自動控制系統在生物安全三級實驗室中的應用
2018-04-19 admin
。 自控系統設計為中央監控計算機控制系統，計算機設在控制室。由于BSL-3實驗室進行的實驗都具有很高的危險性，因此對實驗區內負壓的梯度控制具有嚴格的要求，在任何時間絕對不允許因控制系統出現故障造成壓力的失控，因此，現場控制器選用了高可靠、高速度、免維護的OMRON 中型CJ2M系列的PLC（可編程邏輯控制器），PLC可脫離計算機獨立工作，避免了一旦計算機出現故障造成控制系統癱瘓，并且在控制系統上還設置了手/自動轉換功能，保證在控制系統失控時可人為轉換為手動操作。計算機選用工業控制機，在計算機上可以實時監視機組和自控設備的運行情況，并具有歷史數據記錄、動態曲線和報警提示等功能。以上措施可充分保證BSL-3實驗室的安全運行。
2. 系統設計介紹
（1）.系統介紹
根據三級生物安全實驗室布局（如下），由兩個集裝箱拼接而成（長12192 mm x 寬5,438 mm x 高3500 mm），實驗室負壓區域為：進口緩沖間設計為-20Pa,主實驗室設計為-40Pa,出口1設計為-20Pa,出口2設計為-10Pa。
系統壓力的控制原理為：系統的送風量不變，通過排風量的變化來維持恒定系統壓力的變化。系統內的各個房間送風閥門選用定風量閥門，排風閥門選用變風最閥門。閥門的調節通過電動執行器來調整。排風電動執行器的控制原理為PID控制，執行器的開度控制隨著目標值（壓力）的變化而變化。 (2).自控系統的內容
三級生物安全實驗的自控內容如下：
1）系統的溫濕度控制
系統的送風盤管上都有一冷卻/加熱水調節閥，實驗區的溫度控制通過冷卻/加熱水調節閥，采用PID控制，控制在一定的溫度設定值。
實驗區濕度通過系統加濕器，濕度低于定值時打開加濕器，高于定值I時關閉加濕器, 高于定值II時打開電加熱除濕。
2）系統總的送風量由變頻器控制，以保證相關實驗室的換氣指數的要求及負壓
要求。系統送風機選用變頻器控制，主要是考慮到實驗室內部配置了全排的生物安全柜。分為2種工況，當安全柜投入和關閉的過程中，始終保持正在使用的的安全柜額定的排風量和相關房間之間的壓差。當使用安全柜時，送風量在進入狀態的送風量基礎上疊加（減少）安全柜的額定排風量。根據送、排風量的不同，改變送、排風變頻器的值，達到節能的效果。
3）壓差控制
在BSL－3實驗室，主實驗、進口緩沖間、出口1、2緩沖間分別安裝了Dwye605（0－125Pa）的壓力指針表，用設備夾層的靜壓作為采樣的基準點。另外還配置了數字儀表顯示實時壓力。在PLC程序中分別設置好每個房間的壓力值。主實驗室：－40Pa, 進口緩沖間：－20Pa, 出口緩沖1，2分別為：－20Pa,-10Pa.在PLC程序中與數字儀表的輸出信號（4－20mA）進行比較，通過PID控制自動調節各個房間的排風變風量閥的開度，以恒定各個房間所設定的壓力值。各壓力值都可以在組態軟件（紫金橋）上實時顯示，并自動儲存歷史數據。 壓差控制的程序所下如下：
4） 消毒工況轉換
在送排風總風管上設置了密閉閥，當系統正常工作時，密閉閥處于開啟狀態，當需要對系統進行消毒時，在組態畫面上進入消毒工況，關閉密閉閥。在系統啟動和關閉時密閉閥自動打開或關閉，這樣就避免了操作人員偶然忘記開關閥門，導致系統故障。
5）過濾器壓差及報警
凈化空調機組初中效過濾器分別安裝壓差開關，排風機組也安裝壓差開關，當壓力大于一定值時，在組態界面上自動會彈出提示信息，提醒客戶更換初中效過濾器。系統的送、排風高效過濾器分別安裝了壓差變送器，并且在組態界面上實時顯示。當壓差值大于一定值時，也會自動彈出提醒界面，提醒客戶及時更換高效過濾器。以保證系統的正常運行。
6）系統的報警信息
