可编程控制器应用于洁净空调自动控制系统

　1 现状和发展趋势

    可编程控制器(PLC)是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和信息技术的一种控制器. 它具有可靠性高、功能性强、开发简便、易于维护和扩展且成本较低等特点, 自上个世纪六七十年代被研制出来以后, 就广泛应用于冶金、能源、化工、电力和机械等工业领域. 最初的可编程控制器是基于逻辑计算的, 随着工业技术的发展, 可编程控制器的数字运算和分析能力大大增强,可以运用于更为广泛的领域中[1].

    洁净空调系统作为一种重要的空调系统分类,目前在医药、电子和化工等行业应用十分广泛.从控制和数据分析处理的角度来看, 洁净空调控制系统除了具有普通空调控制系统的数据量大、模拟量多、系统运行不间断和数据需要存储等特点以外, 还带有控制因素多和控制精度高等特点. 通常的洁净空调系统要求室内环境中的温度、湿度、压差和空气洁净度等状态参数均保持在一定的阈值范围内[2]. 对这种要求,靠维护人员的手工操作或者传统的继电器控制是根本无法实现的. 而可编程控制器的引入, 则为洁净空调系统的自动控制提供了一种便捷、有效而可靠的解决方案.

    目前, 洁净空调自动控制系统的应用有多种方式. 除了传统的单片(板)机系统以外,很多用户选用了局部数字直接控制(DDC)或是集散控制系统(DCS)[3] ,而PLC 的应用还不是很多. 其原因主要是传统的PLC 在逻辑、计数和计时方面有优势,但在以模拟量为主要处理对象的空调系统中,缺乏足够的计算和分析能力. 近年来, 随着新型PLC 在存储容量和运算能力方面的迅速发展, 这一缺陷逐渐得到弥补. 许多PLC 生产厂家在PLC硬件水平大幅提升的同时, 又开发出适于运算和分析的PLC 指令集系统,并制造了一系列运算和通讯等专用模块来强化这方面的性能. 从发展趋向来看, PLC 系统在运算能力上已经与PC 控制系统差别不大, 通讯能力也大为提高, 加上其固有的可靠性、扩展性和价格优势, 必将在空调自控系统中占据重要地位.

    2 空调系统分析

    2.1 工程概况

    上海地区某制药厂的生产车间有五层楼, 每层楼的内区为生产区,各层楼的外区通道、操作人员更衣室等连通, 构成过渡区. 各生产区域的设备负荷差异较大. 因为生产工艺的要求, 内外区间以及车间与外界之间的门开关频繁, 造成室内环境状态波动较大. 而且该工厂地处海边, 室外空气湿度较大.

    2.2 空调系统要求

    根据“药品生产质量管理条例”(药品生产GMP), 业主要求生产区的空气洁净度达到30 万级洁净室标准, 温度在20~26℃之间, 相对湿度在40%~60%之间. 压差按粉剂车间要求设计, 过渡区对室外环境保持12~15 Pa 的正压,生产区对过渡区保持2~5 Pa 的负压. 要求利用PLC 自动对空调系统进行调节控制. 可根据季节不同和生产工艺的改变, 通过触摸屏对运行参数进行修改. 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计算机内以供查询和进一步的分析
优化处理.

    3 空调系统设计

    3.1 空气处理系统设计

    系统为全空气系统, 各个房间的气流组织均为上侧送、下侧回. 冷源为两台工厂冷冻站提供的7~9℃的冷冻水, 热源为工厂锅炉房提供的蒸汽. 送风机由变频器驱动控制, 回风机则为开停控制. 送风总管分为两路, 一路通向各生产区, 另一路向过渡区送风. 系统采用变风量系统, 各个房间的送风阀和回风阀均装有电动风阀执行器用来调节风阀开度, 以调节各个房间的送回风量.空气循环回路的新风段、一次回风段和送风段分别装有初效、中效和高中效过滤器.

    3.2 控制系统设计

    系统的主要控制参数为: a. 保持空气洁净度必须的送风量; b. 内外区之间的负压压差和过渡区与环境间的正压压差; c. 室内环境的湿度; d. 室内环境的温度.

    空气洁净度和温度可根据各生产区的生产工艺要求和“药品生产质量管理规范”的规定,利用PLC 调节装在送回风阀上的风阀执行器来改变风门开度;压差的控制同样是根据现场传感器的采样数据, 利用PLC 对数据进行分析, 输出控制量来控制风阀的开度以保证各区域的压差;因该工厂地处海边,常年湿度较大,所以湿度控制方式以去湿为主,可通过调节冷冻水的流量和温度来实现.

