關(guān)鍵詞：環(huán)控，LonWorks，現(xiàn)場(chǎng)總線

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1 引言

藥廠環(huán)境控制系統(tǒng)工程是一項(xiàng)重要的自動(dòng)化控制項(xiàng)目，它直接關(guān)系到制藥產(chǎn)品的質(zhì)量。為了使生產(chǎn)出來(lái)的藥品能夠達(dá)到一個(gè)較高的質(zhì)量水平，使其能夠符合GMP生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，就必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)的空氣壓力、溫度、濕度、以及潔凈度，為此，需要一種先進(jìn)可靠的控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)藥廠環(huán)境溫濕度等的精確控制。而LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)是一種具有很強(qiáng)的互連性及互操作性的開(kāi)放式控制網(wǎng)絡(luò)，它體現(xiàn)了目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的最新發(fā)展趨勢(shì)，解決了許多其它現(xiàn)場(chǎng)總線所不能解決的問(wèn)題，在各種控制領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用。我們將LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)成功應(yīng)用于南京長(zhǎng)澳制藥廠的環(huán)境控制系統(tǒng)，通過(guò)LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)將分布的各控制對(duì)象連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了一套分布式控制和集中監(jiān)控的先進(jìn)可靠的系統(tǒng)。

2 藥廠環(huán)控系統(tǒng)組成及功能

根據(jù)藥廠的實(shí)際情況，將其環(huán)境控制系統(tǒng)分成二個(gè)子系統(tǒng)：冷水機(jī)組監(jiān)控子系統(tǒng)和空調(diào)機(jī)組監(jiān)控子系統(tǒng)。

2．1 冷水機(jī)組監(jiān)控子系統(tǒng)

該系統(tǒng)由冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)組成，設(shè)備包括冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、冷水機(jī)組、膨脹水箱、集水器、分水器、設(shè)備之間的連接管線及閥門(mén)等。冷水機(jī)組監(jiān)控原理如圖1所示。

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2．1．1 監(jiān)控原理

??? （1）冷凍水系統(tǒng)

如圖1所示，在集水器的出口、分水器的進(jìn)口以及蒸發(fā)器出水口分別安裝水溫傳感器。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水溫傳感器和流量計(jì)測(cè)出的數(shù)據(jù)，算出整個(gè)藥廠的冷負(fù)荷，并根據(jù)冷負(fù)荷大小確定冷水機(jī)組及冷凍水泵的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)。集水器出口、分水器進(jìn)口的壓力傳感器用來(lái)檢測(cè)集、分水器之間的壓差，一旦監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)集、分水器之間的壓差值超出限定值，監(jiān)控系統(tǒng)立即啟動(dòng)集、分水器之間的電動(dòng)旁通調(diào)節(jié)閥使集、分水器之間的壓差值回到正常值。

對(duì)于冷凍水泵，只要監(jiān)控水泵的啟停控制、運(yùn)行模式、故障報(bào)警和手/自動(dòng)切換等數(shù)字輸入輸出量。

（2）冷卻水系統(tǒng)

如圖1所示，在冷水機(jī)組冷凝器的進(jìn)出口加溫度傳感器，根據(jù)冷卻水的供回水溫差計(jì)算負(fù)荷，控制冷卻水泵和冷卻塔的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。并且給冷卻水泵和過(guò)濾器兩邊防設(shè)置壓差傳感器以檢測(cè)水泵和過(guò)濾器兩旁的壓差。

對(duì)于冷卻水泵，只要監(jiān)控水泵的啟停控制、運(yùn)行模式、故障報(bào)警和手/自動(dòng)切換等數(shù)字輸入輸出量。

在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，所有模擬輸入量數(shù)據(jù)都通過(guò)SMART CONTROL公司的AD80模擬輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并被傳輸?shù)江h(huán)控中心和控制器。所有數(shù)字輸入輸出量都通過(guò)D80數(shù)字輸入輸出模塊送往控制中心或現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器。另外，系統(tǒng)中需要進(jìn)行線性調(diào)節(jié)的控制對(duì)象（即模擬輸出量），例如旁通調(diào)節(jié)閥采用MN200控制器控制。系統(tǒng)監(jiān)控原理如圖2所示。

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2．1．2 系統(tǒng)功能

冷水機(jī)組子系統(tǒng)功能如下：

（1）在控制中心計(jì)算機(jī)屏幕上給出冷水機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)態(tài)運(yùn)行自控圖，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、壓力、流量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等各項(xiàng)參數(shù)。顯示打印各監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表。

（2）監(jiān)視冷水機(jī)組、水泵及冷卻塔的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)，并自動(dòng)記錄各設(shè)備的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

（3）系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到某臺(tái)冷凍水泵、冷卻水泵發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)地將備用水泵投入運(yùn)行。

（4）根據(jù)冷卻塔的冷卻水出水溫度，自動(dòng)控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行并控制冷卻水泵的啟停。