設計理念：在監控計算機上實時監控、顯示、記錄各種報警的詳細信息， 在監控中心根據故障的程度進行分級顯示。在系統控制方面，系統能夠根據報警等級做出相應的、及時安全的處理操作，任何故障報警出現，可根據報警等級進行報警或采取安全措施，同時必須最大程度的繼續維持實驗室負壓狀態，以便實驗人員能有足夠的時間來安全的結束實驗。 對于實驗室出現的重大報警（如以下的三級報警），除在監控室界面顯示外，有關地點應同時報警，通知實驗室操作人員盡快撤離，從而最大程度保護實驗室工作人員的人身安全。對于一般報警（如以下的一、二級報警）可只在監控界面顯示，不在實驗室內進行聲光報警，以免由報警造成實驗人員情緒緊張而出現操作意外。監控室監控人員可根據需要通過對講系統通知實驗室操作人員。
a. 一級報警： 壓力超限報警、溫濕度報警、高效過濾器阻力報警。
b. 二級報警：實驗室壓力超限報警、送風系統報警、排風系統報警、UPS報警。
送風系統報警： 如果送風機發生故障， 關閉送風機組， 在工作正常的前提下， 降低排風量， 使實驗室壓力維持在適當的負壓狀態， 以保證實驗人員能夠安全的結束實驗，在確保安全的情況下關閉系統。
排風系統報警：此系統為兩臺排風機（ 一常一備），如果其中一臺發生故障， 則另一臺排風機自動啟動， 維持系統運行。
UPS報警： 根據系統要求， 在市電停止時， 立即將報警信號發送至監控室和機房。
C. 三級報警： 系統嚴重異常（排風機切換失敗、送風機停機等）、火災報警。 7) 聯鎖控制 系統開啟
打開實驗區的所有排風閥—打開系統排風風機—低流量報警開始工作—打開實驗區的所有送風閥—打開總的送風機組的風機（小流量）－程序自動平衡實驗室壓力－實驗區進入正常工況
系統停止:
進入系統監控界面
按停止按扭執行自動關機程序。自動關機模式如下： 關閉送風機——關閉各送風閥——關閉排風機——關閉排風閥 8）門的狀態監視
為了確保實驗室各個房間壓力的穩定性，相鄰門之間是互鎖的。為了達到互鎖效果，門禁系統將門的狀態信號通過硬接線接入PLC模塊，PLC系統可以對整個工作區域互鎖門的狀態進行監視。
3. 自控設備的配置
4、小結
BSL－3實驗室的自動系統的難點是風量控制和多等級壓力控制，此設計能達到的效果是：
（1）多工況轉換時，房間壓差完全控制在壓差范圍之內并達到萬級潔凈的換氣次數。當不同工況轉換時，自控系統立即對房間的壓差做出自動調整。確保實驗室系統的負壓要求。
（2）通過對BSL－3實驗室排風變風量閥的PID控制，消除送風溫度對房間壓力的影響，確保實驗室壓力一直處于壓差范圍中。滿足BSL－3的設計要求。 （3）不同工況時，送、排風變頻調節，以達到節能的效果。
2. 系統設計介紹
（1）.系統介紹
根據三級生物安全實驗室布局（如下），由兩個集裝箱拼接而成（長12192 mm x 寬5,438 mm x 高3500 mm），實驗室負壓區域為：進口緩沖間設計為-20Pa,主實驗室設計為-40Pa,出口1設計為-20Pa,出口2設計為-10Pa。
系統壓力的控制原理為：系統的送風量不變，通過排風量的變化來維持恒定系統壓力的變化。系統內的各個房間送風閥門選用定風量閥門，排風閥門選用變風最閥門。閥門的調節通過電動執行器來調整。排風電動執行器的控制原理為PID控制，執行器的開度控制隨著目標值（壓力）的變化而變化。 (2).自控系統的內容
三級生物安全實驗的自控內容如下：
1）系統的溫濕度控制
系統的送風盤管上都有一冷卻/加熱水調節閥，實驗區的溫度控制通過冷卻/加熱水調節閥，采用PID控制，控制在一定的溫度設定值。
實驗區濕度通過系統加濕器，濕度低于定值時打開加濕器，高于定值I時關閉加濕器, 高于定值II時打開電加熱除濕。
2）系統總的送風量由變頻器控制，以保證相關實驗室的換氣指數的要求及負壓
要求。系統送風機選用變頻器控制，主要是考慮到實驗室內部配置了全排的生物安全柜。分為2種工況，當安全柜投入和關閉的過程中，始終保持正在使用的的安全柜額定的排風量和相關房間之間的壓差。當使用安全柜時，送風量在進入狀態的送風量基礎上疊加（減少）安全柜的額定排風量。根據送、排風量的不同，改變送、排風變頻器的值，達到節能的效果。
3）壓差控制
