（中科华核电技术研究院有限公司 北京分公司，北京 100037）

洁净厂房中央空调PLC冗余控制系统设计与实现

刘岩

（中科华核电技术研究院有限公司 北京分公司，北京 100037）

电子工业中的半导体、集成电路的制造，要求有一个非常洁净的生产环境。洁净厂房空调系统，是以控制空气中尘粒为目的的工业洁净室技术，洁净室主要控制温度、湿度、风速、流场和洁净度等参数[1]。GE公司的PLC双重冗余控制系统实现紧急情况下的无扰动切换。并通过变频器实现节能，使空调具有智能化，人性化，大功率，多功能，节能等特点[2]。设计PID控制相结合的控制系统。MATLAB仿真结果表明，该方法的控制效果较好，为温、湿度控制提供了一种行之有效的方法。并介绍了该系统的硬件构成和软件流程。利用设备监控系统自动对空调系统进行调节控制。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操作员站上供查询和进一步的分析优化处理。

中央空调系统；可编程控制器；冗余控制系统

0 引言

空调系统由过滤器、表冷器、加热器、加湿器、送风机、排风机、变频器、新风阀、回风阀、风管等组成。空调箱同时装有冷盘管和热盘管，每组盘管一进一回，两组水管分别接入冷水和热水，个别空调有两组冷水管分别接入不同温度的冷水。可以实现一年不管什么季节，制冷制热保湿都可以随时进行。表冷器可以冷却及除湿，加热器用来加热空气，加湿器用来加湿空气，表冷器、加热器、加湿器组合起来可以实现温湿度的控制[3]。

外部空气进入空调先在过滤器进行过滤，之后进入加热器加热，加热后的空气利于空气在之后在加湿器中加湿。加湿后的空气再经过表冷器调节后由送风机送入车间[4]。

控制系统由温、湿度传感器、压力传感器、压差传感器、电动调节执行器、变频器等构成。控制回路有四个，分别为：室内温度控制；室内相对湿度控制；送风量控制；室内正压控制。

温度控制回路由温度传感器、表冷器、加热器、执行器（冷水阀、加热蒸汽阀）及房间对象组成。湿度控制回路由湿度传感器、表冷器、加湿器、执行器（冷水阀、蒸汽加湿阀）以及房间对象组成。

图1 空调系统控制逻辑图Fig.1 Air conditioning system control logic diagram

图2 空调系统流程图Fig.2 Air conditioning system flow chart

1 系统硬件选择设计

1.1系统选型

根据技术要求，选用了双机热备冗余控制器、冗余热备服务器、操作站、光纤交换机、温度、湿度、露点温度、压力、流量、液位等检测仪表和空调机组调节阀等构成本热备冗余自控系统，主要仪表、检测元件、阀门等均采用国外进口产品，整套系统完全满足使用要求，系统经过严格的出厂测试，经现场安装调试后即可实现其全部功能。实现本工程监控和节能管理系统的各项功能，能完全满足标书对自控系统的要求。

控制系统的结构为：过程控制级、控制管理级以及通讯网络系统。

过程控制级由现场双机热备冗余CPU控制站和I/O远程站，通过强抗干扰的调频式现场总线Genius网络联接组成。

控制管理级位于控制室内，由工程师站、操作员站、打印机、通讯接口装置等组成。

通讯网络系统分为管理层以太网（TCP/IP协议）和现场总线控制网（Genius协议）。现场控制站与远程I/O控制站之间通过现场总线网络联接。与常规控制系统相比较，Genius总线是一种强抗干扰的性能优异的现场总线。

该系统进行了精心的设计，可靠、安全，灵活利于操作，实现环境参数的功能要求。

1）空调控制系统配置说明

配置有一套PAC系列双机热备冗余PLC控制站，配置有1个CPU机柜，另在两侧配置有6个远程I/O站，用于采集温度、湿度、压力、压差、流量、变频器信号，控制空调机组风机、水阀等设备、满足电子厂房监控要求。

2）动力控制系统配置说明

配置有一套PAC系列双机热备冗余PLC控制站，配置有1个CPU机柜，另在两侧配置有3个远程I/O站，用于采集温度、压力、压差、流量、变频器信号，控制空调机组风机、水阀等设备、满足电子厂房监控要求。

