HVAC監視系統中的PLC設計

無塵室是液晶生產的關鍵設施，其中HVAC（Heating, Ventilating and Air-Conditioning. 供暖、通風及空調）系統對于無塵室環境至關重要。HVAC控制系統包含了對冷熱源機組、空調機組和空調末端設備的控制，HVAC監視系統則實時監測無塵室內供暖通風及空調設備的啟停及故障狀況、漏電漏水的報警，同時監測無塵室內各部分的溫度、濕度、壓力以及設備的溫度、壓力、流量、頻率等其他參數，并對故障報警、設備啟停狀態和模擬量數據等進行隨時的記錄保存，從而中央監控人員可以根據監視系統顯示的實時數據對相應的報警進行及時處理，可以根據數據趨勢圖進行分析做相應的預警處理，更可以根據系統記錄的歷史數據分析系統故障原因。

項目狀況

S廠按其生產工藝分為陣列、成盒、模塊三個廠房，以及負責全廠動力供給的動力廠房。由于廠房面積大，無塵室暖通設備分散在整個廠房的各個部分，所需監控的信號點無法集中到一個站，所以采用基于PLC的多站分散、集中監視的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統。

根據廠房內的設備分布情況，在各個區域設立多個分站：成盒分站2個，模塊分站2個，陣列分站6個，分別收集周邊需要監測的數據；工廠有兩個監控室，陣列監控室設立兩個監控主站，“成盒模塊主站PLC1”和“陣列主站PLC1”，分別監視成盒模塊廠房和陣列廠房的信息，動力監控室設立“動力主站PLC1”，同時監視包括成盒模塊和陣列廠房的所有信息。

各站具體分布如圖1所示。

分布在廠房現場的各PLC分站采集到的數據，將通過網絡傳送到各監控室的PLC主站，再由各上位監控計算機連接主站PLC，通過上位工業監控軟件監視和記錄全廠現場的相關信息。

PLC硬件配置

1．各站PLC采用目前歐姆龍公司的CS1機型PLC產品

其主要特點包括如下。

（1）先進的性能：進一步提升運算能力，目前行業內的最高運算速度。工業級32位精簡指令系統CPU，基本指令處理速度可達0.02μs。CPU內置程序容量可達250K步，數據容量可達448K字，外接存儲卡容量可達64MB。本地機架控制點數即可達到5120點。加遠程I/O后控制點數可達約10萬點以上。

（2）各種與應用相關的指令：具有多種特殊指令，無需進行復雜的編程。帶自整定的PID指令、雙精度指令、故障診斷指令、堆棧指令等。

（3）集成的開發環境和中間軟件：從程序開發到仿真模擬、網絡通信、觸摸屏軟件，都集成在一個統一的軟件包中，十分方便。

（4）良好的開放性，無縫的網絡系統：從信息層到控制層再到設備層，CS1支持多層符合國際標準網絡間的無縫透明信息通信。支持的網絡類型主要有：Ethernet、Controllerlink、 Profibus-DP、Devicenet、Modbus、CAN等。

（5）更方便與第三方設備連接：CS1所具有的協議宏功能可方便的與多臺不同協議的第三方設備互聯。

（6）繼承性和維護性：新系統兼容老系統，升級方便；CPU支持無電池操作，支持遠程維護等功能，維護起來十分方便。

（7）可實現系統功能擴展：各種基于PLC的過程控制自動化系統、高精度定位、遠程監控、現場總線網絡系統等。

根據分站和主站PLC負載大小可選擇不同檔次的CPU：分站PLC只處理本地的數據，數據量小，CPU采用歐姆龍CS1系列CS1H-CPU44H；主站需處理全廠各分站PLC傳送來的數據，數據量大，CPU采用歐姆龍CS1系列性能最強的CS1H-CPU67H，其指令處理速度最快，程序、數據容量都是最大。

2．各分站根據現場采集信號數量配置相應的數字量輸入（DI）模塊和模擬量輸入（AI）模塊

（1）數字量輸入模塊（DI）

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

（2）模擬量輸入模塊（AI）

－ 8點：CS1W-AD081-V1。
－ 輸入點數：8路。
－ 輸入范圍： 0~5V，1~5V，0~10V，-10~+10V，4~20mA可選。
－ 分辨率：≥13位（1/8000）。
－ 隔離方式：光電隔離。
－ 轉換速度：1ms/點。
－ 精度（25℃）：電壓±0.2% 電流±0.4%。
－ 其他功能：斷線檢測，峰值保持、平均值功能、定標功能等。
－ 外部連接：采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于連接和維修。