（5）冷水機(jī)組、水泵及冷卻塔的聯(lián)鎖順序自動(dòng)啟停控制。

（6）冷水機(jī)組出水管的溫度測(cè)量，監(jiān)視冷水機(jī)組的運(yùn)行工況。

（7）冷卻塔進(jìn)水管安裝電動(dòng)蝶閥，按投入運(yùn)行的冷水機(jī)組自動(dòng)控制冷卻塔進(jìn)水。

（8）測(cè)量總供回水管溫度及集水器和分水器之間的旁通流量，計(jì)算系統(tǒng)冷熱負(fù)荷，確定啟停冷水機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)及聯(lián)動(dòng)水泵和冷卻塔的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，以此將負(fù)荷均勻地分配在各臺(tái)機(jī)組上。使電流需求量的峰值保持在最小。

（9）測(cè)量總供回水管之間的水壓差，在總供回水管之間安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，根據(jù)總供回水管之間的水壓差調(diào)節(jié)旁通閥開(kāi)度，保持系統(tǒng)的壓力平衡使系統(tǒng)有效、節(jié)能。

（10）水泵故障報(bào)警，提醒操作人員將備用水泵切換到運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間均衡自動(dòng)控制。

（11）膨脹水箱高低水位測(cè)量，并根據(jù)水箱水位自動(dòng)啟停補(bǔ)水泵。

（12）監(jiān)測(cè)室內(nèi)、室外溫度，制定時(shí)間表，自動(dòng)控制系統(tǒng)提示機(jī)房值班人員目前是否應(yīng)該啟動(dòng)冷水機(jī)組，確認(rèn)后，在控制室起動(dòng)冷水機(jī)組。

（13）如果冷水機(jī)組有智能接口，則通過(guò)冷水機(jī)組的智能接口，將冷水機(jī)組聯(lián)接至自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)關(guān)編程，將冷水機(jī)組的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)及溫度等參數(shù)傳送至LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)。

2．2 空調(diào)機(jī)組監(jiān)控

2．2．1 監(jiān)控原理

本環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)溫、濕度的采樣值與設(shè)定值之間的關(guān)系構(gòu)成一個(gè)多回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，運(yùn)用PID（比例、積分、微分控制）算法精確地控制房間的溫、濕度。根據(jù)客戶需求，將空調(diào)機(jī)組分成兩種：凈化空調(diào)系統(tǒng)和舒適空調(diào)系統(tǒng)。

凈化空調(diào)系統(tǒng)配置初效、中效及高效過(guò)濾網(wǎng)以保持房間內(nèi)的空氣潔凈度；并通過(guò)溫度、濕度和壓力傳感器來(lái)對(duì)房間的溫、濕度及靜壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過(guò)對(duì)冷卻水閥/熱蒸汽閥、加濕器和風(fēng)機(jī)的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)房間內(nèi)溫度、濕度和壓力的控制。舒適空調(diào)系統(tǒng)對(duì)房間內(nèi)的溫濕度以及壓力等要求不高，因此，在舒適空調(diào)系統(tǒng)中不設(shè)過(guò)濾網(wǎng)，也不設(shè)加濕器，只對(duì)空氣溫度和流量進(jìn)行控制。

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對(duì)空調(diào)機(jī)組的控制選用符合LonWark互操作總線標(biāo)準(zhǔn)的MN200控制器，裝上MicroNet Tech Tool軟件庫(kù)的各種軟件后可控制熱泵、風(fēng)機(jī)盤(pán)管及通風(fēng)機(jī)組。它既可獨(dú)立使用，也可聯(lián)網(wǎng)使用。每個(gè)控制器提供一個(gè)MN-SX數(shù)字傳感器、LED顯示器和可拆卸配線座。該控制器的另一個(gè)特點(diǎn)是具有DIN導(dǎo)軌或嵌裝能力。MN200控制器可工作在單獨(dú)模式下，也可作為雙絞線自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MicroNet LonWorks網(wǎng)絡(luò)的一部分。

MN200控制器有2個(gè)數(shù)字輸入口，3個(gè)通用輸入口，6個(gè)數(shù)字輸出口及2個(gè)模擬輸出口，可對(duì)制冷進(jìn)行比例、比例+積分、比例+積分+微分控制。其監(jiān)控原理如圖3所示。

2．2．2 系統(tǒng)功能

空調(diào)機(jī)組子系統(tǒng)的功能如下：

（1）空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)啟停控制。

（2）系統(tǒng)采樣回風(fēng)或送風(fēng)溫濕度傳感器的測(cè)量值作為控制調(diào)節(jié)對(duì)照值。與系統(tǒng)參數(shù)對(duì)照，經(jīng)PID算法輸出至所控制的部件，并根據(jù)不同的季節(jié)比較調(diào)節(jié)冷水閥和加熱閥進(jìn)行恒溫、恒濕的控制。在夏季工況時(shí)，當(dāng)濕度大于設(shè)定值，則通過(guò)控制器優(yōu)先調(diào)大冷水閥除濕，同時(shí)打開(kāi)蒸汽加熱閥保持溫度恒定。若溫度高于溫度設(shè)定值，開(kāi)大冷水閥，若低于設(shè)定值則關(guān)小冷水閥。

