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關(guān)于工業(yè)自動化中直接數(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)）是一個集成的在線控制系統(tǒng)，用于監(jiān)控各類不同區(qū)域、不同屬性的能源供應(yīng)媒介對象，如水、電力、空調(diào)、潔凈廠房運行狀況等。DDC系統(tǒng)由于具有快速的反饋響應(yīng)和很強的數(shù)據(jù)處理能力，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(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)場設(shè)備控制層、PLC單元層、管理控制層�，F(xiàn)場設(shè)備控制層是最底層，PLC單元直接連接各類現(xiàn)場檢測傳感器和控制閥門，在收集了現(xiàn)場檢測傳感器送來的模擬量和數(shù)字量信號后，按照事先編寫好的程序進行數(shù)據(jù)處理，然后通過模擬量和數(shù)字量輸出模塊控制相應(yīng)的控制對象。
PLC單元層是中間層，每個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好的程序進行數(shù)據(jù)處理，各PLC工作站通過公司內(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，使用戶工程師和技術(shù)員可以實時了解到現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況并可調(diào)整控制參數(shù)；也可通過調(diào)制解調(diào)器將系統(tǒng)報警信號實時傳輸?shù)街蛋嗳藛T手機上，或連接到DDC系統(tǒng)服務(wù)器，由服務(wù)器負責(zé)收集系統(tǒng)運行參數(shù)和報警記錄等歷史數(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)控對象
DDC系統(tǒng)的控制對象可以是溫度、濕度、生活用水、冷卻水、冷凍水系統(tǒng)壓力、動力設(shè)備的開/停控制等物理量參數(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，可在線測量不同區(qū)域的溫度和濕度參數(shù)，這些參數(shù)經(jīng)信號傳輸電纜送入PLC控制單元；PLC的CPU單元在計算測量值與設(shè)定值之間的偏差后，通過預(yù)先編寫好的控制算法程序計算出相應(yīng)的模擬量輸出信號，來調(diào)節(jié)空氣處理箱冷熱送水管道上電動閥門的開度，進而調(diào)節(jié)空氣處理箱送風(fēng)的溫度和濕度。
該例中DDC系統(tǒng)的控制對象是廠房內(nèi)的溫度和濕度，系統(tǒng)通過模擬量信號輸入環(huán)節(jié)、PLC單元計算控制環(huán)節(jié)、模擬量輸出環(huán)節(jié)，最后實現(xiàn)潔凈廠房內(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)閥的開度、空氣處理箱排風(fēng)閥的開度、潔凈廠房生產(chǎn)設(shè)備運行的數(shù)量、潔凈廠房大門開啟次數(shù)等，因此需要系統(tǒng)在調(diào)試和運行階段不斷觀察和調(diào)整控制參數(shù)，達到系統(tǒng)運行的最優(yōu)化并較好地實現(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IndraControl L40PLC,它配置了Intel 266~400MHz的CPU,32MB的SDRAM同步動態(tài)存儲器，128kB的非易失隨機存取存儲器，128MB的緊湊式閃存和顯示器，100MB/s的以太網(wǎng)接口，最高可達12Mbaud通信速率的Profibus-DP現(xiàn)場總線接口，以及最高可達115kbaud通信速率的RS-232通信串口，如圖2所示。
力士樂PLC通過不同的顏色標記來區(qū)別不同用途的I/O模塊。現(xiàn)場溫濕度傳感器、壓力傳感器等模擬量信號接入AI2/SF模擬量輸入模塊，該模塊將模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入PLC CPU模塊進行數(shù)據(jù)計算，CPU模塊上不同的閃燈顏色代表了不同的運行狀態(tài)。現(xiàn)場按鈕的開/停信號、設(shè)備運行的狀態(tài)信號、故障報警信號可以接入DI16或DI32數(shù)字量輸入模塊。