（中国电子系统工程第四建设有限公司）
摘要：随着工业自动控制系统装置制造行业竞争的不断加剧，大型工业自动控制系统装置制造企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的工业自动控制系统装置制造企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对产业发展环境和产品购买者的深入研究。中国拥有世界最大的工业自动控制系统装置市场，传统工业技术改造、工厂自动化、企业信息化需要大量的工业自动化系统，市场前景广阔。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。基于工业自动化控制较好的发展前景，预计2018年工业自动控制系统装置制造行业市场规模将超过4000亿元。
关键词：工厂自动控制数字信号模拟信号PLC
引言
自动控制系统已被广泛应用于工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。通常是将各种仪表获取的数据收集起来，进行相应的数据分析，配合编写程序的控制逻辑和图控，在PLC柜的控制下协调工作，使整个洁净室的温度、湿度、压力等物理量达到最佳的生产需求值。
1.自动控制系统的含义和作用
1.1自动控制系统的含义
自动控制系统是指用一些自动控制装置,对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界干扰(扰动)的影响而偏离正常状态时,能够被自动地调节而回到工艺所要求的数值范围内。生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的[1]。特别是化工生产，大多数是连续性生产，各设备相互关联，当其中某一设备的工艺条件发生变化时,都可能引起其他设备中某些参数或多或少地波动,偏离了正常的工艺条件。当然自动调节是指不需要人的直接参与。
1.2自动控制系统的作用
自控监控系统综合运用了计算机技术、网络技术、现代通信技术、智能测控技术、自动控制技术等领域的最新成果，根据能源设备的自身特点，对其进行遥测、遥信、遥控实时监控其运行参数，监测和处理故障，记录和处理相关数据，从而实现设施的的无人值守和集中维护，提高设备维护的效率和可靠性，减少维护人员的工作[2]。系统在开发中选用先进的软件开发平台、运行环境和高性能监控设备，使得整个监控系统具有很强的横向和纵向扩展功能。系统设置和设计遵循可操作性与开放性、标准性、规范性、专业性和经济性的原则，完成对动力能源系统的手/自动控制、远程监控、数据采集功能，达到系统可靠、节能运行，减少人力资源成本，实现集测、控、管、计量于一体的自动化控制系统。
2.在工厂洁净室中应用架构概述
2.1PLC控制量概述
PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域[3]。洁净室自控系统的整体架构和控制逻辑能汇总两个表中，仪表数据表和输入输出表（IO-list）。这两个表能表现出整个自控专业的核心物量，其他项的物量可以围绕这两个表延伸出来。仪表数据表是统计包范围内所有所用仪表的清单，包括风阀执行器、电动二通阀、差压变送器、压差开关、流量变送器、压力变送器、温湿度变送器（单温、温湿度、露点、焓值和湿球）。根据仪表的方式和参数，确定所用线缆的型号。再根据平面布置图，计算出各仪表阀门所用的线缆和管的长度。同时根据位置分布，规划在相应的RIO盘内。输入输出表（IO-list）所能汇聚的信息很多，也决定了自控大脑-PLC的配备。此表主要有DI（数字输入）、DO：（数字输出）、AI：（模拟输入）和AO：（模拟输出）四个部分组成。在点位统计时，要根据系统类别对包括仪表阀门在内的DI、DO、AI、AO点进行统计。根据输入输出表，规划架构图。根据架构图，制作出详细的IO-LIST。同时每个盘内各类模块点位都有20%的冗余，明确各盘模块的数量并规划到相应的RIO盘内。
2.2数字信号与模拟信号
控制信号分为四种：DI（数字输入）、DO：（数字输出）、AI：（模拟输入）和AO：（模拟输出）。DI信号：开关量输入模块用来接收从按钮、限位开关等传来的开关量输入信号。DO信号：开关量输出模块用来控制接触器,电磁阀等[4]。晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块；可控硅输出方式属于交流输出模块;继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。AI信号：模拟量输入模块用来接收温度、压力仪表等提供的连续变化的模拟量电流电压信号。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。模拟量输入模块可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号。AO信号：模拟量输出模块用来控制电动调节阀,变频器等执行器。模拟量I/O模块SM332有两种规格，一种是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位，另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。它的I/O测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。
