洁净厂房中央空调PLC冗余控制系统设计与实现.pdf

第2 1 卷第6 期 2 0 1 4 年 1 2 月 仪器仪表用户 NS TR UME N1 I ON E I C V o 1 ． 2 l 2 0 1 4 No ． 6 洁净厂房中央空调P L C 冗余控制系统设计与实现 刘岩 中科华核 电技术研究 院有 限公司 北京分公司，北京 1 0 0 0 3 7 摘要 电子工业中的半导体 、集成电路的制造，要求有一个非常洁净的生产环境。洁净厂房空调系统，是以控制 空气中尘粒为 目的的工业洁净室技术 ，洁净室主要控制温度、湿度、风速 、流场和洁净度等参数叫 。G E 公司的P L c 双重冗余控制系统实现紧急情况下的无扰动切换。并通过变频器实现节能，使空调具有智能化，人性化，大功率 ， 多功能，节能等特点固 。设计P I O 控制相结合的控制系统。M A T L A B 仿真结果表明，该方法的控制效果较好 ，为温、 湿度控制提供了一种行之有效的方法。并介绍了该系统的硬件构成和软件流程。利用设备监控系统 自动对空调系统 进行调节控制。室外环境的气象资料和室内空调运行的状态和能耗等参数记录在操作员站上供查询和进一步的分析 优化处理。 关键词中央空调系统；可编程控制器；冗余控制系统 中图分类号 T H 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 - 1 0 4 1 2 0 1 4 0 6 - 0 0 0 2 7 - 0 4 Cl e a n Ro o m Ce n t r a l Ai r Co n d i t i o n i n g F i e l d P LC Re d u n d a n c y Co n t r o l S y s t e m De s i g n a n d I mp l e me n t a t i o n ， n P r o g r e s s i n n u c l e a r p o w e r t e c h n o l o g y r e s e a r c h i n s t i t u t e C O ． ， L T D ． B e i j i n g b r a n c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 7 ， C h i n a Abs t r a c t T h e i n t e g r a t e d c i r c u i t ma n u f a c t u r i n g o f S e mi c o n d u c t o r e l e c t r o n i c s i n d u s t r y ， wh i c h r e q u i r e a v e r y c l e a n p r o d u c t i o n e n v i r o n me nt ． Cl e a n r o o m a i r c o n di t i o ni ng s y s t e m，t he d u s t p a r t i c l e s i n t h e a i r t o c o n t r o l f o r t he pu r po s e o f i nd us t r i a l c l e a n r o o m t e c h n o l o g y c l e a n r o o m， wh i c h ma i n l y c o n t r o l t e mp e r a t u r e ， h u mi d i t y ， wi n d s p e e d ， flo w a n d c l e a n l i n e s s a n d o t h e r p a r a me t e r s ． T h e d u a l r e d u n d a n t P L C c o n t r o l s y s t e m o f G E i s a b l e t o ma k e e me r g e n c y n o n - d i s t u r b a n c e s wi t c h c o mi n g t r u e ． An d s a v i n g e n e r g y t h r o u g h t h e i n v e r t e r ． S o t h e a i r c o n d i t i o n h a v e i n t e l l i g e n t ， h u ma n e ， h i g h p o w e r ， mu l t i f u n c t i o n a l ， e n e r gy - s a v i n g f e a t u r e s ． P I D c o n t r o l d e s i g n c o n t r o l s y s t e m c o mb i n e d ． MA TL AB s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h