生物安全实验室自动控制系统的应用研究

生物安全防护实验室是指实验室的结构和设施、安全操作规程、安全设备能够确保工作人员在处理含有致病微生物及其毒素时，不受实验对象侵染，周围环境不受污染。根据微生物及其毒素的危害程度不同，分为4级，一级最低，四级最高。

随着我国生物、医疗、卫生事业的快速发展，在微生物学研究、生物技术开发、遗传基因工程、特殊医疗手术病房等多个方面，越来越多的生物安全洁净实验室相继建立和投入使用。生物安全洁净实验室对通风空调系统的设计要求，在很多方面有别于普通的生物洁净室，如系统划分、设备备用、气流流向、压力控制、送风和排风处理、系统控制等方面。

在下文中，通过国家检疫局通州P3实验室的工程项目，探讨在此类实验室中的自动控制系统的应用和实践。

一、系统要求和功能介绍
1.1系统形式
洁净空调系统采用全新风系统。
空调系统送、排风总管道上设置有电动密闭风阀，以利于实验室熏蒸消毒时，保证实验室的气密性，防止泄漏。
1.2送风系统
采用组合式空调机组对室外新风进行初、中效过滤及热、湿处理。

空调机组设置两台同型号送风机，一用一备，以确保风机故障时可立即切换，保证实验室的安全运行。加湿采用电极蒸汽加湿。初效过滤器过滤等级为G4，中效过滤器过滤等级为F7。

新风口设置于空调机房的侧墙上，采用防雨百叶风口，并设置金属保护网，以防止昆虫、鼠等动物进入。送风管道采用意大利进口P3风管，风管为铝箔/聚胺脂复合板材，采用专用黏合剂粘接成型，保证优良的气密性及保温隔热性能。

实验室各房间的送风支管上设置风量调节器，以保证房间的设定送风量不会因送风高效过滤器积尘阻力变化而改变。房间高效送风口安装国标B类高效过滤器，过滤效率99.99%，金属边框。静压箱采用钢制整体焊接，表面喷塑防腐处理。采用孔板扩散罩送风口。
1.3排风系统
房间排风口在摆放生物安全柜侧的隔墙上单侧布置，风口下边沿距地面100mm高。以实现室内被污染风险最高的区域远离房间入口。

排风口安装国标B类高效过滤器，过滤效率99.99%，金属边框。静压箱采用钢制整体焊接，表面喷塑防腐处理。采用竖向百叶排风口。排风高效过滤风口安装前进行整体检漏，合格后作为整体装置安装，并在安装过程中严格保护。

生物安全柜、动物隔离器、负压罩的排风管道接入排风系统的总管道一同排放。排风管道均采用不锈钢材料。

实验室各房间的排风支管上设置有电动风量调节阀，以保证房间压差梯度的恒定。

实验室排风机组安装于建筑的屋面，设置两台排风机组，一用一备，当运行风机故障时，备用风机可立即投入运行，防止室内负压状态被破坏，保证实验室安全运行。

排风系统室外排风口高于屋面2.5m，出风口安装防风扰动、防雨风帽，并安装防止昆虫、鼠等动物进入的金属防互网。
1.4气流组织
实验室内各区间压差梯度的恒定控制，保证气流方向由清洁区流向半污染区，由半污染区流向污染区。各主实验室内采用单侧上部斜送，对侧下排的单向气流组织方式，以利于气流由“清洁”空间向“污染”空间流动，最大限度减少了室内回流与涡流。
1.5冷热源
冷热源采用低温型空气源热泵机组，冷热源合一。
1.6空调水系统
空调水系统采用两台循环水泵（一用一备），以保证空调供水系统的安全运行。

空调机组换热盘管供水采用电动比例三通阀控制，以实现送风温度的恒定控制。
空气源热泵机组冬季制热时，有化霜运行过程，为防止化霜运行过程造成系统水温变化过大，引起空调送风温度波动，在热泵机组出水管路上串接一容积3立方米的储水箱，以增加系统水容积，缓冲化霜运行过程造成的水温变化。
二、控制系统组成
2.1自动控制系统硬件设备组成
自动控制系统将实验室所有系统完全整合，由上位计算机进行全面的监控。包括空调设备监控、室内参数监控、室内设备、门禁系统、网络信息传输，每项控制内容为独立视窗界面，包括起停、设定、循检、报警、历史趋势、报表、后台管理、帮助信息等子项。

