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

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1 引言

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

2 藥廠環(huán)控系統(tǒng)組成及功能

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

2．1 冷水機組監(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、冷水機組、膨脹水箱、集水器、分水器、設(shè)備之間的連接管線及閥門等。冷水機組監(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測出的數(shù)據(jù)，算出整個藥廠的冷負荷，并根據(jù)冷負荷大小確定冷水機組及冷凍水泵的開啟臺數(shù)。集水器出口、分水器進口的壓力傳感器用來檢測集、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)立即啟動集、分水器之間的電動旁通調(diào)節(jié)閥使集、分水器之間的壓差值回到正常值。

對于冷凍水泵，只要監(jiān)控水泵的啟?？刂?、運行模式、故障報警和手/自動切換等數(shù)字輸入輸出量。

（2）冷卻水系統(tǒng)

如圖1所示，在冷水機組冷凝器的進出口加溫度傳感器，根據(jù)冷卻水的供回水溫差計算負荷，控制冷卻水泵和冷卻塔的運行臺數(shù)。并且給冷卻水泵和過濾器兩邊防設(shè)置壓差傳感器以檢測水泵和過濾器兩旁的壓差。

對于冷卻水泵，只要監(jiān)控水泵的啟停控制、運行模式、故障報警和手/自動切換等數(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D80數(shù)字輸入輸出模塊送往控制中心或現(xiàn)場執(zhí)行器。另外，系統(tǒng)中需要進行線性調(diào)節(jié)的控制對象（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

冷水機組子系統(tǒng)功能如下：

（1）在控制中心計算機屏幕上給出冷水機組系統(tǒng)運態(tài)運行自控圖，實時監(jiān)控溫度、壓力、流量及設(shè)備運行狀態(tài)等各項參數(shù)。顯示打印各監(jiān)控點的數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)報表。

（2）監(jiān)視冷水機組、水泵及冷卻塔的運行狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)，并自動記錄各設(shè)備的累計運行時間。

（3）系統(tǒng)在監(jiān)測到某臺冷凍水泵、冷卻水泵發(fā)生故障時，自動地將備用水泵投入運行。

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

（5）冷水機組、水泵及冷卻塔的聯(lián)鎖順序自動啟?？刂?。

（6）冷水機組出水管的溫度測量，監(jiān)視冷水機組的運行工況。

（7）冷卻塔進水管安裝電動蝶閥，按投入運行的冷水機組自動控制冷卻塔進水。

（8）測量總供回水管溫度及集水器和分水器之間的旁通流量，計算系統(tǒng)冷熱負荷，確定啟停冷水機組系統(tǒng)運行機組臺數(shù)及聯(lián)動水泵和冷卻塔的運行臺數(shù)，以此將負荷均勻地分配在各臺機組上。使電流需求量的峰值保持在最小。

（9）測量總供回水管之間的水壓差，在總供回水管之間安裝電動調(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）水泵故障報警，提醒操作人員將備用水泵切換到運行狀態(tài)，設(shè)備運行時間均衡自動控制。

（11）膨脹水箱高低水位測量，并根據(jù)水箱水位自動啟停補水泵。

（12）監(jiān)測室內(nèi)、室外溫度，制定時間表，自動控制系統(tǒng)提示機房值班人員目前是否應(yīng)該啟動冷水機組，確認后，在控制室起動冷水機組。

（13）如果冷水機組有智能接口，則通過冷水機組的智能接口，將冷水機組聯(lián)接至自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，通過對網(wǎng)關(guān)編程，將冷水機組的內(nèi)部運行狀態(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)成一個多回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，運用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、中效及高效過濾網(wǎng)以保持房間內(nèi)的空氣潔凈度；并通過溫度、濕度和壓力傳感器來對房間的溫、濕度及靜壓進行監(jiān)測，同時通過對冷卻水閥/熱蒸汽閥、加濕器和風(fēng)機的控制，來實現(xiàn)對房間內(nèi)溫度、濕度和壓力的控制。舒適空調(diào)系統(tǒng)對房間內(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)過濾網(wǎng)，也不設(shè)加濕器，只對空氣溫度和流量進行控制。

