隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高,潔凈廠房已廣泛應(yīng)用于電子、生物制藥、精密儀器制造等各行各業(yè)中，由于潔凈廠房在溫度、相對(duì)濕度及潔凈度方面的巨大優(yōu)勢(shì)，它的重要性也越來(lái)越多地被人們所認(rèn)識(shí)和接受。
可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍。PLC以其簡(jiǎn)單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。以下筆者就PLC在某電子潔凈廠房控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)明PLC在潔凈廠房控制系統(tǒng)中的作用。
潔凈廠房為了保證廠房?jī)?nèi)的溫度、相對(duì)濕度及潔凈度，在控制系統(tǒng)里使用了大量的溫度、濕度傳感器以及控制空氣風(fēng)管的風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥；控制風(fēng)機(jī)盤(pán)管的水閥、水泵；控制冷凍水的液位計(jì)等；控制冷凍機(jī)組的啟動(dòng)/停止；監(jiān)控壓縮空氣的運(yùn)行等。整個(gè)系統(tǒng)中所涉及到的被控制的設(shè)備種類繁多，各個(gè)設(shè)備的控制方式及安裝、接線也都不相同，而且整個(gè)廠房本身按照功能又分為十幾個(gè)區(qū)域，因此控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。
2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1?? 控制器
在該控制系統(tǒng)的最頂端,使用了2套GE-FANUC 90-30PLC做為上位主控制器,2套PLC構(gòu)成一主用一備用的熱備冗余系統(tǒng)，這樣即使在其中的任何一套PLC發(fā)生故障停機(jī)時(shí)，另外一套PLC都可以立即接管運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的可靠性，從而保證工廠產(chǎn)品的不間斷生產(chǎn)。
2.2?? 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2套PLC通過(guò)2條Genius網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成雙網(wǎng)冗余系統(tǒng)，這樣在其中的某條現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)生故障時(shí)，也不會(huì)影響系統(tǒng)通訊。Genius現(xiàn)場(chǎng)總線是GE-FANUC公司獨(dú)有的現(xiàn)場(chǎng)總線，其通訊介質(zhì)采用雙絞線，不加中繼器，總線最長(zhǎng)可達(dá)2.3公里，可使用光纖增強(qiáng)抗干擾能力和增加傳輸距離，總線上最多可有32個(gè)站設(shè)備，使用調(diào)頻信號(hào)調(diào)制方式(FSK)，采用邏輯令牌環(huán)協(xié)議控制通訊介質(zhì)的分配使用，每個(gè)站設(shè)備有唯一的站地址(SBA)：從0到31，每個(gè)站獲得令牌后，可發(fā)送128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間，PLC與分散I/O之間的通訊。
2.3?? 現(xiàn)場(chǎng)I/O
現(xiàn)場(chǎng)I/O采用GE-Fanuc的VersaMax模塊，VersaMax是GE-Fanuc Automation公司推出的新一代控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性強(qiáng)，配置靈活，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，它既可以做為單獨(dú)的PLC控制機(jī)，又可作為I/O子站，通過(guò)Genius或其他現(xiàn)場(chǎng)總線受控于主控設(shè)備90-30PLC。
2.4? 人機(jī)接口
采用GE Fanuc北美自動(dòng)化公司基于Microsoft Windows NT和Windows 2000/XP 的CIMPLICITY監(jiān)控軟件,通過(guò)PLC的以太網(wǎng)（Ethernet）接口模塊連續(xù)從PLC中采集數(shù)據(jù)。
3．控制系統(tǒng)及功能
90-30 PLC和VersaMax I/O安裝在兩個(gè)控制柜中。第一個(gè)控制柜中安裝兩套互為冗余的90-30 PLC和2套VersaMax 分布式I/O。分布式I/O采集PCW、PV、HW、CW、CHW和CDA系統(tǒng)的信息并控制它們的運(yùn)行。第二個(gè)控制柜安裝三套VersaMax分布式I/O，采集MAU、FAU、RCU、DCU、GEX、SEX、FAD、ES和FFU空調(diào)系統(tǒng)的信息并控制它們的運(yùn)行。
整個(gè)控制系統(tǒng)是以廠房無(wú)塵潔凈室, 車間及辦公室的空氣以及工廠用水,壓縮空氣, 電量等暖通設(shè)備為控制對(duì)象, 通過(guò)控制相關(guān)的裝置及設(shè)備, 使被控對(duì)象達(dá)到預(yù)期的控制要求和節(jié)能目的.
