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分析了藥廠環(huán)境控制系統(tǒng)的原理、構成和功能，介紹了LonWorks現場總線技術在藥廠環(huán)控系統(tǒng)中的具體應用。
關鍵詞：環(huán)控，LonWorks，現場總線
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1 引言
藥廠環(huán)境控制系統(tǒng)工程是一項重要的自動化控制項目，它直接關系到制藥產品的質量。為了使生產出來的藥品能夠達到一個較高的質量水平，使其能夠符合GMP生產標準，就必須嚴格控制生產車間內的空氣壓力、溫度、濕度、以及潔凈度，為此，需要一種先進可靠的控制技術來實現對藥廠環(huán)境溫濕度等的精確控制。而LonWorks控制網絡是一種具有很強的互連性及互操作性的開放式控制網絡，它體現了目前工業(yè)現場總線的最新發(fā)展趨勢，解決了許多其它現場總線所不能解決的問題，在各種控制領域得到越來越多的應用。我們將LonWorks網絡控制技術成功應用于南京長澳制藥廠的環(huán)境控制系統(tǒng)，通過LonWorks控制網絡將分布的各控制對象連接起來，實現了一套分布式控制和集中監(jiān)控的先進可靠的系統(tǒng)。
2 藥廠環(huán)控系統(tǒng)組成及功能
根據藥廠的實際情況，將其環(huán)境控制系統(tǒng)分成二個子系統(tǒng)：冷水機組監(jiān)控子系統(tǒng)和空調機組監(jiān)控子系統(tǒng)。
2．1 冷水機組監(jiān)控子系統(tǒng)
該系統(tǒng)由冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)組成，設備包括冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、冷水機組、膨脹水箱、集水器、分水器、設備之間的連接管線及閥門等。冷水機組監(jiān)控原理如圖1所示。
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2．1．1 監(jiān)控原理
??? （1）冷凍水系統(tǒng)
如圖1所示，在集水器的出口、分水器的進口以及蒸發(fā)器出水口分別安裝水溫傳感器。監(jiān)控系統(tǒng)根據水溫傳感器和流量計測出的數據，算出整個藥廠的冷負荷，并根據冷負荷大小確定冷水機組及冷凍水泵的開啟臺數。集水器出口、分水器進口的壓力傳感器用來檢測集、分水器之間的壓差，一旦監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現集、分水器之間的壓差值超出限定值，監(jiān)控系統(tǒng)立即啟動集、分水器之間的電動旁通調節(jié)閥使集、分水器之間的壓差值回到正常值。
對于冷凍水泵，只要監(jiān)控水泵的啟?？刂?、運行模式、故障報警和手/自動切換等數字輸入輸出量。
（2）冷卻水系統(tǒng)
如圖1所示，在冷水機組冷凝器的進出口加溫度傳感器，根據冷卻水的供回水溫差計算負荷，控制冷卻水泵和冷卻塔的運行臺數。并且給冷卻水泵和過濾器兩邊防設置壓差傳感器以檢測水泵和過濾器兩旁的壓差。
對于冷卻水泵，只要監(jiān)控水泵的啟停控制、運行模式、故障報警和手/自動切換等數字輸入輸出量。
在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，所有模擬輸入量數據都通過SMART CONTROL公司的AD80模擬輸入模塊轉換為數字量，并被傳輸到環(huán)控中心和控制器。所有數字輸入輸出量都通過D80數字輸入輸出模塊送往控制中心或現場執(zhí)行器。另外，系統(tǒng)中需要進行線性調節(jié)的控制對象（即模擬輸出量），例如旁通調節(jié)閥采用MN200控制器控制。系統(tǒng)監(jiān)控原理如圖2所示。
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2．1．2 系統(tǒng)功能
冷水機組子系統(tǒng)功能如下：
