HVAC监视系统中的PLC设计

HVAC监视系统中的PLC设计

无尘室是液晶生产的关键设施，其中HVAC（Heating, Ventilating and Air-Conditioning. 供暖、通风及空调）系统对于无尘室环境至关重要。HVAC控制系统包含了对冷热源机组、空调机组和空调末端设备的控制，HVAC监视系统则实时监测无尘室内供暖通风及空调设备的启停及故障状况、漏电漏水的报警，同时监测无尘室内各部分的温度、湿度、压力以及设备的温度、压力、流量、频率等其他参数，并对故障报警、设备启停状态和模拟量数据等进行随时的记录保存，从而中央监控人员可以根据监视系统显示的实时数据对相应的报警进行及时处理，可以根据数据趋势图进行分析做相应的预警处理，更可以根据系统记录的历史数据分析系统故障原因。

项目状况

S厂按其生产工艺分为阵列、成盒、模块三个厂房，以及负责全厂动力供给的动力厂房。由于厂房面积大，无尘室暖通设备分散在整个厂房的各个部分，所需监控的信号点无法集中到一个站，所以采用基于PLC的多站分散、集中监视的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统。

根据厂房内的设备分布情况，在各个区域设立多个分站：成盒分站2个，模块分站2个，阵列分站6个，分别收集周边需要监测的数据；工厂有两个监控室，阵列监控室设立两个监控主站，“成盒模块主站PLC1”和“阵列主站PLC1”，分别监视成盒模块厂房和阵列厂房的信息，动力监控室设立“动力主站PLC1”，同时监视包括成盒模块和阵列厂房的所有信息。

各站具体分布如图1所示。

分布在厂房现场的各PLC分站采集到的数据，将通过网络传送到各监控室的PLC主站，再由各上位监控计算机连接主站PLC，通过上位工业监控软件监视和记录全厂现场的相关信息。

PLC硬件配置

1．各站PLC采用目前欧姆龙公司的CS1机型PLC产品

其主要特点包括如下。

（1）先进的性能：进一步提升运算能力，目前行业内的最高运算速度。工业级32位精简指令系统CPU，基本指令处理速度可达0.02μs。CPU内置程序容量可达250K步，数据容量可达448K字，外接存储卡容量可达64MB。本地机架控制点数即可达到5120点。加远程I/O后控制点数可达约10万点以上。

（2）各种与应用相关的指令：具有多种特殊指令，无需进行复杂的编程。带自整定的PID指令、双精度指令、故障诊断指令、堆栈指令等。

（3）集成的开发环境和中间软件：从程序开发到仿真模拟、网络通信、触摸屏软件，都集成在一个统一的软件包中，十分方便。

（4）良好的开放性，无缝的网络系统：从信息层到控制层再到设备层，CS1支持多层符合国际标准网络间的无缝透明信息通信。支持的网络类型主要有：Ethernet、Controllerlink、 Profibus-DP、Devicenet、Modbus、CAN等。

（5）更方便与第三方设备连接：CS1所具有的协议宏功能可方便的与多台不同协议的第三方设备互联。

（6）继承性和维护性：新系统兼容老系统，升级方便；CPU支持无电池操作，支持远程维护等功能，维护起来十分方便。

（7）可实现系统功能扩展：各种基于PLC的过程控制自动化系统、高精度定位、远程监控、现场总线网络系统等。

根据分站和主站PLC负载大小可选择不同档次的CPU：分站PLC只处理本地的数据，数据量小，CPU采用欧姆龙CS1系列CS1H-CPU44H；主站需处理全厂各分站PLC传送来的数据，数据量大，CPU采用欧姆龙CS1系列性能最强的CS1H-CPU67H，其指令处理速度最快，程序、数据容量都是最大。

2．各分站根据现场采集信号数量配置相应的数字量输入（DI）模块和模拟量输入（AI）模块

（1）数字量输入模块（DI）

－ 64点：CS1W-ID261如表1所示。
－ 96点：CS1W-ID291如表2所示。

（2）模拟量输入模块（AI）

－ 8点：CS1W-AD081-V1。
－ 输入点数：8路。
－ 输入范围： 0~5V，1~5V，0~10V，-10~+10V，4~20mA可选。
－ 分辨率：≥13位（1/8000）。
－ 隔离方式：光电隔离。
－ 转换速度：1ms/点。
－ 精度（25℃）：电压±0.2% 电流±0.4%。
－ 其他功能：断线检测，峰值保持、平均值功能、定标功能等。
－ 外部连接：采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于连接和维修。

