一、前言及项目概况
随着现代化制药企业不断地快速发展和新版GMP的实施，制药企业对洁净通风空调机组的舒适性和稳定性的要求越来越高。自控系统作为洁净通风空调的控制核心，是其安全、稳定运行的重要保证。西门子公司PCS 7过程控制系统是集 DCS、SIS、PLC 以及远程I/O为一体的新型全集成自动化控制系统。具有分散控制、集中管理、控制装置和现场仪表全数字化、安装方便、成本低和维护管理智能化等特点。我们根据GMP对洁净空调控制的要求，采用西门子全集成过程控制系统PCS 7、PROFIBUS DP现场总线、远程I/O等组成先进的全集成、全数字化系统，可以更好地管理、控制和维护洁净空调系统的运行。
某制药车间包括一般生产区非净化空调系统和洁净区净化空调系统。根据生产工艺需要，为满足口服制剂生产车间制造生产制剂所需的生产环境，生产区共设置多套洁净空调机组。洁净空调机组控制系统通过对冷水阀、加热阀、加湿阀进行调节，处理后的空气以满足房间对温湿度的要求。空调机组风量由洁净区换气次数及室内负荷共同决定。
二、洁净空调的主要控制工艺要求
洁净空调机组由初效过滤器、中效过滤器、亚高效过滤器、送风机、冷盘管、热盘管、加湿器等设备组成，其主要控制包括以下要点:
1)初效过滤器、中效过滤器、亚高效过滤器的堵塞报警。
2)洁净空调机组系统模式分为工作模式、消毒模式、排风模式、停机模式，控制系统可以实现各模式之间的切换及联锁控制。
3)工作模式下，新风阀开启到预设开度;回风阀全开;送风机频率根据送风风量实时调节，实现恒风量送风;冷水阀、加热阀、加湿阀根据回风温湿度实时调节，控制回风温湿度稳定;各个区域通过压差控制来防止交叉污染。
4)消毒模式下，新风阀关闭;回风阀全开;送风机低频运行，系统全送全回，开启臭氧发生器，通过回风进入空调机组，送入洁净区;直至洁净室内臭氧浓度达到要求。
5)排风模式下，新风阀全开;回风阀全关﹔消毒排风阀全开;送风机低频运行;消毒排风机运行，系统全送全排，将洁净室内的残余臭氧，直排到室外。
三、PCS 7控制系统在洁净空调的控制应用
1．PCS 7系统架构
1)西门子 PCS 7 414-5H控制系统，控制网采用工业以太网、环网或双网设计，系统通信保障。
2)ET200M：冗余的 IM153-2将经济性更好的ET200M的I/O模块集成到整个DP系统，选用有源背板总线，可支持模板热插拔而不会导致CPU停机。
3)系统配置冗余的OS服务器，服务器里包含了系统实时数据的存储功能，系统运行中的所有数据，实时同步储存在两个服务器中，当一台出现故障时，另一台正常运行，故障修复后，会自动对另一台服务器数据进行备份，确保两台OS服务器数据的一致、完整。
4)操作员站功能按冗余配置，其中任意一台操作员站出现故障不应影响系统操作，必要时候工程师站可暂时代替操作员站进行操作控制。
5)具有独特的可扩展架构，可以扩展OpenPCS 7功能，通过OPC将MIS/MES系统与DCS系统进行集成融合，构建全厂管控一体化系统，形成全厂统一信息中心和指挥平台。
6)现场仪表采用西门子楼宇系列产品，高品质、多功能、高性能的产品特点和先进的楼宇控制解决方案，最大程度地节约洁净空调能耗。
2．温湿度的控制
1)仪表、阀门安装：在回风主管上安装风管型温湿度传感器；制冷除湿/降温段冷。
2)冻回水管道安装阀门，配套执行器；机组再热段和加湿段蒸汽进汽管道安装阀门，配套执行器；并在自控调节阀前端安装过滤器。
