西门子模块6ES7214-2AD23-0XB8使用方式
1 概述
1.1 引言
随着我国经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动化系统开始。本文主要根据个人工作经验就一台水冷螺杆机组来阐述PLC控制设计与智能化中央空调系统的关系。
1.2 PLC原理及应用
中央空调冷冻系统的控制有3种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC以及PLC(可编程序控制器)控制系统。继电器控制系统由于故障率高，系统复杂，功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘汰，直接数字式控制器DDC虽然在智能化方面有了很大的发展。但由于DDC其本身的抗干扰能力问题和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范围。相反，PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护均很方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用。
可编程控制器是计算机家族中的一员。于上个世纪中后叶被发明后，在机床、各种流水线的输送机械、发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，早期的可编程控制器被称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）, 即简称为PLC。
PLC具有功能强大、使用可靠、维修简便等许多优点。对于传统的继电器电路来说，它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，并易发故障，维修复杂，现在已被大中型设备的控制系统所抛弃。而PLC正被广泛的应用并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。随着科学技术不断的飞跃发展，PLC也不断得到完善和强大，同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范围，如联网通信功能和自诊断功能等。因此这种装置被我们称作可编程控制器，不过我们还是习惯简称这种装置为PLC。
2 PLC的体系结构
PLC结构图
PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一致的。如图2.1.1所示：
图2.1.1 PLC硬件的基本结构
PLC主要是模块式的，包含CPU模块、I/O模块等，PLC一端接传感器，另一端接执行器，从传感器得到的数据经PLC读、运算等处理下达给执行器，执行器动作。PLC相当于继电器的作用，其好处是可靠性高，自动化程度高、可进行网络化等。
3 PLC控制系统主要功能与特点
3.1 PLC控制系统功能说明
在中央空调系统上PLC系统有如下功能：
◆ 数据显示功能
显示机组的运行参数，包括冷水出口温度、冷水入口温度、冷却水出口温度、冷却水入口温度、蒸汽压力、蒸汽阀门开度，以及溶液泵、冷剂泵等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息。 历史数据的存储及检索功能 对重要的数据进行在线存储，数据的存储时间长为10年。可以通过历史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据。
◆ 控制功能
根据设定的参数，并考虑经验运行数据，PLC应用反馈数据 (如室内温度等)进行PID调节，以保证运行参数满足系统要求。控制系统有三种运行方式：就地手动、软手动和自动。就地手动就是通过就地手动操作设备对机组进行控制，软手动是通过PLC对机组进行手动控制，自动则是根据编好的控制程序自动控制相关设备的启、停及调节量。采用程序控制方式，杜绝冷剂污染，有效便捷地实现冷水、冷却水的变频控制。通过有效合理地开、停控制，达到启动速度快、停机时间短的目的，即能节省能耗，还能避免结晶，从而提高中央空调系统的安全性和经济性。
◆ 连锁与保护功能
各机组相关设备的启、停具有一定的连锁关系和时间顺序，该功能由PLC的连锁程序完成。同时，为保证机组的可靠运行，对相关参数采取了一定的保护措施，如冷水、冷却水与机组的连锁控制、冷却水系统与冷却塔的连锁控制等。