（1）在控制中心計算機屏幕上給出冷水機組系統(tǒng)運態(tài)運行自控圖，實時監(jiān)控溫度、壓力、流量及設備運行狀態(tài)等各項參數。顯示打印各監(jiān)控點的數據曲線和數據報表。
（2）監(jiān)視冷水機組、水泵及冷卻塔的運行狀態(tài)、設備故障狀態(tài)，并自動記錄各設備的累計運行時間。
（3）系統(tǒng)在監(jiān)測到某臺冷凍水泵、冷卻水泵發(fā)生故障時，自動地將備用水泵投入運行。
（4）根據冷卻塔的冷卻水出水溫度，自動控制冷卻塔風機的運行并控制冷卻水泵的啟停。
（5）冷水機組、水泵及冷卻塔的聯鎖順序自動啟?？刂?。
（6）冷水機組出水管的溫度測量，監(jiān)視冷水機組的運行工況。
（7）冷卻塔進水管安裝電動蝶閥，按投入運行的冷水機組自動控制冷卻塔進水。
（8）測量總供回水管溫度及集水器和分水器之間的旁通流量，計算系統(tǒng)冷熱負荷，確定啟停冷水機組系統(tǒng)運行機組臺數及聯動水泵和冷卻塔的運行臺數，以此將負荷均勻地分配在各臺機組上。使電流需求量的峰值保持在最小。
（9）測量總供回水管之間的水壓差，在總供回水管之間安裝電動調節(jié)閥，根據總供回水管之間的水壓差調節(jié)旁通閥開度，保持系統(tǒng)的壓力平衡使系統(tǒng)有效、節(jié)能。
（10）水泵故障報警，提醒操作人員將備用水泵切換到運行狀態(tài)，設備運行時間均衡自動控制。
（11）膨脹水箱高低水位測量，并根據水箱水位自動啟停補水泵。
（12）監(jiān)測室內、室外溫度，制定時間表，自動控制系統(tǒng)提示機房值班人員目前是否應該啟動冷水機組，確認后，在控制室起動冷水機組。
（13）如果冷水機組有智能接口，則通過冷水機組的智能接口，將冷水機組聯接至自動控制系統(tǒng)的網關，通過對網關編程，將冷水機組的內部運行狀態(tài)及溫度等參數傳送至LonWorks控制網絡。
2．2 空調機組監(jiān)控
2．2．1 監(jiān)控原理
本環(huán)境控制系統(tǒng)根據溫、濕度的采樣值與設定值之間的關系構成一個多回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，運用PID（比例、積分、微分控制）算法精確地控制房間的溫、濕度。根據客戶需求，將空調機組分成兩種：凈化空調系統(tǒng)和舒適空調系統(tǒng)。
凈化空調系統(tǒng)配置初效、中效及高效過濾網以保持房間內的空氣潔凈度；并通過溫度、濕度和壓力傳感器來對房間的溫、濕度及靜壓進行監(jiān)測，同時通過對冷卻水閥/熱蒸汽閥、加濕器和風機的控制，來實現對房間內溫度、濕度和壓力的控制。舒適空調系統(tǒng)對房間內的溫濕度以及壓力等要求不高，因此，在舒適空調系統(tǒng)中不設過濾網，也不設加濕器，只對空氣溫度和流量進行控制。
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對空調機組的控制選用符合LonWark互操作總線標準的MN200控制器，裝上MicroNet Tech Tool軟件庫的各種軟件后可控制熱泵、風機盤管及通風機組。它既可獨立使用，也可聯網使用。每個控制器提供一個MN-SX數字傳感器、LED顯示器和可拆卸配線座。該控制器的另一個特點是具有DIN導軌或嵌裝能力。MN200控制器可工作在單獨模式下，也可作為雙絞線自由拓撲結構的MicroNet LonWorks網絡的一部分。
MN200控制器有2個數字輸入口，3個通用輸入口，6個數字輸出口及2個模擬輸出口，可對制冷進行比例、比例+積分、比例+積分+微分控制。其監(jiān)控原理如圖3所示。
2．2．2 系統(tǒng)功能
空調機組子系統(tǒng)的功能如下：
（1）空調機組風機啟?？刂?。
（2）系統(tǒng)采樣回風或送風溫濕度傳感器的測量值作為控制調節(jié)對照值。與系統(tǒng)參數對照，經PID算法輸出至所控制的部件，并根據不同的季節(jié)比較調節(jié)冷水閥和加熱閥進行恒溫、恒濕的控制。在夏季工況時，當濕度大于設定值，則通過控制器優(yōu)先調大冷水閥除濕，同時打開蒸汽加熱閥保持溫度恒定。若溫度高于溫度設定值，開大冷水閥，若低于設定值則關小冷水閥。
（3）檢測過濾網兩側壓差，以提醒及時清洗。其中，高效過濾網應定期更換。
