自控系統(tǒng)在潔凈室空調(diào)工程中的應用

　　 摘要：為使?jié)崈艨照{(diào)系統(tǒng)能夠正常運行，達到溫濕度、壓差、風量、節(jié)能等各項指標，并在第一時間反應給操作人員，使用PLC+上位機控制，對空調(diào)運行的頻率、風量、溫濕度、壓差等參數(shù)實時監(jiān)測，并通過PID調(diào)節(jié)和邏輯關系運算，實現(xiàn)對各執(zhí)行機構(gòu)的控制，從而達到系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，穩(wěn)定運行。 

　前言 

　　潔凈空調(diào)系統(tǒng)，特別是在制藥行業(yè)中，對系統(tǒng)風量、溫濕度及壓力有極為苛刻的要求，空調(diào)系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定運行，直接影響著生產(chǎn)運行管理費用的高低，產(chǎn)品品質(zhì)的高低。目前，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的房間進行通風、去濕和降溫等工作的方法費時費力、效率低下，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。在實際執(zhí)行中，已經(jīng)無法滿足國家新版GMP對潔凈空調(diào)的要求。因此采用自控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化管理，系統(tǒng)既可滿足系統(tǒng)對溫濕度、風量、壓差的控制要求，又能夠保證在此基礎上的節(jié)省能源、減少人員干預、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、更好的符合GMP要求，從而降低工廠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)境保證打下堅實基礎。 
　　 
　　一、潔凈空調(diào)系統(tǒng)要求 
　　根據(jù)《中華人民共和國國家標準潔凈廠房設計規(guī)范》GBJ73-84 
　　第5．1．3條潔凈室內(nèi)的計算溫、溫度、應符合下列規(guī)定： 
　　1、滿足生產(chǎn)工藝要求 
　　2、生產(chǎn)工藝無溫、濕度要求時。 
　　第5．1．4條潔凈室內(nèi)應保證一定的新鮮空氣量，其數(shù)值頻取下列風量中的最大值； 
　　1、亂流潔凈室總送風量的10%～30%，層流潔凈室總送風量的2～4%。 
　　2、補償室內(nèi)排風和保持室內(nèi)正壓值所需的新鮮空氣量。 
　　3、保證室內(nèi)每人每小時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(qū)與非潔凈區(qū)之間的靜壓差，應不小于5Pa，潔凈區(qū)與室外的靜壓差，應不小于10Pa。 
　　二、系統(tǒng)分析 
　　以制藥行業(yè)萬級環(huán)境系統(tǒng)為例，
　　流程描述：一定量的新風經(jīng)過初效、預熱后，與回風混合然后經(jīng)過混風段、表冷段、風機段、加熱段、加濕段、中效過濾器、最后通過房間高效送入室內(nèi)，當室內(nèi)壓差不在設定范圍時，啟動排風機組。房間的室內(nèi)參數(shù)要求為：溫度22±2℃濕度55±10%。 
　　空調(diào)機組為冷水機組，其中供水7℃，回水12℃，熱源采用空調(diào)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(tǒng)選擇 
　　在自控行業(yè)應用中，西門子（SIEMENS）公司的SIMATIC S7中央監(jiān)控及PLC控制器系統(tǒng)，利用了當今所有可以運用的先進科技技術，將每一個不同層面的裝置設施結(jié)合起來，具有標準的兼容性、良好的可擴展性、全面開放的高度可靠的系統(tǒng)，并能夠提供給用戶有關能源管理以及設備診斷的數(shù)據(jù)分析曲線，如此詳細的各點情況都有助于更好地理解相關控制功能的實現(xiàn)過程。 
　　設備自動化系統(tǒng)由中央操作站、PLC控制器等組成，通過Ethernet網(wǎng)（或Profibus DP網(wǎng)）將中央操作站及PLC控制器主站各節(jié)點連接起來，同時安裝在建筑物各處的PLC控制器智能從站，將通過現(xiàn)場總線（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(zhí)行器等連接至以上各PLC控制器內(nèi)，實現(xiàn)實時監(jiān)控和命令執(zhí)行。 
　　 
　　四、潔凈空調(diào)自控控制系統(tǒng)分析 
　　控制程序采用SIEMENS Step7 軟件，通過STL、LAD 梯形圖等編程方式，實現(xiàn)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，實現(xiàn)空調(diào)的模式切換和潔凈室室內(nèi)溫濕度的控制。 
　　系統(tǒng)的正常運行，需要各檢測數(shù)據(jù)實時反饋，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換、PID調(diào)節(jié)和邏輯關系運算，達到自動控制，實現(xiàn)最終目的。以下是對自控系統(tǒng)分步分析。 
　　1、新風預熱控制： 
　　空調(diào)系統(tǒng)在冬季運行時，當新風溫度檢測到低于5℃時，應啟動新風預熱閥，一方面補充加熱能力，另一方面防止空氣中水滴在過濾器上凝結(jié)成冰，導致過濾器封堵。機組熱盤管上安裝的防凍開關，當控制系統(tǒng)接收到防凍開關的信號時報警，并將預熱閥門開到最大以提高盤管表面的溫度，防止盤管凍裂。 
　　2、風閥控制： 
