1 引言
SLC500是羅克韋爾自動(dòng)化公司經(jīng)典的中小型框架式可編程邏輯控制器，具有強(qiáng)大的處理能力，通訊網(wǎng)絡(luò)、功能模塊、存儲(chǔ)容量都可以靈活地進(jìn)行選擇和配置，穩(wěn)定可靠、高性價(jià)比、易用的特點(diǎn)多年來在潔凈廠房的控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
2 項(xiàng)目概況
2.1 BMS系統(tǒng)控制區(qū)域
芯片裝測(cè)試智能建筑管理系統(tǒng)BMS（Building Management System）系統(tǒng)主要控制以下幾大區(qū)域：
（1）潔凈室：提供符合潔凈度以及溫濕度的生產(chǎn)主廠房；
（2）動(dòng)力廠房：提供生產(chǎn)需要的冷凍水、冷卻水、熱水和純水；
（3）倉庫：成品堆放周轉(zhuǎn)區(qū)；
（4）辦公樓。
2.2 BMS系統(tǒng)工藝與設(shè)備
（1）暖通空調(diào)HVAC。（Heating Ventilation and Air-Conditioning），HVAC用于控制潔凈室、辦公區(qū)、倉庫區(qū)域的溫度、濕度、露點(diǎn)以及壓力等參數(shù)；執(zhí)行設(shè)備有空調(diào)機(jī)組、調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機(jī)、泵?？照{(diào)機(jī)組分為新風(fēng)空調(diào)、循環(huán)風(fēng)空調(diào)、一般空調(diào)等設(shè)備。根據(jù)半導(dǎo)體潔凈設(shè)計(jì)規(guī)范，潔凈室要求溫度20～26℃，露點(diǎn)：9～11℃；辦公區(qū)要求溫度20～26℃；倉庫區(qū)要求溫度20～26℃，濕度40%～60%。
（2）冷熱源系統(tǒng)。冷凍水系統(tǒng)為工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)和HVAC系統(tǒng)提供低溫冷凍水；鍋爐和熱回收系統(tǒng)則為BMS系統(tǒng)提供熱水。
（3）其它子系統(tǒng)。包括排放熱量和水汽的排風(fēng)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、純水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、應(yīng)急燃油發(fā)電系統(tǒng)等。
為了節(jié)能，系統(tǒng)對(duì)這些被控的風(fēng)機(jī)和泵采用變頻器進(jìn)行控制。
3 BMS自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
參見圖1BMS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。
圖1 BMS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖
（1）BMS系統(tǒng)功能。工藝過程的畫面實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)記錄；過程設(shè)備的控制和參數(shù)設(shè)置；設(shè)備診斷和報(bào)警，通過GPRS modem以短消息的形式把信息發(fā)送到相關(guān)人員的移動(dòng)電話上。BMS系統(tǒng)所有設(shè)備的操作分為就地Local（硬手動(dòng)）和遠(yuǎn)程Remote兩種。在Local時(shí)，只能通過現(xiàn)場(chǎng)的MCC柜對(duì)風(fēng)機(jī)和泵進(jìn)行就地操作，BMS系統(tǒng)僅僅顯示其狀態(tài)；當(dāng)設(shè)備處于遠(yuǎn)程Remote控制位置時(shí)，BMS對(duì)此設(shè)備的控制有2種模式，即自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。設(shè)備處于自動(dòng)模式時(shí)，由BMS根據(jù)邏輯和現(xiàn)場(chǎng)工況自動(dòng)啟動(dòng)/停止該設(shè)備；設(shè)備處于手動(dòng)模式時(shí)，操作員可以用畫面上的啟動(dòng)/停止按鈕啟/停該設(shè)備，并且需要操作進(jìn)行確認(rèn)。