在BSL－3實驗室，主實驗、進口緩沖間、出口1、2緩沖間分別安裝了Dwye605（0－125Pa）的壓力指針表，用設備夾層的靜壓作為采樣的基準點。另外還配置了數字儀表顯示實時壓力。在PLC程序中分別設置好每個房間的壓力值。主實驗室：－40Pa, 進口緩沖間：－20Pa, 出口緩沖1，2分別為：－20Pa,-10Pa.在PLC程序中與數字儀表的輸出信號（4－20mA）進行比較，通過PID控制自動調節各個房間的排風變風量閥的開度，以恒定各個房間所設定的壓力值。各壓力值都可以在組態軟件（紫金橋）上實時顯示，并自動儲存歷史數據。 壓差控制的程序所下如下：
4） 消毒工況轉換
在送排風總風管上設置了密閉閥，當系統正常工作時，密閉閥處于開啟狀態，當需要對系統進行消毒時，在組態畫面上進入消毒工況，關閉密閉閥。在系統啟動和關閉時密閉閥自動打開或關閉，這樣就避免了操作人員偶然忘記開關閥門，導致系統故障。
5）過濾器壓差及報警
凈化空調機組初中效過濾器分別安裝壓差開關，排風機組也安裝壓差開關，當壓力大于一定值時，在組態界面上自動會彈出提示信息，提醒客戶更換初中效過濾器。系統的送、排風高效過濾器分別安裝了壓差變送器，并且在組態界面上實時顯示。當壓差值大于一定值時，也會自動彈出提醒界面，提醒客戶及時更換高效過濾器。以保證系統的正常運行。
6）系統的報警信息
設計理念：在監控計算機上實時監控、顯示、記錄各種報警的詳細信息， 在監控中心根據故障的程度進行分級顯示。在系統控制方面，系統能夠根據報警等級做出相應的、及時安全的處理操作，任何故障報警出現，可根據報警等級進行報警或采取安全措施，同時必須最大程度的繼續維持實驗室負壓狀態，以便實驗人員能有足夠的時間來安全的結束實驗。 對于實驗室出現的重大報警（如以下的三級報警），除在監控室界面顯示外，有關地點應同時報警，通知實驗室操作人員盡快撤離，從而最大程度保護實驗室工作人員的人身安全。對于一般報警（如以下的一、二級報警）可只在監控界面顯示，不在實驗室內進行聲光報警，以免由報警造成實驗人員情緒緊張而出現操作意外。監控室監控人員可根據需要通過對講系統通知實驗室操作人員。
a. 一級報警： 壓力超限報警、溫濕度報警、高效過濾器阻力報警。
b. 二級報警：實驗室壓力超限報警、送風系統報警、排風系統報警、UPS報警。
送風系統報警： 如果送風機發生故障， 關閉送風機組， 在工作正常的前提下， 降低排風量， 使實驗室壓力維持在適當的負壓狀態， 以保證實驗人員能夠安全的結束實驗，在確保安全的情況下關閉系統。
排風系統報警：此系統為兩臺排風機（ 一常一備），如果其中一臺發生故障， 則另一臺排風機自動啟動， 維持系統運行。
UPS報警： 根據系統要求， 在市電停止時， 立即將報警信號發送至監控室和機房。
C. 三級報警： 系統嚴重異常（排風機切換失敗、送風機停機等）、火災報警。 7) 聯鎖控制 系統開啟
打開實驗區的所有排風閥—打開系統排風風機—低流量報警開始工作—打開實驗區的所有送風閥—打開總的送風機組的風機（小流量）－程序自動平衡實驗室壓力－實驗區進入正常工況
系統停止:
進入系統監控界面
按停止按扭執行自動關機程序。自動關機模式如下： 關閉送風機——關閉各送風閥——關閉排風機——關閉排風閥 8）門的狀態監視
為了確保實驗室各個房間壓力的穩定性，相鄰門之間是互鎖的。為了達到互鎖效果，門禁系統將門的狀態信號通過硬接線接入PLC模塊，PLC系統可以對整個工作區域互鎖門的狀態進行監視。
3. 自控設備的配置
4、小結
BSL－3實驗室的自動系統的難點是風量控制和多等級壓力控制，此設計能達到的效果是：
（1）多工況轉換時，房間壓差完全控制在壓差范圍之內并達到萬級潔凈的換氣次數。當不同工況轉換時，自控系統立即對房間的壓差做出自動調整。確保實驗室系統的負壓要求。
（2）通過對BSL－3實驗室排風變風量閥的PID控制，消除送風溫度對房間壓力的影響，確保實驗室壓力一直處于壓差范圍中。滿足BSL－3的設計要求。 （3）不同工況時，送、排風變頻調節，以達到節能的效果。