自动控制系统在生物安全三级实验室中的应用

TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3-----[第-1-页共7页]-----自动控制系统在生物安全三级实验室中的应用TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3利穗科技（苏州）有限公司余鹏程[摘要]本文主要介绍自动控制系统在三级生物安全实验室（BSL－3）中的应用情况。自动控制系统选用OMRONPLC（可编程逻辑控制器）来控制。根据设计要求来控制实验室内的压力以及风机、电动阀门等动作。通过硬件与软件相结合，达到自动控制的目的。Abstract:ThispaperintroducestheautomaticcontrolsystemapplyintheBSL-3.OmronPLC(Programmerlogiccontroller)isthemaincontrolcenterintheautomaticcontrolsystem.Accordingtothedesignrequirements,Itcontroltheroomdifferentialpressureandfans、electricaldamperandtocombinewithhardwareandsoftware.[关键词]PLC生物安全实验室远程监控自控系统压差1.前言本人在利穗科技（苏州）有限公司负责完成了三级生物安全实验室自控系统的设计与调试。自控系统设计为中央监控计算机控制系统，计算机设在控制室。由于BSL-3实验室进行的实验都具有很高的危险性，因此对实验区内负压的梯度控制具有严格的要求，在任何时间绝对不允许因控制系统出现故障造成压力的失控，因此，现场控制器选用了高可靠、高速度、免维护的OMRON中型CJ2M系列的PLC（可编程逻辑控制器），PLC可脱离计算机独立工作，避免了一旦计算机出现故障造成控制系统瘫痪，并且在控制系统上还设置了手/自动转换功能，保证在控制系统失控时可人为转换为手动操作。计算机选用工业控制机，在计算机上可以实时监视机组和自控设备的运行情况，并具有历史数据记录、动态曲线和报警提示等功能。以上措施可充分保证BSL-3实验室的安全运行。TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3-----[第-2-页共7页]-----2.系统设计介绍（1）.系统介绍根据三级生物安全实验室布局（如下），由两个集装箱拼接而成（长12192mmx宽5,438mmx高3500mm），实验室负压区域为：进口缓冲间设计为-20Pa,主实验室设计为-40Pa,出口1设计为-20Pa,出口2设计为-10Pa。10PassBox2876419Maintaindoor235实验室-40Pa出口1-20Pa进口-20Pa出口2-10Pa淋浴更衣间准备间机房2机房1图1-BSL3布局图紧急出口系统压力的控制原理为：系统的送风量不变，通过排风量的变化来维持恒定系统压力的变化。系统内的各个房间送风阀门选用定风量阀门，排风阀门选用变风最阀门。阀门的调节通过电动执行器来调整。排风电动执行器的控制原理为PID控制，执行器的开度控制随着目标值（压力）的变化而变化。(2).自控系统的内容三级生物安全实验的自控内容如下：名称用途系统的变频送风机组整个实验室的送风和温度调节系统的变频排风机组（两组1常、1备）整个实验室的排风系统的送风变风量阀根据安全柜的模式改变房间的送风量系统的排风变风量阀根据房间的压力调节房间的排风量生物安全柜的排风阀由安全柜自动稳定排风量TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3-----[第-3-页共7页]-----自动控制系统原理图PLC的配置系统表格如下：名称数量品牌型号CPU1OMRONCJ1M-CPU13电源1OMRONCJ1W-PA205R开关量输入16点1OMRONCJ1W-ID211开关量输入8点1OMRONCJ1W-ID201开关量输出16点2OMRONCJ1W-OC211模拟量输入8点3OMRONCJ1W-AD081-V1模拟量输出8点2OMRONCJ1W-DA08CPLC的配置系统表格1）系统的温湿度控制系统的送风盘管上都有一冷却/加热水调节阀，实验区的温度控制通过冷却/加热水调节阀，采用PID控制，控制在一定的温度设定值。TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3-----[第-4-页共7页]-----实验区湿度通过系统加湿器，湿度低于定值时打开加湿器，高于定值I时关闭加湿器,高于定值II时打开电加热除湿。2）系统总的送风量由变频器控制，以保证相关实验室的换气指数的要求及负压要求。系统送风机选用变频器控制，主要是考虑到实验室内部配置了全排的生物安全柜。分为2种工况，当安全柜投入和关闭的过程中，始终保持正在使用的的安全柜额定的排风量和相关房间之间的压差。当使用安全柜时，送风量在进入状态的送风量基础上叠加（减少）安全柜的额定排风量。根据送、排风量的不同，改变送、排风变频器的值，达到节能的效果。