淺談某BSL-3生物潔凈實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試案例

生物潔凈實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)符合“保證環(huán)境安全、保證實(shí)驗(yàn)人員安全、保證實(shí)驗(yàn)樣本安全”三項(xiàng)原則，為此，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣體絕不允許不加處理排入大氣，生物安全柜內(nèi)的氣體絕不允許流入實(shí)驗(yàn)室。本文通過(guò)介紹幾個(gè)BSL-3實(shí)驗(yàn)室全過(guò)程的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，重點(diǎn)總結(jié)了控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題和難點(diǎn)，在首先解決了安全要求（包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程）問(wèn)題基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能變風(fēng)量的節(jié)能目的。詳細(xì)介紹了如何解決在一間面積為23.9M2的BSL-3實(shí)驗(yàn)室中安置4臺(tái)100％外排生物安全柜的風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制，為了達(dá)到節(jié)能的目的，4臺(tái)安全柜允許隨時(shí)分別投入使用，不投入使用的安全柜處于關(guān)閉狀態(tài)。而在安全柜分別投入使用和關(guān)閉的過(guò)程中，要求不影響其它正在使用的安全柜，這樣就要求在安全柜投入或切除的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，始終滿(mǎn)足正在使用的安全柜額定排風(fēng)量和相關(guān)房間之間的壓差要求。不同生產(chǎn)廠的生物安全柜使用特性不同，自控系統(tǒng)如何能滿(mǎn)足特性不同的安全柜使用，本文對(duì)此提出了自控設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并在不同的BSL-3實(shí)驗(yàn)室中成功實(shí)施，取得良好的控制效果。

一、前言

性病艾滋病防治中心隸屬于中國(guó)疾病預(yù)防控制中心（簡(jiǎn)稱(chēng)性艾中心）位于北京天壇西門(mén)的中國(guó)疾病預(yù)防控制中心內(nèi)，BSL-3實(shí)驗(yàn)室為原階梯教室的一部分改建而成，在使用面積僅為23.9M2的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)置了4臺(tái)排風(fēng)量為1200M3/h的全排風(fēng)型二級(jí)生物安全柜。實(shí)驗(yàn)室于2003年8月開(kāi)始建設(shè)。試驗(yàn)室建成后，經(jīng)過(guò)中國(guó)疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所的嚴(yán)格檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求，現(xiàn)已投入使用。

二、設(shè)計(jì)、調(diào)試內(nèi)容及依據(jù)

BSL-3實(shí)驗(yàn)室空調(diào)自控系統(tǒng)內(nèi)容見(jiàn)表1 

三、自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1

自控系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行

根據(jù)使用方要求及BSL-3實(shí)驗(yàn)室的特殊性，自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)設(shè)在控制室。由于BSL-3實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都具有很高的危險(xiǎn)性，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)負(fù)壓的梯度控制具有嚴(yán)格的要求，在任何時(shí)間絕對(duì)不允許因控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障造成壓力的失控，因此，現(xiàn)場(chǎng)控制器選用了高可靠、高速度、免維護(hù)的工業(yè)級(jí)控制器，控制器可脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作，避免了一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障造成控制系統(tǒng)癱瘓，并且在控制系統(tǒng)上還設(shè)置了手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，保證在控制系統(tǒng)失控時(shí)可人為轉(zhuǎn)換為手動(dòng)操作。計(jì)算機(jī)選用工業(yè)控制機(jī)，在計(jì)算機(jī)上可以實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)組和自控設(shè)備的運(yùn)行情況，并具有歷史數(shù)據(jù)記錄、動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)和報(bào)警提示等功能。以上措施可充分保證BSL-3實(shí)驗(yàn)室的安全運(yùn)行。

3.2

自控系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行模式

由于實(shí)驗(yàn)區(qū)空調(diào)運(yùn)行為全新風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)使用要求，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的4臺(tái)生物安全柜分屬兩個(gè)實(shí)驗(yàn)小組使用，因此，實(shí)驗(yàn)人員有可能不同時(shí)使用安全柜，由于是全排風(fēng)系統(tǒng)，如果不對(duì)安全柜排風(fēng)進(jìn)行控制，就會(huì)造成能源的很大浪費(fèi)。為此我們考慮了變頻節(jié)能的控制措施，在保證實(shí)驗(yàn)區(qū)潔凈要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率，改變空調(diào)機(jī)組送風(fēng)量，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.3