（1）可编程控制器在P3自动控制系统中，下位机采用可编程控制器，使机电控制、过程控制与商务管理之间的无缝连接成为现实，通过Web浏览器可以让我们轻松地实现异地监控。
（2）上位监控计算机上位计算机采用工业计算机实现实验室的整体控制管理。
（3）阀门执行器、传感器
（4）变频器
2.2空调设备监控
空调设备监控包括对冷热源起停，故障状态报警，故障切换，冷热源的各参量的监控；水泵的起停，故障状态报警，故障切换及水泵用电电压等参量的监控；新风送风子系统的监控主要有送风阀的开关，初中效过滤器的堵塞报警，送风机的起停、故障状态报警、故障切换、变频器的故障状态报警，送风温湿度、送风量等；排风子系统与送风子系统具有相同的控制功能。空调设备中的水泵、送风机、排风机等均采用一用一备，主备之间既可互换又互锁，实现主备交替运行。
2.3室内参数监控
室内参数有环境温度、湿度、压力及送风量组成，温度的监控由温度传感器与空调机组的表冷段及其阀门经过PID调节来成完设定；湿度监控由自整定电极加湿器来完成，压力梯度及送风量的监控由压力及风量传器、送风阀、排风阀来完成。温湿度、压力报警由室声光报警器和上位计算机报警提示来完成。
2.4室内设备监控
室内设备监控主要是对生物安全柜的起停及故障状态进行监控。
2.5门禁控制
门禁指纹识系统采用门禁主控制器及指纹识别器。实验室门禁系统由指纹识别门禁系统及非接触式红外感应门控开关组成。在男更衣室和女更衣室出入口处各一套指纹识别门禁系统，通过指纹识别进出实验室。实验室内各道门采用非接触式红外感应门控开关控制各道门。各道门之间均设有互锁功能；同时，在出现紧急情况时，可开启状态。
2.6手动控制系统
为确保实验室不间断运行，防止某个设备故障使自动控制无法正常运行，增设了手动控制系统，在自动控制系统出现故障时极时切换到手动控制系统，以确保实验室内各参量维持不变。
三、系统调试中应注意的技术问题
3.1主系统的起停控制要求
在保证接线正确后，自动控制最先调试的就是主设备能否正确运行。在该工程中，最主要的设备就是空调机组，水泵，送排风机。根据负压隔离室的要求，并考虑保证设备的安全，启动的时候，启动顺序应该是先启动水泵，延时1分钟左右的时间同时启动排风机和空调机组，再延时3分钟后启动送风机。停止时先停送风机，延时后再停排风机和空调机组，最后延时十分钟后停止水泵。自控程序必须保证各个设备可靠起停，且需要保证在出现异常后能够保护机组等重要设备，在突然断电等异常情况发生后仍然能够安全起停。

根据各个房间的实际使用情况以及各个不同的时间段对压力的不同要求，送风机和排风机的功率要求可以灵活变化，这样既可以保持各个实验室的状态稳定，又可以节约电能。
3.2变频器与PLC连接
因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点：

（1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。
（2）当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的降噪措施。
（3）当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。
（4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。
3.3自控系统状态参数的调整
由于国家检疫局通州疯牛病P3实验室要求负压梯度，既要求从污染区到洁净区电压逐级升高。所以对压强的调节是最重要也是最困难的。

在该工程中，主要通过调节送风阀和排风阀的开度来调节房间压力。送风阀和排风阀均使用电动阀，其中，送风阀的开度比例直接通过PLC的模拟输出口给定，排风阀的开度通过pid自动调节。送风阀开度直接给定可以保证单位时间的送风量基本维持不变，从而保证每天的换气次数，排风阀通过pid自动调节可以维持房间里面的压强基本稳定。首先，必须测定单位时间的送风量，以保证实验室的换气次数。

其计算公式是：n=v*s*t/a,

其中，n表示t时间内的总换气次数，v为送风风速，s为风速传感器位置送风管道的横截面积，a为房间的总体积。

在送风给定后，就可以通过调节排风阀来调节各个房间的压强。排风阀使用PID自动调节，只要给定PID的目标值，PLC的内部运算就可以自动调节排风阀的开度大小，使压强值等于目标值。
四、结论
本项目已全面完成验收，投入使用，主系统：空调机组、水泵、送风机、排风机均能够安全起停且工作正常；程序在试运行期间没有明显的问题；各个传感器和执行器均能正常工作。房间参数达到合同要求。上位机实时监控页面美观、工作可靠。项目总投资200多万元。

       文章来源：洁净园

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