摘 要：空調系統對制藥廠的生產潔凈區起著十分重要的作用，為了實現藥廠空調系統的高效運行，以S7-300 PLC為核心設計了空調控制系統。結合實際運行可能出現的異常情況，給出了故障診斷的實現方法。從漢江藥業集團的實際運行效果來看，該系統安全可靠，維護方便快捷。
關鍵詞：PLC 空調設備 故障診斷
1 引言
　　PLC（可編程控制器）是20世紀80年代發展起來的新一代工業控制裝置，是自動控制、計算機和通信技術相結合的產物。它不僅具有優越的控制性能，良好的性能價格比，而且具有較高的可靠性和抗干擾能力，在自動控制各個領域應用相當普遍[1]。
　　在制藥廠，為了保障藥品的質量，對清潔區的潔凈度和溫度、濕度都有很高的要求。例如漢江藥業集團一分廠對潔凈區的標準是：潔凈級別30萬級，溫度18～26℃、相對濕度45～65%[2]。因此，空調系統是否高效運行將不僅影響藥品的質量，而且也會造成能源的浪費。本文就漢江藥業集團的空調系統運行要求，選用PLC作為核心控制器。同時用工控機作為上位機與PLC通信，實現對整個控制系統的組態和監控。
　　該藥廠的空調系統由兩臺抖動電機、一個電動風門、一臺送風機、三臺引風機、兩臺除塵風機、一個蒸汽電動閥和兩個冷液電動閥組成。要求系統運行時首先打開兩個電動閥，然后按一定的順序運行各個送風機，關閉時先關閉電動閥，然后按一定順序關閉各個風機，達到除塵、送風、降溫或升溫的目的，保證清潔區達到指標要求。同時，系統要具有定時自動、手動運行功能，并要求在系統出故障時可以報警并診斷故障類別。
2 系統硬件設計
　　該藥廠空調系統長期以來是采用繼電器和接觸器，采用人工操作的方法進行控制，其控制系統復雜，可靠性低，維護繁瑣，能源利用率低，而且經常帶故障運行，設備耗損大。采用PLC，不僅能實現對開關量的邏輯控制，同時具有強大的計算功能，還能實現與工業計算機等智能設備之間的通信。因此，將PLC應用于本系統的控制，能很好的滿足技術要求，具有操作簡單、運行可靠、自動化程度高等優點，再加上故障診斷功能，使系統維護更簡單、快捷、準確。
　　該空調系統需要控制九臺電機，三個閥，同時需要指示，報警等功能。根據系統的控制要求，統計出其需要16個信號輸入點，23個信號輸出點。同時又對各種PLC性能指標、適用性、認知程度等進行比較，最后本系統選用了西門子公司的S7-300型PLC，它 指令豐富，功能強大，可靠性高，適應性好，結構緊湊，便于擴展，性價比較高。PLC硬件組態如下：電源PS307 5A，CPU312C（帶10點輸入和6點輸出），64K存儲卡，擴展模塊有數字輸入模塊SM321（32點輸入），數字輸出模塊SM322（32點輸出）。PLC配置完全滿足系統需要，且便于系統擴展和組網。該控制系統的結構如圖1所示。

圖1 PLC控制系統的結構圖
　　該系統以PLC為核心，PLC從控制面板以及現場獲得信號，然后對執行器進行控制。上位機可以從PLC獲取信息，并且可對PLC進行設置和控制。
　　PLC輸入輸出端子分配如圖2所示。使用轉向開關I4.0來選擇系統的運行狀態為自動或手動。按鈕I4.1和I4.2只有在手動后才有效，用于手動控制風機、電動閥的開與關。端子I4.3～I5.6表示現場執行器的反饋信號，其中有兩個端子表示現場溫度的上限和下限。
　　輸出端子Q0.0是系統運行指示信號。Q0.1～Q1.4用來控制電動機的順序、定時運行。Q1.3、Q1.4和Q3.5控制三個電動閥的開關。Q1.6～Q2.7用來顯示各個執行器的運行狀態。Q3.0是系統的故障報警。Q3.1～Q3.4表示系統的故障類別，它可以表示16種故障類別，這樣的設計可以充分利用PLC的端子，節約成本。

