蔣 華，張躍鑫

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所，昆明 650118）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息通訊技術(shù)的發(fā)展，在自動化領(lǐng)域可編程控制器（PLC）被廣泛使用。PLC控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)的繼電器接觸器中電氣控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)整合，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、程序簡單易學(xué)、安裝簡單、維修方便等特點(diǎn)[1]。

空調(diào)自控系統(tǒng)是利用自動控制裝置，保證某一特定空間內(nèi)的空氣環(huán)境狀態(tài)參數(shù)達(dá)到期望值的特定控制系統(tǒng)[2]。實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的自動化控制，不僅可以提高控制質(zhì)量，降低冷量和熱量的消耗，節(jié)約能源，同時可以減輕勞動強(qiáng)度并減少運(yùn)行操作人員，提高勞動生產(chǎn)率和專業(yè)技術(shù)管理水平[3]?？照{(diào)系統(tǒng)長期運(yùn)行，涉及到1年中不同季節(jié)的冷暖變化，針對工藝上對空調(diào)自控系統(tǒng)的控制要求，只有選擇合適的控制器、傳感器和相關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備，才能保障空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制質(zhì)量，并同時提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率、降低成本。所以采用PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)空調(diào)的自動化控制，可以使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行更可靠、操作更簡單、功能更豐富[4]。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為某單位疫苗生產(chǎn)基地二期項(xiàng)目疫苗生產(chǎn)車間的空調(diào)自控系統(tǒng)。系統(tǒng)共計(jì)為27套組合式空調(diào)機(jī)組配備自動控制設(shè)備，空調(diào)機(jī)組集中安置在一層和三層空調(diào)機(jī)房中。由于疫苗生產(chǎn)對環(huán)境潔凈度、壓差和溫濕度等指標(biāo)要求比較高，所以空調(diào)自控系統(tǒng)不僅對各功能區(qū)域潔凈房間進(jìn)行溫濕度和壓差VAV調(diào)節(jié)閥控制外，還需要大量的房間溫濕度和壓差監(jiān)視。系統(tǒng)包括了BMS和EMS系統(tǒng)，2套系統(tǒng)既相對獨(dú)立又相互聯(lián)系?？照{(diào)系統(tǒng)為全天24 h運(yùn)行，故要求空調(diào)自控系統(tǒng)可靠性高，并且易于維護(hù)和操作;并要求操作員在中控監(jiān)控室可對空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控和管理，同時要求在空調(diào)機(jī)房也能夠進(jìn)行監(jiān)控，方便操作人員在空調(diào)機(jī)組調(diào)試及維護(hù)及消毒等工作。從空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、環(huán)境控制精度和設(shè)備管理及維護(hù)的成本幾方面考慮，系統(tǒng)采用西門子S7-1500系列PLC控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是目前世界上速度較快、安全性和可靠性較高、性價比較高、可擴(kuò)展性較好的工業(yè)自控系統(tǒng)之一，圖形化界面操作使用簡便易行，從功能、速度和成本等方面都非常適合于系統(tǒng)建設(shè)。

1 空調(diào)自控系統(tǒng)

本文采用了西門子S7-1500 PLC系列控制器，PLC控制系統(tǒng)安裝在空調(diào)機(jī)房，主要由CPU和一些遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊配置組成。2臺上位機(jī)安裝在中央監(jiān)控室，用于自控系統(tǒng)的圖形監(jiān)控管理。如圖1所示，操作人員可以通過上位機(jī)對潔凈空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和控制，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔、歷史數(shù)據(jù)查看、歷史趨勢圖分析和事件報(bào)警等管理工作。打印機(jī)與上位機(jī)連接用于監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖和報(bào)表打印。

2 系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)整個硬件結(jié)構(gòu)分為3層，如圖2所示，分別為現(xiàn)場控制層、現(xiàn)場執(zhí)行層和中央管理層。