i s me t h o d o f c o n t r o l i s b e t t e r for t e mp e r a t u r e a n d h u mi d i t y c o n t r o l【 p r o v i d e s a n e f f e c t i v e me t h o d ． Ou t d o o r e n v i r o n me n t a n d i n d o o r a i r c o n d i t i o n i n g we a t h e r d a t a a n d e n e r g y p a r a me t e r s s u c h a s t h e s t a t e r e c o r d e d i n t h e o p e r a t o r s t a t i o n f o r r e f e r e n c e a n d f u rt h e r a n a l y s i s o f q u e r y o p t i mi z a t i o n ． Ke y wor d c e n t r a l a i r c o n d i t i o n e r s y s t e m； P L C c o n t r o l ； r e d u n d a n c y c o n t r o l s y s t e m 0 引言 空调系统由过滤器、表冷器、加热器、加湿器、送风 机、排风机、变频器、新风阀、回风阀、风管等组成。空 调箱同时装有冷盘管和热盘管，每组盘管一进一回，两组 水管分别接人冷水和热水 ，个别空调有两组冷水管分别接 入不同温度的冷水。可以实现一年不管什么季节，制冷制 热保湿都可以随时进行。表冷器可以冷却及除湿，加热器 用来加热空气 ，加湿器用来加湿空气 ，表冷器、加热器 、 加湿器组合起来可以实现温湿度的控制 。 外部空气进入空 同先在过滤器进行过滤 ，之后进入 加热器加热 ，加热后的空气利于空气在之后在加湿器 中加 湿 。加湿 后 的空 气 再经 过表 冷 器 调节 后 由送 风机 送 入车 间嘲 。 控制系统 由温 、湿度传感器 、压力传感器、压差传感 器 、电动调节执行器 、变频器等构成。控制回路有四个， 分别为 室内温度控制 ；室内相对湿度控制 ；送风量控 制；室内正压控制。 温度控制回路由温度传感器、表冷器、加热器 、执行 器 冷水阀、加热蒸汽阀 及房间对象组成。湿度控制回 路由湿度传感器、表冷器、加湿器、执行器 冷水阀、蒸 汽加湿阀 以及房间对象组成。 收稿 日期2 0 1 4 0 9 1 5 作者简介刘岩 1 9 8 5 一、} ， 男 ，山东德州人 ，硕 士 ，测试 工程 师 ，从事 测控 系统及 工业自动化实现 。 2 8 仪器 仪表用户I N S T R U ME N T A T I O N 第2 1 卷 图1空调 系统控制逻辑图 Fi g ． 1 Ai r c o n d i t i o n i n g s y s t e m c o n t r o l l o g i c d i a g r a m 1系统硬件选择设计 图2空调 系统流程图 F i g ． 2 Ai r c o n d i t i o n i n g s y s t e m fl o w c h a r t 1 ． 1系统选型 根据技术要求，选用 了双机热备冗余控制器 、冗余 热备服务器、操作站、光纤交换机、温度 、湿度 、露点温 度、压力、流量 、液位等检测仪表和空调机组调节阀等构 成本热备冗余 自控系统 ，主要仪表、检测元件、阀门等均 采用国外进口产品，整套系统完全满足使用要求 ，系统经 过严格的出厂测试 ，经现场安装调试后即可实现其全部功 能。实现本工程监控和节能管理系统的各项功能 ，能完全 满足标书对自控系统的要求。 控制系统的结构为 过程控制级 、控制管理级以及通 讯网络系统。 过程控制级由现场双机热备冗余C P U 控制站和I ／ 0 远 程站，通过强抗干扰的调频式现场总线G e n i u s 网络联接组 成 。 控制管理级位于控制室内，由工程师站 、操作员站 、 打印机、通讯接口装置等组成。 通讯网络系统分为管理层以太网 T C P ／ I P 协议 和现 场总线控制网 G e n i u s 协议 。现场控制站与远程I ／ O 控制 站之间通过现场总线网络联接。与常规控制系统相比较， G e n i u s 总线是一种强抗干扰的性能优异的现场总线。 该系统进行了精心的设计，可靠、安全 ，灵活利于操 作，实现环境参数的功能要求。 1 空调控制系统配置说明 配置有一套P A C 系列双机热备冗余P L C 控制站，配置有 1 个 C P U 机 柜 ，另在两侧 配置有6 个 远程I ／ 0 站 ，用 于采集温 度、湿度 、压力、压差、流量 、变频器信号，控制空调机 组风机、水阀等设备、满足电子厂房监控要求。 