3)控制策略：按设计要求:室内温度18~26℃，室内湿度45%~65%。由于温度变化的方向与冷/热水阀的动作方向相反，通常是采用冬夏季分开的运行模式，但是，在过渡季节会难以判断和确定运行模式，因此采用湿度优先的方法，表冷阀主要用来除湿，同时也造成温度的下降，然后通过加热阀的再热，使温湿度均能达到所要求的值。本文分别采集回风温度和湿度，通过各自的PID运算，采用比例优先控制的方法计算运算结果来控制表冷阀、加热阀和加湿阀的开度，进而控制回风的温湿度。
4)表冷段：回风含湿量高于设定值时，湿度PID中 MV的管脚值为-100~0，将MV的值取反赋值给表冷阀驱动块，调节表冷阀开度，降温至露点温度，冷凝出多余水分，使绝对含湿量降低。回风温度高于设定值时，温度PID中MV的管脚值为-100~0，将MV的值取反赋值给表冷阀驱动块，调节表冷阀开度，使回风温度降低。当回风含湿量和回风温度都高于设定值时，将湿度PID中的MV管脚值与温度PID中的MV管脚值通过比较其绝对值，将绝对值较大的赋值给表冷阀驱动块。
5)加热段：夏季时，经过表冷器的出风温度接近露点温度，不能满足设计要求。这时，回风温度小于设定值，温度PID中MV管脚值为0~100，将MV的值赋值给加热阀驱动块，调节加热阀,使出风温度升高，温度升高的同时，相对湿度下降，直至达到设定要求；冬季时，经过预加热的出风温度接近6℃，能够防止新风冻裂表冷器盘管，但不能达到室内温度要求，回风温度小于设定值,根据温度PID调节加热阀使出风温度升高，直至达到设定要求。
6)加湿段：冬季时，新风含湿量低，经过一次回风混合后的空气湿度低于设定要求，需要通过加湿器增加相对湿度。加湿通常采用相对湿度控制精度高的干蒸汽加湿，回风湿度小于设定值时，湿度PID中MV管脚值为0~100，将MV的值赋值给加湿阀驱动块，调节加湿阀，使出风相对湿度升高，直至达到设计要求。其算法参照加热控制。
3．送风静压的控制
风管送风静压通过安装在送风风总管直管段的压力传感器检测。通过频率PID运算，采用积分优先的方法，将MV的值限值在35~50之间赋值给送风机频率驱动块，调节送风机变频器的频率。当送风静压趋于设定压力时，MV的值趋于稳定，即送风机定频送风；当送风静压大于设定压力时，MV的值变小，即降低送风机频率，使送风静压减小，从而也降低了风机耗能；当洁净空调运行一段时间，过滤器堵塞，压差变大时，送风静压减小。这时，MV的值慢慢增大，即提升送风机频率，使送风静压增大，保证送风静压恒定。其算法参照加热控制。
4．滤网监测的控制
在洁净空调机组初效过滤器、中效过滤器、亚高效过滤器两端设置压差开关，其量程范围根据过滤器初阻力选择，动作值设置为初阻力的2倍，PCS 7控制器通过检测压差开关状态，来进行报警输出，以判断过滤器是否堵塞。
5．工艺模式切换的控制
1)工作模式：系统启动，开启AHU新风阀，开启AHU回风阀，开启排风机的排风阀，延时90s，启动送风机，低频运行，延时20s，启动排风机，延时10s，启动风量控制程序，延时60s，启动相应温湿度控制程序。
2)消毒模式：系统启动，关闭AHU新风阀，开启AHU回风阀，延时90s，启动送风机，低频运行，延时20s，启动相应温湿度控制程序。
3)排风模式：系统启动，全开AHU新风阀，关闭AHU回风阀，开启消毒排风机的排风阀，延时90s，启动送风机，低频运行，延时20s，启动消毒排风机，启动相应温湿度控制程序。4）停机模式:关闭系统，关闭相应温湿度控制程序，等待5min，关排风机，排风机的排风阀，AHU 送风机和AHU 新风阀。