（2）BMS系統(tǒng)硬件。系統(tǒng)由15套冗余SLC500系統(tǒng)，3套單機(jī)SLC500和11套MiroLogix1200微型PLC組成?？刂凭幊誊浖捎肦SLogix500，HMI軟件系統(tǒng)采用RSView32的ADS（服務(wù)器/客戶端）系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)引擎軟件RSSQL 將重要的工藝參數(shù)記錄到SQL數(shù)據(jù)庫供遠(yuǎn)程維護(hù)和管理。
系統(tǒng)11套冗余的的SLC500的CPU之間采用DH+通訊網(wǎng)絡(luò)，然后通過雙Ethernet/DH+的網(wǎng)關(guān)連接到Ethernet網(wǎng)絡(luò)，再連接到冗余的服務(wù)器Server A和Server B，微型PLC經(jīng)過串口/以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接到HMI服務(wù)器。其它的PLC直接通過CPU的以太網(wǎng)口連接到HMI服務(wù)器。三方設(shè)備如冷凍機(jī)組和鍋爐等采用Modbus通訊接入系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
SLC500控制器＋FLEX遠(yuǎn)程RIO的結(jié)構(gòu)形式。
（1）功能強(qiáng)大的處理器。
l內(nèi)存容量最多可達(dá)64K字，數(shù)據(jù)/程序內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配，系統(tǒng)資源如定時(shí)器等只取決于系統(tǒng)的內(nèi)存容量；
l 強(qiáng)大的I/O容量，最大可達(dá)8192點(diǎn)I/O；
l 提供豐富的診斷信息。
（2）穩(wěn)定可靠。
l SLC500提供系統(tǒng)冗余功能；
l Flex I/O模塊可以帶電插拔；
（3）靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通訊網(wǎng)絡(luò)。
l 遠(yuǎn)程I/O鏈RIO通訊速度最快230K/bps，最遠(yuǎn)距離3300m(57.6K/bps)；適合于分布式應(yīng)用；
l靈活的通訊網(wǎng)絡(luò)選擇：CPU內(nèi)置有DH+/Ethernet/串口；
l 廣泛的開放的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線選擇：EtherNet/IP、 DeviceNet、 ControlNet。
3.3 控制策略
（1）HVAC系統(tǒng)控制。HVAC系統(tǒng)主要是為了保持被控區(qū)域特定的溫度、濕度、露點(diǎn)以確保產(chǎn)品的質(zhì)量，控制壓差以防止?jié)崈羰冶皇彝夥蹓m的污染并采用VFD技術(shù)達(dá)到節(jié)能的目的；同時(shí)也是為了向潔凈室補(bǔ)充一定的新風(fēng)以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。典型的新風(fēng)空調(diào)MAH控制原理示意如圖2所示。新風(fēng)首先通過預(yù)慮網(wǎng)，經(jīng)過降溫除濕（夏天）、加熱（冬天）、再經(jīng)高再熱終濾網(wǎng)送入各風(fēng)管，最后經(jīng)FFU送風(fēng)口過濾后送入控制區(qū)各房間。
圖2 MAH控制原理示意圖
（2）焓值（加熱）控制回路。焓值是溫度和濕度的綜合，是一個(gè)能量單位，由溫度和濕度經(jīng)過運(yùn)算得出。我們?cè)O(shè)定一個(gè)焓值的高限和低限，當(dāng)室外的焓值剔的數(shù)值<低限時(shí)，處于冬季模式，加熱回路開始工作；當(dāng)焓值>高限時(shí)，為夏季模式；二者之間認(rèn)為是過渡死區(qū)，保持原先的控制模式。