網絡架構

1.現場一層PLC網絡

現場各分站PLC和監控室主站PLC之間采用歐姆龍控制器鏈接網光纖冗余環網（Controller Link）：成盒模塊現場4個站PLC和位于陣列監控室的成盒模塊主站PLC1構成一個光纖環網，通過成盒模塊現場一層網絡CLK1，將成盒模塊現場各PLC采集的數據匯集到成盒模塊主站PLC1做監控顯示；陣列現場6個站PLC和位于陣列監控室的陣列主站PLC1構成一個光纖環網，通過陣列現場一層網絡CLK1，將陣列現場各PLC采集的數據匯集到陣列主站PLC1做監控顯示。

2.監控二層PLC網絡

通過現場一層網絡，現場PLC采集的數據都被匯集到了陣列監控室的兩個主站PLC1。而動力監控室內對全廠數據的監控顯示則通過動力主站1和成盒模塊主站1、陣列主站1之間監控二層網絡CLK2，將成盒模塊主站1和陣列主站1匯集的現場數據全部集中到動力主站PLC1，完成全廠的監控顯示。

3.信息層以太網

監控上位機通過以太網和監控室內各主站PLC1通信，實時顯示現場數據并做數據記錄。

信息層以太網鏈接如圖2所示。

圖2 信息層以太網鏈接圖

軟件構成

1．上位工業監控軟件

上位工業監控軟件采用美國羅克韋爾軟件公司開發的RSView 32，RSView32是一種集成式的、組件化的人機接口軟件，它運行于Windows95/98/2000/NT等操作系統下，可實現監視和控制自動化設備和過程。其可以很方便地完成工藝監控畫面的形成、數據實時采集、趨勢記錄分析、報警報表打印等任務。該軟件還具有很強的網絡瀏覽器集成功能、嵌入標準的編程語言(VB)、在線幫助、支持實時視頻圖像和嵌入字處理、電子表格和ActiveX文本等功能。

上位軟件主要完成對設備的主要工藝參數和運行狀態分別以工藝畫面和表格的形式進行監視、在畫面設置并監視主要控制回路的調節參數及過程、對主要儀表數據進行趨勢記錄、報警記錄及聯鎖值的設定。

2. OPC Server

以前上位軟件與現場自動化設備相連需要開發專用的底層通信接口，實際應用很不方便。

現在OPC作為自動化系統、現場總線、現場總線設備和辦公管理應用程序之間的有效連接方式，使辦公室和現場設備之間的數據交換簡捷化、標準化，極大地簡化了系統的結構，使原來錯綜復雜的體系結構變得簡單清晰，上位軟件只需注意與OPC Server之間的數據交換，而不必擔心具體設備的連接問題。

OPC（用于過程控制的OLE）是一個工業標準，基于微軟的OLE（現在的Active X）、COM（部件對象模型）和DCOM（分布式部件對象模型）技術。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業自動化系統。Active X/COM技術定義各種不同的軟件部件如何交互使用和分享數據。不論過程中采用什么軟件或設備，OPC為多種多樣的過程控制設備之間進行通信提供了公用的接口。

歐姆龍SYSMAC OPC Server是專用于歐姆龍系列PLC等設備的OPC軟件，在本系統用于與上位軟件RSView32的數據接口，實現羅克韋爾的RSView32與歐姆龍PLC的數據交換。

3.通信工具軟件

FinsGateWay是歐姆龍PLC的通信接口工具軟件，主要用于上位機與PLC各種通信網絡之間的管理，并提供建立通信的數據接口。在本系統中，其主要用于上位機和PLC以太網之間的通信控制和數據管理，在軟件中可以對歐姆龍PLC以太網進行設定和服務啟停控制。

本系統中，監控上位機和監控室內各主站PLC1之間物理連接通過以太網來實現；而SYSMAC OPC Server通過PLC通信接口工具軟件FinsGateWay與PLC進行數據交換，同時又和RSView 32數據庫（DataBase）進行數據交換，成為羅克韋爾RSView32和歐姆龍PLC的鏈接的軟件接口。

軟件鏈接圖如圖3所示。

4.PLC編程軟件

CX-Programmer是歐姆龍公司PLC的軟件編程、調試工具程序，其運行在Windows98\NT\2000操作系統下，具有豐富、簡捷的操作環境和強大的編程、調試功能。歐姆龍的SYSMAC CS1系列PLC具有較豐富的指令系統，其包括繼電器指令、定時器和計數器指令、計算指令(包括三角函數、指數、冪運算等)、數據轉換、診斷、位移寄存器、比較、數據傳送、程序控制和PID控制等指令。利用這些指令即可完成本系統現場環境、設備參數的數據采集、處理和傳送