3）网络系统配置说明

为便于监控和管理，中央控制室采用了以太网，将中控室PLC和两台互为备用的上位机和一台数据管理计算机连接在一起。

采用光纤交换机通过光纤环网实现上位机和2个双机热备冗余PAC7i控制的数据交换和控制，控制系统和远程I/O站点滴通讯使用Genius现场总线通讯。

1.2控制系统

1）PLC柜硬件设计

表1 控制系统模块表Table1 Table control system module

各站控制器均采用GE Fanuc公司的系列PAC7I PLC，它是GE Fanuc自动化公司的系列PAC可编程控制器家庭中的一员，提供最先进的编程特性，易于组态便于安装，它的CPU具有强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块，能完成复杂的操作。按设计要求选取PLC柜模块：

模块上自带285个AI点，384个DI点，92个AO点，187个DO点。

2）热备冗余系统

冗余CPU使用于重要环境和在系统单个元件发生错误时继续操作。冗余系统使用2个CPU，其中1个激活的单元控制进程，备份单元与激活单元同步并且在必要时接过程序控制权。当2个单元处于运行状态时2个单元同步，备份单元通过1个冗余通讯模块从激活单元接收到最新的状态和同步信息，并且2个单元都同步的运行各自的逻辑程序。

每个单元必须有1个冗余CPU（IC698CRE020）和1个或2个冗余通讯模块（IC698RMX016）。冗余通讯通过1对或2对RMX单元来提供通讯路径。当检测到激活单元的故障时，控制自动切换到备用单元。可以通过激活RMX 模块上的转换开关开始控制转换或者通过应用程序激活1个切换服务请求。当用户定义的控制切换发生了，CPU转换角色，激活单元变成备份单元，备份单元变成激活单元。

系统通过控制数据的交换来保持同步，其中的数据包括已定义机器的状态和保持CPU同步操作必须的所有内部数据[5]。每个扫描周期从激活单元到备份单元同步2次数据。CPU到CPU的传输经过数据完整性校验。任何单点的故障都可以继续运行（除了Genius设备和总线节点）。

该冗余系统支持2个冗余通讯模块连接，可以在线更换故障元件，并手动切换激活单元和备份单元的控制，实现CPU1个扫描周期内无缝切换。

3 系统软件设计

无论是简单的单机人机界面（HMI），还是复杂的多节点、多现场的数据采集和控制系统（SCADA），Proficy HMI/SCADA-iFIX都可以方便地满足各种应用类型和应用规模的需要。而且还可以在将来需要的时候随时方便地扩展系统规模。

iClient是GE Fanuc标准的客户端软件，它作为传统的客户端安装在Proficy HMI/SCADA-iFIX客户节点上。通过在View节点设置适当的客户端权限，用户可以访问到网络中任意SCADA Server中的数据。实时动态画面、趋势显示、报表等应用都运行在iClient上。而且在网络中各个View节点上都能在线进行开发工作，包括开发画面、为本地和分布式服务器上增加标签。

3.1功能组显示

在功能组显示中包含过程输入变量、报警条件、输出值、输入值、设定值、回路标号、缩写的文字标题、控制方式、报警值等，功能组显示画面包含所有调节回路及顺控回路。

3.2细节显示

在细节显示中可观察以某一回路为基础的所有信息，细节显示画面所包含的每一回路的有关信息。

3.3画面功能

画面调用采用召唤方式。整个画面显示清晰稳定，在画面上可按设备进行操作，每个设备可生成设备控制操作菜单，可用三维动画形象动态地反映现设备状态。画面可屏幕拷贝输出。

在标准画面显示中包含报警显示、趋势显示、成组显示、棒图显示等。

3.4其它显示

此外还包括有帮助显示、系统状态显示等。

3.5事故记录和追忆

当发生事故时，监控系统立即以中断方式响应，并自动显示，记录事故名称及时间；记录、显示和打印相关设备的动作情况；自动启动事故处理流程；自动记录前一分钟和后一分钟相关模拟量数据变化。事故后，监控系统提供了事故追忆，可用表格形式表示。

3.6报表系统

全厂运行日志，各种一览表（包括事故一览表，故障一览表，状态一览表，操作一览表等）的自动统计。设备

运行工况、事故与操作次数的统计。

按用户指定的格式将所有历史记录制成打印表格，包括：交接班记录、日报、月报、操作记录、设备运行记录等。

3.7用户管理监控子系统根据需要设置用户权限和规定不同的用户组，通过对来访者的不同身份进行不同的授权和活动区限制，实现系统的安全运行和系统维护。

3.8语言报警

监控系统提供了语音报警功能，对所有量均能语音报警。并报出事故类型，以便值班员能迅速做出判断，并采取相应措施。

3.9历史数据的存储和检索

对重要的过程数据和计算数据进行在线存储，并可保存至少48h，当发生事故时可以立即调出相应的趋势画面。用户可定期将这些数据转存成历史数据。用户可以根据数据的组号、测点号、测点名称、时间间距等任一项目来检索所存储的历史数据。