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

MN200控制器有2個數(shù)字輸入口，3個通用輸入口，6個數(shù)字輸出口及2個模擬輸出口，可對制冷進行比例、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)機組子系統(tǒng)的功能如下：

（1）空調(diào)機組風(fēng)機啟?？刂?。

（2）系統(tǒng)采樣回風(fēng)或送風(fēng)溫濕度傳感器的測量值作為控制調(diào)節(jié)對照值。與系統(tǒng)參數(shù)對照，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)冷水閥和加熱閥進行恒溫、恒濕的控制。在夏季工況時，當(dāng)濕度大于設(shè)定值，則通過控制器優(yōu)先調(diào)大冷水閥除濕，同時打開蒸汽加熱閥保持溫度恒定。若溫度高于溫度設(shè)定值，開大冷水閥，若低于設(shè)定值則關(guān)小冷水閥。

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

（4）房間內(nèi)安裝壓力傳感器，通過調(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)機組運行狀態(tài)監(jiān)視、故障報警。

（6）按計劃時間表在中央控制室控制空調(diào)機啟停。在空調(diào)機現(xiàn)場能手動啟?？照{(diào)機。

（7）回風(fēng)管溫度測量，在中央控制室實時顯示，形成數(shù)據(jù)報告及數(shù)據(jù)分析曲線。

（8）按預(yù)先設(shè)定的時間表進行開關(guān)機控制，并可根據(jù)延時要求，進行延時關(guān)機控制。

（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，空調(diào)機風(fēng)機及冷熱水閥進入故障模式。

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

根據(jù)藥廠的生產(chǎn)特點和工藝流程，將藥品生產(chǎn)車間劃分為大大小小幾十個功能間，生產(chǎn)不同類型的藥品；按照GMP標(biāo)準(zhǔn)，大大小小幾十個功能間又被劃分為百級區(qū)、萬級區(qū)、十萬級區(qū)和一般區(qū)四種不同的凈化區(qū)。藥廠環(huán)控系統(tǒng)就是對生產(chǎn)廠房內(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)進行監(jiān)控，同時也對藥廠的空調(diào)系統(tǒng)進行監(jiān)控。圖4是一個典型的藥廠環(huán)控控制網(wǎng)絡(luò)圖。

藥廠環(huán)控系統(tǒng)中空調(diào)機組較少（一套冷凍機組，一臺舒適空調(diào)機組和兩臺凈化空調(diào)機組），因此，可在冷凍機房設(shè)一個控制中心，集中監(jiān)測和控制相應(yīng)系統(tǒng)及區(qū)域內(nèi)的節(jié)點，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，并可以遠程方式監(jiān)控整個系統(tǒng)。由于LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)具有良好的開放性和可擴展性，所以，當(dāng)需要增加其他控制系統(tǒng)或設(shè)備時，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)采用自由拓撲結(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)點完成，不需依賴上位機。由于是一個分布式的網(wǎng)絡(luò)，所以，單個結(jié)點的故障不影響整個系統(tǒng)，各個節(jié)點可相互通信同時也可與監(jiān)控中心進行通信。

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本控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場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)機組。而冷凍機房的大部分設(shè)備的監(jiān)控由AD80和D80完成。

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

在監(jiān)控中心的Windows平臺上運行INTOUCH圖形監(jiān)控軟件，接收由網(wǎng)絡(luò)控制器傳送來的被監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、報警信號及各種實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，將它們保存在自動控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫中。

LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)上的每個結(jié)點均采用變壓器隔離，以抑制干擾，某個結(jié)點發(fā)生故障不影響其它控制器工作，每個結(jié)點控制器中帶有EEPROM芯片，加電或故障排除后能自動投入運行。

自動控制系統(tǒng)的一個子網(wǎng)可掛接127個控制結(jié)點，且自動控制系統(tǒng)可有多個子網(wǎng)，因此，該環(huán)控系統(tǒng)具有很強的擴展性，足以應(yīng)付日后系統(tǒng)擴展的需要。

4 結(jié)束語

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)用的實例，由于LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)具有開放性、分布式、可互操作性等特點，也廣泛應(yīng)用于智能小區(qū)、樓宇自控、電力監(jiān)控、交通運輸?shù)瓤刂祁I(lǐng)域。

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參考文獻

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