【摘要】本文通過(guò)國(guó)家檢疫局生物安全實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目,介紹了一個(gè)利用PLC控制器為主的自動(dòng)控制系統(tǒng)在生物安全實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境控制中的應(yīng)用,分系統(tǒng)介紹了各部分的構(gòu)造和功能,列舉了主要的硬件設(shè)備,從理論和實(shí)踐上探討了實(shí)驗(yàn)室負(fù)壓梯度如何實(shí)現(xiàn),換氣次數(shù)、送風(fēng)量和房間內(nèi)壓強(qiáng)之間的關(guān)系,控制系統(tǒng)中交流調(diào)速設(shè)備變頻器和PLC的噪聲抑制等技術(shù)問(wèn)題,為其它生物安全實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的深入研究提供了一個(gè)有益的探索和借鑒。

【關(guān)鍵詞】生物安全實(shí)驗(yàn)室；可編程序控制器；自動(dòng)控制

生物安全防護(hù)實(shí)驗(yàn)室是指實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)和設(shè)施、安全操作規(guī)程、安全設(shè)備能夠確保工作人員在處理含有致病微生物及其毒素時(shí)，不受實(shí)驗(yàn)對(duì)象侵染，周圍環(huán)境不受污染。根據(jù)微生物及其毒素的危害程度不同，分為4級(jí)，一級(jí)最低，四級(jí)最高。

隨著我國(guó)生物、醫(yī)療、衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展，在微生物學(xué)研究、生物技術(shù)開發(fā)、遺傳基因工程、特殊醫(yī)療手術(shù)病房等多個(gè)方面，越來(lái)越多的生物安全潔凈實(shí)驗(yàn)室相繼建立和投入使用。生物安全潔凈實(shí)驗(yàn)室對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在很多方面有別于普通的生物潔凈室，如系統(tǒng)劃分、設(shè)備備用、氣流流向、壓力控制、送風(fēng)和排風(fēng)處理、系統(tǒng)控制等方面。

在下文中，通過(guò)國(guó)家檢疫局通州P3實(shí)驗(yàn)室的工程項(xiàng)目，探討在此類實(shí)驗(yàn)室中的自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和實(shí)踐。

 

一、系統(tǒng)要求和功能介紹

1.1

系統(tǒng)形式

潔凈空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)系統(tǒng)。
 

空調(diào)系統(tǒng)送、排風(fēng)總管道上設(shè)置有電動(dòng)密閉風(fēng)閥，以利于實(shí)驗(yàn)室熏蒸消毒時(shí)，保證實(shí)驗(yàn)室的氣密性，防止泄漏。

 

1.2

送風(fēng)系統(tǒng)

采用組合式空調(diào)機(jī)組對(duì)室外新風(fēng)進(jìn)行初、中效過(guò)濾及熱、濕處理。

空調(diào)機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)同型號(hào)送風(fēng)機(jī)，一用一備，以確保風(fēng)機(jī)故障時(shí)可立即切換，保證實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行。加濕采用電極蒸汽加濕。初效過(guò)濾器過(guò)濾等級(jí)為G4，中效過(guò)濾器過(guò)濾等級(jí)為F7。

新風(fēng)口設(shè)置于空調(diào)機(jī)房的側(cè)墻上，采用防雨百葉風(fēng)口，并設(shè)置金屬保護(hù)網(wǎng)，以防止昆蟲、鼠等動(dòng)物進(jìn)入。送風(fēng)管道采用意大利進(jìn)口P3風(fēng)管，風(fēng)管為鋁箔/聚胺脂復(fù)合板材，采用專用黏合劑粘接成型，保證優(yōu)良的氣密性及保溫隔熱性能。

實(shí)驗(yàn)室各房間的送風(fēng)支管上設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)器，以保證房間的設(shè)定送風(fēng)量不會(huì)因送風(fēng)高效過(guò)濾器積塵阻力變化而改變。房間高效送風(fēng)口安裝國(guó)標(biāo)B類高效過(guò)濾器，過(guò)濾效率99.99%，金屬邊框。靜壓箱采用鋼制整體焊接，表面噴塑防腐處理。采用孔板擴(kuò)散罩送風(fēng)口。