    图1 为洁净空调自动控制系统的控制框图.

    除冷冻水的流量和温度由操作人员人工调节(根据远程监视器显示的系统参数调节冷冻机冷量和冷冻水开度)外,其余参数的采集、逻辑判断、数值计算和执行器动作均为自动实施. 但是, 由于此系统的控制对象较多, 且各对象的控制精度要求较高,各控制因子的耦合性很强, 所以控制模型比较复杂. 加之各参数的波动很大, 不易稳定.故采用一般的控制算法容易使系统产生很大的波动,甚至偏差. 但复杂的算法又使得系统的开发、调试和维护的难度以及工作量大大增加. 故作者在设计中使用了PLC 内部集成的模糊PID 算法函数为控制函数, 对PLC 控制范围的上下限做了限制, 在此范围内仍以PID 算法控制, 一旦控制值超出阈值, 则停在阈值限上,这样大大提高了控制精度和稳定性. 各风阀的上下限阈值均通过在标准运行工况下的测试得到.

    现以夏季运行工况下某房间的送回风阀上、下限阈值的设定方法为例.

    a. 根据房间的标准换气次数, 测量得到对应的回风阀开度, 以此为回风阀的下限阈值Rl,ex(因为房间为负压, 应以回风阀下限为准;如为正压,则应设定送风阀下限), 从而保证房间的最小换气次数;

    b. 根据房间设定温度的精度范围设定送风阀的上、下限阈值Sh,t 和Sl,t, 使得在标准送风温度的情况下, 房间温度不会超出GMP 规定的温度范围;

    c. 根据送风量最小时的最不利情况, 即送风阀处于最小阀位Sl, t 时, 设定回风阀上限阈值Rh,p,使房间在最不利情况下的负压压差小于10 Pa;

    d. 根据回风阀的阀位阈值 Rh,p 和Rl,ex, 重新设定送风阀的上下限阀位Sh,p 和Sl,p,使得在回风阀处于最不利情况时, 即回风阀开度为上限或下限阈值时,房间能够保持最低负压压差5 Pa 的压差下限.

    于是可以确定, 送风阀的上限阈值Sh=min{Sh, t, Sh,p},下限阈值Sl = max{Sl, t, Sl,p}; 回风阀的上限阈值Rh=Rh,p,下限阈值Rl= Rl,ex.冬季的情况与夏季大致相同, 冬季运行时,只需操作人员在触摸屏上设置季节切换, PID 计算的控制函数将改变为负逻辑, 这样就顺利地完成了季节更替的运行. 在过渡季节, 通过适当调整冷冻水和蒸汽阀, 同样可以使得各控制参数在设定范围内达到用户的要求.

    本系统在节能方面也采取了一些措施. 生产过程中有些房间的使用是间断性或季节性的, 有些房间是作为临时存储地点而无操作人员驻留的,这些房间及其他夜间不生产的房间(该车间不是三班制, 每天工作时间为16 h)需维持洁净状态和保持湿度, 其要求低于生产时的工况(房间换气次数可减少到只要维持状态要求). 作者在编制程序中预设多种工作模式组合. 操作人员可随时将某房间设置为非占用, 下班以后将整个系统设为夜间模式,使风机、风阀和蒸汽阀等均处于低能耗的工作状态. 使用这种做法大大降低了系统的运行费用,提高了系统运行的节能性.

    触摸屏通过RS485总线与PLC通讯,可以实时调整系统的工作模式、季节切换、送风参数、各房间的状态参数设定值和风阀运行的上下限值等.

    PLC 的专用通讯模块通过RS232串口通讯与工业控制计算机连接, 连续地将当前的各采样值以及系统运行参数发送到计算机上. 计算机中实时运行的上位机软件对数据进行处理和分析, 并保存在数据库中.

    利用工厂内部的局域网, 生产、质量、动力以及管理部门可以实时地得到现场的数据, 进而作出分析和决策.

    4 运行效果

    4.1 室内环境的保持

    工程完成以后运行至今已超过 12 个月, 时间跨越夏季和冬季. 室内环境完全达到用户的要求,符合“药品生产质量管理条例”标准. 且系统软硬件的运行均十分稳定, 除在运行期间对一些控制参数微调以外, 无故障和波动等异常情况. 由于采取了多工作模式组合和变风量的控制方式, 整个空调系统的运行费用也大大降低, 节能超过30%.

    以夏季工况下某生产主操作区的房间为例.作出房间的温度、湿度和房间-过渡区的负压差等控制参数随时间变化的曲线, 以及空调系统送风机变频器的日工作时间曲线.