4)通过SFC顺控联锁CFC中的各个阀门块（风阀)、PID块（水阀、风机频率)、电机块（风机)，将工艺模式分为4个控制策略，分别在每个控制策略中，按照不同流程顺序来实现洁净空调工艺模式。
6．房间温湿度与压差的控制
重要房间配置房间温湿度传感器和压差传感器。
房间温湿度传感器可以采用壁装式和风管式，壁装式安装在房间内，以方便现场查看和记录；风管式安装在房间回风支管上。
压差传感器可以采用室内压力传感器，用以监测相对压差和绝对压差。相对压差，即压差传感器两端气管分别插入相邻房间；绝对压差，即压差传感器一端插入房间，另一端放在技术夹层。
如果房间送风设置CAV定风量阀，回风设置VAV变风量阀，可以根据房间绝对压差来控制VAV变风量阀，保证房间绝对压差的稳定。当房间送风风量满足设计要求风量时，房间绝对压差高时，采用分段递加，增大变风量阀开度，从而降低房间压力；房间绝对压差低时，采用分段递减,减小变风量阀开度从而增大房间压力；在净化门顶安装门磁开关，净化门打开时，门磁开关断开，此时保持变风量阀开度不变。
对于工艺要求需要回风、排风切换的房间，可以在房间回风支管段和排风支管段安装风阀执行器，风阀执行器可以采用开关型风阀执行器。当房间处于生产时，排风风阀执行器打开，回风风阀执行器关闭；当房间处于停产时，回风风阀执行器打开，排风风阀执行器关闭，既满足了工艺的要求，还可以降低能耗。
7．运行效果
根据车间各台空调运行状态的跟踪记录，回风温度设定值22℃，实际值22℃回风湿度设定值55%，实际值55%。回风温湿度曲线平稳，无异常波动，符合设计要求，控制精度分别为:温度±0.5℃，湿度±2%，控制效果良好。
空调送风机频率曲线平稳，无异常波动，送风机变频器运行在42Hz，送风压力243Pa，送风压力变化值±5Pa，节能效果显著。
室内温度22.1℃，室内湿度54.5%，符合设计要求。
四、PCS 7应用于洁净空调机组的体会
1) PCS 7是中大型控制系统，主要组件包括STEP7、CFC、SFC、SMATICNET、WinCC、PDM和Batch等，选用高端CPU S7-400H系列作为控制对象，可以实现控制器和服务器的冗余功能，大大提高了系统的稳定性和可靠性；采用PROFINET通信架构，大大提升了通信速率，通过光纤可以实现远距离高速度通信。
2) PCS 7采用CFC和SFC图形化编程语言，相对于PLC梯形图语言更加直观，而且不需要为特定的对象编写程序，通过拖入相应的CFC块，就可以轻松地实现需要的功能;还可以调用其强大的工业库，在工业库中，有专门的HVAC工业库，可以轻松地实现温湿度的控制和空调机组的定时控制，可以轻松实现空调机组的工艺控制要求。
3) PCS 7组态工程师站、服务器站和操作员站十分方便，在工程师站可以统一直接下载各个服务器站和操作员站；0S画面中的对象根据CFC和SFC自动生成，通信链接和变量自动在WinCC变量管理器中创建；变量记录和报警记录根据CFC管脚设置自动在WinCC中创建;这些都节省了大量的编程时间。
4) PCS 7丰富的诊断功能，极大地方便了洁净空调机组的维护。在操作员站可以很方便地看到冗余服务器的状态；模块通过超量程都可以通过诊断功能查看到相应信息。
总结：洁净空调系统采用PCS 7控制系统，在现场层，PCS 7控制器功能强大，组网灵活，保证了洁净空调的稳定性和数据的完整性、可靠性以及可追溯性；在管理层，可以配置服务器站、工程师站、操作员站，更方便地实现集中控制管理，还可以扩展OpenPCS 7功能，通过OPC将 MIS/MES系统与DCS系统进行集成融合，构建全厂管控一体化系统，形成全厂统一信息中心和指挥平台。