 

1.3

排風(fēng)系統(tǒng)

房間排風(fēng)口在擺放生物安全柜側(cè)的隔墻上單側(cè)布置，風(fēng)口下邊沿距地面100mm高。以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)被污染風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域遠(yuǎn)離房間入口。

排風(fēng)口安裝國(guó)標(biāo)B類高效過(guò)濾器，過(guò)濾效率99.99%，金屬邊框。靜壓箱采用鋼制整體焊接，表面噴塑防腐處理。采用豎向百葉排風(fēng)口。排風(fēng)高效過(guò)濾風(fēng)口安裝前進(jìn)行整體檢漏，合格后作為整體裝置安裝，并在安裝過(guò)程中嚴(yán)格保護(hù)。

生物安全柜、動(dòng)物隔離器、負(fù)壓罩的排風(fēng)管道接入排風(fēng)系統(tǒng)的總管道一同排放。排風(fēng)管道均采用不銹鋼材料。

實(shí)驗(yàn)室各房間的排風(fēng)支管上設(shè)置有電動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，以保證房間壓差梯度的恒定。

實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)機(jī)組安裝于建筑的屋面，設(shè)置兩臺(tái)排風(fēng)機(jī)組，一用一備，當(dāng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)故障時(shí)，備用風(fēng)機(jī)可立即投入運(yùn)行，防止室內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)被破壞，保證實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行。

排風(fēng)系統(tǒng)室外排風(fēng)口高于屋面2.5m，出風(fēng)口安裝防風(fēng)擾動(dòng)、防雨風(fēng)帽，并安裝防止昆蟲、鼠等動(dòng)物進(jìn)入的金屬防互網(wǎng)。

 

1.4

氣流組織

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各區(qū)間壓差梯度的恒定控制，保證氣流方向由清潔區(qū)流向半污染區(qū)，由半污染區(qū)流向污染區(qū)。各主實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用單側(cè)上部斜送，對(duì)側(cè)下排的單向氣流組織方式，以利于氣流由“清潔”空間向“污染”空間流動(dòng)，最大限度減少了室內(nèi)回流與渦流。

 

1.5

冷熱源

冷熱源采用低溫型空氣源熱泵機(jī)組，冷熱源合一。

 

1.6

空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)采用兩臺(tái)循環(huán)水泵（一用一備），以保證空調(diào)供水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

空調(diào)機(jī)組換熱盤管供水采用電動(dòng)比例三通閥控制，以實(shí)現(xiàn)送風(fēng)溫度的恒定控制。

空氣源熱泵機(jī)組冬季制熱時(shí)，有化霜運(yùn)行過(guò)程，為防止化霜運(yùn)行過(guò)程造成系統(tǒng)水溫變化過(guò)大，引起空調(diào)送風(fēng)溫度波動(dòng)，在熱泵機(jī)組出水管路上串接一容積3立方米的儲(chǔ)水箱，以增加系統(tǒng)水容積，緩沖化霜運(yùn)行過(guò)程造成的水溫變化。

 

二、控制系統(tǒng)組成

2.1

自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)備組成

自動(dòng)控制系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室所有系統(tǒng)完全整合，由上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行全面的監(jiān)控。包括空調(diào)設(shè)備監(jiān)控、室內(nèi)參數(shù)監(jiān)控、室內(nèi)設(shè)備、門禁系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，每項(xiàng)控制內(nèi)容為獨(dú)立視窗界面，包括起停、設(shè)定、循檢、報(bào)警、歷史趨勢(shì)、報(bào)表、后臺(tái)管理、幫助信息等子項(xiàng)。

（1）可編程控制器

在P3自動(dòng)控制系統(tǒng)中，下位機(jī)采用可編程控制器，使機(jī)電控制、過(guò)程控制與商務(wù)管理之間的無(wú)縫連接成為現(xiàn)實(shí)，通過(guò)Web瀏覽器可以讓我們輕松地實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控。

（2）上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)上位計(jì)算機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的整體控制管理。

（3）閥門執(zhí)行器、傳感器

（4）變頻器

 