多臺(tái)生物安全柜開(kāi)關(guān)組合的動(dòng)態(tài)過(guò)程控制

當(dāng)有人員正在使用安全柜做實(shí)驗(yàn)時(shí)，其他人員需進(jìn)入使用其他安全柜，此時(shí)新啟動(dòng)的安全柜在啟動(dòng)過(guò)程中一定要保證動(dòng)態(tài)過(guò)程中房間的壓力不能超過(guò)安全柜安全運(yùn)行的壓力參數(shù)，即動(dòng)態(tài)過(guò)程中房間的負(fù)壓值即不能太大也不能太小，關(guān)閉安全柜時(shí)的過(guò)程也如此。

3.4

溫度控制對(duì)房間壓力的影響

在項(xiàng)目調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，房間壓力有時(shí)會(huì)出現(xiàn)周期性變化。經(jīng)過(guò)觀察，這是由于當(dāng)機(jī)組進(jìn)入加熱（制冷）工況時(shí)，送風(fēng)溫度發(fā)生周期性變化，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)送風(fēng)閥門(mén)進(jìn)入房間的新風(fēng)空氣密度也產(chǎn)生相應(yīng)變化，對(duì)房間壓力產(chǎn)生了一定影響。當(dāng)然在此過(guò)程中，房間溫度也在周期性變化，這種波動(dòng)也會(huì)使房間壓力產(chǎn)生波動(dòng)。因此，要維持房間的壓力為恒定值，則排風(fēng)量應(yīng)隨送風(fēng)溫度的變化而變化。

由此看出，如果房間的排風(fēng)變風(fēng)量閥排出的空氣體積不能禰補(bǔ)由于溫度變化造成的壓力變化，則房間的壓力不能保持恒定。由于恒溫機(jī)組的送風(fēng)溫度變化較大，從18℃~45℃，變化率達(dá)60%，因此在選擇房間排風(fēng)變風(fēng)量閥時(shí)，必須注意令其風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍能夠滿(mǎn)足上述要求。

自控系統(tǒng)控制原理圖

圖1  BSL-3自控系統(tǒng)原理

四、BSL-3實(shí)驗(yàn)室自控系統(tǒng)調(diào)試

4.1

送風(fēng)排風(fēng)變頻控制

系統(tǒng)送風(fēng)根據(jù)不同工況分為“進(jìn)入”狀態(tài)，1臺(tái)安全柜開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，2臺(tái)安全柜開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，3臺(tái)安全柜開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，4臺(tái)安全柜開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，共5種工況。當(dāng)使用1臺(tái)生物安全柜時(shí)，送風(fēng)量在進(jìn)入狀態(tài)的送風(fēng)量基礎(chǔ)上疊加（減少）1臺(tái)安全柜的額定排風(fēng)量，當(dāng)使用2臺(tái)生物安全柜時(shí)，送風(fēng)量在2臺(tái)安全柜開(kāi)/關(guān)狀態(tài)的送風(fēng)量基礎(chǔ)上疊加（減少）2臺(tái)安全柜的額定排風(fēng)量，依次類(lèi)推。根據(jù)送、排風(fēng)量的不同，改變送、排風(fēng)機(jī)變頻值，達(dá)到節(jié)省能源的目的。

4.2

壓差控制與監(jiān)視

在BSL-3實(shí)驗(yàn)室、緩沖間、更衣和控制室內(nèi)分別設(shè)置壓差傳感器，用設(shè)備夾層的靜壓作為采樣的基準(zhǔn)點(diǎn)。我們將BSL-3實(shí)驗(yàn)室壓力作為設(shè)定值，與壓力傳感器的測(cè)量值進(jìn)行比較，通過(guò)PID環(huán)節(jié)控制BSL-3實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)變風(fēng)量閥開(kāi)度，以恒定BSL-3實(shí)驗(yàn)室的壓力以及BSL-3實(shí)驗(yàn)室和緩沖間、更衣和控制室之間壓差。各壓力和壓差值可在中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)視，并可提供歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能。不同工況的房間壓力參數(shù)見(jiàn)表2