2.3仪表阀门
空调机上风管式温湿度变送器固定在风管上，加固法兰螺丝一定要安装。室内（房间式）温湿度传感器安装遵循下列要求：温湿度传感器的安装位置应选在空气温度变化灵敏和具有代表性的柱子或彩钢板墙上，湿度传感器要固定牢固。空气压差开关固定在空调机上，测量导管沿空调机使用吸盘固定，插入风机两侧，空气压差开关安装遵循下列要求：安装压差开关时，将薄膜处于垂直于平面的位置。风压压差开关的安装在风管保温层完成之后进行。风压压差开关根据现场情况安装在便于调试、维修的地方。风压压差开关安装完毕后要做密闭处理。风管压力变送器：固定在风管附近的支架上，测量导管插入风管内，并进行密封。风阀执行器：安装在所要控制的风阀上。电动两通阀：安装在冷水管和热水管上，要给执行器检修接线留出适当空间。
生产厂房车间里的仪表安装固定。室内温湿度变送器：均匀安装在洁净室内墙上，距地1.5米。室内空气压力变送器：安装在洁净室吊顶内，测量导管插入要测量的房间和走廊内。动力站管道上的仪表安装固定。压力变送器：压力变送器安装在管道上，在管道上焊接管箍，加装DN15球阀，压力变送器安装在球阀后侧或安装在水泥柱上，通过导管和球阀连接。流量变送器：法兰式流量变送器，直接安装在管道上。温度变送器：在管道上焊接管箍，安装温度变送器套管，再将温度变送器安装进套管内。水管式和风管式温度传感器部件安装遵循下列要求：温度传感器部件的安装位置应选在介质温度变化灵敏和具有代表性的地方,不宜选在阀门等阻力部件的附近和介质流束呈死角处以及振动较大的地方。与管道垂直安装时，传感器部件轴线应与管道轴线垂直相交[5]。在管道的拐弯处安装时，宜逆着介质流向，传感器部件轴线应与管道轴线相重合。与管道倾斜安装时，宜逆着介质流向，传感器部件轴线应与管道轴线相交。水管式和风管式压力传感器部件安装遵循下列要求：压力传感器部件的安装位置应选在介质流束稳定的地方。压力传感器部件与温度传感器部件在同一管段上时，应安装在温度传感器部件的上游侧。测量带有灰尘、固体颗粒或沉淀物等混浊介质的压力时，传感器部件应倾斜向上安装。在水平的管道上要顺流束成锐角安装。当测量温度高于60℃的液体、蒸汽和可凝性气体的压力时，就地安装的压力表的传感器部件应带有环形或U型冷凝弯。压力传感器部件在水平和倾斜的管道上安装时，取压口的方位应符合下列规定：测量气体压力时，在管道的上半部。测量液体压力时，在管道的下半部与管道的水平中心线成0～45度夹角的范围内。
2.4控制系统的搭建
SCADA系统是将现场各设备经变送器将状态或数据收录至冗余PLC控制器，由PLC控制器内编写的程序逻辑控制相应的元件、设备，实现掌控系统内各种状况及实现要求的控制[7]。将现场的即时数据经位于就地的冗余PLC控制器，并通过以太网上传至FMCS控制室内的计算机进行监控。
2.5图控程序
图控程序的工作在施工之前，明确了IFIX系统后就可以进行，主要是在中控室完成[6]。在每周的FMCS协调会上，都会提出对图控程序的进度需求及需要提交的资料。其中控制流程图最为关键，明确了整个洁净室的控制逻辑。程序其实就是一系列逻辑运算的程式。通过控制流程图，明确所有数据的控制逻辑。仪表把所处环境的数据收集起来，汇聚到PLC后通过4-20MA与相对应信息的变换，得到相应的信息后再进行逻辑运算。比如DCC控制阀的开度大小可以调节回风温度等。图控是通过工作站显示屏，把PLC程序收取的数据经过逻辑运算后，把相应的信息直观的展现出来。PLC收集数据，经过SIT驱动转换，传到图控电脑建立点位，然后画图排列好点位，亦可调取各个点位的历史数据。或监视加设置数据，如变频器的转速、超过建立的模拟而报警、开关的高中低位和阀门的开度等。或只监视数据，比如洁净室内的温湿度。在控制逻辑中，MAU控制逻辑最为复杂，以此为例展开说明其逻辑原理：在MAU新风管上安装露点温度传感器02-02-MAU-AH-DP1和湿球温度传感02-02-MAU-AH-WB1，检测新风露点和湿球温度，根据功能要求，编制程序；MAU的主要功能为调节洁净区域新风的温度和湿度。在其预热段设置温度传感02-02-MAU-AH-T1，检测预热后的温度。