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1、马亚强，段振刚，张勇，等：基于施耐德 PLC 的 P3 实验室空调监控系统设计2010,31(11)26370引言随着科学技术的发展，PLC 控制技术和变频器的综合应用在社会各个方面得到了广泛发展。P3 实验室是生物安全防护三级实验室，适用于检测致病微生物或其毒素，这些微生物主要通过呼吸途径传播，具有传染性、致命性。P3 实验室主要应用于临床、诊断、教学、研究、或者生产设施，在该级别中开展有关内源性和外源性病源的工作，若因暴露而吸入该病源，会引发严重的、可能致死的疾病。所以对实验室的空气质量、压力、湿度、温度都有较高的要求，PLC 控制技术1能够满足系统的自动化要求，而且维护方便。本文将 PL
2、C 和变频器技术综合应用到 P3 实验室的控制系统中，使系统工作在一个合理有序的状态，满足了系统的高要求，并节约了资源。1P3 实验室空调监控系统的设计原理和要求本 P3 实验室是建立在处于东北位置的一所省级卫生防疫站。实验室的系统参数设计符合国家相关医学实验室的设计标准，根据当地的气候环境设计实验室的硬件配备。1.1P3 实验室系统参数和设计原理P3实验室设计参数如下：洁净等级：实验室万级到十万级(7-8 级)；室内温度：夏季 232，冬季 202；室内湿度：夏季 5010%，冬季 4010%；负压梯度：0Pa、-10Pa、-20Pa、-30Pa、-40Pa。其它参数采用民用建筑通风空调推荐
3、值。为保证实验室正常运行，P3 实验室应建立完善的应急处理措施，设计相关的自动控制和报警系统2。首先设计中要保证完善的负压控制系统，送排风机必须考虑启动和停止的连锁，而且要建立内部通话器、排风过滤器堵塞报警装置、实验室负压收稿日期：2009-06-06；修订日期：2009-09-22。基金项目：北京市属市管高校人才强教计划基金项目(19004811009)。作者简介：马亚强(1981)，男，河北保定人，硕士研究生，研究方向为计算机测控技术；段振刚(1958)，男，北京人，副教授，研究方向为智能控制；张勇(1972)，男，北京人，硕士，讲师，研究方向为可再生能源和控制理论；廉小亲(1967)，女
4、，北京人，博士，教授，研究方向为计算机测控技术。E-mail：基于施耐德 PLC 的 P3 实验室空调监控系统设计马亚强，段振刚，张勇，廉小亲(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)摘要：根据 P3 实验室空调监控系统的设计要求和工作原理，利用施耐德 PLC 作为现场控制器，结合变频器和传感器，通过智能 PID 的控制技术，设计出一套 P3 实验室的空调监控自动控制系统。系统硬件平台采用了以施耐德的 TSX 系列的TSXP57303A 控制器，并配以相应的数据采集、输入输出模块；软件平台采用了施耐德 PL7-MICRO/WIN。介绍了监控系统的硬件组成和软件设计方案，智能 P
5、ID 的设置等内容。调试结果表明：该系统运行稳定可靠，保证了 P3 实验室环境参数满足设计要求，使 P3 实验室工作在一种自动、有序、合理的状态。关键词：施耐德 PLC;P3 实验室;空调监控系统;PID 控制器;环境参数中图法分类号：TP271文献标识码：A文章编号：1000-7024(2010)11-2637-04Design of air conditioning supervisory and control system in P3 labbased on Schneider PLCMA Ya-qiang,DUAN Zhen-gang,ZHANG Yong,LIAN Xiao-qin
6、(College of Computer and Information Engineering Technology,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)Abstract：According to the design requirements and working principle of air-conditioningsupervisoryand control systeminP3 laboratory,an automatic system which used Schneider PLC