兩套CIMPLICITY HMI軟件被用來(lái)作為人機(jī)界面監(jiān)控軟件。CIMPLICITY HMI提供操作的友好的圖形界面，可以滿足操作員、工藝工程師、維護(hù)人員和現(xiàn)場(chǎng)管理人員的各種數(shù)據(jù)獲取、管理控制和信息管理的需要，它們相互獨(dú)立運(yùn)行。CIMPLICITY HMI還通過(guò)OPC與冷凍機(jī)通信以采集冷凍機(jī)的運(yùn)行信息。CIMPLICITY HMI在通信中作為OPC客戶。
3．1?? 控制設(shè)備
FMCS的基本控制對(duì)象包括:
? 裝置:? 風(fēng)機(jī), 水馬達(dá), 閥門(mén), 風(fēng)門(mén)等;
? 數(shù)字量信號(hào): 液位開(kāi)關(guān), 壓差開(kāi)關(guān), 電導(dǎo)率開(kāi)關(guān), 馬達(dá)故障 等等;
? 模擬量信號(hào):? 溫度, 濕度，壓力，液位，PH值傳感器等工藝參數(shù);
? PID 控制回路: 溫度控制回路, 壓力控制回路,濕度控制回路等.
整個(gè)系統(tǒng)共分為:潔凈室(MAU)、新鮮空氣處理系統(tǒng)(FAU)、再循環(huán)空氣處理系統(tǒng)(RCU)、潔凈室(DCU)、總/溶劑排風(fēng)系統(tǒng)（GEX）、洗滌排風(fēng)系統(tǒng)（SEX）、冷卻水/熱水系統(tǒng)（PCW/HW）、防火閥門(mén)監(jiān)視系統(tǒng)(FFU)、電力監(jiān)視系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。
3．2??? 控制方式
從控制等級(jí)上來(lái)說(shuō),系統(tǒng)控制包括自動(dòng)控制和手動(dòng)控制, 操作員可以在HMI上對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)控制模式之間切換.
一般來(lái)說(shuō)所有設(shè)備應(yīng)在自動(dòng)模式下工作, 但可以在任何時(shí)候切換到手動(dòng)模式進(jìn)行工作.可以允許操作員單獨(dú)在現(xiàn)場(chǎng)操作啟動(dòng)/停止單個(gè)設(shè)備。
3.? 3?? 順序控制
各個(gè)控制分區(qū)的控制PLC根據(jù)接收到的控制數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)，按照設(shè)備控制工藝及預(yù)先編好的程序，自動(dòng)地完成一系列設(shè)備控制任務(wù)。例如在風(fēng)管內(nèi)，只有在開(kāi)啟風(fēng)閥若干秒后，才能開(kāi)啟與其聯(lián)動(dòng)的風(fēng)機(jī)；同樣，在關(guān)閉風(fēng)機(jī)只有到設(shè)定的時(shí)間后，才能關(guān)閉其聯(lián)鎖風(fēng)閥。順序控制只有在自動(dòng)方式下才能進(jìn)行。
3．4? PID閉環(huán)控制
PID控制是目前應(yīng)用最廣泛的控制器，主要用于控制基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。但對(duì)于非線性及時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的極其復(fù)雜的工程時(shí)，PID控制不適用，由于本系統(tǒng)屬于前者，故采用PID控制。
對(duì)于控制系統(tǒng)的變頻風(fēng)機(jī)及水閥類設(shè)備，均采用PID回路控制，這樣可以自動(dòng)得調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)及水閥的開(kāi)度，適應(yīng)系統(tǒng)控制要求，在整個(gè)FMCS系統(tǒng)中，共有40多個(gè)PID調(diào)節(jié)回路，有的PID回路還采用2個(gè)PID串級(jí)調(diào)節(jié)。
PID控制是這個(gè)系統(tǒng)的核心部分，由于潔凈廠房FMCS系統(tǒng)對(duì)溫度及濕度要求很高，溫度大概誤差被控制在±0.1 °C，因此對(duì)PID控制回路要求是：響應(yīng)快，并且控制結(jié)果無(wú)振蕩。這就要求對(duì)PID控制的參數(shù)必須設(shè)置得當(dāng)，最重要的三個(gè)參數(shù)：比例增益KP，比例積分KI，比例微分KD，都需要調(diào)到最佳狀態(tài)，而且對(duì)每個(gè)PID回路都需要逐個(gè)調(diào)節(jié)，并設(shè)置冬天和夏天模式。GE-Fanuc PLC 編程軟件里的每個(gè)PID控制回路，內(nèi)置有40個(gè)數(shù)據(jù)，其中有13個(gè)參數(shù)為可調(diào)節(jié)參數(shù)，可以滿足對(duì)PID回路調(diào)節(jié)的精確控制要求。同時(shí)提供2種PID算法：PIDISA和PIDIND，標(biāo)準(zhǔn)ISA PID算法（PIDISA）將比例增益KP投入到比例項(xiàng)、微分項(xiàng)和積分項(xiàng)中.
4．總結(jié)
整個(gè)控制系統(tǒng)使用PLC作為主控制器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù),可靠性高，充分發(fā)揮了PLC的優(yōu)點(diǎn)，采用Genius現(xiàn)場(chǎng)總線和VersaMax遠(yuǎn)程I/O單元，不但減少了現(xiàn)場(chǎng)控制電纜的布放，大大減輕了調(diào)試和維護(hù)的工作量；采用Modbus 通訊，很好地實(shí)現(xiàn)了GE-Fanuc 90-30 PLC與工廠電力系統(tǒng)設(shè)備的接口，使整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)得到了很好的擴(kuò)展。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，得到了用戶的好評(píng)。