3.2 系统特点
◆ 灵活性
本控制系统选用可利用公司的小型一体化PLC代替传统空调主机控制系统中的单片机，较大程度地提高了系统配置及控制的灵活性，能更好地满足不同用户的不同需求。同时，明显缩短了程序开发周期。
◆ 高可靠性
PLC控制核心能够在恶劣的环境中长期可靠、无故障运行，并且易接线、易维护、隔离性好、抗腐蚀能力强，能适应较宽的温度变化范围，平均无故障时间间隔(MTBF)大于15年。
◆ 强大的功能
现代的PLC的编程语言遵从易学、易懂、易用的标准。除了具备传统PLC助记符和梯形图编程功能外，还具有结构化语言和顺序功能图编程功能。PLC提供各种功能模块，包括各种通讯功能选择、通讯参数设置，以及可以具体到某年、某月、某日、某个时刻的多种定时器和超长定时器等，方便了各种功能的实现，有利于缩短开发周期和节省程序容量。
4 控制方法
4.1
对于冷冻水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，而回水温度取决于蒸发器接收的热量，中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计大温差为：5℃（比如：出水7℃，回水12℃），现采用在蒸发器出水管和回水管上装有检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水温差（如：△T=5℃）控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。
4.2
对于冷冻水系统，由于低温冷冻水的温度取决于冷却塔的工作情况，我们只需控制高温冷冻水（ 冷凝器出水）的温度，即可控制温差。现采用温差变送器、 PID 调节器和变频器组成闭环控制系统，冷凝器出水的温度控制在 T2 （ 如： 37℃），使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。
5 系统的设计和应用总结
由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中，许多设计还处于探讨之中，众多功能还未付诸实施。
现在本文就系统改造实现情况作简单介绍：本文的系统调试应分为两步，设备电气控制系统调试和中心网络系统调试。我们就已完成的设备电气控制系统设计、调试及使用情况作一下说明：针对实验室的要求：要求电气系统运行稳定，感温jingque度高，维护方便寿命长，并能联网进行管理。除此之外在实际使用中由于压缩机的启动方式采用星三角方式启动，属于硬启动，这种启动方式对接触器的质量要求比较严格，特别是对接触器的灭弧处理等要求很严格。通过我的使用经验，在这些方面ABB做的很好，而且ABB的接触器在更换时比较方便，它的顶盖可以拆卸，更换时不需要拆下接触器底座，直接卸下顶盖更换线圈即可。
当然此系统设计达到了使用要求，它不仅具备基本逻辑控制功能，还具有联网通信功能和管理功能等。另外相对与老的控制系统，它工作稳定、故障率低，并能进行系统自动报警，操作及维护十分简便，维修综合成本（待机时间等）大大降低。
6 结束语
在智能化中央空调冷冻系统中，采用PLC控制系统是切实可行的，中央空调冷冻系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠，便于维护，且性能价格比高。 同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调主机的控制及两台主机之间的协调控制，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。
SLC500是罗克韦尔自动化公司经典的中小型框架式可编程逻辑控制器，具有强大的处理能力，通讯网络、功能模块、存储容量都可以灵活地进行选择和配置，稳定可靠、高性价比、易用的特点多年来在洁净厂房的控制领域有着广泛的应用。
1 项目概况
1.1 BMS系统控制区域
芯片装测试智能建筑管理系统BMS（Building Management System）系统主要控制以下几大区域：
（1）洁净室：提供符合洁净度以及温湿度的生产主厂房；
（2）动力厂房：提供生产需要的冷冻水、冷却水、热水和纯水；
（3）仓库：成品堆放周转区；
（4）办公楼。
1.2 BMS系统工艺与设备