7、controller,frequency converter,transducer and intelligence PID techniques is designed.The Schneider PLC TSX PLC 57303 controller with its counterpart data collection module and input output module is adopted as the hard-ware platform and the Schneider PL7-MICRO/WIN as the software platform.The desig
8、n scheme of the system hardware and softwareand the setting method of intelligence PID are introduced.The results show that the system makes the environment parameters of the P3laboratory satisfy the design requirements,and makes the P3 laboratory work in a form of auto,preface,reasonable.Key words：
9、PLC;P3 laboratory;air-conditioning;PID controller;environment parameters开发与应用计算机工程与设计Computer Engineering and Design26382010,31(11)计算机工程与设计 Computer Engineering and Design报警装置等。P3 实验室空调送排风系统是采用全新风直流式系统，室外空气通过空气处理机组，集中进行初、中效过滤及热湿处理，经风管由高效过滤器送至各个房间，排风先经过设于房间内的高效过滤排风口，再经设于排风管上的第二道高效过滤器，二次高效过滤净化后，再排出室外3
10、。空调水系统中冷源采用风冷式热泵机组，在夏季提供712冷水，过渡季节提供 4045低温热水。热源由建设方提供 5060低温热水，为保证热源质量，选用一台 QXD 系列强制循环有压电热水锅炉。空调水系统采用两管制，定水量、一次泵。安装二台循环水泵，一用一备。图 1 为空调工艺流程图。1.2P3 实验室空调监控系统的设计要求空调监控系统保障了实验室安全稳定的运行，由上位计算机进行全面的监控，包括空调系统的监控和实验室参数(温度、湿度、压力)状态的监控。(1)空调监控：当实验室启动运行和停止时，设备的启动顺序为电动水阀、循环水泵、风冷热泵机组或者电热锅炉、排风机、送风机等；停止时顺序与此相反。自控系
11、统在每次起停时都要依据这个顺序，对相应设备进行控制。(2)室内环境状态监控：当 P3 实验室正常使用时，实验人员需要实时了解实验室的温度、湿度、压力各项参数值。所以实验室内设置具有声光显示功能的指示灯，分三级显示实验室当前状态(红色：危险，绿色：正常，黄色：一般异常)，便于实验室人员了解实验室状态，做出正确应对措施。当某台设备出现故障，自控系统应立刻做出反应，采取应急措施，首先保证实验室的安全，同时发出报警，通知实验人员撤离，并指出故障位置。(3)负压控制：由于P3 实验室所做实验产生的物质具有危害性，因此必须保证实验室对外界保持负压状态，以防止危险性物质扩散4，而且各个房间之间的压力梯度一定
12、要满足要求。为达到此目标，需要时刻对各个房间进行压力控制，通过设置在房间内的压差传感器将压差值传送至自动控制系统中的PLC控制器，根据检测压差值和设定的实验室标准压差值，PLC通过PID控制器调整输出控制信号，利用控制信号(模拟量)控制相应房间的排风阀的开度，以达到对实验室的负压控制。(4)手动控制模式：为确保实验室安全稳定运行，实验室的各个系统必须在控制之下，为此增设了手动控制模式，手动控制是通过按钮的方式控制系统的运行，包括电机的运行，除湿电加热的运行，电极加湿的运行等。手动控制级别高于自动控制，当手动控制工作时，自动控制失效。在自动控制系统出现故障，实验室出现重大事故，或为了定期维护检修