　　新風閥開度首先要滿足房間新風需求量，并且是保證房間正壓的關鍵，所以當空調(diào)系統(tǒng)運行時，新風閥有一個最小開度。新/回風閥要先于風機開啟，然后根據(jù)溫度反饋信號調(diào)節(jié)冷熱水閥的開度。當風機關閉時，風門自動關閉，防止粉塵進入。 
　　新風閥應具有斷電后彈簧復位的功能，避免了冬季斷電后，冷空氣通過新風閥進入空調(diào)機組內(nèi)凍壞機組盤管。 
　　各風閥安裝有開度反饋，當風閥執(zhí)行器開度與設定值偏差過大，就會有報警提示，通知操作人員風閥故障，需要及時處理。 
　　3、系統(tǒng)總風量與送風機運行控制 
　　根據(jù)空調(diào)機組總送風管的風量來調(diào)整變頻器頻率，保證送風風量一定： 
　　風量測量方式：標準畢托管用兩根不同內(nèi)徑管子同心套接而成，內(nèi)管通直端尾接頭是全壓管，外管通側(cè)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(jù)安裝在回風總管的溫濕度傳感器來調(diào)節(jié)熱水閥、冷水閥的開度，控制如下圖所示： 
　　冬季時，溫度調(diào)節(jié)按照上圖左邊曲線調(diào)節(jié)，即溫度越高則熱水閥開度越小，通過優(yōu)化計算(PID+前饋控制)保證溫度恒定； 
　　夏季時，溫度調(diào)節(jié)按照上圖右邊曲線調(diào)節(jié)，即溫度越高則冷水閥開度越大，通過優(yōu)化計算(PID+前饋控制)保證溫度恒定。 
　　控制系統(tǒng)可自動調(diào)整冬季或夏季時新風和回風的開度比，以達到節(jié)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(jù)回風濕度進行加濕閥比例控制。加濕時，蒸汽閥按照左邊曲線調(diào)節(jié)開度，優(yōu)化計算(PID+前饋控制)達到加濕效果； 
　　5.1 除濕控制 
　　根據(jù)濕度對冷水閥比例控制，溫度控制與濕度控制同時操作冷水閥時取大值，確保系統(tǒng)節(jié)能；冷水閥按照右邊曲線調(diào)節(jié)開度，優(yōu)化計算(PID+前饋控制)達到除濕效果。 
　　控制系統(tǒng)可自動調(diào)整冬季或夏季時新風和回風的開度比，以達到節(jié)能的目的。通過送風溫濕度傳感器對濕度進行實時的超限檢測，濕度過高時停止蒸汽加濕閥，保護高效過濾器。 
　　6、房間壓差與排風機運行控制 
　　6.1對于局部排風沒有變化的潔凈空調(diào)機組采用定回風量控制，由于送風量保持恒定，當房間的排風量和新風量保證恒定時回風量便保持恒定。所以在空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試時檢測出保持房間風量和正壓的情況下系統(tǒng)需要的新風量，根據(jù)新風量大小設定新風閥的開度，新風閥開啟與空調(diào)風機連鎖，當開啟風機的同時開啟新風閥到設定開度，即能夠保證房間正常壓差； 
　　6.2對于局部排風有變化的潔凈空調(diào)機組采用變回風量控制，由于送風量保持恒定，當房間的排風量變化時，新風量和回風量也要隨著變化。當局部排風開啟時，排風量變大，回風量變小，為保證風平衡新風量也同時變大（新風量大于排風量才能最終保證房間的正壓）。對于普通空調(diào)機組的回風機頻率控制：檢測空調(diào)機組的回風靜壓，并根據(jù)檢測到的回風靜壓控制送風機的頻率，使回風靜壓穩(wěn)定在設定范圍，進而保證空調(diào)系統(tǒng)的定回風量。 
　　7、趨勢記錄 
　　操作站將安裝Wincc工作站組態(tài)軟件，以生成用戶所需的多種功能圖形、報警信息處理、數(shù)據(jù)收發(fā)、記錄和曲線、圖表顯示、數(shù)據(jù)存儲和報表生成、打印輸出等?？紤]到報表打印功能，給整個的過程監(jiān)控層配置打印機。 
　　8、報警信息 
　　空調(diào)系統(tǒng)是一個整體，系統(tǒng)某一部分發(fā)生故障，必須馬上處理解決。自控系統(tǒng)對所有關鍵點均有監(jiān)控，一但發(fā)生故障，馬上能夠在操作站體現(xiàn)出來。常見故障如下： 
　　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、過濾器壓差報警：安裝在過濾網(wǎng)兩端的壓差開關動作；5、風機故障狀態(tài)報警：風機運行；6、風閥報警：風閥開度反饋偏離設定值；7、防火閥報警：防火閥動作；等等。 
　　報警信息包含了發(fā)生的日期、時間、事件、狀態(tài)、區(qū)域、報警類型等內(nèi)容，并生成電子記錄，自動進行存儲，以便日后查詢、分析。 
　　9、系統(tǒng)安全設置 
　　上位機操作具有三級密碼保護，確保系統(tǒng)運行安全；控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)安全性，保證緊急狀態(tài)下、系統(tǒng)崩潰恢復后的數(shù)據(jù)完整性；通過控制系統(tǒng)程序控制，可保證系統(tǒng)安全措施有效可信，能夠在多個層次上實現(xiàn)安全控制并能保證操作人員人身安全。 
　　結(jié)束語： 
　　采用工業(yè)級的PLC控制系統(tǒng)，可靠的儀表和閥門、成熟控制程序?qū)崿F(xiàn)自控，保證系統(tǒng)既可滿足系統(tǒng)對溫濕度、風量、壓差的控制要求，確保本系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又能保證以后控制系統(tǒng)的擴展性。 
　　系統(tǒng)開放性WinCC 提供開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)共享信息資源，提供標準OPC 接口以及多種訪問形式，方便系統(tǒng)接入到SCADA系統(tǒng)之中控制系統(tǒng)按照工藝流程圖編寫上位機畫面，符合操作習慣，界面簡潔實用、參數(shù)修改直觀、菜單清晰明了、易學易用，符合制藥行業(yè)規(guī)范。 
　　系統(tǒng)實現(xiàn)后，能夠滿足《中華人民共和國國家標準潔凈廠房設計規(guī)范》各項指控的控制要求。