可以方便地滿足各種應(yīng)用類型和應(yīng)用規(guī)模的需要。而且還可以在將來需要的時(shí)候隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模。

iClient是GE Fanuc標(biāo)準(zhǔn)的客戶端軟件，它作為傳統(tǒng)的客戶端安裝在Proficy HMI/SCADA-iFIX客戶節(jié)點(diǎn)上。通過在View節(jié)點(diǎn)設(shè)置適當(dāng)?shù)目蛻舳藱?quán)限，用戶可以訪問到網(wǎng)絡(luò)中任意SCADA Server中的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)畫面、趨勢(shì)顯示、報(bào)表等應(yīng)用都運(yùn)行在iClient上。而且在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)View節(jié)點(diǎn)上都能在線進(jìn)行開發(fā)工作，包括開發(fā)畫面、為本地和分布式服務(wù)器上增加標(biāo)簽。

3.1功能組顯示

在功能組顯示中包含過程輸入變量、報(bào)警條件、輸出值、輸入值、設(shè)定值、回路標(biāo)號(hào)、縮寫的文字標(biāo)題、控制方式、報(bào)警值等，功能組顯示畫面包含所有調(diào)節(jié)回路及順控回路。

3.2細(xì)節(jié)顯示

在細(xì)節(jié)顯示中可觀察以某一回路為基礎(chǔ)的所有信息，細(xì)節(jié)顯示畫面所包含的每一回路的有關(guān)信息。

3.3畫面功能

畫面調(diào)用采用召喚方式。整個(gè)畫面顯示清晰穩(wěn)定，在畫面上可按設(shè)備進(jìn)行操作，每個(gè)設(shè)備可生成設(shè)備控制操作菜單，可用三維動(dòng)畫形象動(dòng)態(tài)地反映現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)。畫面可屏幕拷貝輸出。

在標(biāo)準(zhǔn)畫面顯示中包含報(bào)警顯示、趨勢(shì)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(tǒng)狀態(tài)顯示等。

3.5事故記錄和追憶

當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)立即以中斷方式響應(yīng)，并自動(dòng)顯示，記錄事故名稱及時(shí)間；記錄、顯示和打印相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作情況；自動(dòng)啟動(dòng)事故處理流程；自動(dòng)記錄前一分鐘和后一分鐘相關(guān)模擬量數(shù)據(jù)變化。事故后，監(jiān)控系統(tǒng)提供了事故追憶，可用表格形式表示。

3.6報(bào)表系統(tǒng)

全廠運(yùn)行日志，各種一覽表（包括事故一覽表，故障一覽表，狀態(tài)一覽表，操作一覽表等）的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。設(shè)備

運(yùn)行工況、事故與操作次數(shù)的統(tǒng)計(jì)。

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?qǐng)?bào)、月報(bào)、操作記錄、設(shè)備運(yùn)行記錄等。

3.7用戶管理監(jiān)控子系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)置用戶權(quán)限和規(guī)定不同的用戶組，通過對(duì)來訪者的不同身份進(jìn)行不同的授權(quán)和活動(dòng)區(qū)限制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和系統(tǒng)維護(hù)。

3.8語(yǔ)言報(bào)警

監(jiān)控系統(tǒng)提供了語(yǔ)音報(bào)警功能，對(duì)所有量均能語(yǔ)音報(bào)警。并報(bào)出事故類型，以便值班員能迅速做出判斷，并采取相應(yīng)措施。

3.9歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索

對(duì)重要的過程數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ)，并可保存至少48h，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)可以立即調(diào)出相應(yīng)的趨勢(shì)畫面。用戶可定期將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存成歷史數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)的組號(hào)、測(cè)點(diǎn)號(hào)、測(cè)點(diǎn)名稱、時(shí)間間距等任一項(xiàng)目來檢索所存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。

1）數(shù)據(jù)采集和處理

生產(chǎn)過程運(yùn)行參數(shù)的采集和處理。墻掛式壓力傳感器、風(fēng)管式壓力傳感器、風(fēng)管溫濕度傳感器、房間溫濕度傳感器、風(fēng)管溫度風(fēng)速傳感器等主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集和處理,并進(jìn)行狀態(tài)的監(jiān)視及事件順序記錄。

2）生產(chǎn)過程的控制

監(jiān)控子系統(tǒng)具有對(duì)輸水沿線主要機(jī)電設(shè)備、輔助設(shè)備的全面監(jiān)視和控制功能[5]。

操作對(duì)象包括開關(guān)風(fēng)閥、電動(dòng)水閥、電動(dòng)蝶閥、電動(dòng)水閥、動(dòng)力站電動(dòng)蒸汽閥、動(dòng)力站、變頻器、風(fēng)機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)前后端壓差開關(guān)、壓縮空氣供氣主管等[3]。

操作類型有閥門開、關(guān)、流量增減等操作。

3）在線自診斷和冗余管理

監(jiān)控子系統(tǒng)具有完善的系統(tǒng)自檢、診斷和自恢復(fù)、自起動(dòng)功能，包括系統(tǒng)硬件設(shè)備故障診斷和軟件故障診斷。

4 總結(jié)

宇芯（成都）集成電路封裝測(cè)試有限公司各區(qū)域的環(huán)境指標(biāo)要求如下：

主要生產(chǎn)區(qū)域：溫度22℃±2℃，相對(duì)濕度50%±5%，相對(duì)于室外大氣的正壓差10到15Pa，空氣潔凈度10000級(jí)。投產(chǎn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安全，操作方便，本工程具有以下特點(diǎn)：

1）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是按“無人值班、少人值守”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

2）高可靠性的網(wǎng)絡(luò)通道，多層網(wǎng)絡(luò)冗余。

3）先進(jìn)的分布式系統(tǒng)，既提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

4）先進(jìn)的面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便系統(tǒng)維護(hù)。

[1]任秀珍,王永初．節(jié)能控制系統(tǒng)[M]．北京：中國(guó)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(yīng)用技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社,1995．

[4]陳霖新．潔凈廠房的設(shè)計(jì)與施工[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003：1-18．

[5]王海橋,李銳銳．空氣潔凈技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007．

論文摘要四要素

論文摘要一應(yīng)包含目的、方法、結(jié)果、結(jié)論四要素。

1）目的：指研究的范圍、目的、重要性、任務(wù)和前提條件，不是主題的簡(jiǎn)單重復(fù)。

2）方法： 簡(jiǎn)述課題的工作流程，研究了哪些主要內(nèi)容，在這個(gè)過程中都做了哪些工作，包括對(duì)象、原理、條件、程序、手段等。

3）結(jié)果：陳述研究之后重要的新發(fā)現(xiàn)、新成果及價(jià)值，包括通過調(diào)研、實(shí)驗(yàn)、觀察取得的數(shù)據(jù)和結(jié)果，并剖析其不理想的局限部分。

4）結(jié)論：課題研究的結(jié)果得出的結(jié)論，包括從中取得證實(shí)的正確觀點(diǎn)，分析、比較，預(yù)測(cè)其在實(shí)際工作中運(yùn)用的意義，理論與實(shí)際相結(jié)合的價(jià)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(duì)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(yàn)方案、創(chuàng)新之處”。

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

（4）結(jié)論是說結(jié)果證明了什么？或者說有什么價(jià)值？結(jié)論是將研究結(jié)果提升，體現(xiàn)出研究的價(jià)值和意義。為了充分地體現(xiàn)研究結(jié)果的價(jià)值，也可以加上一些延展性的應(yīng)用展望或者是進(jìn)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(cè)試工程師，從事測(cè)控系統(tǒng)及工業(yè)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。