工业自动化中直接数字控制系统探究

　　0引言

　　直接数字控制系统（DDC系统）是一个集成的在线控制系统，用于监控各类不同区域、不同属性的能源供应媒介对象，如水、电力、空调、洁净厂房运行状况等。DDC系统由于具有快速的反馈响应和很强的数据处理能力，因此广泛应用于工业自动化控制领域，发挥着节能和减少二氧化碳排放的重要作用。

　　1 DDC系统的网络架构

　　DDC系统的网络架构可分为现场设备控制层、PLC单元层、管理控制层。现场设备控制层是最底层，PLC单元直接连接各类现场检测传感器和控制阀门，在收集了现场检测传感器送来的模拟量和数字量信号后，按照事先编写好的程序进行数据处理，然后通过模拟量和数字量输出模块控制相应的控制对象。

　　PLC单元层是中间层，每个PLC工作站控制了一定数量的设备，这些PLC单元性能稳定并能按照事先编写好的程序进行数据处理，各PLC工作站通过公司内部局域网互连后连接到最上一层管理控制层。管理控制层提供了用户界面操作平台，使用户工程师和技术员可以实时了解到现场设备的运行状况并可调整控制参数；也可通过调制解调器将系统报警信号实时传输到值班人员手机上，或连接到DDC系统服务器，由服务器负责收集系统运行参数和报警记录等历史数据。图1是DDC系统网络架构图。

　　2 DDC系统监控对象

　　DDC系统的控制对象可以是温度、湿度、生活用水、冷却水、冷冻水系统压力、动力设备的开/停控制等物理量参数。现以洁净厂房的恒温和恒湿控制为例介绍DDC系统是如何控制温湿度的，其中温度和湿度的控制要求分别是（22+2）℃和40%~60%.该厂房不同区域内安装了温湿度传感器，可在线测量不同区域的温度和湿度参数，这些参数经信号传输电缆送入PLC控制单元；PLC的CPU单元在计算测量值与设定值之间的偏差后，通过预先编写好的控制算法程序计算出相应的模拟量输出信号，来调节空气处理箱冷热送水管道上电动阀门的开度，进而调节空气处理箱送风的温度和湿度。

　　该例中DDC系统的控制对象是厂房内的温度和湿度，系统通过模拟量信号输入环节、PLC单元计算控制环节、模拟量输出环节，最后实现洁净厂房内恒温和恒湿的控制。由于洁净厂房的温湿度控制还有很多别的影响因素，例如室外环境温湿度的变化、空气处理箱新风阀的开度、空气处理箱排风阀的开度、洁净厂房生产设备运行的数量、洁净厂房大门开启次数等，因此需要系统在调试和运行阶段不断观察和调整控制参数，达到系统运行的最优化并较好地实现洁净厂房的恒温和恒湿控制。

　　3 DDC系统的主要元器件

　　DDC系统的核心控制器采用力士乐IndraControl L40PLC,它配置了Intel 266~400MHz的CPU,32MB的SDRAM同步动态存储器，128kB的非易失随机存取存储器，128MB的紧凑式闪存和显示器，100MB/s的以太网接口，最高可达12Mbaud通信速率的Profibus-DP现场总线接口，以及最高可达115kbaud通信速率的RS-232通信串口，如图2所示。

　　力士乐PLC通过不同的颜色标记来区别不同用途的I/O模块。现场温湿度传感器、压力传感器等模拟量信号接入AI2/SF模拟量输入模块，该模块将模拟量输入信号转换成数字信号后送入PLC CPU模块进行数据计算，CPU模块上不同的闪灯颜色代表了不同的运行状态。现场按钮的开/停信号、设备运行的状态信号、故障报警信号可以接入DI16或DI32数字量输入模块。现场电动阀门和变频器模拟量输出接口可以接入AO1/SF或AO2/U/BP模拟量输出模块，PLC CPU经过程序计算输出的数值通过模拟量输出模块转换成0~10V或4~20mA的电信号，驱动控制电动阀门的开度或变频器的转速输出。现场电控箱内的交流接触器或指示灯可以接入DO16或DO32数字量输出模块，DDC系统通过数字量输出模块将程序计算输出的On/Off信号转换成设备开/停或指示灯点亮/关闭的输出指令。图3是In-draControl L40PLC的I/O单元模块。

　　4 DDC系统的主要功能

　　（1）报警功能：系统可以监视底层设备的运行状态（如空压机、水泵、排风机的开/停状态），可对运行数据设定报警限值（如温湿度、压力、电流等设定报警的下限值和上限值），可接收设备的故障报警信号等。这些报警信号可实时通过短消息形式发送到值班人员手机上，也可通过以太网实时送到监控电脑的操作界面上。

　　（2）设备开/停时间计划表：系统可对每台运行设备设置开启/关闭的时间，由图4的设备控制时刻表可以发现，系统能对空气处理箱、排风机、风机盘管等设备设定周一到周日开启和关闭的时间。设备运行时刻表满足了设备运行的时间控制需求，减少了系统运行能耗，减轻了值班人员的工作量。

　　（3）历史记录曲线：系统有BDE记录器功能，能记录运行数据和机器设备的历史运行状态，运行数据可通过Excel实现可视化。监视对象可以是建筑物内部和外部的温度和湿度、系统工作压力、电流大小等物理参数。图5是洁净厂房温度和湿度的历史记录曲线，在定义了监视对象名称、采集阶段（采集开始和结束的时间）、分辨率（记录数据的时间间隔）、保存期限等参数后，系统会显示24小时洁净厂房温湿度变化的历史曲线，便于值班人员进行控制对象的数据分析。在这个曲线中也可以加入设定点值，便于比较实际运行数据和设定点之间的偏差；也可以加入阀门位置和运行的状态，便于分析导致运行数据偏差的原因。

　　（4）能源统计和能效管理功能：系统通过现场各类传感器测量电力、压缩空气、水、热力、天然气等媒介的能源消耗，并通过服务器和操作系统进行数据处理分析后生成能源统计消耗表。图6为工厂冷冻水能源消耗统计表，可以了解到冷冻水系统各流量计测得的当天和当月冷冻水的累计消耗冷量。该表是运行人员进行能源管理的重要依据，是计算系统能效和能耗损失的重要数据参考，是进行能耗再分配的重要参考数据，也是管理人员进行各类能源费用预估的重要参考。

　　（5）其它系统扩展接入功能：DDC系统还可以扩充应用于别的系统。

　　DDC系统可以监视重要生产线设备的运行状态，便于运行人员在得到故障或报警通知后及时恢复生产线设备正常生产；可以辅助管理一些特殊系统，例如将安装于服务器数据中心机房的检测漏水传感器接入系统后，当服务器机房发生漏水情况时可以及时报警通知相关人员进行处理；可以联动控制重要试验室设备，例如车辆振动试验室内的感烟探测器检测到发生火灾异常时，可与DDC系统联动切断试验室的电力供应，确保试验室设备和试验车辆的安全。

　　5结束语

　　本文介绍了DDC系统的网络架构、监控对象和控制过程、主要功能元器件的产品性能、主要功能等。本系统在完成调试后一年时间内运行稳定，无故障发生，各项功能都达到了原设计要求。

　　参考文献：
　　[1]何焕山.工厂电气控制设备[M].北京：高等教育出版社，2004[2]唐志平.供配电技术[M].北京：电子工业出版社，2006.