摘要：為使潔凈空調系統能夠正常運行，達到溫濕度、壓差、風(fēng)量、節能等各項指標，并在第一時(shí)間反應給操作人員，使用PLC+上位機控制，對空調運行的頻率、風(fēng)量、溫濕度、壓差等參數實(shí)時(shí)監測，并通過(guò)PID調節和邏輯關(guān)系運算，實(shí)現對各執行機構的控制，從而達到系統自動(dòng)調節，穩定運行。 

　前言 

　　潔凈空調系統，特別是在制藥行業(yè)中，對系統風(fēng)量、溫濕度及壓力有極為苛刻的要求，空調系統能否正常穩定運行，直接影響著(zhù)生產(chǎn)運行管理費用的高低，產(chǎn)品品質(zhì)的高低。目前，通過(guò)人工進(jìn)行檢測，對不符合溫度和濕度要求的房間進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作的方法費時(shí)費力、效率低下，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。在實(shí)際執行中，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足國家新版GMP對潔凈空調的要求。因此采用自控系統，實(shí)現自動(dòng)化管理，系統既可滿(mǎn)足系統對溫濕度、風(fēng)量、壓差的控制要求，又能夠保證在此基礎上的節省能源、減少人員干預、提高系統穩定性、更好的符合GMP要求，從而降低工廠(chǎng)的運行費用和提高運行管理的智能化水平，并為產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境保證打下堅實(shí)基礎。 
　　 
　　一、潔凈空調系統要求 
　　根據《中華人民共和國國家標準潔凈廠(chǎng)房設計規范》GBJ73-84 
　　第5．1．3條潔凈室內的計算溫、溫度、應符合下列規定： 
　　1、滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求 
　　2、生產(chǎn)工藝無(wú)溫、濕度要求時(shí)。 
　　第5．1．4條潔凈室內應保證一定的新鮮空氣量，其數值頻取下列風(fēng)量中的最大值； 
　　1、亂流潔凈室總送風(fēng)量的10%～30%，層流潔凈室總送風(fēng)量的2～4%。 
　　2、補償室內排風(fēng)和保持室內正壓值所需的新鮮空氣量。 
　　3、保證室內每人每小時(shí)的新鮮空氣量不小于40立方米。 
　　第5．2．1條潔凈室必須維持一定的正壓。不同等級的潔凈室以及潔凈區與非潔凈區之間的靜壓差，應不小于5Pa，潔凈區與室外的靜壓差，應不小于10Pa。 
　　二、系統分析 
　　以制藥行業(yè)萬(wàn)級環(huán)境系統為例，
　　流程描述：一定量的新風(fēng)經(jīng)過(guò)初效、預熱后，與回風(fēng)混合然后經(jīng)過(guò)混風(fēng)段、表冷段、風(fēng)機段、加熱段、加濕段、中效過(guò)濾器、最后通過(guò)房間高效送入室內，當室內壓差不在設定范圍時(shí)，啟動(dòng)排風(fēng)機組。房間的室內參數要求為：溫度22±2℃濕度55±10%。 
　　空調機組為冷水機組，其中供水7℃，回水12℃，熱源采用空調熱水加熱，其中供水60℃，回水50℃。 
　　三、自控應用及方案 
　　1、控制系統選擇 
　　在自控行業(yè)應用中，西門(mén)子（SIEMENS）公司的SIMATIC S7中央監控及PLC控制器系統，利用了當今所有可以運用的先進(jìn)科技技術(shù)，將每一個(gè)不同層面的裝置設施結合起來(lái)，具有標準的兼容性、良好的可擴展性、全面開(kāi)放的高度可靠的系統，并能夠提供給用戶(hù)有關(guān)能源管理以及設備診斷的數據分析曲線(xiàn)，如此詳細的各點(diǎn)情況都有助于更好地理解相關(guān)控制功能的實(shí)現過(guò)程。 
　　設備自動(dòng)化系統由中央操作站、PLC控制器等組成，通過(guò)Ethernet網(wǎng)（或Profibus DP網(wǎng)）將中央操作站及PLC控制器主站各節點(diǎn)連接起來(lái)，同時(shí)安裝在建筑物各處的PLC控制器智能從站，將通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)（Profibus DP網(wǎng)）連接到PLC控制器主站上，與其它PLC控制器及中央操作站保持緊密聯(lián)系。傳感器及執行器等連接至以上各PLC控制器內，實(shí)現實(shí)時(shí)監控和命令執行。 