1）数据采集和处理

生产过程运行参数的采集和处理。墙挂式压力传感器、风管式压力传感器、风管温湿度传感器、房间温湿度传感器、风管温度风速传感器等主要设备运行参数的采集和处理,并进行状态的监视及事件顺序记录。

2）生产过程的控制

监控子系统具有对输水沿线主要机电设备、辅助设备的全面监视和控制功能[5]。

操作对象包括开关风阀、电动水阀、电动蝶阀、电动水阀、动力站电动蒸汽阀、动力站、变频器、风机、水泵、风机前后端压差开关、压缩空气供气主管等[3]。

操作类型有阀门开、关、流量增减等操作。

3）在线自诊断和冗余管理

监控子系统具有完善的系统自检、诊断和自恢复、自起动功能，包括系统硬件设备故障诊断和软件故障诊断。

4 总结

宇芯（成都）集成电路封装测试有限公司各区域的环境指标要求如下：

主要生产区域：温度22℃±2℃，相对湿度50%±5%，相对于室外大气的正压差10到15Pa，空气洁净度10000级。投产至今，运行稳定、可靠、安全，操作方便，本工程具有以下特点：

1）计算机监控系统设计是按“无人值班、少人值守”的原则进行设计的。

2）高可靠性的网络通道，多层网络冗余。

3）先进的分布式系统，既提高了系统的可靠性，同时也减轻了网络负载。

4）先进的面向对象结构设计，方便系统维护。

[1]任秀珍,王永初．节能控制系统[M]．北京：中国石化出版社,1994：398-426．

[2]B Nielsen,H Madsen．Identification of Transfer Functions for Control of Greenhouse Air Temperature[J]．Agricultural Engineering Research,1995,60(1)：25-34．

[3]陈金华．可编程序控制器应用技术[M]．北京：电子工业出版社,1995．

[4]陈霖新．洁净厂房的设计与施工[M]．北京：化学工业出版社,2003：1-18．

[5]王海桥,李锐锐．空气洁净技术[M]．北京：机械工业出版社,2007．

论文摘要四要素

论文摘要一应包含目的、方法、结果、结论四要素。

1）目的：指研究的范围、目的、重要性、任务和前提条件，不是主题的简单重复。

2）方法： 简述课题的工作流程，研究了哪些主要内容，在这个过程中都做了哪些工作，包括对象、原理、条件、程序、手段等。

3）结果：陈述研究之后重要的新发现、新成果及价值，包括通过调研、实验、观察取得的数据和结果，并剖析其不理想的局限部分。

4）结论：课题研究的结果得出的结论，包括从中取得证实的正确观点，分析、比较，预测其在实际工作中运用的意义，理论与实际相结合的价值等。

解释一下这四要素：

（1）目的是说为什么做？做任何研究都是有目的的，都是要解决一些特定的问题，也就是一般说的目的，一般可以表述为“为了什么...针对什么...”

（2）方法是说怎么做的？是指告诉读者“你做的方法、使用的工具、试验方案、创新之处”。

（3）做的结果是什么？这是大多数摘要所缺少的，这也是判断论文水平的一个要点。

（4）结论是说结果证明了什么？或者说有什么价值？结论是将研究结果提升，体现出研究的价值和意义。为了充分地体现研究结果的价值，也可以加上一些延展性的应用展望或者是进一步研究的方向。

Clean Room Central Air Conditioning Field PLC Redundancy Control System Design and Implementation

Liu Yan
（Progress in nuclear power technology research institute co.,LTD. Beijing branch,Beijing 100037,China）

The integrated circuit manufacturing of Semiconductor electronics industry, which require a very clean production environment. Clean room air conditioning system, the dust particles in the air to control for the purpose of industrial clean room technology clean room, which mainly control temperature, humidity, wind speed, flow and cleanliness and other parameters. The dual redundant PLC control system of GE is able to make emergency non-disturbance switch coming true. And saving energy through the inverter. So the air condition have intelligent, humane, high-power, multi-functional, energy-saving features.PID control design control system combined, MATLAB simulation results show that this method of control is better for temperature and humidity control provides an effective method. Outdoor environment and indoor air conditioning weather data and energy parameters such as the state recorded in the operator station for reference and further analysis of query optimization.

central air conditioner system;PLC control;redundancy control system

TH

A

1671-1041(2014)06-00027-04

2014-09-15

刘岩（1985-）,男，山东德州人，硕士，测试工程师，从事测控系统及工业自动化实现。