CODESYS楼宇自动化应用案例:废品处理中心的智能通风系统

背景

危险区域的安全通风是工业自动化中日常业务的一部分。瑞士科尔里肯（Kölliken）最大的危险废品掩埋场，储存了50万吨的危险物品，基于安全考虑，其负责人不得不重新研发通风技术。新项目使用WAGO控制器控制该系统，该系统每小时从大厅吸入多达15万立方米的空气。

“如此小的CPU可以控制整个系统吗？”许多客户觉得有疑虑。相比于变频器已经重达800千克，小巧的WAGO模块看上去相当简易。此外，尽管该项目始于30年前，但在环境政策和技术新颖性方面却极具前瞻性。



系统快速反应的重要性

为了防止对环境的进一步污染，在拆解室中始终存在-10至-45 Pa的负压。每小时最多可输送150,000立方米的空气。配备用于过滤悬浮物的粗粉尘过滤器和两个用于净化废气的活性炭过滤器，活性炭容器的预压力高达6500 Pa。Nils Neujahr解释说：“该系统正常的运行过程相对缓慢，尽管如此，发生异常时，必须快速做出反应，需要迅速打开或关闭旁路阀，因为这种压力太过动态了。有一种极端情况是在发生火灾时，会产生大量的烟，然后必须打开至少一扇门以供应足够的新鲜空气。如果这扇门意外关闭，会产生巨大的压力冲击：在4-5秒钟内，压力将降至-150至-200 Pa。所以通风必须立即发生反应。”
另一个极端情况是如果建筑损坏时，即使出现4m²的孔洞，通风系统也可保持负压。Nils Neujahr提出了以下要求：“在计划阶段，我们只能大致估计我们必须提供的处理器性能。这也是我们选择WAGO-I/O-SYSTEM的原因。我们最初使用以太网可编程控制器，如果性能不够，我们可以随时用IPC代替它们，从而提供更大的编程控制能力。另外现场布线通过总线或者以太网通讯方式实现，大大减少了现场故障的排查时间。”

安全，快速地控制惰性物质

另外系统还面临许多其它控制挑战。当前，三个主风扇（每个风扇的负载为200 kW）提供必要的负压。因此，尽管它们的惯性质量分别为1.8吨，但它们仍可以在非常短的时间内运行，因此开头提到的800kg变频器是必需的。正常情况下，可以在30秒内从停止状态达到满负载运行状态，当然从满负载状态恢复为停止状态的速度也很快。紧急停止时，可以使用电阻制动方法在10秒内停止风扇。变频器的运行频率超过50 Hz，最高可达65 Hz，因为它们在超过50 Hz的情况下具有更好的特性曲线。此外，系统可以降低对外界影响（如风况变化）的敏感度，测试阶段的结果表明，天气变化时，系统刚开始可能会振动，但是稍后会趋于稳定变化。

当然，垃圾填埋场也有柴油发电机。在电源故障的情况下，紧急程序可确保最迟20秒后恢复真空，然后系统会以较低的运行速度运行，直至达到额定电流。根据当前的法规，即使在停电期间也能保证系统安全功能，比如停电期间又面临着火问题，新系统必须确保75KW的水泵能够正常启动。

系统所有的部分均根据故障安全原则进行设计。WAGO-I/O-SYSTEM通过其自诊断功能满足了这一要求。无论是4-20 mA还是PT 100类型的信号输入：每个故障、每个断线位置、故障原因都可以在本地以及整个网络上记录。所有重要的传感器和驱动单元均经过冗余设计，由UPS供电。

如果控制器本身发生故障，则通过看门狗继电器激活安全模式操作。因此，危险废物掩埋场的安全等级仅比核电站低1个等级。

安全的工作环境

在垃圾填埋场，无论哪种车辆都得保证车辆的气密性，否则人会因为吸入废气而导致中毒。所以车辆都需要通过专门的车辆通道进入垃圾场，该原理与现代旅客登机桥相似，可移动的“长廊”只有大约20-30厘米长，然后连接到车辆。在车门和锁打开之前，要用新鲜空气清除中间的废气。整个过程都是全自动化的。同时，车辆可以在对接站为电池充电并通入呼吸空气，甚至集成了一个柴油加油站。WAGO-I/O-SYSTEM也实现了该系统的复杂控制。

垃圾处理站的稳定控制技术

“使用WAGO控制器，我们希望控制总功率为2.3 MW的系统，由于该系统下的各种设备分布的位置不太均匀，所以承包商规划了一个变电站，其中一个PLC可控制调节600 kW的功率。客户一开始非常怀疑，对于如此大型、昂贵的系统，原本会期待使用大型的PLC。”尼尔斯·诺伊亚赫尔（Nils Neujahr）谈到最初的困难时，没有人能想到如此紧凑和廉价的PLC模块能够做到这一点。但是他坚持说：“面对当前的应用场景，我决定只使用一种控制系统来执行任务。因为在过去的4-5年中，我们在WAGO方面拥有非常出色的使用经验，尤其是在可靠性方面。我们的系统已经运行了5年。”在现场进行了长久且广泛的测试，最终消除了客户剩下的疑虑。

整个测控系统仅需12个控制器即可满足要求。在开发的第一阶段，他们记录了将近1,500个传感器数据点和大约5,000个虚拟变量，这些变量每100 ms更新一次。由于它们的灵活性，适用于不同的任务，一些较小的程序可以在15-16 ms的时间内循环一次。当然，WAGO模块还可以执行更复杂的任务。例如，一个450 KB的程序可以在20毫秒内处理完毕。Nils Neujahr说：“客户原本并不指望如此小的CPU能够承担大型的控制任务。” 但是经过连续六个月的运行测试，他总结道：“除了火灾报警系统之外，通风系统是唯一能够立即运行且不会出现故障的子系统。”

为了使硬件设备可以使用基于IEC 61131-3标准的编程环境CODESYS IDE进行编程，必须在对应的硬件设备中移植CODESYS Runtime System，通过在硬件平台上移植Runtime，可以将任何嵌入式设备或基于PC的设备转变为符合IEC 61131-3标准的工业控制器。CODESYS代码执行机制为编译执行，即在CODESYS IDE中编写的IEC代码，通过集成的编译器编译为机器代码，再通过Gateway组件下载到CODESYS Runtime。CODESYS Runtime可以调动硬件平台的资源（如时钟资源、内存资源等）来处理这些指令。CODESYS公司的技术工程师负责将CODESYS Runtime部署到用户选用的硬件平台上。用户可基于CODESYS Runtime开放的接口进行二次开发。

CODESYS Automation Platform可以支持用户定制化开发CODESYS上位编程环境，经过客户的二次化开发以后，用户可以拥有自主知识产权的上位编程软件。CODESYS上位编程环境基于微软.Net技术开发，CODESYS Automation Platform（自动化开发平台中间件）是以“CODESYS 接口工具包”的形式提供给客户的，即将CODESYS IDE的接口向用户开放，用户拿到这些接口之后可以做大量的二次化信息修改。

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CODESYS 软件工具包是一款基于先进的NET架构和IEC61131-3国际编程标准的、面向工业4.0及物联网应用的软件开发平台。CODESYS软件开发平台的独特优势是用户使用此单一软件工具套件就可以实现一个完整的工业自动化解决方案，即在CODESYS软件平台下可以实现：逻辑控制（PLC）、运动控制（Motion Control）及CNC控制、人机界面(HMI)、基于Web Service的网络可视化编程和远程监控、冗余控制（Redundancy）和安全控制（Safety）、以及项目开发与工程协同管理等多个目标和需求。

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