關(guān)于工業(yè)自動(dòng)化中直接數(shù)字控制系統(tǒng)探究論文
0引言
直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC系統(tǒng)）是一個(gè)集成的在線控制系統(tǒng)，用于監(jiān)控各類(lèi)不同區(qū)域、不同屬性的能源供應(yīng)媒介對(duì)象，如水、電力、空調(diào)、潔凈廠房運(yùn)行狀況等。DDC系統(tǒng)由于具有快速的反饋?lái)憫?yīng)和很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，發(fā)揮著節(jié)能和減少二氧化碳排放的重要作用。
1 DDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
DDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層、PLC單元層、管理控制層�，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層是最底層，PLC單元直接連接各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器和控制閥門(mén)，在收集了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器送來(lái)的模擬量和數(shù)字量信號(hào)后，按照事先編寫(xiě)好的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)模擬量和數(shù)字量輸出模塊控制相應(yīng)的控制對(duì)象。
PLC單元層是中間層，每個(gè)PLC工作站控制了一定數(shù)量的設(shè)備，這些PLC單元性能穩(wěn)定并能按照事先編寫(xiě)好的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，各PLC工作站通過(guò)公司內(nèi)部局域網(wǎng)互連后連接到最上一層管理控制層。管理控制層提供了用戶界面操作平臺(tái)，使用戶工程師和技術(shù)員可以實(shí)時(shí)了解到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況并可調(diào)整控制參數(shù)；也可通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街蛋嗳藛T手機(jī)上，或連接到DDC系統(tǒng)服務(wù)器，由服務(wù)器負(fù)責(zé)收集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警記錄等歷史數(shù)據(jù)。圖1是DDC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。
2 DDC系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象
DDC系統(tǒng)的控制對(duì)象可以是溫度、濕度、生活用水、冷卻水、冷凍水系統(tǒng)壓力、動(dòng)力設(shè)備的開(kāi)/�？刂频任锢砹繀�(shù)�，F(xiàn)以潔凈廠房的恒溫和恒濕控制為例介紹DDC系統(tǒng)是如何控制溫濕度的，其中溫度和濕度的控制要求分別是（22+2）℃和40%~60%.該廠房不同區(qū)域內(nèi)安裝了溫濕度傳感器，可在線測(cè)量不同區(qū)域的溫度和濕度參數(shù)，這些參數(shù)經(jīng)信號(hào)傳輸電纜送入PLC控制單元；PLC的CPU單元在計(jì)算測(cè)量值與設(shè)定值之間的偏差后，通過(guò)預(yù)先編寫(xiě)好的控制算法程序計(jì)算出相應(yīng)的模擬量輸出信號(hào)，來(lái)調(diào)節(jié)空氣處理箱冷熱送水管道上電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)空氣處理箱送風(fēng)的溫度和濕度。
該例中DDC系統(tǒng)的控制對(duì)象是廠房?jī)?nèi)的溫度和濕度，系統(tǒng)通過(guò)模擬量信號(hào)輸入環(huán)節(jié)、PLC單元計(jì)算控制環(huán)節(jié)、模擬量輸出環(huán)節(jié)，最后實(shí)現(xiàn)潔凈廠房?jī)?nèi)恒溫和恒濕的控制。由于潔凈廠房的溫濕度控制還有很多別的影響因素，例如室外環(huán)境溫濕度的變化、空氣處理箱新風(fēng)閥的開(kāi)度、空氣處理箱排風(fēng)閥的開(kāi)度、潔凈廠房生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的數(shù)量、潔凈廠房大門(mén)開(kāi)啟次數(shù)等，因此需要系統(tǒng)在調(diào)試和運(yùn)行階段不斷觀察和調(diào)整控制參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)化并較好地實(shí)現(xiàn)潔凈廠房的恒溫和恒濕控制。
3 DDC系統(tǒng)的主要元器件
DDC系統(tǒng)的核心控制器采用力士樂(lè)IndraControl L40PLC,它配置了Intel 266~400MHz的CPU,32MB的SDRAM同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，128kB的非易失隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，128MB的緊湊式閃存和顯示器，100MB/s的以太網(wǎng)接口，最高可達(dá)12Mbaud通信速率的Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口，以及最高可達(dá)115kbaud通信速率的RS-232通信串口，如圖2所示。
力士樂(lè)PLC通過(guò)不同的顏色標(biāo)記來(lái)區(qū)別不同用途的I/O模塊�，F(xiàn)場(chǎng)溫濕度傳感器、壓力傳感器等模擬量信號(hào)接入AI2/SF模擬量輸入模塊，該模塊將模擬量輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入PLC CPU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，CPU模塊上不同的閃燈顏色代表了不同的運(yùn)行狀態(tài)�，F(xiàn)場(chǎng)按鈕的'開(kāi)/停信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)、故障報(bào)警信號(hào)可以接入DI16或DI32數(shù)字量輸入模塊。現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥門(mén)和變頻器模擬量輸出接口可以接入AO1/SF或AO2/U/BP模擬量輸出模塊，PLC CPU經(jīng)過(guò)程序計(jì)算輸出的數(shù)值通過(guò)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換成0~10V或4~20mA的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度或變頻器的轉(zhuǎn)速輸出�，F(xiàn)場(chǎng)電控箱內(nèi)的交流接觸器或指示燈可以接入DO16或DO32數(shù)字量輸出模塊，DDC系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸出模塊將程序計(jì)算輸出的On/Off信號(hào)轉(zhuǎn)換成設(shè)備開(kāi)/�；蛑甘緹酎c(diǎn)亮/關(guān)閉的輸出指令。圖3是In-draControl L40PLC的I/O單元模塊。