在冬季，室外空氣比較干冷（溫度低，濕度?。?jīng)加濕器霧化后的水霧會(huì)凝結(jié)成水滴，加濕效果很差，因此必須使熱水通過加熱盤管對(duì)室外新風(fēng)加熱使得焓值達(dá)到一定數(shù)值。這是一個(gè)單PID控制調(diào)節(jié)（圖中所示為AC-03控制回路），系統(tǒng)焓值控制的設(shè)定點(diǎn)SP＝34kj/kg，其熱力學(xué)的計(jì)算公式如式（1）：
En=1.01×t+d×（1.84×t+2500） （1）
式中：
En ——焓值（kj/kg）
t ——加熱盤管后的測(cè)量溫度TET-03（℃）
d ——室外新風(fēng)的含濕量NET-04（g/Kg）
（3）壓力控制回路。為了避免室外污物對(duì)潔凈室的污染，系統(tǒng)要求潔凈室和非潔凈區(qū)之間必須是正壓。取兩個(gè)壓力變送器PT-01（設(shè)置有A/B兩個(gè)測(cè)點(diǎn)）的平均值或正常無故障的壓力變送器的壓力值作為PV，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通常該壓力回路的SP>5Pa，經(jīng)過PID運(yùn)算（SC-01）之后，控制變頻器的輸出頻率從而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到控制正壓的目的。
（4）露點(diǎn)控制回路。這是一個(gè)典型的串級(jí)控制回路，多個(gè)測(cè)點(diǎn)的露點(diǎn)值的平均值（通常會(huì)設(shè)置多于4個(gè)，在剔除壞點(diǎn)信號(hào)之后）作為主回路的露點(diǎn)PV，主回路的控制輸出CV經(jīng)過運(yùn)算之后作為副回路的SP，副回路的PV則采用MAH風(fēng)管出口的露點(diǎn)。副回路的SP既可以用主回路的直接百分比輸出，也可以經(jīng)過一定的變換來得到代表工程量的數(shù)值，比如副回路PID的用工程量的設(shè)定值SPs可用表達(dá)式2：
SPs=SPm+（k×CVm-1）×x （2）
式中：
SPs ——副回路的設(shè)定值℃
SPm ——主回路的設(shè)定值℃
CVm ——主回路控制輸出（0%～100%）
x ——露點(diǎn)控制的偏差范圍
k ——調(diào)整系數(shù)
假定SPm為10℃，k為1.0，x為1.0℃，則實(shí)際的HVAC的露點(diǎn)控制副回路的設(shè)定值在 9.0～11.0℃之間。該控制回路是一個(gè)典型的分程控制過程，加濕和除濕回路（制冷）互斥不能同時(shí)起作用。系統(tǒng)在焓值小于焓值控制低限時(shí)會(huì)啟動(dòng)加濕過程，大于焓值控制高限時(shí)則停止加濕。當(dāng)在夏季模式由于室外新風(fēng)濕度會(huì)較高，經(jīng)過冷盤管的除濕過程之后有時(shí)會(huì)導(dǎo)致MAH出口溫度過低從而使得潔凈室溫度偏低，因此在在風(fēng)機(jī)之后還有一個(gè)再熱盤管，通過控制流過再熱盤管熱水量從而使得MAH出口溫度保持在某個(gè)范圍之內(nèi)，該溫度調(diào)節(jié)作用靠TC-02來實(shí)現(xiàn)。
（5）潔凈室內(nèi)溫度控制回路。潔凈室溫度控制與二次冷凍水子系統(tǒng)相關(guān)，其控制示意如圖3所示。
圖3 潔凈室溫度控制
干冷盤管安裝在潔凈室的吊頂上，由于封裝設(shè)備會(huì)產(chǎn)生熱量，因此較高溫度的空氣經(jīng)過干冷盤管換熱后再經(jīng)過濾單元回到潔凈室，最終使得控制潔凈室內(nèi)溫度空間溫度保持在20-℃左右。這個(gè)過程是通過圖示右側(cè)的TC-20控制回路實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)潔凈室通常包含多個(gè)這樣的冷盤管控制區(qū)域。通過冷盤管的二次冷凍水溫度被控制在高于潔凈室的露點(diǎn)，因此不會(huì)產(chǎn)生結(jié)露的情況。BMS系統(tǒng)通過將一次冷凍水和干冷盤管的一部分回水混合后將干冷盤管的進(jìn)水溫度控制在合適的范圍內(nèi)（由TC-10回路實(shí)現(xiàn)）。
