現(xiàn)代化實驗室建設中智能通風系統(tǒng)的設計案例

本文在研究了智能全自動通風系統(tǒng)在實驗室中的應用的基礎上，設計了某市質(zhì)檢所實驗室的智能通風系統(tǒng)，完成了主機房和各實驗室的硬件和軟件設計工作，包括了系統(tǒng)的電氣構成、程序設計、界面設計以及控制方法。
　　【關鍵詞】 
　　變頻器；PLC；CC－Link網(wǎng)絡 

　　原始通風系統(tǒng)根據(jù)通風要求風管硬件設計完成，風管主風機為工頻運行，總通風量與各個風口風量基本固定。系統(tǒng)正常運行過程中，能夠滿足使用要求，系統(tǒng)對于變化的情況就無法適應，系統(tǒng)的通風基本參數(shù)會發(fā)生變化。由于主風機一直處于工頻運行，當風口使用數(shù)量減少時，其它風口風量和風速都會增加，這樣對其它風口的實驗數(shù)據(jù)造成影響。如果風口在沒使用的情況下都全開，主風機一直在工頻狀態(tài)下運行，這樣會造成能源的浪費。當某些風口需要在實驗過程中修改風口風量或風速，系統(tǒng)也是不能處理的。舊通風控制系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)繼電控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)通風系統(tǒng)的自化控制，必需依靠一點必要的自動化產(chǎn)品來實現(xiàn)，其中包括變頻器，可編程控制器（PLC），觸摸屏等。
　　1 系統(tǒng)模塊 
　　變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交―直―交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。本系統(tǒng)中使用的模塊除了包括PLC數(shù)字量轉(zhuǎn)摸擬量模塊，摸擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量模塊外，還包括有三菱專用通信模塊CC－Link模塊。本系統(tǒng)中采用了PLC與變頻帶器RS-485全雙工通信功能。連接可編程序控制器（PLC）、變頻器、直流調(diào)速器、儀表等工業(yè)控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數(shù)或輸入操作命令，實現(xiàn)人與機器信息交互的數(shù)字設備，由硬件和軟件兩部分組成。人機界面硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。
　　2 系統(tǒng)硬件設計 
　　按照實驗室通風管道智能改造要求，由于質(zhì)檢所檢測物品例如硫酸等一些有異味或者容易產(chǎn)生化學作用的物品時，還有一些材料要檢測噪聲方面的對于通風效果要求甚高。現(xiàn)由人機操作介面，變頻器，主站PLC及各區(qū)域從站PLC控制組成，主站及各區(qū)域PLC控制器將使用三菱工控型PLC及相配套的擴展模塊。整個系統(tǒng)采用CC-LINK開放式現(xiàn)場總線控制，詳情如圖1所示。
　　由于每個樓層之間布線的距離相對比較長，而且線槽中強弱電均有分布，故不能采用RS-485的通信方式，所以采取通信速度快，抗干擾能力強的CC-Link來保持主機房與各實驗室間的通信的控制。選擇由三菱F740-18.5K-CHT作為驅(qū)動風機的主變頻器，另外增加一個帶機械互鎖的星三角啟動備用，來保障當變頻出現(xiàn)故障時得以切換保障風機的臨時運行。控制部分采用三菱FX2N-32MR-001的可編程控制器，來采集和處理所有實驗室的數(shù)據(jù)和給出相應的控制指令。擴展模塊包括有FX2N-485BD來進行與變頻器的通信，其中包括啟動變頻器的運行，檢測變頻器的輸出頻率，電流和電壓，以便在觸摸屏上顯示，使操作起來更加直觀明了。
　　各實驗室只是控制實驗室里的風廚和風閥，配置一臺三菱PLC和彩色人機界面。實驗室通過CC-Link從站模塊與主機房主站交換數(shù)據(jù)。根據(jù)控制要求通過改變單個風口的風速可以改變風廚的風閥和風罩的電動截止閥來調(diào)整風速。
　　3 系統(tǒng)軟件設計 
　　主機房要處理主要任務控制主風機頻率變化，同時將主風機運行狀態(tài)（主風機頻率、電流、電壓）傳送至實驗室內(nèi)顯示屏顯示。為防止由于實驗室顯示屏故障同時將同一風管所有簡單啟停控制功能延伸至主機房內(nèi)控制。控制畫面為控制整個風管主風機功能。參數(shù)設置用于設定系統(tǒng)定時運行以及自動改變頻率功能。遠程控制是能夠通過主電房去控制室內(nèi)實驗室設備動作。系統(tǒng)監(jiān)視用于監(jiān)視系統(tǒng)主風機當前運行狀態(tài)。實時報警指系統(tǒng)當前報警信息，通過報警信息可以對故障進行快速定位，縮短排除故障的時間。驗證碼為實驗室內(nèi)控制系統(tǒng)主風機時使用的密碼。登錄與注銷是指操作本主風機時需要密碼進入且有足夠的權限才能對系統(tǒng)主風機進行操作。 
　　實驗室控制程序和界面主要是控制電動截至閥和風閥的開度、風機的啟動和停止功能、外部控制設備啟停。啟動時先打開風閥或電動截至閥，然后啟動風機。這里的風機是指室內(nèi)的風廚或風罩上的小風機。在控制畫面里可以設定風閥或電動截止閥的開度。程序功能主要分為一下幾大部分：系統(tǒng)主控制功能、CC－Link通信功能、通信數(shù)據(jù)處理以及其它輔助功能。 
　　4 總結 
　　最后經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，整個實驗室的通風效果達到了預期的效果。第一：達到穩(wěn)定的風壓系統(tǒng)及靜音效果。第二：達到了節(jié)能的效果。第三：這個系統(tǒng)的設計包括了冗余系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于整個智能通風系統(tǒng)工期比較緊張，布線和人機界面畫面設計相對比較平淡，動態(tài)顯示效果相對比較少。