13、而停机时，切换到手动控制，以确保实验室安全和人员安全。手动控制下实验室严格禁止实验操作。2系统总体结构及变频器接口设计根据系统设计原理和设计参数，自动控制系统选用了性价比较高的自控设备，保证了系统安全高效的运行。2.1系统总体结构本控制系统采用 PLC(可编程控制器)为核心，并配以 A/D、D/A、I/O 等模块以及相应的检测设备、执行机构等。系统通过各种检测设备采集需要的各种参数，通过转换模块送至PLC进行处理，PLC把处理的结果通过转换模块输出控制信号，控制相应的设备。并通过 TCP/IP 网络协议将系统的各种参数值传送到上位机进行监控操作。图 2 为系统控制结构示意图。(1)Premiu
14、m 可编程控制器。下位机采用法国施耐德 Pre-mium 可编程控制器，型号为 TSXP57203M，相应的选择开关量输入输出模块和模拟量输入输出模块。这种控制器可靠灵图 1空调工艺流程送风风冷热泵机组电热锅炉循环水泵一主一备(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)房间(10)(11)(12)排风变频器MM变频器MMM注：(1)新风阀；(2)新风预热段；(3)初效过滤；(4)表冷段；(5)电极加湿段；(6)送风机段；(7)中效过滤段；(8)送风阀；(9)电加热除湿段；(10)防火阀；(11)排风阀；(12)排风机段图 2系统控制结构(11)(12)(13)开关量输入模块DIAIA
15、/D模块上位机(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)风速检测电路压力检测电路湿度检测电路温度检测电路可编程控制器AOD/A模块开关量输出模块DO(19)(20)(21)(17)(18)(16)(15)(14)风阀控制电路表冷段三通阀排风机变频器送风机变频器注：(1)室外温度；(2)送风温度；(3)房间温度；(4)室外湿度；(5)送风湿度；(6)房间湿度(7)室外压力；(8)送风压力；(9)房间压力；(10)送风风速；(11)压差开关报警、变频器故障报警等各种报警输入和水泵过载保护、除湿电加热过载保护等输入；(12)生物安全柜启停状态输入；(13)门禁系统红外线感应信号输
16、入；(14)送风机；(15)排风机；(16)表冷段三通阀阀门；(17)实验室送风阀；(18)实验室,缓冲间,准备间,生物安全柜等排风阀；(19)冷水机组,水泵,变频器的启停控制；(20)房间照明控制；(21)门禁系统反馈信号输出马亚强，段振刚，张勇，等：基于施耐德 PLC 的 P3 实验室空调监控系统设计2010,31(11)2639活，依靠以太网技术，可使实验室使用、实验室控制和实验室管理有效的联系起来。通过 Web 浏览器可以在远距离，轻松地实现对实验室的控制和管理。(2)上位监控计算机采用联想计算机(主机)，显示器采用液晶触摸显示器。(3)阀门执行器采用瑞士BELIMO的产品，温/湿度和
17、压力传感器采用西门子公司优质产品。风量控制阀采用 Phoenix控制公司的 Accel型文丘里阀，它具有控制流量精确，响应时间短等优点。(4)变频器选择施耐德ATV31变频器，型号为ATV31HU75-N4A，共配置 4 台，其中送风机和排风机各 2 台(一主一备)。2.2变频器硬件接口原理图P3实验室设计要求规定了实验室每小时换气次数和新风量，而且实验室中存在安全柜等设备，安全柜的起停直接影响着换气次数和新风量。为了满足设计要求，因此需根据新风的送风风速不断调整送风机和排风机变频器，通过变频器改变送风机和排风机工作频率，就会增加或减少送入实验室的新风量同时保证了实验室的换气次数。变频器功率有
18、 5.5KW和 7.5KW 两种，其中送风机采用 7.5KW，排风机采用 5.5KW。变频器采用模拟量控制方式，输入控制信号为 4-20mA，根据PLC输出的模拟量信号，变频器及时准确的调节输出频率，从而改变送排风机的转速，调节系统的送风量和排风量。图 3为变频器硬件接线图，其中 R1A 与 R1C 为故障继电器触点，用于指示变频器的状态。AL3 与 COM 端之间接入 PLC 输出的信号 4-20mA，据此控制变频器输出频率。LI1 与 24V 端之间用于接入继电器触点控制变频器的启动和停止5。3P3 实验室控制系统软件设计3.1控制系统 PLC 程序设计根据系统的设计要求，PLC 的程序设
19、计包括手动模式和自动模式的转换，手动模式时电机是以工频形式运行，自动模式时电机则以变频的形式运行。当选择开关打到“自动”状态时，由 PLC 和变频器控制系统的运行。在自动模式的程序中，当系统初始化后用户根据实际选择季节状态和运行模式状态，设备会自动根据运行模式状态选择主水泵或者备水泵运行，然后根据季节状态选择风冷热泵机组或者电热锅炉运行，等待一定时间后，用户可以启动实验室，在各个设备运行正常的情况下会先启动排风系统开始排风，延时后开始自动启动送风系统开始送风，此时系统就完全处于自动运行状态。PLC会实时检测各个参数，及时调整设备的运行，确保 P3 实验室处于安全状态。图 4 为 PLC 主程序