（1） 暖通空调HVAC。（Heating Ventilation and Air-Conditioning），HVAC用于控制洁净室、办公区、仓库区域的温度、湿度、露点以及压力等参数；执行设备有空调机组、调节阀、风机、 泵。空调机组分为新风空调、循环风空调、一般空调等设备。根据半导体洁净设计规范，洁净室要求温度20～26℃，露点：9～11℃；办公区要求温度 20～26℃；仓库区要求温度20～26℃，湿度40%～60%。
（2）冷热源系统。冷冻水系统为工艺冷却水系统和HVAC系统提供低温冷冻水；锅炉和热回收系统则为BMS系统提供热水。
（3）其它子系统。包括排放热量和水汽的排风系统、压缩空气系统、真空系统、工业水系统、纯水系统、废水系统、应急燃油发电系统等。
为了节能，系统对这些被控的风机和泵采用变频器进行控制。
2 BMS自动控制系统的设计
2.1 系统设计
参见图1BMS系统整体结构图。
图1 BMS系统整体结构图
（1） BMS系统功能。工艺过程的画面实时显示和数据记录；过程设备的控制和参数设置；设备诊断和报警，通过GPRS modem以短消息的形式把信息发送到相关人员的移动电话上。BMS系统所有设备的操作分为就地Local（硬手动）和远程Remote两种。在 Local时，只能通过现场的MCC柜对风机和泵进行就地操作，BMS系统仅仅显示其状态；当设备处于远程Remote控制位置时，BMS对此设备的控制 有2种模式，即自动模式和手动模式。设备处于自动模式时，由BMS根据逻辑和现场工况自动启动/停止该设备；设备处于手动模式时，操作员可以用画面上的启 动/停止按钮启/停该设备，并且需要操作进行确认。
（2）BMS系统硬件。系统由15套冗余SLC500系统，3套单机SLC500和11套MiroLogix1200微型PLC组成。控制编程软件 采用RSLogix500，HMI软件系统采用RSView32的ADS（服务器/客户端）系统，同时系统使用数据引擎软件RSSQL 将重要的工艺参数记录到SQL数据库供远程维护和管理。
系统11套冗余的的SLC500的CPU之间采用DH+通讯网络，然后通过双 Ethernet/DH+的网关连接到Ethernet网络，再连接到冗余的服务器Server A和Server B，微型PLC经过串口/以太网网关连接到HMI服务器。其它的PLC直接通过CPU的以太网口连接到HMI服务器。三方设备如冷冻机组和锅炉等采用 Modbus通讯接入系统进行监控。
2.2 系统特点
SLC500控制器＋FLEX远程RIO的结构形式。
（1）功能强大的处理器。
内存容量多可达64K字，数据/程序内存动态分配，系统资源如定时器等只取决于系统的内存容量；
强大的I/O容量，大可达8192点I/O；
提供丰富的诊断信息。
（2）稳定可靠。
SLC500提供系统冗余功能；
Flex I/O模块可以带电插拔；
（3）灵活的系统结构和通讯网络。
远程I/O链RIO通讯速度快230K/bps，远距离3300m(57.6K/bps)；适合于分布式应用；
灵活的通讯网络选择：CPU内置有DH+/Ethernet/串口；
广泛的开放的标准现场总线选择：EtherNet/IP、 DeviceNet、 ControlNet。
2.3 控制策略
（1） HVAC系统控制。HVAC系统主要是为了保持被控区域特定的温度、湿度、露点以确保产品的质量，控制压差以防止洁净室被室外粉尘的污染并采用VFD技术 达到节能的目的；同时也是为了向洁净室补充一定的新风以保证室内空气质量。典型的新风空调MAH控制原理示意如图2所示。新风首先通过预虑网，经过降温除 湿（夏天）、加热（冬天）、再经高再热终滤网送入各风管，后经FFU送风口过滤后送入控制区各房间。
图2 MAH控制原理示意图
（2） 焓值（加热）控制回路。焓值是温度和湿度的综合，是一个能量单位，由温度和湿度经过运算得出。我们设定一个焓值的高限和低限，当室外的焓值剔的数值
En=1.01×t+d×（1.84×t+2500） （1）式中：
En ——焓值（kj/kg）
t ——加热盘管后的测量温度TET-03（℃）
d ——室外新风的含湿量NET-04（g/Kg）
（3） 压力控制回路。为了避免室外污物对洁净室的污染，系统要求洁净室和非洁净区之间必须是正压。取两个压力变送器PT-01（设置有A/B两个测点）的平均值 或正常无故障的压力变送器的压力值作为PV，根据相关标准通常该压力回路的SP>5Pa，经过PID运算（SC-01）之后，控制变频器的输出频率 从而改变风机的转速以达到控制正压的目的。