HVAC子系統(tǒng)通常會(huì)有多臺(tái)MAH，他們之間會(huì)采用幾用一備的方式輪流工作，我們稱之為群控。整個(gè)BMS系統(tǒng)有很多子系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)/泵都采用群控方式來工作，如排風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，冷卻水、冷凍水、工業(yè)水系統(tǒng)、倉庫等區(qū)域的泵。
HVAC系統(tǒng)除了MAH之外，通常還包括一般空調(diào)AHU和回風(fēng)空調(diào)RAH。一般空調(diào)AHU主要對(duì)某個(gè)單獨(dú)區(qū)域如實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行控制，而回風(fēng)空調(diào)RHU則是可以對(duì)回風(fēng)量和新風(fēng)量進(jìn)行控制以達(dá)到既保證空氣清新又節(jié)能的目的，控制比起MAH來相對(duì)要簡(jiǎn)單一些。
3.4 SLC500冗余設(shè)計(jì)
（1）冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。SLC500冗余系統(tǒng)的主從機(jī)架完全相同，機(jī)架上安裝有一個(gè)CPU和一個(gè)或多個(gè)BSN模塊，其中一對(duì)BSN負(fù)責(zé)DH+通訊的冗余，其它配對(duì)的BSN則實(shí)現(xiàn)冗余的RIO數(shù)據(jù)通訊。通常用DH+網(wǎng)絡(luò)作為HMI通訊，RIO用于連接遠(yuǎn)程IO。一個(gè)冗余SLC500系統(tǒng)最多支持8對(duì)BSN模塊，亦即最多可接8個(gè)RIO通訊鏈路，每個(gè)RIO鏈最多1024點(diǎn)I/O，因此一個(gè)SLC500冗余系統(tǒng)最多可有8192點(diǎn)I/O。典型的SLC500冗余系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 SLC500冗余系統(tǒng)示意圖
（2）冗余系統(tǒng)的運(yùn)行。SLC500冗余系統(tǒng)的主處理器框架在以下幾種情況下會(huì)發(fā)生主從的切換：
l 電源故障或掉電；
l 處理器主要故障；
l BSN模塊故障（包括RIO鏈的通訊超時(shí)）；
l 處理器沒有處于RUN運(yùn)行狀態(tài)。
通常主從切換的時(shí)間在50ms＋1個(gè)完整的程序掃描時(shí)間，假如主處理器的DH+地址為N,則從機(jī)為N+1，當(dāng)發(fā)生主從切換時(shí)，處理器會(huì)發(fā)生地址的交換,這樣我們?cè)贖MI或編程軟件上始終訪問的邏輯上的主處理器。處理器之間的數(shù)據(jù)同步靠同步子程序來實(shí)現(xiàn)，主處理器把需要同步的信息傳送到BSN的數(shù)據(jù)交換區(qū)，從處理器則從該交換區(qū)讀取這些數(shù)據(jù)。
處理器經(jīng)過DH+網(wǎng)絡(luò)后再通過雙Ethernet/DH+網(wǎng)關(guān)連接到兩個(gè)服務(wù)器上，因此系統(tǒng)一方面提供了服務(wù)器到處理器的雙通訊線路（通過通訊驅(qū)動(dòng)RSLinx的OPC通訊別名或RSView32通訊結(jié)點(diǎn)切換），另一方面又提供了雙服務(wù)器，當(dāng)任一服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，操作員站會(huì)自動(dòng)切換到另外一個(gè)服務(wù)器上,具有很高的可靠性。
4 結(jié)束語
某公司的芯片封裝工廠通過采用SLC500冗余系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)BMS系統(tǒng)的正?？刂疲辛Φ乇ＷC了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。實(shí)踐證明，該廠的BMS控制系統(tǒng)不失為高可靠性、高性價(jià)比、易于使用和維護(hù)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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