PLC系统在洁净厂房控制系统中的应用

随着我国国民经济的发展,社会的进步和人民生活水平的提高,洁净厂房已广泛应用于电子、生物制药、精密仪器制造等各行各业中，由于洁净厂房在温度、相对湿度及洁净度方面的巨大优势，它的重要性也越来越多地被人们所认识和接受。

可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。PLC以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，在工业领域推广应用，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。以下笔者就PLC在某电子洁净厂房控制系统中的实际应用来说明PLC在洁净厂房控制系统中的作用。

洁净厂房为了保证厂房内的温度、相对湿度及洁净度，在控制系统里使用了大量的温度、湿度传感器以及控制空气风管的风机、风阀；控制风机盘管的水阀、水泵；控制冷冻水的液位计等；控制冷冻机组的启动/停止；监控压缩空气的运行等。整个系统中所涉及到的被控制的设备种类繁多，各个设备的控制方式及安装、接线也都不相同，而且整个厂房本身按照功能又分为十几个区域，因此控制系统比较复杂。

2  系统结构

2.1   控制器

在该控制系统的最顶端,使用了2套GE-FANUC 90-30PLC做为上位主控制器,2套PLC构成一主用一备用的热备冗余系统，这样即使在其中的任何一套PLC发生故障停机时，另外一套PLC都可以立即接管运行，保证了系统的可靠性，从而保证工厂产品的不间断生产。

2.2   网络结构

2套PLC通过2条Genius网络构成双网冗余系统，这样在其中的某条现场总线发生故障时，也不会影响系统通讯。Genius现场总线是GE-FANUC公司独有的现场总线，其通讯介质采用双绞线，不加中继器，总线最长可达2.3公里，可使用光纤增强抗干扰能力和增加传输距离，总线上最多可有32个站设备，使用调频信号调制方式(FSK)，采用逻辑令牌环协议控制通讯介质的分配使用，每个站设备有唯一的站地址(SBA)：从0到31，每个站获得令牌后，可发送128个字节的数据，可实现PLC与PLC之间，PLC与分散I/O之间的通讯。

2.3   现场I/O

现场I/O采用GE-Fanuc的VersaMax模块，VersaMax是GE-Fanuc Automation公司推出的新一代控制系统，其设计新颖，结构紧凑，通用性强，配置灵活，经济实用，它既可以做为单独的PLC控制机，又可作为I/O子站，通过Genius或其他现场总线受控于主控设备90-30PLC。

2.4  人机接口

采用GE Fanuc北美自动化公司基于Microsoft Windows NT和Windows 2000/XP 的CIMPLICITY监控软件,通过PLC的以太网（Ethernet）接口模块连续从PLC中采集数据。

3．控制系统及功能

90-30 PLC和VersaMax I/O安装在两个控制柜中。第一个控制柜中安装两套互为冗余的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系统的信息并控制它们的运行。第二个控制柜安装三套VersaMax分布式I/O，采集MAU、FAU、RCU、DCU、GEX、SEX、FAD、ES和FFU空调系统的信息并控制它们的运行。

整个控制系统是以厂房无尘洁净室, 车间及办公室的空气以及工厂用水,压缩空气, 电量等暖通设备为控制对象, 通过控制相关的装置及设备, 使被控对象达到预期的控制要求和节能目的.

两套CIMPLICITY HMI软件被用来作为人机界面监控软件。CIMPLICITY HMI提供操作的友好的图形界面，可以满足操作员、工艺工程师、维护人员和现场管理人员的各种数据获取、管理控制和信息管理的需要，它们相互独立运行。CIMPLICITY HMI还通过OPC与冷冻机通信以采集冷冻机的运行信息。CIMPLICITY HMI在通信中作为OPC客户。

3．1   控制设备

FMCS的基本控制对象包括:

• 装置:  风机, 水马达, 阀门, 风门等;

• 数字量信号: 液位开关, 压差开关, 电导率开关, 马达故障 等等;

• 模拟量信号:  温度, 湿度，压力，液位，PH值传感器等工艺参数;

• PID 控制回路: 温度控制回路, 压力控制回路,湿度控制回路等.

整个系统共分为:洁净室(MAU)、新鲜空气处理系统(FAU)、再循环空气处理系统(RCU)、洁净室(DCU)、总/溶剂排风系统（GEX）、洗涤排风系统（SEX）、冷却水/热水系统（PCW/HW）、防火阀门监视系统(FFU)、电力监视系统和空调系统。

3．2    控制方式

从控制等级上来说,系统控制包括自动控制和手动控制, 操作员可以在HMI上对单个设备进行手动/自动控制模式之间切换.

一般来说所有设备应在自动模式下工作, 但可以在任何时候切换到手动模式进行工作.可以允许操作员单独在现场操作启动/停止单个设备。

3.  3   顺序控制

各个控制分区的控制PLC根据接收到的控制数据，结合现场采集到的信号，按照设备控制工艺及预先编好的程序，自动地完成一系列设备控制任务。例如在风管内，只有在开启风阀若干秒后，才能开启与其联动的风机；同样，在关闭风机只有到设定的时间后，才能关闭其联锁风阀。顺序控制只有在自动方式下才能进行。

3．4  PID闭环控制

PID控制是目前应用最广泛的控制器，主要用于控制基本线性和动态特性不随时间变化的系统。但对于非线性及时变、耦合及参数和结构不确定的极其复杂的工程时，PID控制不适用，由于本系统属于前者，故采用PID控制。

对于控制系统的变频风机及水阀类设备，均采用PID回路控制，这样可以自动得调节风机及水阀的开度，适应系统控制要求，在整个FMCS系统中，共有40多个PID调节回路，有的PID回路还采用2个PID串级调节。

PID控制是这个系统的核心部分，由于洁净厂房FMCS系统对温度及湿度要求很高，温度大概误差被控制在±0.1 °C，因此对PID控制回路要求是：响应快，并且控制结果无振荡。这就要求对PID控制的参数必须设置得当，最重要的三个参数：比例增益KP，比例积分KI，比例微分KD，都需要调到最佳状态，而且对每个PID回路都需要逐个调节，并设置冬天和夏天模式。GE-Fanuc PLC 编程软件里的每个PID控制回路，内置有40个数据，其中有13个参数为可调节参数，可以满足对PID回路调节的精确控制要求。同时提供2种PID算法：PIDISA和PIDIND，标准ISA PID算法（PIDISA）将比例增益KP投入到比例项、微分项和积分项中.

4．总结

整个控制系统使用PLC作为主控制器，结构简单，便于维护,可靠性高，充分发挥了PLC的优点，采用Genius现场总线和VersaMax远程I/O单元，不但减少了现场控制电缆的布放，大大减轻了调试和维护的工作量；采用Modbus 通讯，很好地实现了GE-Fanuc 90-30 PLC与工厂电力系统设备的接口，使整个监控系统得到了很好的扩展。在系统运行期间，得到了用户的好评。