　　 
　　四、潔凈空調自控控制系統分析 
　　控制程序采用SIEMENS Step7 軟件，通過(guò)STL、LAD 梯形圖等編程方式，實(shí)現采集信號的處理、控制回路的處理、邏輯運算的處理，對設備、儀表獲得有效的控制，實(shí)現空調的模式切換和潔凈室室內溫濕度的控制。 
　　系統的正常運行，需要各檢測數據實(shí)時(shí)反饋，通過(guò)模數轉換、PID調節和邏輯關(guān)系運算，達到自動(dòng)控制，實(shí)現最終目的。以下是對自控系統分步分析。 
　　1、新風(fēng)預熱控制： 
　　空調系統在冬季運行時(shí)，當新風(fēng)溫度檢測到低于5℃時(shí)，應啟動(dòng)新風(fēng)預熱閥，一方面補充加熱能力，另一方面防止空氣中水滴在過(guò)濾器上凝結成冰，導致過(guò)濾器封堵。機組熱盤(pán)管上安裝的防凍開(kāi)關(guān)，當控制系統接收到防凍開(kāi)關(guān)的信號時(shí)報警，并將預熱閥門(mén)開(kāi)到最大以提高盤(pán)管表面的溫度，防止盤(pán)管凍裂。 
　　2、風(fēng)閥控制： 
　　新風(fēng)閥開(kāi)度首先要滿(mǎn)足房間新風(fēng)需求量，并且是保證房間正壓的關(guān)鍵，所以當空調系統運行時(shí)，新風(fēng)閥有一個(gè)最小開(kāi)度。新/回風(fēng)閥要先于風(fēng)機開(kāi)啟，然后根據溫度反饋信號調節冷熱水閥的開(kāi)度。當風(fēng)機關(guān)閉時(shí)，風(fēng)門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，防止粉塵進(jìn)入。 
　　新風(fēng)閥應具有斷電后彈簧復位的功能，避免了冬季斷電后，冷空氣通過(guò)新風(fēng)閥進(jìn)入空調機組內凍壞機組盤(pán)管。 
　　各風(fēng)閥安裝有開(kāi)度反饋，當風(fēng)閥執行器開(kāi)度與設定值偏差過(guò)大，就會(huì )有報警提示，通知操作人員風(fēng)閥故障，需要及時(shí)處理。 
　　3、系統總風(fēng)量與送風(fēng)機運行控制 
　　根據空調機組總送風(fēng)管的風(fēng)量來(lái)調整變頻器頻率，保證送風(fēng)風(fēng)量一定： 
　　風(fēng)量測量方式：標準畢托管用兩根不同內徑管子同心套接而成，內管通直端尾接頭是全壓管，外管通側接頭是靜壓管 
　　 
　　測量垂直氣流方向的皮托管和外部環(huán)境壓力差計算而得： 
　　空氣速度(FPM) = 4004.4 x ΔP（inWC) 
　　送風(fēng)量/空氣流量Q（CRM)=FPM x S(sq.ft)(1cfm≈1.7m3/h ) 
　　4、溫度控制方式 
　　根據安裝在回風(fēng)總管的溫濕度傳感器來(lái)調節熱水閥、冷水閥的開(kāi)度，控制如下圖所示： 
　　冬季時(shí)，溫度調節按照上圖左邊曲線(xiàn)調節，即溫度越高則熱水閥開(kāi)度越小，通過(guò)優(yōu)化計算(PID+前饋控制)保證溫度恒定； 
　　夏季時(shí)，溫度調節按照上圖右邊曲線(xiàn)調節，即溫度越高則冷水閥開(kāi)度越大，通過(guò)優(yōu)化計算(PID+前饋控制)保證溫度恒定。 
　　控制系統可自動(dòng)調整冬季或夏季時(shí)新風(fēng)和回風(fēng)的開(kāi)度比，以達到節能的目的。 
　　5、濕度控制方式 
　　控制方式下圖所示 
　　5.2 加濕控制 
　　根據回風(fēng)濕度進(jìn)行加濕閥比例控制。加濕時(shí)，蒸汽閥按照左邊曲線(xiàn)調節開(kāi)度，優(yōu)化計算(PID+前饋控制)達到加濕效果； 
　　5.1 除濕控制 
　　根據濕度對冷水閥比例控制，溫度控制與濕度控制同時(shí)操作冷水閥時(shí)取大值，確保系統節能；冷水閥按照右邊曲線(xiàn)調節開(kāi)度，優(yōu)化計算(PID+前饋控制)達到除濕效果。 
