基于西门子新一代 Smart 系列 PLC 的净化空调控制系统

1、项目概况：

某制药公司固体制剂车间空调系统进行升级改造，满足其生产需要的环境参数及通过国家 GMP 改造验收。项目总共3台空调机组，每台空调机组分布在不同空调机房，分别对应不同区域送风，通过控制变频送风机、冷热水阀、加温阀、新风/回风/排风阀等，满足车间对温度、湿度、压差的设计要求。

2、系统选型：

对于单台的空调机组要求配置带 CPU 的控制器，井需通过以太网通信配置 HMI 就地监控，单台空调机组控制l0点位：DI:20，DO:7，AI:11，AO:5，共计43，综合 IO 点位及设计要求拟采用西门子新一代 SMART 系列 PLC。选用型号为ST40控制器(24DI/16DO)，配套扩展模块3块 EM AM06 (4AI/2AO)来组成控制系统，并且系统 IO 余量满足设计要求。

3、系统设计思路：

每台洁净空调机组对应的控制系统采用一套 Smart 系列 PLC 并配套扩展模块构成系统，对系统各个参数以及房间温湿度、压差进行采集，并通过 CPU 运算控制对应设备，以达到恒温、恒湿、恒压的目的。各个系统通过以太网通讯方式与上位机连接，远程采集、监视、收集、记录、保存有关系统的重要信息及数据，作到一体化管理。

系统采用先进的 SIEMENS S7-Smart 产品，运用数字控制技术，建立全部受控设备的控制系统。注重系统的可靠性和维护、管理的便捷性，每套空调系统采用一台 PLC 控制，每个空调系统现场采用7吋触摸屏进行就地监视控制，并通过 PC Access SMART 与上位机进行通信。

对空调系统设备采用现代化技术进行全面有效的监控和管理，可建立统一的管理系统，实观设备的数据共享、数据分析和远程监控，确保设备处于高效、节能、最佳运行状态，提供一个安全、舒适、快捷的工作环境，并达到有效管理，节约能源消耗，减低营运成本。

4、系统结构图

5、系统 IO 点表清单：

此为一台空调机组对应 IO 清单，其他两台基本一致。

6、控制功能描述：

洁净医药厂房空调控制模式通常比一般暖通空调控制工艺更加繁琐一些，主要分为以下工艺模式：

1、正常模式：

正常运行模式下新风阀根据房间压力控制开度，送风机频率根据送风风量控制，消毒排风机及其排风阀关闭，回风阀打开，排风机与送风机连锁运行；

温湿度控制：(在回风管设置温度传感器检测系统温湿度)；

夏季模式：调节表冷盘管电动双通阀的开度以控制室内温、湿度，湿度优先；

冬季模式：调节蒸汽加热电动双通阀的开度以控制室内温度，控制电动蒸汽加湿阀的开度以控制室内湿度：

2、消毒模式

在车间日常生产结束，整个车间进行消毒时，净化空调机组处于消毒模式。

在画面上操作(点击)消毒模式按钮，系统进入消毒模式。消毒模式分为如下几步：

1)、消毒准备阶段

系统发出消毒模式信号关闭新风阀和排风阀，关闭房间排风机，回风阀打开、低频(可调)运行送风机。现场操作人员对现场设备进行检查和处理，处理完后，在 HMI 上进行确认，系统进入下一步。

2)、消毒阶段

在确认现场处理完毕后，远程控制臭氧发生器，并监视臭氧发生器状态，在开启一段时间（可设置）后，送风机循环运行，并保持一定时间(可设定)，关闭臭氧发生器，停止消毒。

3、排风模式

系统消毒完毕以后(臭氧发生器关闭以后可以选择系统停止一段时间)，系统处于排风模式，净化空调机组开启新风电动风阀、送风机、排风机及排风阀、消毒排风机及消毒排风电动风阀(送风机频率可手动设置)，系统开始计时(可调)排风，计时结束以后进入正常或者值班模式。