（1）現(xiàn)場控制層是整個硬件設(shè)計(jì)的核心，由西門子PLC控制系統(tǒng)完成，主要設(shè)備為CPU、IO模塊和必要的通訊接口等，輸入模塊完成對儀表層數(shù)據(jù)信號的采集后，CPU做完邏輯運(yùn)算通過輸出模塊對風(fēng)閥和風(fēng)機(jī)等設(shè)備發(fā)出控制命令。現(xiàn)場的西門子觸摸屏，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的大部分操作功能。

圖1 空調(diào)自控系統(tǒng)監(jiān)控界面

（2）現(xiàn)場執(zhí)行層主要由溫濕度傳感器、壓差傳感器、風(fēng)速測片、風(fēng)管調(diào)節(jié)閥、風(fēng)管開關(guān)閥、冷熱水調(diào)節(jié)閥、送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)等組成，負(fù)責(zé)工藝過程的數(shù)據(jù)檢測、環(huán)境監(jiān)測和執(zhí)行功能。

（3）中央管理層是控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面，硬件系統(tǒng)為PC電腦加上位機(jī)WinCC軟件，采用Ethernet以太網(wǎng)方式進(jìn)行通訊。控制系統(tǒng)將現(xiàn)場控制層采集的信號通過以太網(wǎng)通訊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)提供給中央管理層。將必要的信號和需要設(shè)定的參數(shù)開放給操作人員，完成對整個控制系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，同時記錄并保存過程值。

圖2 空調(diào)自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)控制原理

3.1 溫濕度控制

如圖3所示，溫度控制中主要通過調(diào)節(jié)冷水閥和熱水閥開度控制系統(tǒng)送、回風(fēng)溫度，使溫度達(dá)到設(shè)定的溫度點(diǎn)。具體控制通過分程調(diào)節(jié)，降溫的時候先減小熱水閥，熱水閥全關(guān)閉以后還需要降溫則開啟冷水閥；升溫的時候先減小冷水閥，冷水閥全關(guān)閉以后溫度還未升到設(shè)定點(diǎn)則開啟熱水閥。分程控制可以減少能耗的損失，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。濕度控制要分為去濕和加濕控制，夏季相對濕度較高，通過送、回風(fēng)的含濕量來調(diào)節(jié)冷水閥的開度，控制回風(fēng)的濕度達(dá)到設(shè)定值，使得房間濕度達(dá)到設(shè)定要求；冬季濕度相對較低，主要通過加濕閥來控制送、回風(fēng)的濕度維持在設(shè)定值，使得房間濕度達(dá)到設(shè)定要求。

圖3 空調(diào)機(jī)組控制流程圖

3.2 風(fēng)量控制

送風(fēng)風(fēng)機(jī)由變頻器驅(qū)動，在送風(fēng)管道上安裝風(fēng)量傳感器進(jìn)行風(fēng)量檢測，根據(jù)檢測到的風(fēng)量和風(fēng)量設(shè)定值比較自動調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)機(jī)的頻率，使得送風(fēng)管路上的送風(fēng)風(fēng)量達(dá)到設(shè)定值，保證送風(fēng)風(fēng)量的恒定。

3.3 房間壓差控制

在潔凈房間送風(fēng)和排風(fēng)末端安裝了定風(fēng)量調(diào)節(jié)器和變風(fēng)量調(diào)節(jié)器，根據(jù)房間安裝的壓差變送器檢測到的房間絕對壓差和壓差設(shè)定值比較，在房間送風(fēng)量不變的情況下自動調(diào)節(jié)變風(fēng)量調(diào)節(jié)器的開度來保證房間的壓差恒定。

3.4 其他狀態(tài)監(jiān)控

系統(tǒng)對其他模擬和數(shù)字輸入點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，如空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)起停、運(yùn)行和故障、風(fēng)機(jī)兩端壓差，過濾器兩端壓差、房間溫濕度、房間壓差以及調(diào)節(jié)閥反饋等，當(dāng)監(jiān)測到狀態(tài)發(fā)生變化時產(chǎn)生報(bào)警，并觸發(fā)相應(yīng)自動程序控制。