根据功能要求，编制程序：当温度02-02-MAU-AH-T1低于5℃时，主机发出低温报警；在预冷段后设置温度传感器02-02-MAU-AH-T2，检测表冷后温度，编制程序；在预冷段后设置焓值传感器02-02-MAU-AH-NIT1，通过控制预冷、预热阀门控制焓值，编制程序；当02-02-MAU-AH-NIT1大于设定焓值时，调节预冷阀门开度；当NIT小于设定焓值时，调节预热阀门开度，预热和预冷阀门互锁，即不同时开启，方便检测出预冷后焓值状态；在再冷段后设置温度传感器[8]02-02-MAU-AH-T3，检测再冷后温度，编制程序；在再热段后设置温度传感器02-02-MAU-AH-T4，检测再热后温度，编制程序；在送风管设置露点温度传感器02-02-MAU-AH-DP2，以控制送风露点温度，编制程序；当02-02-MAU-AH-DP2大于设定温度时，调节再冷水阀开度，来控制送风露点温度状态；在送风管表冷器后段设置温度传感器02-02-MAU-AH-T5，以控制送风温度，编制程序；当02-02-MAU-AH-T5小于设定温度时，调节再热水阀开度，来控制送风温度状态；在MAU的送风管道上设置风管静压变送器02-02-MAU-AH-P1，通过其调节送风机频率，以维持风管压力在设定值02-02-MAU-AH-P1；MAU进出风阀与风机联锁。开机时先开风阀再开风机，关机顺序相反；在MAU的初效、中效和高效过滤器两侧设置滤网压差开关，提示及时清洗滤网；PLC监控室外温度、相对湿度；各功能段后空气温度；MAU进出风阀开闭状态；MAU风机运行状态、出风压力；MAU风机频率反馈；MAU出风温湿度；冷、热水二通阀开度；室内温湿度、室内正压等；该系统中，所有的温度，湿度，压力，都设置HH-H-LL-L报警功能；水洗独立控制系统,水洗厂家自行控制[12]。
2.6调试运行
调试过程中最重要的就是排查错误，除了PLC模块数据故障，还有就是程序控制逻辑错误。重点说一下PLC模块数据故障处理：DI信号故障：接线端子接触不好；接线端子保险爆掉；现场到PLC盘的信号线损坏；接线端子到卡片的信号线损坏；现场的信号没有输出；卡片供电不正常；卡片通道损坏；卡片损坏；一些特殊情况造成故障[9]。DO信号故障：接线端子接触不好；接线端子保险爆掉；现场到PLC盘的信号线损坏；接线端子到卡片的信号线损坏；卡片的信号没有输出；卡片供电不正常；卡片通道损坏；卡片损坏；一些特殊情况造成故障。AI信号故障：接线端子接触不好；接线端子保险爆掉；现场到PLC盘的信号线损坏；接线端子到卡片的信号线损坏；仪表信号没有输出；信号线自身受干扰；信号线被干扰；卡片供电不正常；卡片通道损坏；卡片损坏.；卡片跳线有问题；一些特殊情况造成故障AO信号故障：接线端子接触不好；接线端子保险爆掉；现场到PLC盘的信号线损坏；接线端子到卡片的信号线损坏；卡片信号没有输出；信号线被干扰；卡片供电不正常；卡片通道损坏；卡片损坏；一些特殊情况造成故障。
结语
PLC的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况[10]。PLC通过网络，被集成到计算机集成制造（CIM）系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。新的PLC的技术进展包括，更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面，也包括与设备、硬件和软件的接口，并支持人工智能比如逻辑I/O系统等[11]。软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用。
参考文献
[1]廖常初.PLC编程及应用[M].机械工业出版社，2015
[2]张万忠.可编程控制器应用技术[M].北京:化学工业出版社，2011.
[3]齐占庆，王振臣.电气控制技术[M].北京:机械工业出版社，2002.
[4]李道霖.电气控制与PLC原理及应用[M].北京:电子工业出版社，2014.
[5]史国生.电气控制与可编程控制器技术[M].北京:化学工业出版社，2013.
[6]SIEMENSWinCC手册[M].西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2014.
[7]《工厂常用电气设备手册》编写组.工厂常用电气设备手册.2版[M].北京:中国电力出版社，2008.
[8]马志溪.电气工程设计[M].北京:机械工业出版社，2012.
[9]刘增良，刘国亭.电气工程CAD[M].北京:中国水利水电出版社，2012.
[10]齐占庆，王振臣.电气控制技术[M].北京:机械工业出版社，2012.
[11]李道霖.电气控制与PLC原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2014.
[12]S7-200CN可编程序控制器手册[M].西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团，2015.