（4）露点控制回路。这是一个典型的串级控制回路，多个测点的露点值的平均值（通常会设置多于4个，在 剔除坏点信号之后）作为主回路的露点PV，主回路的控制输出CV经过运算之后作为副回路的SP，副回路的PV则采用MAH风管出口的露点。副回路的SP既 可以用主回路的直接百分比输出，也可以经过一定的变换来得到代表工程量的数值，比如副回路PID的用工程量的设定值SPs可用表达式2：
SPs=SPm+（k×CVm-1）×x （2）式中：
SPs ——副回路的设定值℃
SPm ——主回路的设定值℃
CVm ——主回路控制输出（0%～）
x ——露点控制的偏差范围
k ——调整系数
假定SPm为10℃，k为1.0，x为1.0℃，则实际的HVAC的露点控制副回路的设定值在 9.0～11.0℃之间。该控制回路是一个典型的分程控制过程，加湿和除湿回路（制冷）互斥不能同时起作用。系统在焓值小于焓值控制低限时会启动加湿过 程，大于焓值控制高限时则停止加湿。当在夏季模式由于室外新风湿度会较高，经过冷盘管的除湿过程之后有时会导致MAH出口温度过低从而使得洁净室温度偏 低，因此在在风机之后还有一个再热盘管，通过控制流过再热盘管热水量从而使得MAH出口温度保持在某个范围之内，该温度调节作用靠TC-02来实现。
（5）洁净室内温度控制回路。洁净室温度控制与二次冷冻水子系统相关，其控制示意如图3所示。
图3 洁净室温度控制
干冷盘管安装在洁净室的吊顶上，由于封装设备会产生热量，因此较高温度的空气经过干冷盘管换热后再经过滤单元回到洁净室，终使得控制洁净室内温度空间温度 保持在20-℃左右。这个过程是通过图示右侧的TC-20控制回路实现的，每个洁净室通常包含多个这样的冷盘管控制区域。通过冷盘管的二次冷冻水温度被控 制在高于洁净室的露点，因此不会产生结露的情况。BMS系统通过将一次冷冻水和干冷盘管的一部分回水混合后将干冷盘管的进水温度控制在合适的范围内（由 TC-10回路实现）。
HVAC子系统通常会有多台MAH，他们之间会采用几用一备的方式轮流工作，我们称之为qunkong。整个BMS系统有很多子系统的风机/泵都采用qunkong方式来工作，如排风系统的风机，冷却水、冷冻水、工业水系统、仓库等区域的泵。
HVAC系统除了MAH之外，通常还包括一般空调AHU和回风空调RAH。一般空调AHU主要对某个单独区域如实验室等进行控制，而回风空调RHU则是可以对回风量和新风量进行控制以达到既保证空气清新又节能的目的，控制比起MAH来相对要简单一些。
3.4 SLC500冗余设计
（1） 冗余系统的结构。SLC500冗余系统的主从机架完全相同，机架上安装有一个CPU和一个或多个BSN模块，其中一对BSN负责DH+通讯的冗余，其它配 对的BSN则实现冗余的RIO数据通讯。通常用DH+网络作为HMI通讯，RIO用于连接远程IO。一个冗余SLC500系统多支持8对BSN模块，亦 即多可接8个RIO通讯链路，每个RIO链多1024点I/O，因此一个SLC500冗余系统多可有8192点I/O。典型的SLC500冗余系统 的结构图如图4所示。
图4 SLC500冗余系统示意图
（2）冗余系统的运行。SLC500冗余系统的主处理器框架在以下几种情况下会发生主从的切换：
电源故障或掉电；
处理器主要故障；
BSN模块故障（包括RIO链的通讯超时）；
处理器没有处于RUN运行状态。
通常主从切换的时间在50ms＋1个完整的程序扫描时间，假如主处理器的DH+地址为N,则从机为N+1，当发生主从切换时，处理器会发生地址的交换,这样 我们在HMI或编程软件上始终访问的逻辑上的主处理器。处理器之间的数据同步靠同步子程序来实现，主处理器把需要同步的信息传送到BSN的数据交换区，从 处理器则从该交换区读取这些数据。
处理器经过DH+网络后再通过双Ethernet/DH+网关连接到两个服务器上，因此系统一方面提供了服务器 到处理器的双通讯线路（通过通讯驱动RSLinx的OPC通讯别名或RSView32通讯结点切换），另一方面又提供了双服务器，当任一服务器发生故障 时，操作员站会自动切换到另外一个服务器上,具有很高的可靠性。
4 结束语
某公司的芯片封装工厂通过采用SLC500冗余系统，实现了整个BMS系统的正常控制，有力地保证了生产的正常进行。实践证明，该厂的BMS控制系统不失为高可靠性、高性价比、易于使用和维护的自动化控制系统。