2动力控制系统配置说明 配置有一套P AC 系列双机热备冗余P L C 控制站 ，配置 有1 个C P U 机柜，另在两侧配置有3 个远程I ／ 0 站 ，用于采集 温度、压力、压差 、流量、变频器信号 ，控制空调机组风 机、水阀等设备、满足电子厂房监控要求。 3网络系统配置说明 为便于监控和管理，中央控制室采用了以太网，将中 控室P L C 和两台互为备用的上位机和一台数据管理计算机 连接在一起 。 采 用光纤交换机 通过光纤 环网实现上位机和2 个 双机 热 备冗余P A C 7 i 控制的数据交换和控制 ，控制系统和远程I ／ 0 站点滴通讯使用G e n i u s 现场总线通讯。 1 ． 2控制系统 1 P L C 柜硬件设计 第6 期 刘岩 洁净场房中央空调P L C 冗余控制 系统设计与实现 2 9 表1控制系统模块表 T a b l e l T a b l e c o n t r o l s y s t e m mo d u l e 各站控制器均采,t BG E F a n u c 公司的系 IJ P AC T I P L C， 它是G E F a n u c 自动化 司的系 tJ P A C 可编程控制器家庭 中 的一员，提供最先进的编程特性 ，易于组态便于安装 ，它 的C P U 具有强大的功能，如内装P I D，结构化编程，中断控 制，间接寻址及各种功能模块 ，能完成复杂的操作。按设 计要求选取P L C 柜模块 模块上 自带2 8 5 个AI 点，3 8 4 个D I 点 ，9 2 个AO 点，1 8 7 个D O 点 。 2 热备冗余系统 冗余C P U使用于重要环境和在系统单个元件发生错误 时继续操作。冗余系统使用2 个C P U，其中1 个激活的单元 控制进程，备份单元与激活单元同步并且在必要时接过程 序控制权。当2 个单元处于运行状态时2 个单元同步，备份 单元通过1 个冗余通讯漠块从激活单元接收到最新的状态和 同步信息 ，并且2 个单元都同步的运行各自的逻辑程序。 每个单元必须有 1 个冗余C P U I C 6 9 8 C RE 0 2 0和1 个 或2 个冗余通讯模块 I C 6 9 8 R MX 0 1 6。冗余通讯通过1 对 或2 对R MX 单元来提供通讯路径。当检测到激活单元的故障 时，控制自动切换到备用单元。可以通过激活R MX模块上 的转换开关开始控制转换或者通过应用程序激活1 个切换服 务请求。当用户定义的控制切换发生了，C P U 转换角色 ， 激活单元变成备份单元 ，备份单元变成激活单元。 系统通过控制数据的交换来保持同步，其中的数据包 括已定义机器的状态和保持C P U同步操作必须的所有内部 数据 。每个扫描周期从激活单元到备份单元同步2 次数 据。C P U IJ C P U的传输经过数据完整性校验。任何单点的故 障都可以继续运行 除了G e n i u s 设备和总线节点 。 该冗余系统支持2 个冗余通讯模块连接，可以在线更换 故障元件，并手动切换激活单元和备份单元的控制，实现 C P U 1 个扫描周期内无缝切换。 3系统软件设计 无论是简单的单机人机界面 HMI ，还是复杂的多 节点、多现场的数据采集和控制系统 S C AD A，P r o fi c y HMI ／ S C A D A i F I X 都可以方便地满足各种应用类型和应用规 模的需要。而且还可以在将来需要的时候随时方便地扩展 系统规模。 i C l i e n t 是G E F a n u c 标准的客户端软件 ，它作为传统的 客户端安装在P r o fi c y HM I ／ S C A D A i F I X 客户节点上。通过在 Vi e w 节点设置适当的客户端权限，用户可以访问到网络中 任意S C A D A S e r v e r 中的数据。实时动态画面、趋势显示、 报表等应用都运行在i C l i e n t 上。而且在网络中各个V i e w 节点 上都能在线进行开发工作 ，包括开发画面、为本地和分布 式服务器上增加标 签。 3 ． 1功能组显示 在功能组显示中包含过程输入变量 、报警条件 、输出 值 、输入值 、设定值 、回路标号、缩写的文字标题 、控制 方式、报警值等 ，功能组显示画面包含所有调节 回路及顺 控回路。 3 ． 2细节显示 在细节显示中可观察以某一回路为基础的所有信息 ， 细节显示画面所包含的每一回路的有关信息。 3 ． 3 画面 功能 画面调用采用召唤方式。整个画面显示清晰稳定，在 画面上可按设备进行操作 ，每个设备可生成设备控制操作 菜单 ，可用三维动画形象动态地反映现设备状态 。画面可 屏幕拷贝输出。 在标准画面显示中包含报警显示 、趋势显示 、成组显 示 、棒图显示等 。 3 ． 4 其它显示 此外还包括有帮助显示、系统状态显示等。 3 ． 5事故 记录和 追忆 当发生事故时，监控系统立即以中断方式响应，并 自 动显示 ，记录事故名称及时间 ；记录、显示和打印相关设 备的动作情况 ；自动启动事故处理流程；自动记录前一分 钟和后一分钟相关模拟量数据变化。事故后 ，监控系统提 供了事故追忆，可用表格形式表示。 3 ． 