基于PLC控制的空调自控系统应用

蒋 华，张跃鑫

（中国医学科学院医学生物学研究所，昆明 650118）

0 引言

随着计算机技术与信息通讯技术的发展，在自动化领域可编程控制器（PLC）被广泛使用。PLC控制系统将传统的继电器接触器中电气控制技术与计算机技术、通信技术整合，具有抗干扰能力强、可靠性高、程序简单易学、安装简单、维修方便等特点[1]。

空调自控系统是利用自动控制装置，保证某一特定空间内的空气环境状态参数达到期望值的特定控制系统[2]。实现空调系统的自动化控制，不仅可以提高控制质量，降低冷量和热量的消耗，节约能源，同时可以减轻劳动强度并减少运行操作人员，提高劳动生产率和专业技术管理水平[3]。空调系统长期运行，涉及到1年中不同季节的冷暖变化，针对工艺上对空调自控系统的控制要求，只有选择合适的控制器、传感器和相关调节设备，才能保障空调系统的监测和控制质量，并同时提高系统的运行效率、降低成本。所以采用PLC控制系统来实现空调的自动化控制，可以使空调系统运行更可靠、操作更简单、功能更丰富[4]。

本文设计的系统为某单位疫苗生产基地二期项目疫苗生产车间的空调自控系统。系统共计为27套组合式空调机组配备自动控制设备，空调机组集中安置在一层和三层空调机房中。由于疫苗生产对环境洁净度、压差和温湿度等指标要求比较高，所以空调自控系统不仅对各功能区域洁净房间进行温湿度和压差VAV调节阀控制外，还需要大量的房间温湿度和压差监视。系统包括了BMS和EMS系统，2套系统既相对独立又相互联系。空调系统为全天24 h运行，故要求空调自控系统可靠性高，并且易于维护和操作;并要求操作员在中控监控室可对空调系统运行状态进行全面监控和管理，同时要求在空调机房也能够进行监控，方便操作人员在空调机组调试及维护及消毒等工作。从空调系统的运转可靠性、环境控制精度和设备管理及维护的成本几方面考虑，系统采用西门子S7-1500系列PLC控制系统。该系统是目前世界上速度较快、安全性和可靠性较高、性价比较高、可扩展性较好的工业自控系统之一，图形化界面操作使用简便易行，从功能、速度和成本等方面都非常适合于系统建设。

1 空调自控系统

本文采用了西门子S7-1500 PLC系列控制器，PLC控制系统安装在空调机房，主要由CPU和一些远程输入/输出模块配置组成。2台上位机安装在中央监控室，用于自控系统的图形监控管理。如图1所示，操作人员可以通过上位机对洁净空调系统的各项数据进行实时监视和控制，并实现数据归档、历史数据查看、历史趋势图分析和事件报警等管理工作。打印机与上位机连接用于监测数据趋势图和报表打印。

2 系统硬件及网络结构

该系统整个硬件结构分为3层，如图2所示，分别为现场控制层、现场执行层和中央管理层。

（1）现场控制层是整个硬件设计的核心，由西门子PLC控制系统完成，主要设备为CPU、IO模块和必要的通讯接口等，输入模块完成对仪表层数据信号的采集后，CPU做完逻辑运算通过输出模块对风阀和风机等设备发出控制命令。现场的西门子触摸屏，可以实现上位机的大部分操作功能。

图1 空调自控系统监控界面

（2）现场执行层主要由温湿度传感器、压差传感器、风速测片、风管调节阀、风管开关阀、冷热水调节阀、送风机和排风机等组成，负责工艺过程的数据检测、环境监测和执行功能。

（3）中央管理层是控制系统上位机监控界面，硬件系统为PC电脑加上位机WinCC软件，采用Ethernet以太网方式进行通讯。控制系统将现场控制层采集的信号通过以太网通讯进行转发，将数据提供给中央管理层。将必要的信号和需要设定的参数开放给操作人员，完成对整个控制系统的监视和控制，同时记录并保存过程值。

