自控系统在洁净室空调工程中的应用

　　 摘要：为使洁净空调系统能够正常运行，达到温湿度、压差、风量、节能等各项指标，并在第一时间反应给操作人员，使用PLC+上位机控制，对空调运行的频率、风量、温湿度、压差等参数实时监测，并通过PID调节和逻辑关系运算，实现对各执行机构的控制，从而达到系统自动调节，稳定运行。 

　前言 

　　洁净空调系统，特别是在制药行业中，对系统风量、温湿度及压力有极为苛刻的要求，空调系统能否正常稳定运行，直接影响着生产运行管理费用的高低，产品品质的高低。目前，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的房间进行通风、去湿和降温等工作的方法费时费力、效率低下，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。在实际执行中，已经无法满足国家新版GMP对洁净空调的要求。因此采用自控系统，实现自动化管理，系统既可满足系统对温湿度、风量、压差的控制要求，又能够保证在此基础上的节省能源、减少人员干预、提高系统稳定性、更好的符合GMP要求，从而降低工厂的运行费用和提高运行管理的智能化水平，并为产品生产环境保证打下坚实基础。 
　　 
　　一、洁净空调系统要求 
　　根据《中华人民共和国国家标准洁净厂房设计规范》GBJ73-84 
　　第5．1．3条洁净室内的计算温、温度、应符合下列规定： 
　　1、满足生产工艺要求 
　　2、生产工艺无温、湿度要求时。 
　　第5．1．4条洁净室内应保证一定的新鲜空气量，其数值频取下列风量中的最大值； 
　　1、乱流洁净室总送风量的10%～30%，层流洁净室总送风量的2～4%。 
　　2、补偿室内排风和保持室内正压值所需的新鲜空气量。 
　　3、保证室内每人每小时的新鲜空气量不小于40立方米。 
　　第5．2．1条洁净室必须维持一定的正压。不同等级的洁净室以及洁净区与非洁净区之间的静压差，应不小于5Pa，洁净区与室外的静压差，应不小于10Pa。 
　　二、系统分析 
　　以制药行业万级环境系统为例，
　　流程描述：一定量的新风经过初效、预热后，与回风混合然后经过混风段、表冷段、风机段、加热段、加湿段、中效过滤器、最后通过房间高效送入室内，当室内压差不在设定范围时，启动排风机组。房间的室内参数要求为：温度22±2℃湿度55±10%。 
　　空调机组为冷水机组，其中供水7℃，回水12℃，热源采用空调热水加热，其中供水60℃，回水50℃。 
　　三、自控应用及方案 
　　1、控制系统选择 
　　在自控行业应用中，西门子（SIEMENS）公司的SIMATIC S7中央监控及PLC控制器系统，利用了当今所有可以运用的先进科技技术，将每一个不同层面的装置设施结合起来，具有标准的兼容性、良好的可扩展性、全面开放的高度可靠的系统，并能够提供给用户有关能源管理以及设备诊断的数据分析曲线，如此详细的各点情况都有助于更好地理解相关控制功能的实现过程。 
　　设备自动化系统由中央操作站、PLC控制器等组成，通过Ethernet网（或Profibus DP网）将中央操作站及PLC控制器主站各节点连接起来，同时安装在建筑物各处的PLC控制器智能从站，将通过现场总线（Profibus DP网）连接到PLC控制器主站上，与其它PLC控制器及中央操作站保持紧密联系。传感器及执行器等连接至以上各PLC控制器内，实现实时监控和命令执行。 
　　 
　　四、洁净空调自控控制系统分析 
　　控制程序采用SIEMENS Step7 软件，通过STL、LAD 梯形图等编程方式，实现采集信号的处理、控制回路的处理、逻辑运算的处理，对设备、仪表获得有效的控制，实现空调的模式切换和洁净室室内温湿度的控制。 
　　系统的正常运行，需要各检测数据实时反馈，通过模数转换、PID调节和逻辑关系运算，达到自动控制，实现最终目的。以下是对自控系统分步分析。 
　　1、新风预热控制： 
　　空调系统在冬季运行时，当新风温度检测到低于5℃时，应启动新风预热阀，一方面补充加热能力，另一方面防止空气中水滴在过滤器上凝结成冰，导致过滤器封堵。机组热盘管上安装的防冻开关，当控制系统接收到防冻开关的信号时报警，并将预热阀门开到最大以提高盘管表面的温度，防止盘管冻裂。 
　　2、风阀控制： 
　　新风阀开度首先要满足房间新风需求量，并且是保证房间正压的关键，所以当空调系统运行时，新风阀有一个最小开度。新/回风阀要先于风机开启，然后根据温度反馈信号调节冷热水阀的开度。当风机关闭时，风门自动关闭，防止粉尘进入。 