20、流程图。由于随着季节的交替环境温度变化比较大，所以夏季和过渡季节会启用风冷热泵机组，冬季则启用电热锅炉。季节状态选择的不同会直接影响新风预热段的送风温度和表冷段三通阀的开度，当选择夏季状态时三通阀的开度会随着实验室的温度增高而增大，因为循环水的温度低于新风温度，即处于制冷状态，而冬季状态正好相反。系统中的水泵，送排风机等设备都进行了冗余设计，即一主一备，确保实验室的可靠运行，据此程序中设计了主备故障切换程序。P3 实验室中设置有生物安全柜6，生物安全柜运行时要保证安全柜内处于负压状态，所以它设有独立的排风机排风，生物安全柜的运行会造成实验室的压力发生变化，为了保证P3 实验室的负压状态满足要求
21、，就需要同时增加P3 实验室的送风量和排风量，因此程序中设计了安全柜启停风量控制程序，以保证实验室状态稳定可靠。3.2PID 的参数设定在P3 实验室的设计要求中，房间分为实验室，缓冲间，准图 3变频器硬件接线制动电阴未用M3U1V1W1U/T1V/T2W/T3P0PA/+PBPC/-R/L1S/L2T/L3R1AR1CR1BR2AR2CATV31变频器故障报警变频器启停控制变频器+10AL1COMAL3AL2AOVAOCCL1LI1LI2LI3LI4LI5LI624V给定电位计来自 PLC420mA三相电源输入图 4PLC 主程序流程根据模式选择主水泵或备水泵工作水泵启动后延时 10s 启动
22、风冷热泵机组或电热锅炉然后再延时 10s 后才可以启用实验室是否启用实验室启动排风机排风，延时 3s 自动启动送风机送风实验室温度湿度压力是否符合要求实验室开始正式运行湿度不合格启动电极加湿或电加热除湿温度不合格调整新风预热和表冷段三通阀的开度压力不合格调整各个房间的排风阀开度模式 1选择运行模式夏季状态程序初始化选择季节状态冬季状态过渡季节状态模式 2模式 3NYNY26402010,31(11)计算机工程与设计 Computer Engineering and Design备间，一次更衣间，淋浴室，二次更衣间等。每个房间的压力都不一样，由于 P3 实验室是负压系统，在实验室处于工作状态时一
23、定要确保房间之间的压力差符合要求，确保气流从清洁区到半污染区再到高污染区的流向。因此需要实时调整每个房间的送风阀和排风阀的开度。在此工程中采用了Phoenix控制公司的 Accel型文丘里阀，根据设定参数(SP)和检测参数(PV)，利用 PID 控制器调整阀门的开度(OUT1)，达到理想的效果。以调节实验室压力为例，图 5 为软件 PID 设置示意图。其中%IW1.0.11 输入是P3 实验室的压力检测值，%MF96 是P3实验室排风阀PID 调节的人为设定值(-40Pa)，%QW1.3.7 是 P3实验室排风阀的模拟量控制输出，排风阀会据此而调整开度，达到调整压力的目的。整定PID控制器参数
24、综合应用了经验数据法和试凑法7。参数中的 3个物理量比例(KP)、积分(TI)、微分(TD)的 3部分作用相互影响，需要根据不同被控对象采用不同的整定方法。对于实验室压力整定参数，由于对象的滞后不大，可以不使用微分环节，根据现场的实际情况一边修改 KP和 TI 的数值，一边观察系统的运行，使被控对象的指标达到设计的要求为止。对于温度，压力，湿度等被控对象，PID 参数整定方法类似，遵循先比例、后积分、再微分的步骤进行整定8。4结束语基于施耐德PLC控制器的P3 实验室空调监控系统，集成了PLC控制技术、变频器调速技术、智能传感器技术、智能PID技术、提高了 P3 实验室的自动化水平，更为重要的
25、是为提高P3 实验室的稳定性、可靠性奠定了基础，保证了实验室的温度，湿度，压力持续稳定在一个极小的波动范围之内，确保了实验室和人员的安全。该系统已经在一所省级卫生防疫站正式运行。调试结果表明，系统运行非常稳定，各项指标都符合国家标准，而且实验室环境适宜，提高了实验人员的工作效率，通过系统的一体化、自动化管理，节约了大量的能源。对同一类型的各种医学实验室具有一定的推广价值。参考文献:1储云峰.施耐德电气可编程控制器原理及应用M.北京:机械工业出版社,2007:61-200.2周俊彦,初春玲.P3 实验室的设计探讨 J.洁净与空调技术,2005(4):44-50.3余斌高,罗庚合.洁净手术室空调机
