關于工業自動化中直接數字控制系統探究論文
0引言
直接數字控制系統（DDC系統）是一個集成的在線控制系統，用于監控各類不同區域、不同屬性的能源供應媒介對象，如水、電力、空調、潔凈廠房運行狀況等。DDC系統由于具有快速的反饋響應和很強的數據處理能力，因此廣泛應用于工業自動化控制領域，發揮著節能和減少二氧化碳排放的重要作用。
1 DDC系統的網絡架構
DDC系統的網絡架構可分為現場設備控制層、PLC單元層、管理控制層。現場設備控制層是最底層，PLC單元直接連接各類現場檢測傳感器和控制閥門，在收集了現場檢測傳感器送來的模擬量和數字量信號后，按照事先編寫好的程序進行數據處理，然后通過模擬量和數字量輸出模塊控制相應的控制對象。
PLC單元層是中間層，每個PLC工作站控制了一定數量的設備，這些PLC單元性能穩定并能按照事先編寫好的程序進行數據處理，各PLC工作站通過公司內部局域網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員可以實時了解到現場設備的運行狀況并可調整控制參數；也可通過調制解調器將系統報警信號實時傳輸到值班人員手機上，或連接到DDC系統服務器，由服務器負責收集系統運行參數和報警記錄等歷史數據。圖1是DDC系統網絡架構圖。
2 DDC系統監控對象
DDC系統的控制對象可以是溫度、濕度、生活用水、冷卻水、冷凍水系統壓力、動力設備的開/停控制等物理量參數。現以潔凈廠房的恒溫和恒濕控制為例介紹DDC系統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%.該廠房不同區域內安裝了溫濕度傳感器，可在線測量不同區域的溫度和濕度參數，這些參數經信號傳輸電纜送入PLC控制單元；PLC的CPU單元在計算測量值與設定值之間的偏差后，通過預先編寫好的控制算法程序計算出相應的模擬量輸出信號，來調節空氣處理箱冷熱送水管道上電動閥門的開度，進而調節空氣處理箱送風的溫度和濕度。
該例中DDC系統的控制對象是廠房內的溫度和濕度，系統通過模擬量信號輸入環節、PLC單元計算控制環節、模擬量輸出環節，最后實現潔凈廠房內恒溫和恒濕的控制。由于潔凈廠房的溫濕度控制還有很多別的影響因素，例如室外環境溫濕度的變化、空氣處理箱新風閥的開度、空氣處理箱排風閥的開度、潔凈廠房生產設備運行的數量、潔凈廠房大門開啟次數等，因此需要系統在調試和運行階段不斷觀察和調整控制參數，達到系統運行的最優化并較好地實現潔凈廠房的恒溫和恒濕控制。
3 DDC系統的主要元器件
DDC系統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的以太網接口，最高可達12Mbaud通信速率的Profibus-DP現場總線接口，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別不同用途的I/O模塊。現場溫濕度傳感器、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換成數字信號后送入PLC CPU模塊進行數據計算，CPU模塊上不同的閃燈顏色代表了不同的運行狀態。現場按鈕的開/停信號、設備運行的狀態信號、故障報警信號可以接入DI16或DI32數字量輸入模塊。現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經過程序計算輸出的數值通過模擬量輸出模塊轉換成0~10V或4~20mA的電信號，驅動控制電動閥門的開度或變頻器的轉速輸出。現場電控箱內的交流接觸器或指示燈可以接入DO16或DO32數字量輸出模塊，DDC系統通過數字量輸出模塊將程序計算輸出的On/Off信號轉換成設備開/停或指示燈點亮/關閉的輸出指令。圖3是In-draControl L40PLC的I/O單元模塊。
4 DDC系統的主要功能
（1）報警功能：系統可以監視底層設備的運行狀態（如空壓機、水泵、排風機的開/停狀態），可對運行數據設定報警限值（如溫濕度、壓力、電流等設定報警的下限值和上限值），可接收設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送到值班人員手機上，也可通過以太網實時送到監控電腦的操作界面上。
（2）設備開/停時間計劃表：系統可對每臺運行設備設置開啟/關閉的時間，由圖4的設備控制時刻表可以發現，系統能對空氣處理箱、排風機、風機盤管等設備設定周一到周日開啟和關閉的時間。設備運行時刻表滿足了設備運行的時間控制需求，減少了系統運行能耗，減輕了值班人員的工作量。
（3）歷史記錄曲線：系統有BDE記錄器功能，能記錄運行數據和機器設備的歷史運行狀態，運行數據可通過Excel實現可視化。監視對象可以是建筑物內部和外部的溫度和濕度、系統工作壓力、電流大小等物理參數。圖5是潔凈廠房溫度和濕度的歷史記錄曲線，在定義了監視對象名稱、采集階段（采集開始和結束的時間）、分辨率（記錄數據的時間間隔）、保存期限等參數后，系統會顯示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據分析。在這個曲線中也可以加入設定點值，便于比較實際運行數據和設定點之間的偏差；也可以加入閥門位置和運行的狀態，便于分析導致運行數據偏差的原因。
（4）能源統計和能效管理功能：系統通過現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，并通過服務器和操作系統進行數據處理分析后生成能源統計消耗表。圖6為工廠冷凍水能源消耗統計表，可以了解到冷凍水系統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，是計算系統能效和能耗損失的重要數據參考，是進行能耗再分配的重要參考數據，也是管理人員進行各類能源費用預估的重要參考。
（5）其它系統擴展接入功能：DDC系統還可以擴充應用于別的系統。
DDC系統可以監視重要生產線設備的運行狀態，便于運行人員在得到故障或報警通知后及時恢復生產線設備正常生產；可以輔助管理一些特殊系統，例如將安裝于服務器數據中心機房的檢測漏水傳感器接入系統后，當服務器機房發生漏水情況時可以及時報警通知相關人員進行處理；可以聯動控制重要試驗室設備，例如車輛振動試驗室內的感煙探測器檢測到發生火災異常時，可與DDC系統聯動切斷試驗室的電力供應，確保試驗室設備和試驗車輛的安全。
5結束語
本文介紹了DDC系統的網絡架構、監控對象和控制過程、主要功能元器件的產品性能、主要功能等。本系統在完成調試后一年時間內運行穩定，無故障發生，各項功能都達到了原設計要求。
參考文獻：
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