2.2

空調(diào)設(shè)備監(jiān)控

空調(diào)設(shè)備監(jiān)控包括對(duì)冷熱源起停，故障狀態(tài)報(bào)警，故障切換，冷熱源的各參量的監(jiān)控；水泵的起停，故障狀態(tài)報(bào)警，故障切換及水泵用電電壓等參量的監(jiān)控；新風(fēng)送風(fēng)子系統(tǒng)的監(jiān)控主要有送風(fēng)閥的開關(guān)，初中效過(guò)濾器的堵塞報(bào)警，送風(fēng)機(jī)的起停、故障狀態(tài)報(bào)警、故障切換、變頻器的故障狀態(tài)報(bào)警，送風(fēng)溫濕度、送風(fēng)量等；排風(fēng)子系統(tǒng)與送風(fēng)子系統(tǒng)具有相同的控制功能?？照{(diào)設(shè)備中的水泵、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)等均采用一用一備，主備之間既可互換又互鎖，實(shí)現(xiàn)主備交替運(yùn)行。

 

2.3

室內(nèi)參數(shù)監(jiān)控

室內(nèi)參數(shù)有環(huán)境溫度、濕度、壓力及送風(fēng)量組成，溫度的監(jiān)控由溫度傳感器與空調(diào)機(jī)組的表冷段及其閥門經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)來(lái)成完設(shè)定；濕度監(jiān)控由自整定電極加濕器來(lái)完成，壓力梯度及送風(fēng)量的監(jiān)控由壓力及風(fēng)量傳器、送風(fēng)閥、排風(fēng)閥來(lái)完成。溫濕度、壓力報(bào)警由室聲光報(bào)警器和上位計(jì)算機(jī)報(bào)警提示來(lái)完成。

 

2.4

室內(nèi)設(shè)備監(jiān)控

室內(nèi)設(shè)備監(jiān)控主要是對(duì)生物安全柜的起停及故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

 

2.5

門禁控制

門禁指紋識(shí)系統(tǒng)采用門禁主控制器及指紋識(shí)別器。實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)由指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)及非接觸式紅外感應(yīng)門控開關(guān)組成。在男更衣室和女更衣室出入口處各一套指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)，通過(guò)指紋識(shí)別進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各道門采用非接觸式紅外感應(yīng)門控開關(guān)控制各道門。各道門之間均設(shè)有互鎖功能；同時(shí)，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可開啟狀態(tài)。

 

2.6

手動(dòng)控制系統(tǒng)

為確保實(shí)驗(yàn)室不間斷運(yùn)行，防止某個(gè)設(shè)備故障使自動(dòng)控制無(wú)法正常運(yùn)行，增設(shè)了手動(dòng)控制系統(tǒng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)極時(shí)切換到手動(dòng)控制系統(tǒng)，以確保實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各參量維持不變。

 

三、系統(tǒng)調(diào)試中應(yīng)注意的技術(shù)問(wèn)題

3.1

主系統(tǒng)的起?？刂埔?section style="box-sizing: border-box; padding-bottom: 0px; margin: 0px; padding-left: 0px; width: 0px; padding-right: 0px; max-width: 100%; word-wrap: break-word !important; height: 0px; clear: both; padding-top: 0px">

在保證接線正確后，自動(dòng)控制最先調(diào)試的就是主設(shè)備能否正確運(yùn)行。在該工程中，最主要的設(shè)備就是空調(diào)機(jī)組，水泵，送排風(fēng)機(jī)。根據(jù)負(fù)壓隔離室的要求，并考慮保證設(shè)備的安全，啟動(dòng)的時(shí)候，啟動(dòng)順序應(yīng)該是先啟動(dòng)水泵，延時(shí)1分鐘左右的時(shí)間同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組，再延時(shí)3分鐘后啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)。停止時(shí)先停送風(fēng)機(jī)，延時(shí)后再停排風(fēng)機(jī)和空調(diào)機(jī)組，最后延時(shí)十分鐘后停止水泵。自控程序必須保證各個(gè)設(shè)備可靠起停，且需要保證在出現(xiàn)異常后能夠保護(hù)機(jī)組等重要設(shè)備，在突然斷電等異常情況發(fā)生后仍然能夠安全起停。

 