圖2 輸入、輸出端子配線圖
3 系統軟件設計
　　系統的程序設計是在STEP7 V5.2軟件平臺下進行的。STEP7 V5.2可支持梯形圖、SIMATIC指令和功能圖。且具有指令豐富、結構清晰、編程方便的優點。在程序設計中，將整個系統分為：“手自動切換及互鎖”、“自動運行定時”、“順序開關風機及電動閥”、“故障報警與診斷”等模塊。
　　系統進入運行狀態后，首先根據轉向開關確定是進入自動狀態還是手動狀態。在手動狀態下，可以在控制面板上進行手動操作。在自動狀態下，系統將自動按流程工作。在系統運行時，首先檢測各執行器是否正常（接觸器觸點是否粘合）以及電動閥的狀態。如果發現異常，則報警并給出故障類別（故障位置），然后系統處于等待狀態，等待故障排除，重新運行;如果正常就進入運行狀態。首先兩臺抖動電機運行30秒后停機，同時打開電動風門，3秒后啟動空調送風機，然后順序啟動三臺引風機，最后是兩臺除塵風機。系統進入正常運行過程中，故障診斷程序不斷掃描各個反饋信號，當任一風機過載不能正常運行或加熱器、冷凝器工作異常超溫時，空調機組自動停機，故障部位報警指示。無故障時，等待自動關機或手動關機。總之，在每個PLC循環周期只運行一個狀態的指令，這樣可以節省CPU的資源，提高系統的實時性。系統控制程序的流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖
4 系統故障診斷
　　故障診斷是該系統中的一個重要環節。及時有效的給出故障報警和故障位置可以幫助技術人員快速準確的查找故障和恢復故障，這一點在藥品的生產過程中非常重要，因為藥品生產對工作環境要求很高。
　　本程序中的故障診斷分為啟動前、啟動中和啟動后三個級別的故障診斷。在啟動前，判斷各執行器觸點是否處于斷開狀態，主要是根據輸入端子的反饋信號的有無進行判斷;在啟動過程中，由于各風機均需要間隔啟動，可以在程序中給每臺電機設定兩個定時器，一個用于電機定時，一個用于反饋信號定時，當啟動時間到而反饋信號沒有時，就可判斷出該電機出現故障。啟動完畢后，再次判斷各接觸器狀態，此時，由于抖動電機運行30秒后處于關斷狀態，其它風機處于運行狀態，判斷方法同啟動前故障診斷方法。根據運行情況，系統主要存在9大故障。為此，采用4個輸出端子指示故障類別（可擴展指示16種故障）。
5 結束語
　　本文作者創新點是采用西門子S7-300完成藥廠空調控制系統，尤其是設計了故障診斷程序，根據PLC自帶指示燈可查看故障類型，給用戶帶來極大方便。該控制系統由漢江藥業股份有限公司提出，由陜西省工業自動化重點實驗室研制。經過對系統的研究、設計、開發，控制系統已投入運行。從實際的運行效果來看，滿足了藥品生產潔凈區對空調設備的指標要求。采用PLC作為本系統的核心控制器，保證了系統運行的安全可靠，提高了設備的自動化水平，維護和檢修方便。得到用戶的歡迎。
參考文獻
　　1 陳在平，趙相賓. 可編程控制器技術與應用系統設計，機械工業出版社，2003.1
　　2 S7-300 產品說明書 SIMENCE 2005.3
　　3 陜西漢江藥業有限責任公司，空調系統（HVAC101）PLC用戶需求標準（USR-2005047），2005.5
　　4 李桂蓮，基于高爐上料裝置PLC控制系統應用的研究，電氣應用，2005.5
　　5 蘇夢等，基于PLC的油料儲運監控系統的設計與實現，微計算機信息，2006年第9-1期，P49-50