图2 空调自控系统网络架构图

3 系统控制原理

3.1 温湿度控制

如图3所示，温度控制中主要通过调节冷水阀和热水阀开度控制系统送、回风温度，使温度达到设定的温度点。具体控制通过分程调节，降温的时候先减小热水阀，热水阀全关闭以后还需要降温则开启冷水阀；升温的时候先减小冷水阀，冷水阀全关闭以后温度还未升到设定点则开启热水阀。分程控制可以减少能耗的损失，实现节能。湿度控制要分为去湿和加湿控制，夏季相对湿度较高，通过送、回风的含湿量来调节冷水阀的开度，控制回风的湿度达到设定值，使得房间湿度达到设定要求；冬季湿度相对较低，主要通过加湿阀来控制送、回风的湿度维持在设定值，使得房间湿度达到设定要求。

图3 空调机组控制流程图

3.2 风量控制

送风风机由变频器驱动，在送风管道上安装风量传感器进行风量检测，根据检测到的风量和风量设定值比较自动调节送风风机的频率，使得送风管路上的送风风量达到设定值，保证送风风量的恒定。

3.3 房间压差控制

在洁净房间送风和排风末端安装了定风量调节器和变风量调节器，根据房间安装的压差变送器检测到的房间绝对压差和压差设定值比较，在房间送风量不变的情况下自动调节变风量调节器的开度来保证房间的压差恒定。

3.4 其他状态监控

系统对其他模拟和数字输入点进行状态监控，如空调机组风机起停、运行和故障、风机两端压差，过滤器两端压差、房间温湿度、房间压差以及调节阀反馈等，当监测到状态发生变化时产生报警，并触发相应自动程序控制。

4 系统功能

4.1 实时监控和数据记录

系统监控界面采用WinCC图形组态软件进行编制，系统可以连续采集并归档各监控点数据，以文字、数字、图形、动画等方式实时显示和记录监控信息。操作人员可以在监控室对现场的各空调机组的运行状态、故障、报警以及相关参数进行监控，并按现场工艺需求对运行参数进行设置，控制各空调机组的启停，实现对空调自控系统全面有效的监控和管理。

4.2 数据趋势图

系统可记录并查看一些重要数据的历史趋势图，通过历史趋势图操作员可以分析查看数据的变化趋势进行故障诊断和工艺分析。数据趋势图各曲线不仅可以用不同的颜色加以区分，而且设置时间段可查询特定时间内的趋势图，并可以通过报表表格对历史数据进行浏览，生成电子文档报表以方便保存打印[5]。

4.3 电子签名

WinCC利用Windows的用户管理系统和集成Simatic Logon实现集中用户管理功能，完全符合新版GMP对电子签名的要求，也满足计算机系统验证方面的要求[6]。系统还可以根据管理要求设置不同的用户权限级别，在进入监控界面时操作人员必须在登录窗口中输入正确的用户名和密码后才可以在监控界面进行相应的操作和管理。

4.4 报警及消息的监视和操作

在自控系统的监控界面上，当出现报警及其他消息信息时，系统会自动弹出确认窗口，用户可按消息分类进行相应操作。系统还安装了GRM203A智能短信报警控制器，该报警控制器通过485通讯接口和空调自控系统PLC控制器连接，当空调系统发生故障产生报警时，短信报警控制器会自动把空调报警信息发送给值班人员手机上；值班人员还可通过发短信启停空调系统，并查询空调自控系统的运行状态、温度和湿度和房间温湿度、压差等参数。

4.5 远程控制

WebNavigator是WinCC的网络Web解决方案，需要在上位机安装了WebNavigator标准选件。操作人员就可通过局域网或Internet用个人计算机的浏览器来操作和监视正在运行的空调自控系统，而无需在个人计算机上安装任何专业软件，只需有浏览器的个人计算机在浏览器输入上位机地址，并在登录窗口中输入正确的用户名和密码后就可以连接到上位机监控系统进行相应权限的操作和管理[7]。

5 结束语

综上所述，本文运用西门子S7-1500 PLC控制系统成功搭建无菌疫苗生产车间空调自控系统，实现了工艺提出的各项功能和要求。空调自控系统通过高精度地控制和调节，为生产工艺提供满足疫苗生产需要的洁净级别、温湿度和房间压差。空调自控系统自动高效地控制设备能耗、降低运行成本、提高工作管理效率。空调自控系统自投入运行后一直运行良好，得领导及生产岗位人员的认可，为疫苗安全生产保驾护航[8]。