3）压差控制在BSL－3实验室，主实验、进口缓冲间、出口1、2缓冲间分别安装了Dwye605（0－125Pa）的压力指针表，用设备夹层的静压作为采样的基准点。另外还配置了数字仪表显示实时压力。在PLC程序中分别设置好每个房间的压力值。主实验室：－40Pa,进口缓冲间：－20Pa,出口缓冲1，2分别为：－20Pa,-10Pa.在PLC程序中与数字仪表的输出信号（4－20mA）进行比较，通过PID控制自动调节各个房间的排风变风量阀的开度，以恒定各个房间所设定的压力值。各压力值都可以在组态软件（紫金桥）上实时显示，并自动储存历史数据。压差控制的程序所下如下：4）消毒工况转换在送排风总风管上设置了密闭阀，当系统正常工作时，密闭阀处于开启状态，当TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3-----[第-5-页共7页]-----需要对系统进行消毒时，在组态画面上进入消毒工况，关闭密闭阀。在系统启动和关闭时密闭阀自动打开或关闭，这样就避免了操作人员偶然忘记开关阀门，导致系统故障。5）过滤器压差及报警净化空调机组初中效过滤器分别安装压差开关，排风机组也安装压差开关，当压力大于一定值时，在组态界面上自动会弹出提示信息，提醒客户更换初中效过滤器。系统的送、排风高效过滤器分别安装了压差变送器，并且在组态界面上实时显示。当压差值大于一定值时，也会自动弹出提醒界面，提醒客户及时更换高效过滤器。以保证系统的正常运行。6）系统的报警信息设计理念：在监控计算机上实时监控、显示、记录各种报警的详细信息，在监控中心根据故障的程度进行分级显示。在系统控制方面，系统能够根据报警等级做出相应的、及时安全的处理操作，任何故障报警出现，可根据报警等级进行报警或采取安全措施，同时必须最大程度的继续维持实验室负压状态，以便实验人员能有足够的时间来安全的结束实验。对于实验室出现的重大报警（如以下的三级报警），除在监控室界面显示外，有关地点应同时报警，通知实验室操作人员尽快撤离，从而最大程度保护实验室工作人员的人身安全。对于一般报警（如以下的一、二级报警）可只在监控界面显示，不在实验室内进行声光报警，以免由报警造成实验人员情绪紧张而出现操作意外。监控室监控人员可根据需要通过对讲系统通知实验室操作人员。a.一级报警：压力超限报警、温湿度报警、高效过滤器阻力报警。b.二级报警：实验室压力超限报警、送风系统报警、排风系统报警、UPS报警。送风系统报警：如果送风机发生故障，关闭送风机组，在工作正常的前提下，降低排风量，使实验室压力维持在适当的负压状态，以保证实验人员能够安全的结束实验，在确保安全的情况下关闭系统。排风系统报警：此系统为两台排风机（一常一备），如果其中一台发生故障，则另一台排风机自动启动，维持系统运行。UPS报警：根据系统要求，在市电停止时，立即将报警信号发送至监控室和机房。TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3-----[第-6-页共7页]-----C.三级报警：系统严重异常（排风机切换失败、送风机停机等）、火灾报警。7)联锁控制系统开启打开实验区的所有排风阀—打开系统排风风机—低流量报警开始工作—打开实验区的所有送风阀—打开总的送风机组的风机（小流量）－程序自动平衡实验室压力－实验区进入正常工况系统停止:进入系统监控界面按停止按扭执行自动关机程序。自动关机模式如下：关闭送风机——关闭各送风阀——关闭排风机——关闭排风阀8）门的状态监视为了确保实验室各个房间压力的稳定性，相邻门之间是互锁的。为了达到互锁效果，门禁系统将门的状态信号通过硬接线接入PLC模块，PLC系统可以对整个工作区域互锁门的状态进行监视。3.自控设备的配置名称数量品牌型号PLC1OMRON见PLC的配置系统表格软件1紫金桥Realinfo6.1电动调节阀2NEPBBMFF2060A2BelimoGMU244BelimoSMQU24-SR1BelimoSMU24-SR压力指针表4Dwyer605-125Pa数显表5上海盟博自动化XMTC－050C压差变送器9Bestace761-15-41A风速传感器2E+EEE65压差开关3SiemensQBM81-3TheautomaticcontrolsystemapplicationintheBSL-3-----[第-7-页共7页]-----数显表5上海盟博自动化XMTC－050C声光报警器控制仪表盘紧急按钮4、小结BSL－3实验室的自动系统的难点是风量控制和多等级压力控制，此设计能达到的效果是：（1）多工况转换时，房间压差完全控制在压差范围之内并达到万级洁净的换气次数。当不同工况转换时，自控系统立即对房间的压差做出自动调整。确保实验室系统的负压要求。（2）通过对BSL－3实验室排风变风量阀的PID控制，消除送风温度对房间压力的影响，确保实验室压力一直处于压差范围中。满足BSL－3的设计要求。（3）不同工况时，送、排风变频调节，以达到节能的效果。参考文献：1.C200HX/C200HG/C200HE编程手册2.实验室生物安全通用要求GB19489－20083.生物安全实验室建筑技术规范GB50346—20044.BSL-3生物洁净实验室自动控制系统设计与调试王虹