（4）房間內安裝壓力傳感器，通過調節(jié)送風風量使房間內保持一定的正壓以防外界空氣滲入空調房間。
（5）空調機組運行狀態(tài)監(jiān)視、故障報警。
（6）按計劃時間表在中央控制室控制空調機啟停。在空調機現場能手動啟?？照{機。
（7）回風管溫度測量，在中央控制室實時顯示，形成數據報告及數據分析曲線。
（8）按預先設定的時間表進行開關機控制，并可根據延時要求，進行延時關機控制。
（9）環(huán)控系統(tǒng)與智能消防系統(tǒng)聯網通信，當有火情發(fā)生時，空調機風機及冷熱水閥進入故障模式。
3 用LonWorks技術實現的環(huán)控控制網絡
根據藥廠的生產特點和工藝流程，將藥品生產車間劃分為大大小小幾十個功能間，生產不同類型的藥品；按照GMP標準，大大小小幾十個功能間又被劃分為百級區(qū)、萬級區(qū)、十萬級區(qū)和一般區(qū)四種不同的凈化區(qū)。藥廠環(huán)控系統(tǒng)就是對生產廠房內不同功能間、不同凈化區(qū)的溫度、濕度、微壓差以及塵埃粒子濃度等環(huán)境參數進行監(jiān)控，同時也對藥廠的空調系統(tǒng)進行監(jiān)控。圖4是一個典型的藥廠環(huán)控控制網絡圖。
藥廠環(huán)控系統(tǒng)中空調機組較少（一套冷凍機組，一臺舒適空調機組和兩臺凈化空調機組），因此，可在冷凍機房設一個控制中心，集中監(jiān)測和控制相應系統(tǒng)及區(qū)域內的節(jié)點，在監(jiān)控室中可查看到控制網絡上所有設備的信息，并可以遠程方式監(jiān)控整個系統(tǒng)。由于LonWorks控制網絡具有良好的開放性和可擴展性，所以，當需要增加其他控制系統(tǒng)或設備時，只需將該系統(tǒng)或設備直接接入LonWorks主干即可。
如圖4所示，藥廠環(huán)控系統(tǒng)包括LonWorks總線主干及各子網，子網采用雙絞線作為傳輸介質，傳輸速率為78.8Kbps。系統(tǒng)網絡結構采用自由拓撲結構。所有的控制均由就近安裝在被控設備旁的LON控制節(jié)點完成，不需依賴上位機。由于是一個分布式的網絡，所以，單個結點的故障不影響整個系統(tǒng)，各個節(jié)點可相互通信同時也可與監(jiān)控中心進行通信。
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本控制網絡的現場控制器選用希比公司I/A系列的MN200控制器，Smart Control公司的AD80智能化模擬輸入模塊和D80智能數字輸入輸出模塊。利用MN200控制器監(jiān)控空調機組。而冷凍機房的大部分設備的監(jiān)控由AD80和D80完成。
車間內的溫濕度傳感器按需要分區(qū)放置。LonWorks網絡技術有一個特點，即不同節(jié)點的不同網絡變一可進行數據的綁定，因此，可將一個房間內的傳感器數據與多個空調機組的控制變量綁定，這樣就可節(jié)約許多成本，同時也有利于房間內溫濕度的精確控制。
在監(jiān)控中心的Windows平臺上運行INTOUCH圖形監(jiān)控軟件，接收由網絡控制器傳送來的被監(jiān)控設備狀態(tài)、報警信號及各種實時監(jiān)測數據，將它們保存在自動控制系統(tǒng)的實時數據庫中。
自動控制系統(tǒng)的一個子網可掛接127個控制結點，且自動控制系統(tǒng)可有多個子網，因此，該環(huán)控系統(tǒng)具有很強的擴展性，足以應付日后系統(tǒng)擴展的需要。
4 結束語
LonWorks控制網絡技術在藥廠環(huán)控領域已有許多成功應用的實例，由于LonWorks現場總線技術具有開放性、分布式、可互操作性等特點，也廣泛應用于智能小區(qū)、樓宇自控、電力監(jiān)控、交通運輸等控制領域。
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參考文獻
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1 陽憲惠.現場總線技術及其應用.北京：清華大學出版社，1999
工商網監(jiān)
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