4、值班模式

车间在没有生产工作时，在某些时间段仍需要保持房间的洁净度和压力，维持房间的微正压，而在保持洁净目的的同时有需要节约能源，此时净化空调机组处于值班模式。在值班模式下，在维持车间内微正压的前提下，可以手动调低送风机送风频率，节约能耗。

净化空调机组根据功能分为：正常运行模式、消毒模式、排风模式、值班模式。在控制系统操作界面中开放出各个模式的选择按钮，操作人员可根据工艺需要手动选择工作模式，或者在系统参数中设置每个模式定时控制时问，由 PLC 自动根据定时控制开启系统的各个模式。

空调机组工艺流程：

1)温湿度控制：(在回风管设置温湿度传感器检测系统温湿度)

夏季：调节表冷盘管电动双通阀的开度以控制室内温、湿度，湿度优先。如果因为控制湿度而使室内温度过低时，调节蒸汽加热电动双通阀的开度以控制室内温度。

冬季：调节蒸汽加热电动双通阀的开度以控制空内温度：控制电动干蒸汽加温器的开度以控制室内湿度。

过度季节：从夏季到冬季，调节表冷盘管电动双通阀的开度以控制空内温、湿度，湿度优先。如果因为控制湿度而使空内温度过低时，调节蒸汽加热电动双通阀的开度以控制室内温度。从冬季到夏季，调节蒸汽加热电动双通阀的开度以控制空内温度；控制电动干蒸汽加湿器的开度以控制室内湿度。

2)风量控制：

在送风管上设置送风风速检测仪表，从而控制送风机变频器频率以恒定房间的风量。

3)过滤器设压差空气压差开关，检测初效和中效过滤器的状态：

新风过滤网：100PA(机械可调)；

初效：100PA(机械可调)；

中效: 200PA(机械可调)；

房问高效滤网设置压差传感器，检査高效滤网状态；

4)新风阀控制：

通过采集检测房间的压力，控制新风阀的开度。

5)房间温湿度检测：

选取个别房间布置温湿度传感器，采集并显示房间温湿度；

6) 系统消毒控制：

正常运行时，新风电动风阀、回风阀、送风机和排风机均开启；关闭消毒排风阀。

消毒时，关闭新风、消毒排风电动风阀、和排风机，然后打开回风阀，延时打开臭氧发生器，送风机循环并进行消毒，延时关闭臭氧发生器；

消毒完毕后，关用所有风机和阀门灭茵一段时间，再开启新风电动风阀、送风机、消毒中效过滤排风机及消毒中效过滤排风电动风阀，排出残余消毒气体后，系统恢复正常运行。

7)开关机顺序：

开机：新风电动风阀一送风机一中效排风机

关机：排风机一送风机一新风电动凤阀

7、程序及 HMI 画面介绍

PLC 程序按照功能分为不同的子程序，分别在主程序中调用：

A、模拟量采集子程序；

B、模拟量输出子程序；

C、设备控制子程序；

D、 PID 控制子程序；

E、各种模式控制子程序

如下图：

HMI 画面例子：

8、总结

西门子新一代 Smart 系列 PLC 融合了经典的 S7-200 系列的所有强大功能，在小型控制系统的应用比较广泛，而且性价比较高，而在医药行业暖通工艺较复杂的情况下，采用 DDC控制器在编写程序及画面组态比较固定繁琐，相反 PLC 在用于这些行业内则比较灵活，可根据用户需求增加各种功能。

总的来说，Smart 系列 PLC 系统作为 S7-200 的升级换代产品，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。在原系列 PLC 的基础上增强了通信功能，CPU 模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。一根普通的网线即可将程序下载到 PLC 中，方便快捷，省去了专用编程电缆。通过以太网接口还可与其它 CPU 模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。解决了以前颇为诟病的通信问题(RS485 PPI 通信较慢，加 EM277/CP243 则成本太高，并且兼顾了实用性、灵活性、应用性为一体。

9、附件

模块布局图：

模块接线图：

实物图：