    图2 是某主要生产区的温度时间曲线图. 在洁净空调系统中, 由于室内洁净度所要求的换气次数远大于由热负荷所要求的换气次数, 因此, 白天工作时, 当空气经过表冷器去湿后必须用蒸汽加热到一定的送风温度以防止室内的温度过冷超调. 在夜间22 点和第二天早上8 点之前该车间不生产, 所以在这段时间内系统处于最小能耗状态,室内的热负荷较小, 这种情况仍然处于PLC 控制阈值的范围内. 从图中亦可看出, 室内温度较好地与设定温度相符合. 从该车间一天的温度曲线来看, 温度比较平稳, 与设定值的误差在5%以下,完全符合该洁净空调系统的温度控制要求.

    图3 是同一生产区同一时间的湿度时间曲线图. 业主要求相对湿度为40%~60%, 从图中可以看到, 白天生产时该区的相对湿度保持在此控制范围内. 夜间送风量大大减少, 相对湿度处于比较高的水平, 但由于夜间不生产, 此种情况仍满足控制要求. 因该厂地处滨海地区, 湿度较大, 季节性变化不大, 所以,运行时季节变换对表冷段冷冻水的要求没有太大的波动. 根据运行的实际情况保持恒定的冷冻水量和温度基本可以保证系统的湿度要求.

    图4 是同一生产区的压差时间曲线图. 从图中可看出, 在白天生产期内室内环境压差比较稳定, 基本符合洁净空调系统必需的压差条件. 因该房间经常搬运货物, 外门开关次数较多, 造成了整个工作区的压差波动. 但仍能保持对过渡区的负压并很快恢复到设定的压差值.

    图5 为同一时间系统送风机变频器的时间曲线图. 该图反映了整个空气系统的风量变化, 同样也可作为反映系统能耗的指标. 白天变频器的波动是由各工作区工作模式组合的变化以及各工作区室内状态的变化共同作用引起的. 进入夜间,系统处于最低能耗阶段——夜间模式, 系统仅维持环境必需的最低要求. 这样大大节约了整个系统的运行费用.

    结合以上图线进行分析可以看出, 在白天生产期间被控参数均很好地达到了设计时的精度要求. 系统在夜间运行模式下, 值班风机的电机频率降至最低值, 大大节约了能量, 整个车间的环境基本上能保持与白天相同的参数条件.

    4.2 数据通讯和数据保存

    利用可编程控制器的专用通讯模块, PLC—触摸屏以及PLC—PC 之间的通讯可以稳定持续地保持数据通畅. 整套空调自控系统投入运行以后,操作人员可根据生产实际调节运行参数; 管理人员可随时通过企业局域网远程查看生产的环境;现场工控机里的数据定期地保存到企业局域网的文件服务器里.

    4.3 数据对工况和运行策略的分析和预测

    通过对运行一年来的数据进行分析, 可以重新对初设的空调系统运行参数进行设定, 使之运行更加准确和稳定. 利用新风口的传感器得到的气象资料可为工厂以及其他相关部门的研究积累数据. 生产环境的数据与相应的产品相联系, 为质量检验、产品工艺改进和企业管理等方面提供了依据. 从综合方面来说, 环境参数和控制参数的保存给企业的发展带来更大的长远利益.

    5 结论

    从工程的设计、实现以及运行的情况来看,可编程控制器在空调系统特别是洁净空调系统这种控制精度、稳定性要求高的领域中应用的效果很好, 开发难度比较低, 经济性较高, 完全可以推广使用. 由于可编程控制器本身固有的高稳定性、低成本和广泛的通用性, 它完全可以像在其他工业控制领域一样在空调系统控制方面占据重要的地位.

    本系统还有一些问题有待解决. 主要在于资料的不足, 一是程序方面以往没有太多可供复用的程序代码; 另一方面, 目前通用的DCS 系统一般都对用户封闭了内部的控制算法,而PLC 厂商很少有专用的应用于空调系统的专用模块, 所以研发人员没有太多的算法资料和控制参数.

    综上所述, 可编程控制器在洁净空调系统领域中有较广的应用性,但对工程的实施、控制算法的选取、系统的合理化等方面还可作进一步深入的研究.

    参考文献:

    [1] 郭宗仁. 可编程控制器及其通信网络技术[M]. 北京:人民邮电出版社, 1999.

    [2] 黄高飞, 逄增志. 洁净空调与民用空调比较[J]. 医药工程设计, 1998, (2): 32~35.

    [3] 杨守权. 建筑自动化在工业建筑中的应用[J]. 工程设计CAD 与智能建筑, 2002, (6): 33~34.