（3）檢測(cè)過(guò)濾網(wǎng)兩側(cè)壓差，以提醒及時(shí)清洗。其中，高效過(guò)濾網(wǎng)應(yīng)定期更換。

（4）房間內(nèi)安裝壓力傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)量使房間內(nèi)保持一定的正壓以防外界空氣滲入空調(diào)房間。

（5）空調(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警。

（6）按計(jì)劃時(shí)間表在中央控制室控制空調(diào)機(jī)啟停。在空調(diào)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)能手動(dòng)啟停空調(diào)機(jī)。

（7）回風(fēng)管溫度測(cè)量，在中央控制室實(shí)時(shí)顯示，形成數(shù)據(jù)報(bào)告及數(shù)據(jù)分析曲線。

（8）按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間表進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)控制，并可根據(jù)延時(shí)要求，進(jìn)行延時(shí)關(guān)機(jī)控制。

（9）環(huán)控系統(tǒng)與智能消防系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，當(dāng)有火情發(fā)生時(shí)，空調(diào)機(jī)風(fēng)機(jī)及冷熱水閥進(jìn)入故障模式。

3 用LonWorks技術(shù)實(shí)現(xiàn)的環(huán)控控制網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)藥廠的生產(chǎn)特點(diǎn)和工藝流程，將藥品生產(chǎn)車(chē)間劃分為大大小小幾十個(gè)功能間，生產(chǎn)不同類(lèi)型的藥品；按照GMP標(biāo)準(zhǔn)，大大小小幾十個(gè)功能間又被劃分為百級(jí)區(qū)、萬(wàn)級(jí)區(qū)、十萬(wàn)級(jí)區(qū)和一般區(qū)四種不同的凈化區(qū)。藥廠環(huán)控系統(tǒng)就是對(duì)生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)不同功能間、不同凈化區(qū)的溫度、濕度、微壓差以及塵埃粒子濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也對(duì)藥廠的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。圖4是一個(gè)典型的藥廠環(huán)控控制網(wǎng)絡(luò)圖。

藥廠環(huán)控系統(tǒng)中空調(diào)機(jī)組較少（一套冷凍機(jī)組，一臺(tái)舒適空調(diào)機(jī)組和兩臺(tái)凈化空調(diào)機(jī)組），因此，可在冷凍機(jī)房設(shè)一個(gè)控制中心，集中監(jiān)測(cè)和控制相應(yīng)系統(tǒng)及區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，在監(jiān)控室中可查看到控制網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備的信息，并可以遠(yuǎn)程方式監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。由于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)具有良好的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，所以，當(dāng)需要增加其他控制系統(tǒng)或設(shè)備時(shí)，只需將該系統(tǒng)或設(shè)備直接接入LonWorks主干即可。

如圖4所示，藥廠環(huán)控系統(tǒng)包括LonWorks總線主干及各子網(wǎng)，子網(wǎng)采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率為78.8Kbps。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有的控制均由就近安裝在被控設(shè)備旁的LON控制節(jié)點(diǎn)完成，不需依賴上位機(jī)。由于是一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)，所以，單個(gè)結(jié)點(diǎn)的故障不影響整個(gè)系統(tǒng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可相互通信同時(shí)也可與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。

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本控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)控制器選用希比公司I/A系列的MN200控制器，Smart Control公司的AD80智能化模擬輸入模塊和D80智能數(shù)字輸入輸出模塊。利用MN200控制器監(jiān)控空調(diào)機(jī)組。而冷凍機(jī)房的大部分設(shè)備的監(jiān)控由AD80和D80完成。

車(chē)間內(nèi)的溫濕度傳感器按需要分區(qū)放置。LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有一個(gè)特點(diǎn)，即不同節(jié)點(diǎn)的不同網(wǎng)絡(luò)變一可進(jìn)行數(shù)據(jù)的綁定，因此，可將一個(gè)房間內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)與多個(gè)空調(diào)機(jī)組的控制變量綁定，這樣就可節(jié)約許多成本，同時(shí)也有利于房間內(nèi)溫濕度的精確控制。

在監(jiān)控中心的Windows平臺(tái)上運(yùn)行INTOUCH圖形監(jiān)控軟件，接收由網(wǎng)絡(luò)控制器傳送來(lái)的被監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)及各種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將它們保存在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)結(jié)點(diǎn)均采用變壓器隔離，以抑制干擾，某個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)生故障不影響其它控制器工作，每個(gè)結(jié)點(diǎn)控制器中帶有EEPROM芯片，加電或故障排除后能自動(dòng)投入運(yùn)行。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)子網(wǎng)可掛接127個(gè)控制結(jié)點(diǎn)，且自動(dòng)控制系統(tǒng)可有多個(gè)子網(wǎng)，因此，該環(huán)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，足以應(yīng)付日后系統(tǒng)擴(kuò)展的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在藥廠環(huán)控領(lǐng)域已有許多成功應(yīng)用的實(shí)例，由于LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有開(kāi)放性、分布式、可互操作性等特點(diǎn)，也廣泛應(yīng)用于智能小區(qū)、樓宇自控、電力監(jiān)控、交通運(yùn)輸?shù)瓤刂祁I(lǐng)域。

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參考文獻(xiàn)

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1 陽(yáng)憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1999