4 系統(tǒng)功能

4.1 實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄

系統(tǒng)監(jiān)控界面采用WinCC圖形組態(tài)軟件進(jìn)行編制，系統(tǒng)可以連續(xù)采集并歸檔各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)，以文字、數(shù)字、圖形、動畫等方式實(shí)時顯示和記錄監(jiān)控信息。操作人員可以在監(jiān)控室對現(xiàn)場的各空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、故障、報(bào)警以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并按現(xiàn)場工藝需求對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，控制各空調(diào)機(jī)組的啟停，實(shí)現(xiàn)對空調(diào)自控系統(tǒng)全面有效的監(jiān)控和管理。

4.2 數(shù)據(jù)趨勢圖

系統(tǒng)可記錄并查看一些重要數(shù)據(jù)的歷史趨勢圖，通過歷史趨勢圖操作員可以分析查看數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn)行故障診斷和工藝分析。數(shù)據(jù)趨勢圖各曲線不僅可以用不同的顏色加以區(qū)分，而且設(shè)置時間段可查詢特定時間內(nèi)的趨勢圖，并可以通過報(bào)表表格對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，生成電子文檔報(bào)表以方便保存打印[5]。

4.3 電子簽名

WinCC利用Windows的用戶管理系統(tǒng)和集成Simatic Logon實(shí)現(xiàn)集中用戶管理功能，完全符合新版GMP對電子簽名的要求，也滿足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證方面的要求[6]。系統(tǒng)還可以根據(jù)管理要求設(shè)置不同的用戶權(quán)限級別，在進(jìn)入監(jiān)控界面時操作人員必須在登錄窗口中輸入正確的用戶名和密碼后才可以在監(jiān)控界面進(jìn)行相應(yīng)的操作和管理。

4.4 報(bào)警及消息的監(jiān)視和操作

在自控系統(tǒng)的監(jiān)控界面上，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警及其他消息信息時，系統(tǒng)會自動彈出確認(rèn)窗口，用戶可按消息分類進(jìn)行相應(yīng)操作。系統(tǒng)還安裝了GRM203A智能短信報(bào)警控制器，該報(bào)警控制器通過485通訊接口和空調(diào)自控系統(tǒng)PLC控制器連接，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障產(chǎn)生報(bào)警時，短信報(bào)警控制器會自動把空調(diào)報(bào)警信息發(fā)送給值班人員手機(jī)上；值班人員還可通過發(fā)短信啟?？照{(diào)系統(tǒng)，并查詢空調(diào)自控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、溫度和濕度和房間溫濕度、壓差等參數(shù)。

4.5 遠(yuǎn)程控制

WebNavigator是WinCC的網(wǎng)絡(luò)Web解決方案，需要在上位機(jī)安裝了WebNavigator標(biāo)準(zhǔn)選件。操作人員就可通過局域網(wǎng)或Internet用個人計(jì)算機(jī)的瀏覽器來操作和監(jiān)視正在運(yùn)行的空調(diào)自控系統(tǒng)，而無需在個人計(jì)算機(jī)上安裝任何專業(yè)軟件，只需有瀏覽器的個人計(jì)算機(jī)在瀏覽器輸入上位機(jī)地址，并在登錄窗口中輸入正確的用戶名和密碼后就可以連接到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的操作和管理[7]。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文運(yùn)用西門子S7-1500 PLC控制系統(tǒng)成功搭建無菌疫苗生產(chǎn)車間空調(diào)自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝提出的各項(xiàng)功能和要求。空調(diào)自控系統(tǒng)通過高精度地控制和調(diào)節(jié)，為生產(chǎn)工藝提供滿足疫苗生產(chǎn)需要的潔凈級別、溫濕度和房間壓差。空調(diào)自控系統(tǒng)自動高效地控制設(shè)備能耗、降低運(yùn)行成本、提高工作管理效率?？照{(diào)自控系統(tǒng)自投入運(yùn)行后一直運(yùn)行良好，得領(lǐng)導(dǎo)及生產(chǎn)崗位人員的認(rèn)可，為疫苗安全生產(chǎn)保駕護(hù)航[8]。