基于西門子新一代 Smart 系列 PLC 的凈化空調控制系統

1、項目概況：

某制藥公司固體制劑車間空調系統進行升級改造，滿足其生產需要的環境參數及通過國家 GMP 改造驗收。項目總共3臺空調機組，每臺空調機組分布在不同空調機房，分別對應不同區域送風，通過控制變頻送風機、冷熱水閥、加溫閥、新風/回風/排風閥等，滿足車間對溫度、濕度、壓差的設計要求。

2、系統選型：

對于單臺的空調機組要求配置帶 CPU 的控制器，井需通過以太網通信配置 HMI 就地監控，單臺空調機組控制l0點位：DI:20，DO:7，AI:11，AO:5，共計43，綜合 IO 點位及設計要求擬采用西門子新一代 SMART 系列 PLC。選用型號為ST40控制器(24DI/16DO)，配套擴展模塊3塊 EM AM06 (4AI/2AO)來組成控制系統，并且系統 IO 余量滿足設計要求。

3、系統設計思路：

每臺潔凈空調機組對應的控制系統采用一套 Smart 系列 PLC 并配套擴展模塊構成系統，對系統各個參數以及房間溫濕度、壓差進行采集，并通過 CPU 運算控制對應設備，以達到恒溫、恒濕、恒壓的目的。各個系統通過以太網通訊方式與上位機連接，遠程采集、監視、收集、記錄、保存有關系統的重要信息及數據，作到一體化管理。

系統采用先進的 SIEMENS S7-Smart 產品，運用數字控制技術，建立全部受控設備的控制系統。注重系統的可靠性和維護、管理的便捷性，每套空調系統采用一臺 PLC 控制，每個空調系統現場采用7吋觸摸屏進行就地監視控制，并通過 PC Access SMART 與上位機進行通信。

對空調系統設備采用現代化技術進行全面有效的監控和管理，可建立統一的管理系統，實觀設備的數據共享、數據分析和遠程監控，確保設備處于高效、節能、最佳運行狀態，提供一個安全、舒適、快捷的工作環境，并達到有效管理，節約能源消耗，減低營運成本。

4、系統結構圖

5、系統 IO 點表清單：

此為一臺空調機組對應 IO 清單，其他兩臺基本一致。

6、控制功能描述：

潔凈醫藥廠房空調控制模式通常比一般暖通空調控制工藝更加繁瑣一些，主要分為以下工藝模式：

1、正常模式：

正常運行模式下新風閥根據房間壓力控制開度，送風機頻率根據送風風量控制，消毒排風機及其排風閥關閉，回風閥打開，排風機與送風機連鎖運行；

溫濕度控制：(在回風管設置溫度傳感器檢測系統溫濕度)；

夏季模式：調節表冷盤管電動雙通閥的開度以控制室內溫、濕度，濕度優先；

冬季模式：調節蒸汽加熱電動雙通閥的開度以控制室內溫度，控制電動蒸汽加濕閥的開度以控制室內濕度：

2、消毒模式

在車間日常生產結束，整個車間進行消毒時，凈化空調機組處于消毒模式。

在畫面上操作(點擊)消毒模式按鈕，系統進入消毒模式。消毒模式分為如下幾步：

1)、消毒準備階段

系統發出消毒模式信號關閉新風閥和排風閥，關閉房間排風機，回風閥打開、低頻(可調)運行送風機。現場操作人員對現場設備進行檢查和處理，處理完后，在 HMI 上進行確認，系統進入下一步。

2)、消毒階段

在確認現場處理完畢后，遠程控制臭氧發生器，并監視臭氧發生器狀態，在開啟一段時間（可設置）后，送風機循環運行，并保持一定時間(可設定)，關閉臭氧發生器，停止消毒。

3、排風模式

系統消毒完畢以后(臭氧發生器關閉以后可以選擇系統停止一段時間)，系統處于排風模式，凈化空調機組開啟新風電動風閥、送風機、排風機及排風閥、消毒排風機及消毒排風電動風閥(送風機頻率可手動設置)，系統開始計時(可調)排風，計時結束以后進入正常或者值班模式。