网络架构

1.现场一层PLC网络

现场各分站PLC和监控室主站PLC之间采用欧姆龙控制器链接网光纤冗余环网（Controller Link）：成盒模块现场4个站PLC和位于阵列监控室的成盒模块主站PLC1构成一个光纤环网，通过成盒模块现场一层网络CLK1，将成盒模块现场各PLC采集的数据汇集到成盒模块主站PLC1做监控显示；阵列现场6个站PLC和位于阵列监控室的阵列主站PLC1构成一个光纤环网，通过阵列现场一层网络CLK1，将阵列现场各PLC采集的数据汇集到阵列主站PLC1做监控显示。

2.监控二层PLC网络

通过现场一层网络，现场PLC采集的数据都被汇集到了阵列监控室的两个主站PLC1。而动力监控室内对全厂数据的监控显示则通过动力主站1和成盒模块主站1、阵列主站1之间监控二层网络CLK2，将成盒模块主站1和阵列主站1汇集的现场数据全部集中到动力主站PLC1，完成全厂的监控显示。

3.信息层以太网

监控上位机通过以太网和监控室内各主站PLC1通信，实时显示现场数据并做数据记录。

信息层以太网链接如图2所示。

图2 信息层以太网链接图

软件构成

1．上位工业监控软件

上位工业监控软件采用美国罗克韦尔软件公司开发的RSView 32，RSView32是一种集成式的、组件化的人机接口软件，它运行于Windows95/98/2000/NT等操作系统下，可实现监视和控制自动化设备和过程。其可以很方便地完成工艺监控画面的形成、数据实时采集、趋势记录分析、报警报表打印等任务。该软件还具有很强的网络浏览器集成功能、嵌入标准的编程语言(VB)、在线帮助、支持实时视频图像和嵌入字处理、电子表格和ActiveX文本等功能。

上位软件主要完成对设备的主要工艺参数和运行状态分别以工艺画面和表格的形式进行监视、在画面设置并监视主要控制回路的调节参数及过程、对主要仪表数据进行趋势记录、报警记录及联锁值的设定。

2. OPC Server

以前上位软件与现场自动化设备相连需要开发专用的底层通信接口，实际应用很不方便。

现在OPC作为自动化系统、现场总线、现场总线设备和办公管理应用程序之间的有效连接方式，使办公室和现场设备之间的数据交换简捷化、标准化，极大地简化了系统的结构，使原来错综复杂的体系结构变得简单清晰，上位软件只需注意与OPC Server之间的数据交换，而不必担心具体设备的连接问题。

OPC（用于过程控制的OLE）是一个工业标准，基于微软的OLE（现在的Active X）、COM（部件对象模型）和DCOM（分布式部件对象模型）技术。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。Active X/COM技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据。不论过程中采用什么软件或设备，OPC为多种多样的过程控制设备之间进行通信提供了公用的接口。

欧姆龙SYSMAC OPC Server是专用于欧姆龙系列PLC等设备的OPC软件，在本系统用于与上位软件RSView32的数据接口，实现罗克韦尔的RSView32与欧姆龙PLC的数据交换。

3.通信工具软件

FinsGateWay是欧姆龙PLC的通信接口工具软件，主要用于上位机与PLC各种通信网络之间的管理，并提供建立通信的数据接口。在本系统中，其主要用于上位机和PLC以太网之间的通信控制和数据管理，在软件中可以对欧姆龙PLC以太网进行设定和服务启停控制。

本系统中，监控上位机和监控室内各主站PLC1之间物理连接通过以太网来实现；而SYSMAC OPC Server通过PLC通信接口工具软件FinsGateWay与PLC进行数据交换，同时又和RSView 32数据库（DataBase）进行数据交换，成为罗克韦尔RSView32和欧姆龙PLC的链接的软件接口。

软件链接图如图3所示。

4.PLC编程软件

CX-Programmer是欧姆龙公司PLC的软件编程、调试工具程序，其运行在Windows98\NT\2000操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。欧姆龙的SYSMAC CS1系列PLC具有较丰富的指令系统，其包括继电器指令、定时器和计数器指令、计算指令(包括三角函数、指数、幂运算等)、数据转换、诊断、位移寄存器、比较、数据传送、程序控制和PID控制等指令。利用这些指令即可完成本系统现场环境、设备参数的数据采集、处理和传送