　　控制系統可自動(dòng)調整冬季或夏季時(shí)新風(fēng)和回風(fēng)的開(kāi)度比，以達到節能的目的。通過(guò)送風(fēng)溫濕度傳感器對濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)的超限檢測，濕度過(guò)高時(shí)停止蒸汽加濕閥，保護高效過(guò)濾器。 
　　6、房間壓差與排風(fēng)機運行控制 
　　6.1對于局部排風(fēng)沒(méi)有變化的潔凈空調機組采用定回風(fēng)量控制，由于送風(fēng)量保持恒定，當房間的排風(fēng)量和新風(fēng)量保證恒定時(shí)回風(fēng)量便保持恒定。所以在空調系統調試時(shí)檢測出保持房間風(fēng)量和正壓的情況下系統需要的新風(fēng)量，根據新風(fēng)量大小設定新風(fēng)閥的開(kāi)度，新風(fēng)閥開(kāi)啟與空調風(fēng)機連鎖，當開(kāi)啟風(fēng)機的同時(shí)開(kāi)啟新風(fēng)閥到設定開(kāi)度，即能夠保證房間正常壓差； 
　　6.2對于局部排風(fēng)有變化的潔凈空調機組采用變回風(fēng)量控制，由于送風(fēng)量保持恒定，當房間的排風(fēng)量變化時(shí)，新風(fēng)量和回風(fēng)量也要隨著(zhù)變化。當局部排風(fēng)開(kāi)啟時(shí)，排風(fēng)量變大，回風(fēng)量變小，為保證風(fēng)平衡新風(fēng)量也同時(shí)變大（新風(fēng)量大于排風(fēng)量才能最終保證房間的正壓）。對于普通空調機組的回風(fēng)機頻率控制：檢測空調機組的回風(fēng)靜壓，并根據檢測到的回風(fēng)靜壓控制送風(fēng)機的頻率，使回風(fēng)靜壓穩定在設定范圍，進(jìn)而保證空調系統的定回風(fēng)量。 
　　7、趨勢記錄 
　　操作站將安裝Wincc工作站組態(tài)軟件，以生成用戶(hù)所需的多種功能圖形、報警信息處理、數據收發(fā)、記錄和曲線(xiàn)、圖表顯示、數據存儲和報表生成、打印輸出等?？紤]到報表打印功能，給整個(gè)的過(guò)程監控層配置打印機。 
　　8、報警信息 
　　空調系統是一個(gè)整體，系統某一部分發(fā)生故障，必須馬上處理解決。自控系統對所有關(guān)鍵點(diǎn)均有監控，一但發(fā)生故障，馬上能夠在操作站體現出來(lái)。常見(jiàn)故障如下： 
　　1、溫度報警：溫濕度偏離預期值；2、濕度報警：溫濕度偏離預期值；3壓差報警：壓差偏離預期值；4、過(guò)濾器壓差報警：安裝在過(guò)濾網(wǎng)兩端的壓差開(kāi)關(guān)動(dòng)作；5、風(fēng)機故障狀態(tài)報警：風(fēng)機運行；6、風(fēng)閥報警：風(fēng)閥開(kāi)度反饋偏離設定值；7、防火閥報警：防火閥動(dòng)作；等等。 
　　報警信息包含了發(fā)生的日期、時(shí)間、事件、狀態(tài)、區域、報警類(lèi)型等內容，并生成電子記錄，自動(dòng)進(jìn)行存儲，以便日后查詢(xún)、分析。 
　　9、系統安全設置 
　　上位機操作具有三級密碼保護，確保系統運行安全；控制系統具有數據安全性，保證緊急狀態(tài)下、系統崩潰恢復后的數據完整性；通過(guò)控制系統程序控制，可保證系統安全措施有效可信，能夠在多個(gè)層次上實(shí)現安全控制并能保證操作人員人身安全。 
　　結束語(yǔ)： 
　　采用工業(yè)級的PLC控制系統，可靠的儀表和閥門(mén)、成熟控制程序實(shí)現自控，保證系統既可滿(mǎn)足系統對溫濕度、風(fēng)量、壓差的控制要求，確保本系統的穩定運行，又能保證以后控制系統的擴展性。 
　　系統開(kāi)放性WinCC 提供開(kāi)放的數據結構，可實(shí)現共享信息資源，提供標準OPC 接口以及多種訪(fǎng)問(wèn)形式，方便系統接入到SCADA系統之中控制系統按照工藝流程圖編寫(xiě)上位機畫(huà)面，符合操作習慣，界面簡(jiǎn)潔實(shí)用、參數修改直觀(guān)、菜單清晰明了、易學(xué)易用，符合制藥行業(yè)規范。 
　　系統實(shí)現后，能夠滿(mǎn)足《中華人民共和國國家標準潔凈廠(chǎng)房設計規范》各項指控的控制要求。