26、组 PLC 控制系统设计J.湖南工业职业技术学院学报,2008,8(3):11-12.4罗瑞云,杜琳.疾病预防控制中心实验室空调通风系统的设计要求J.中国卫生工程学,2008,7(2):114-116.5曹菁,洪雪峰.基于 PLC 和变频器的恒压供水系统研究J.变频器世界,2007(12):77-78.6于新国.有关 P3 实验室设计的点滴体会J.洁净与空调技术,2004(1):50-51.7姜玉春.PID 控制器参数的整定 J.莱钢科技,2006,122(2):54-55.8吴文进,张杰.基于 MCGS 组态软件的 PID 液位控制J.安庆师范学院学报,2008,14(3):50-53.图
27、5软件 PID 设置4Wang X Y,Yu Q.A block encryption algorithmbased on dynamicsequences of multiple chaotic systems J.Communications inNonlinear Science and Numerical Simulations,2009,14(2):574-581.5Baptista M S.Cryptography with chaos J.Physics Letters A,1998,240(1):50-54.6Jakimoski G,Kocarev L.Analysis of
28、some recently proposedchaos-based encryption algorithmsJ.Physics Letters A,2001,291(6):381-384.7Wong W K,Lee L P,Wong K W.A modified chaotic cryptopra-phic methodJ.Computer Physics Communications,2001,138(3):234-236.8Palacios A,Juarez H.Cryptographic with cycling chaosJ.Phy-sics Letters A,2002,303(5
29、-6):345-351.9K W.A fast chaotic cryptographic scheme with dynamic lookuptableJ.Physics Letters A,2002,298(4):238-242.10 Wang X Y,Duan C F,Gu N N.A new chaotic cryptography basedon ergodicity J.International Journal of Modern Physics B,2008,22(7):901-908.11 lvarez G,Montoya F,Romera M,et al.Cryptanal
30、ysis of anergodic chaotic cipher J.Physics Letters A,2003,311(2-3):172-179.12 Wang X Y,Zhao J F.A chaotic cryptosystem based on multi-one-dimensional maps J.Modern Physics Letters B,2009,23(2):183-189.13 Wang X Y,Yu C H.Cryptanalysis and improvement on a cry-ptosystem based on a chaotic mapJ.Compute
31、rs and Mathema-tics with Applications,2009,57(3):476-482.14 Sun F Y,Liu S T,Li Z Q,et al.A novel image encryption schemebased on spatial chaos mapJ.Chaos,Solitons&Fractals,2008,38(3):631-640.15 BehniaS,AkhshaniA,AhadpourS,et al.A fastchaoticencryptionscheme based on piecewise nonlinear chaotic mapsJ.PhysicsLetters A,2007,366(4,5):391-396.(上接第 2636 页)