根據(jù)各個(gè)房間的實(shí)際使用情況以及各個(gè)不同的時(shí)間段對(duì)壓力的不同要求，送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的功率要求可以靈活變化，這樣既可以保持各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的狀態(tài)穩(wěn)定，又可以節(jié)約電能。

 

3.2

變頻器與PLC連接

因?yàn)樽冾l器在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，為保證PLC不因?yàn)樽冾l器主電路斷路器及開關(guān)器件等產(chǎn)生的噪音而出現(xiàn)故障，將變頻器與PLC相連接時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：
 

（1）對(duì)PLC本身應(yīng)按規(guī)定的接線標(biāo)準(zhǔn)和接地條件進(jìn)行接地，而且應(yīng)注意避免和變頻器使用共同的接地線，且在接地時(shí)使二者盡可能分開。

（2）當(dāng)電源條件不太好時(shí)，應(yīng)在PLC的電源模塊及輸入/輸出模塊的電源線上接入噪音濾波器和降低噪音用的變壓器等，另外，若有必要，在變頻器一側(cè)也應(yīng)采取相應(yīng)的降噪措施。

（3）當(dāng)把變頻器和PLC安裝于同一操作柜中時(shí)，應(yīng)盡可能使與變頻器有關(guān)的電線和與PLC有關(guān)的電線分開。

（4）通過(guò)使用屏蔽線和雙絞線達(dá)到提高噪音干擾的水平。

 

3.3

自控系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的調(diào)整

由于國(guó)家檢疫局通州瘋牛病P3實(shí)驗(yàn)室要求負(fù)壓梯度，既要求從污染區(qū)到潔凈區(qū)電壓逐級(jí)升高。所以對(duì)壓強(qiáng)的調(diào)節(jié)是最重要也是最困難的。
 

 

在該工程中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)閥和排風(fēng)閥的開度來(lái)調(diào)節(jié)房間壓力。送風(fēng)閥和排風(fēng)閥均使用電動(dòng)閥，其中，送風(fēng)閥的開度比例直接通過(guò)PLC的模擬輸出口給定，排風(fēng)閥的開度通過(guò)pid自動(dòng)調(diào)節(jié)。

送風(fēng)閥開度直接給定可以保證單位時(shí)間的送風(fēng)量基本維持不變，從而保證每天的換氣次數(shù)，排風(fēng)閥通過(guò)pid自動(dòng)調(diào)節(jié)可以維持房間里面的壓強(qiáng)基本穩(wěn)定。首先，必須測(cè)定單位時(shí)間的送風(fēng)量，以保證實(shí)驗(yàn)室的換氣次數(shù)。

 

其計(jì)算公式是：

n=v*s*t/a,

 

其中，n表示t時(shí)間內(nèi)的總換氣次數(shù)，v為送風(fēng)風(fēng)速，s為風(fēng)速傳感器位置送風(fēng)管道的橫截面積，a為房間的總體積。

 

在送風(fēng)給定后，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)排風(fēng)閥來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)房間的壓強(qiáng)。排風(fēng)閥使用PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，只要給定PID的目標(biāo)值，PLC的內(nèi)部運(yùn)算就可以自動(dòng)調(diào)節(jié)排風(fēng)閥的開度大小，使壓強(qiáng)值等于目標(biāo)值。

四、結(jié)論

本項(xiàng)目已全面完成驗(yàn)收，投入使用，主系統(tǒng)：空調(diào)機(jī)組、水泵、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)均能夠安全起停且工作正常；程序在試運(yùn)行期間沒(méi)有明顯的問(wèn)題；各個(gè)傳感器和執(zhí)行器均能正常工作。房間參數(shù)達(dá)到合同要求。上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面美觀、工作可靠。項(xiàng)目總投資200多萬(wàn)元。

 

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):從理論和實(shí)踐上探討了實(shí)驗(yàn)室負(fù)壓梯度如何實(shí)現(xiàn)，換氣次數(shù)、送風(fēng)量和房間內(nèi)壓強(qiáng)之間的關(guān)系，控制系統(tǒng)中交流調(diào)速設(shè)備變頻器和PLC的噪聲抑制等技術(shù)問(wèn)題。

 

來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》