　　新风阀应具有断电后弹簧复位的功能，避免了冬季断电后，冷空气通过新风阀进入空调机组内冻坏机组盘管。 
　　各风阀安装有开度反馈，当风阀执行器开度与设定值偏差过大，就会有报警提示，通知操作人员风阀故障，需要及时处理。 
　　3、系统总风量与送风机运行控制 
　　根据空调机组总送风管的风量来调整变频器频率，保证送风风量一定： 
　　风量测量方式：标准毕托管用两根不同内径管子同心套接而成，内管通直端尾接头是全压管，外管通侧接头是静压管 
　　 
　　测量垂直气流方向的皮托管和外部环境压力差计算而得： 
　　空气速度(FPM) = 4004.4 x ΔP（inWC) 
　　送风量/空气流量Q（CRM)=FPM x S(sq.ft)(1cfm≈1.7m3/h ) 
　　4、温度控制方式 
　　根据安装在回风总管的温湿度传感器来调节热水阀、冷水阀的开度，控制如下图所示： 
　　冬季时，温度调节按照上图左边曲线调节，即温度越高则热水阀开度越小，通过优化计算(PID+前馈控制)保证温度恒定； 
　　夏季时，温度调节按照上图右边曲线调节，即温度越高则冷水阀开度越大，通过优化计算(PID+前馈控制)保证温度恒定。 
　　控制系统可自动调整冬季或夏季时新风和回风的开度比，以达到节能的目的。 
　　5、湿度控制方式 
　　控制方式下图所示 
　　5.2 加湿控制 
　　根据回风湿度进行加湿阀比例控制。加湿时，蒸汽阀按照左边曲线调节开度，优化计算(PID+前馈控制)达到加湿效果； 
　　5.1 除湿控制 
　　根据湿度对冷水阀比例控制，温度控制与湿度控制同时操作冷水阀时取大值，确保系统节能；冷水阀按照右边曲线调节开度，优化计算(PID+前馈控制)达到除湿效果。 
　　控制系统可自动调整冬季或夏季时新风和回风的开度比，以达到节能的目的。通过送风温湿度传感器对湿度进行实时的超限检测，湿度过高时停止蒸汽加湿阀，保护高效过滤器。 
　　6、房间压差与排风机运行控制 
　　6.1对于局部排风没有变化的洁净空调机组采用定回风量控制，由于送风量保持恒定，当房间的排风量和新风量保证恒定时回风量便保持恒定。所以在空调系统调试时检测出保持房间风量和正压的情况下系统需要的新风量，根据新风量大小设定新风阀的开度，新风阀开启与空调风机连锁，当开启风机的同时开启新风阀到设定开度，即能够保证房间正常压差； 
　　6.2对于局部排风有变化的洁净空调机组采用变回风量控制，由于送风量保持恒定，当房间的排风量变化时，新风量和回风量也要随着变化。当局部排风开启时，排风量变大，回风量变小，为保证风平衡新风量也同时变大（新风量大于排风量才能最终保证房间的正压）。对于普通空调机组的回风机频率控制：检测空调机组的回风静压，并根据检测到的回风静压控制送风机的频率，使回风静压稳定在设定范围，进而保证空调系统的定回风量。 
　　7、趋势记录 
　　操作站将安装Wincc工作站组态软件，以生成用户所需的多种功能图形、报警信息处理、数据收发、记录和曲线、图表显示、数据存储和报表生成、打印输出等。考虑到报表打印功能，给整个的过程监控层配置打印机。 
　　8、报警信息 
　　空调系统是一个整体，系统某一部分发生故障，必须马上处理解决。自控系统对所有关键点均有监控，一但发生故障，马上能够在操作站体现出来。常见故障如下： 
　　1、温度报警：温湿度偏离预期值；2、湿度报警：温湿度偏离预期值；3压差报警：压差偏离预期值；4、过滤器压差报警：安装在过滤网两端的压差开关动作；5、风机故障状态报警：风机运行；6、风阀报警：风阀开度反馈偏离设定值；7、防火阀报警：防火阀动作；等等。 
　　报警信息包含了发生的日期、时间、事件、状态、区域、报警类型等内容，并生成电子记录，自动进行存储，以便日后查询、分析。 
　　9、系统安全设置 
　　上位机操作具有三级密码保护，确保系统运行安全；控制系统具有数据安全性，保证紧急状态下、系统崩溃恢复后的数据完整性；通过控制系统程序控制，可保证系统安全措施有效可信，能够在多个层次上实现安全控制并能保证操作人员人身安全。 
　　结束语： 
　　采用工业级的PLC控制系统，可靠的仪表和阀门、成熟控制程序实现自控，保证系统既可满足系统对温湿度、风量、压差的控制要求，确保本系统的稳定运行，又能保证以后控制系统的扩展性。 
　　系统开放性WinCC 提供开放的数据结构，可实现共享信息资源，提供标准OPC 接口以及多种访问形式，方便系统接入到SCADA系统之中控制系统按照工艺流程图编写上位机画面，符合操作习惯，界面简洁实用、参数修改直观、菜单清晰明了、易学易用，符合制药行业规范。 
　　系统实现后，能够满足《中华人民共和国国家标准洁净厂房设计规范》各项指控的控制要求。