4 DDC系統(tǒng)的主要功能
�。�1）報(bào)警功能：系統(tǒng)可以監(jiān)視底層設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（如空壓機(jī)、水泵、排風(fēng)機(jī)的開(kāi)/停狀態(tài)），可對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定報(bào)警限值（如溫濕度、壓力、電流等設(shè)定報(bào)警的下限值和上限值），可接收設(shè)備的故障報(bào)警信號(hào)等。這些報(bào)警信號(hào)可實(shí)時(shí)通過(guò)短消息形式發(fā)送到值班人員手機(jī)上，也可通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)送到監(jiān)控電腦的操作界面上。
（2）設(shè)備開(kāi)/停時(shí)間計(jì)劃表：系統(tǒng)可對(duì)每臺(tái)運(yùn)行設(shè)備設(shè)置開(kāi)啟/關(guān)閉的時(shí)間，由圖4的設(shè)備控制時(shí)刻表可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能對(duì)空氣處理箱、排風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等設(shè)備設(shè)定周一到周日開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間。設(shè)備運(yùn)行時(shí)刻表滿足了設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間控制需求，減少了系統(tǒng)運(yùn)行能耗，減輕了值班人員的工作量。
（3）歷史記錄曲線：系統(tǒng)有BDE記錄器功能，能記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)和機(jī)器設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行數(shù)據(jù)可通過(guò)Excel實(shí)現(xiàn)可視化。監(jiān)視對(duì)象可以是建筑物內(nèi)部和外部的溫度和濕度、系統(tǒng)工作壓力、電流大小等物理參數(shù)。圖5是潔凈廠房溫度和濕度的歷史記錄曲線，在定義了監(jiān)視對(duì)象名稱(chēng)、采集階段（采集開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間）、分辨率（記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔）、保存期限等參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)顯示24小時(shí)潔凈廠房溫濕度變化的歷史曲線，便于值班人員進(jìn)行控制對(duì)象的數(shù)據(jù)分析。在這個(gè)曲線中也可以加入設(shè)定點(diǎn)值，便于比較實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)定點(diǎn)之間的偏差；也可以加入閥門(mén)位置和運(yùn)行的狀態(tài)，便于分析導(dǎo)致運(yùn)行數(shù)據(jù)偏差的原因。
�。�4）能源統(tǒng)計(jì)和能效管理功能：系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)傳感器測(cè)量電力、壓縮空氣、水、熱力、天然氣等媒介的能源消耗，并通過(guò)服務(wù)器和操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析后生成能源統(tǒng)計(jì)消耗表。圖6為工廠冷凍水能源消耗統(tǒng)計(jì)表，可以了解到冷凍水系統(tǒng)各流量計(jì)測(cè)得的當(dāng)天和當(dāng)月冷凍水的累計(jì)消耗冷量。該表是運(yùn)行人員進(jìn)行能源管理的重要依據(jù)，是計(jì)算系統(tǒng)能效和能耗損失的重要數(shù)據(jù)參考，是進(jìn)行能耗再分配的重要參考數(shù)據(jù)，也是管理人員進(jìn)行各類(lèi)能源費(fèi)用預(yù)估的重要參考。
（5）其它系統(tǒng)擴(kuò)展接入功能：DDC系統(tǒng)還可以擴(kuò)充應(yīng)用于別的系統(tǒng)。
DDC系統(tǒng)可以監(jiān)視重要生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，便于運(yùn)行人員在得到故障或報(bào)警通知后及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)線設(shè)備正常生產(chǎn)；可以輔助管理一些特殊系統(tǒng)，例如將安裝于服務(wù)器數(shù)據(jù)中心機(jī)房的檢測(cè)漏水傳感器接入系統(tǒng)后，當(dāng)服務(wù)器機(jī)房發(fā)生漏水情況時(shí)可以及時(shí)報(bào)警通知相關(guān)人員進(jìn)行處理；可以聯(lián)動(dòng)控制重要試驗(yàn)室設(shè)備，例如車(chē)輛振動(dòng)試驗(yàn)室內(nèi)的感煙探測(cè)器檢測(cè)到發(fā)生火災(zāi)異常時(shí)，可與DDC系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)切斷試驗(yàn)室的電力供應(yīng)，確保試驗(yàn)室設(shè)備和試驗(yàn)車(chē)輛的安全。
5結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了DDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、監(jiān)控對(duì)象和控制過(guò)程、主要功能元器件的產(chǎn)品性能、主要功能等。本系統(tǒng)在完成調(diào)試后一年時(shí)間內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)故障發(fā)生，各項(xiàng)功能都達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)：
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