4、值班模式

車間在沒有生產工作時，在某些時間段仍需要保持房間的潔凈度和壓力，維持房間的微正壓，而在保持潔凈目的的同時有需要節約能源，此時凈化空調機組處于值班模式。在值班模式下，在維持車間內微正壓的前提下，可以手動調低送風機送風頻率，節約能耗。

凈化空調機組根據功能分為：正常運行模式、消毒模式、排風模式、值班模式。在控制系統操作界面中開放出各個模式的選擇按鈕，操作人員可根據工藝需要手動選擇工作模式，或者在系統參數中設置每個模式定時控制時問，由 PLC 自動根據定時控制開啟系統的各個模式。

空調機組工藝流程：

1)溫濕度控制：(在回風管設置溫濕度傳感器檢測系統溫濕度)

夏季：調節表冷盤管電動雙通閥的開度以控制室內溫、濕度，濕度優先。如果因為控制濕度而使室內溫度過低時，調節蒸汽加熱電動雙通閥的開度以控制室內溫度。

冬季：調節蒸汽加熱電動雙通閥的開度以控制空內溫度：控制電動干蒸汽加溫器的開度以控制室內濕度。

過度季節：從夏季到冬季，調節表冷盤管電動雙通閥的開度以控制空內溫、濕度，濕度優先。如果因為控制濕度而使空內溫度過低時，調節蒸汽加熱電動雙通閥的開度以控制室內溫度。從冬季到夏季，調節蒸汽加熱電動雙通閥的開度以控制空內溫度；控制電動干蒸汽加濕器的開度以控制室內濕度。

2)風量控制：

在送風管上設置送風風速檢測儀表，從而控制送風機變頻器頻率以恒定房間的風量。

3)過濾器設壓差空氣壓差開關，檢測初效和中效過濾器的狀態：

新風過濾網：100PA(機械可調)；

初效：100PA(機械可調)；

中效: 200PA(機械可調)；

房問高效濾網設置壓差傳感器，檢査高效濾網狀態；

4)新風閥控制：

通過采集檢測房間的壓力，控制新風閥的開度。

5)房間溫濕度檢測：

選取個別房間布置溫濕度傳感器，采集并顯示房間溫濕度；

6) 系統消毒控制：

正常運行時，新風電動風閥、回風閥、送風機和排風機均開啟；關閉消毒排風閥。

消毒時，關閉新風、消毒排風電動風閥、和排風機，然后打開回風閥，延時打開臭氧發生器，送風機循環并進行消毒，延時關閉臭氧發生器；

消毒完畢后，關用所有風機和閥門滅茵一段時間，再開啟新風電動風閥、送風機、消毒中效過濾排風機及消毒中效過濾排風電動風閥，排出殘余消毒氣體后，系統恢復正常運行。

7)開關機順序：

開機：新風電動風閥一送風機一中效排風機

關機：排風機一送風機一新風電動鳳閥

7、程序及 HMI 畫面介紹

PLC 程序按照功能分為不同的子程序，分別在主程序中調用：

A、模擬量采集子程序；

B、模擬量輸出子程序；

C、設備控制子程序；

D、 PID 控制子程序；

E、各種模式控制子程序

如下圖：

HMI 畫面例子：

8、總結

西門子新一代 Smart 系列 PLC 融合了經典的 S7-200 系列的所有強大功能，在小型控制系統的應用比較廣泛，而且性價比較高，而在醫藥行業暖通工藝較復雜的情況下，采用 DDC控制器在編寫程序及畫面組態比較固定繁瑣，相反 PLC 在用于這些行業內則比較靈活，可根據用戶需求增加各種功能。

總的來說，Smart 系列 PLC 系統作為 S7-200 的升級換代產品，產品配置更加靈活，最大限度的控制成本。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號板擴展能更加貼合用戶的實際配置，提升產品的利用率，同時降低用戶的擴展成本。在原系列 PLC 的基礎上增強了通信功能，CPU 模塊本體標配以太網接口，集成了強大的以太網通信功能。一根普通的網線即可將程序下載到 PLC 中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網接口還可與其它 CPU 模塊、觸摸屏、計算機進行通信，輕松組網。解決了以前頗為詬病的通信問題(RS485 PPI 通信較慢，加 EM277/CP243 則成本太高，并且兼顧了實用性、靈活性、應用性為一體。

9、附件

模塊布局圖：

模塊接線圖：

實物圖：