表2  不同工況的房間壓力                    

4.3

消毒工況控制

在送、排風(fēng)主風(fēng)道上設(shè)置密閉閥，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，密閉閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行消毒時(shí)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)入消毒工況，關(guān)閉密閉閥即可。在系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)，密閉閥自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉，這樣就避免了由于工作人員偶然的失誤忘記開(kāi)關(guān)密閉閥，造成系統(tǒng)故障。

4.4

溫度控制和電加熱保護(hù)

溫度控制由恒溫機(jī)組完成。冬季由恒溫機(jī)組自帶的4組電加熱提供熱源，當(dāng)恒溫機(jī)組停機(jī)時(shí)即切斷投入的電加熱，且延時(shí)后再停止送風(fēng)機(jī)，以保證系統(tǒng)的安全。

4.5

連鎖控制和報(bào)警

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟為“進(jìn)入”狀態(tài)時(shí)，先開(kāi)啟變頻排風(fēng)機(jī)，延時(shí)后開(kāi)啟變頻送風(fēng)機(jī)、恒溫機(jī)組，保證房間的負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)房間壓力超出安全范圍時(shí)，聲光報(bào)警器報(bào)警，通知實(shí)驗(yàn)人員迅速撤離，保證實(shí)驗(yàn)人員的安全。當(dāng)變頻器、風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障及過(guò)濾器阻塞時(shí)可在計(jì)算機(jī)上報(bào)警。

五、小結(jié)

BSL-3實(shí)驗(yàn)室空調(diào)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試難點(diǎn)是風(fēng)量控制和多等級(jí)壓差控制，即要保證潔凈區(qū)的換氣次數(shù)又要保證多工況轉(zhuǎn)換時(shí)房間壓差的平穩(wěn)控制。通過(guò)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)可以得出以下結(jié)論：

l  多工況轉(zhuǎn)換時(shí)房間壓差完全控制在壓差參數(shù)的范圍之內(nèi)并達(dá)到萬(wàn)級(jí)潔凈的換氣次數(shù)。當(dāng)不同工況轉(zhuǎn)換時(shí)，自控系統(tǒng)立即對(duì)房間的壓差做出反應(yīng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間完全滿(mǎn)足使用要求。

l  通過(guò)對(duì)BSL-3實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)變風(fēng)量閥的PID控制，消除送風(fēng)溫度對(duì)房間壓力的影響，滿(mǎn)足環(huán)境參數(shù)要求。

l  不同工況時(shí)送風(fēng)變頻控制，節(jié)省能源，這對(duì)全新風(fēng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)節(jié)能效果明顯。

通過(guò)此工程的設(shè)計(jì)和調(diào)試，我們有以下體會(huì)：

1、應(yīng)重視空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量測(cè)量和風(fēng)量的靜態(tài)平衡調(diào)試

由于BSL-3實(shí)驗(yàn)室房間面積太小，送風(fēng)系統(tǒng)最小風(fēng)量與最大風(fēng)量之比接近1：5，這就造成很小的風(fēng)量變化能引起房間壓力的較大波動(dòng)。每臺(tái)生物安全柜的排風(fēng)量的偏差也會(huì)造成房間壓力的較大變化。風(fēng)系統(tǒng)的靜態(tài)平衡應(yīng)在自控系統(tǒng)投入之前調(diào)整到較理想狀態(tài)，如果風(fēng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)沒(méi)有調(diào)整好就加入自動(dòng)控制，不僅會(huì)增加調(diào)試的難度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成自控系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行調(diào)試，并且無(wú)法排除故障原因。

2、注意新風(fēng)量與使用要求相匹配以達(dá)到節(jié)能的目的

在全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，能量的消耗是非常驚人的，在此項(xiàng)目中采用變頻技術(shù)，根據(jù)實(shí)際使用的安全柜來(lái)補(bǔ)充新風(fēng)量，可以大大降低能量處理不必要新風(fēng)量的消耗，例如，采用變頻技術(shù)后，當(dāng)使用1臺(tái)安全柜時(shí)最小新風(fēng)量與使用4臺(tái)安全柜時(shí)最大新風(fēng)量的能耗比為約為1：13.5，即最小新風(fēng)量所消耗能量為最大新風(fēng)量所消耗能量的7.4%，節(jié)能效果明顯。

3、應(yīng)重視恒溫恒濕機(jī)組調(diào)節(jié)溫度的穩(wěn)定性和精度，因?yàn)榉块g的壓力與氣體的溫濕度