現(xiàn)場電動閥門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)過程序計算輸出的數(shù)值通過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換成0~10V或4~20mA的電信號，驅(qū)動控制電動閥門的開度或變頻器的轉(zhuǎn)速輸出�，F(xiàn)場電控箱內(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)通過數(shù)字量輸出模塊將程序計算輸出的On/Off信號轉(zhuǎn)換成設(shè)備開/�；蛑甘緹酎c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）報警功能：系統(tǒng)可以監(jiān)視底層設(shè)備的運行狀態(tài)（如空壓機、水泵、排風(fēng)機的開/停狀態(tài)），可對運行數(shù)據(jù)設(shè)定報警限值（如溫濕度、壓力、電流等設(shè)定報警的下限值和上限值），可接收設(shè)備的故障報警信號等。這些報警信號可實時通過短消息形式發(fā)送到值班人員手機上，也可通過以太網(wǎng)實時送到監(jiān)控電腦的操作界面上。
（2）設(shè)備開/停時間計劃表：系統(tǒng)可對每臺運行設(shè)備設(shè)置開啟/關(guān)閉的時間，由圖4的設(shè)備控制時刻表可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能對空氣處理箱、排風(fēng)機、風(fēng)機盤管等設(shè)備設(shè)定周一到周日開啟和關(guān)閉的時間。設(shè)備運行時刻表滿足了設(shè)備運行的時間控制需求，減少了系統(tǒng)運行能耗，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，能記錄運行數(shù)據(jù)和機器設(shè)備的歷史運行狀態(tài)，運行數(shù)據(jù)可通過Excel實現(xiàn)可視化。監(jiān)視對象可以是建筑物內(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)視對象名稱、采集階段（采集開始和結(jié)束的時間）、分辨率（記錄數(shù)據(jù)的時間間隔）、保存期限等參數(shù)后，系統(tǒng)會顯示24小時潔凈廠房溫濕度變化的歷史曲線，便于值班人員進行控制對象的數(shù)據(jù)分析。在這個曲線中也可以加入設(shè)定點值，便于比較實際運行數(shù)據(jù)和設(shè)定點之間的偏差；也可以加入閥門位置和運行的狀態(tài)，便于分析導(dǎo)致運行數(shù)據(jù)偏差的原因。
�。�4）能源統(tǒng)計和能效管理功能：系統(tǒng)通過現(xiàn)場各類傳感器測量電力、壓縮空氣、水、熱力、天然氣等媒介的能源消耗，并通過服務(wù)器和操作系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理分析后生成能源統(tǒng)計消耗表。圖6為工廠冷凍水能源消耗統(tǒng)計表，可以了解到冷凍水系統(tǒng)各流量計測得的當天和當月冷凍水的累計消耗冷量。該表是運行人員進行能源管理的重要依據(jù)，是計算系統(tǒng)能效和能耗損失的重要數(shù)據(jù)參考，是進行能耗再分配的重要參考數(shù)據(jù)，也是管理人員進行各類能源費用預(yù)估的重要參考。
�。�5）其它系統(tǒng)擴展接入功能：DDC系統(tǒng)還可以擴充應(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)備的運行狀態(tài)，便于運行人員在得到故障或報警通知后及時恢復(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)中心機房的檢測漏水傳感器接入系統(tǒng)后，當服務(wù)器機房發(fā)生漏水情況時可以及時報警通知相關(guān)人員進行處理；可以聯(lián)動控制重要試驗室設(shè)備，例如車輛振動試驗室內(nèi)的感煙探測器檢測到發(fā)生火災(zāi)異常時，可與DDC系統(tǒng)聯(lián)動切斷試驗室的電力供應(yīng)，確保試驗室設(shè)備和試驗車輛的安全。
5結(jié)束語
本文介紹了DDC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、監(jiān)控對象和控制過程、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)試后一年時間內(nèi)運行穩(wěn)定，無故障發(fā)生，各項功能都達到了原設(shè)計要求。
參考文獻：
[1]何煥山.工廠電氣控制設(shè)備[M].北京：高等教育出版社，2004[2]唐志平.供配電技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
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