6报表 系统 全厂运行 日志，各种一览表 包括事故一览表 ，故障 一 览表，状态一览表 ，操作一览表等 的自动统计。设备 3 0 仪器仪表用户I N S T R U ME N T A T I O N 第2 l 卷 运行工况、事故与操作次数的统计。 按用户指定的格式将所有历史记录制成打印表格，包 括 交接班记录、日报、月报、操作记录、设备运行记录 等。 3 ． 7用户管理 监控子 系统根据需要设 置用户权 限和规定 不同的用户 组 ，通过对来访 者 的不 同身份进行不 同的授权 和活动 区限 制 ，实现系统的安全运行和系统维护。 3 ． 8语言报警 监控系统提供了语音报警功能，对所有量均能语音报 警 。并报出事故类型 ，以便值班员能迅速做出判断，并采 取 相应措施 。 3 ． 9历史数据的存储和检索 对重要的过程数据和计算数据进行在线存储，并可保 存至少4 8 h ，当发生事故时可以立即调出相应的趋势画面。 用户可定期将这些数据转存成历史数据。用户可以根据数 据的组号 、测点号 、测 点名称 、时间间距 等任 一项 目来检 索所存储的历史数据。 1 数据采集 和处理 生产过程运行参数 的采集和处理 。墙挂式压力传感 器、风管式压力传感器 、风管温湿度传感器 、房间温湿度 传感器、风管温度风速传感器等主要设备运行参数的采集 和处理， 并进行状态的监视及事件顺序记录。 2生产过程的控制 监控子系统具有对输水沿线主要机电设备 、辅助设备 的全面监视 和控制功能 即 。 操作对象包括开关风 阀、电动水 阀、电动蝶阀 、电 动水阀、动力站电动蒸汽阀、动力站、变频器、风机 、水 泵 、风机前后端压差开关、压缩空气供气主管等即 。 操作类型有阀门开、关、流量增减等操作。 3 在线自诊断和冗余管理 监控子系统具有完善的系统自检 、诊断和 自恢复、自 起动功能，包括系统硬件设备故障诊断和软件故障诊断。 4总结 宇芯 成都 集成电路封装测试有限公司各区域的环 境指标要求如下 主要生产区域 温度 2 2 o C2 o C， 相对湿度 5 0 ％5 ％， 相对于室外大气的正压差 1 0到 1 5 P a ， 空气洁净度 1 0 0 0 0级。 投产至今， 运行稳定、 可靠 、 安全， 操作方便 ， 本工程具有以下 特点 1 计算机监控系统设计是按 “ 无人值班 、少人值守” 的原则进行设计的 。 2 高可靠性的网络通道，多层网络冗余。 3 先进的分布式系统，既提高了系统的可靠性 ，同时 也减轻了网络负载。 4 先进的面向对象结构设计 ，方便系统维护。 参考文献 【 1 ] 任 秀 珍 ， 王 永 初 节 能 控 制 系 统 [ M】北 京 中 国 石 化 出版 社， 1 9 9 4 3 9 8 - 4 2 6 ． [ 2 ] B Ni e l s e n ， H Ma d s e n I d e n t i fi c a t i o n o f Tr a n s f e r F u n c t i o n s f o r Co n t r o l o f Gr e e n h o u s e A i r T e mp e r a t u r e [J ] ． A g r i c u ltur a l E n g i n e e r i n g Re s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 6 0 1 2 5 3 4 [ 3 ] 陈 金 华 ． 可 编程 序 控 制器 应 用技 术 [ M] ． 北京 电子 工业 出版 社， 1 9 9 5 【 4 ] 陈霖新 ． 洁净 厂房 的设 计与施工[ M】 ． 北京 化学 工业出版 社， 2 0 0 3 1 1 8 ． [ 5 】 王海桥，李锐锐． 空气洁净技术[M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． 论文摘要四要素 论文摘要一应包含 目的、方法 、结果、结论四要 素 。 1目的 指研究 的范 同 、目的 、重要性 、任务 和前提条件，不是主题的简单重复。 2 方法 简述课题的工作流程 ，研究了哪些主 要内容 ，在这个过程中都做了哪些工作，包括对象 、 原理 、条件 、程序、手段等。 3结果 陈述研究之后重要的新发现 、新成果 及价值 ，包括通过调研 、实验、观察取得的数据和结 果 ，并剖析其不理想的局限部分。 4结论 课题研究的结果得出的结论 ，包括从 中取得证实的正确观点 ，分析、比较，预测其在实际 工作中运用的意义，理论与实际相结合的价值等。 解释一下这四要素 1 目的是说为什么做做任何研究都是有 目 的 的，都是要解决一 些特定的问题 ，也就是一 般说的 目的，一般可以表述为 “ 为了什么⋯ 针对什么⋯” 2 方法是说怎么做的是指告诉读者 “ 你做 的方法、使用的工具 、试验方案、创新之处”。 3做的结果是什么这是大多数摘要所缺少 的，这也是判断论文水平的一个要点。 4结论是说结果证明了什么或者说有什么 价值结论是将研究结果提升，体现出研究的价值和 意义。为了充分地体现研究结果的价值 ，也可以加上 一 些延展性的应用展望或者是进一步研究的方向。