BSL-3生物洁净实验室自动控制系统

论文作者：王虹 赵添 贾琨 廖传善 牛维乐

一、 前言

　　性病艾滋病防治中心隶属于中国疾病预防控制中心（简称性艾中心）位于北京天坛西门的中国疾病预防控制中心内，BSL-3实验室为原阶梯教室的一部分改建而成，在使用面积仅为23.9M2的实验室内设置了4台排风量为1200M³/h的全排风型二级生物安全柜。实验室于2003年8月开始建设。试验室建成后，经过中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所的严格检测，各项技术参数达到设计和使用要求，现已投入使用。

二、 设计、调试内容及依据

　　BSL-3实验室空调自控系统内容见表1

　　控制参数如下:

　　压差参数:

　　BSL-3实验室 相对大气：-40Pa~-80Pa

　　缓冲室 相对大气：-20Pa~-40Pa

　　更衣 相对大气：-10Pa~-30Pa

　　控制室 相对大气： 5Pa

　　换气次数： 实验室大于20次

　　洁净等级：

　　BSL-3实验室 万级

　　缓冲室 10万级

　　温湿度参数:

　　BSL-3实验室 设计温度: 19℃～24℃

三、 自控系统设计要点

自控系统的可靠安全运行

　　根据使用方要求及BSL-3实验室的特殊性，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、免维护的工业级控制器，控制器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。

自控系统节能运行模式

　　由于实验区空调运行为全新风系统，根据使用要求，实验室内的4台生物安全柜分属两个实验小组使用，因此，实验人员有可能不同时使用安全柜，由于是全排风系统，如果不对安全柜排风进行控制，就会造成能源的很大浪费。为此我们考虑了变频节能的控制措施，在保证实验区洁净要求的基础上，通过调节变频器频率，改变空调机组送风量，达到节能的目的。

多台生物安全柜开关组合的动态过程控制

　　当有人员正在使用安全柜做实验时，其他人员需进入使用其他安全柜，此时新启动的安全柜在启动过程中一定要保证动态过程中房间的压力不能超过安全柜安全运行的压力参数，即动态过程中房间的负压值即不能太大也不能太小，关闭安全柜时的过程也如此。

温度控制对房间压力的影响

　　在项目调试过程中发现，房间压力有时会出现周期性变化。经过观察，这是由于当机组进入加热（制冷）工况时，送风温度发生周期性变化，导致经过送风阀门进入房间的新风空气密度也产生相应变化，对房间压力产生了一定影响。当然在此过程中，房间温度也在周期性变化，这种波动也会使房间压力产生波动。因此，要维持房间的压力为恒定值，则排风量应随送风温度的变化而变化。

　　由此看出，如果房间的排风变风量阀排出的空气体积不能祢补由于温度变化造成的压力变化，则房间的压力不能保持恒定。由于恒温机组的送风温度变化较大，从18℃~45℃，变化率达60%，因此在选择房间排风变风量阀时，必须注意令其风量调节范围能够满足上述要求。

自控系统控制原理图

四、 BSL-3实验室自控系统调试

送风排风变频控制

　　系统送风根据不同工况分为“进入”状态，1台安全柜开/关状态，2台安全柜开/关状态，3台安全柜开/关状态，4台安全柜开/关状态，共5种工况。当使用1台生物安全柜时，送风量在进入状态的送风量基础上叠加（减少）1台安全柜的额定排风量，当使用2台生物安全柜时，送风量在2台安全柜开/关状态的送风量基础上叠加（减少）2台安全柜的额定排风量，依次类推。根据送、排风量的不同，改变送、排风机变频值，达到节省能源的目的。

压差控制与监视

　　在BSL-3实验室、缓冲间、更衣和控制室内分别设置压差传感器，用设备夹层的静压作为采样的基准点。我们将BSL-3实验室压力作为设定值，与压力传感器的测量值进行比较，通过PID环节控制BSL-3实验室排风变风量阀开度，以恒定BSL-3实验室的压力以及BSL-3实验室和缓冲间、更衣和控制室之间压差。各压力和压差值可在中央监控计算机上实时监视，并可提供历史数据查询功能。不同工况的房间压力参数见表2

　　不同工况的房间压力 表2

　　√ 开 ○关

消毒工况控制

　　在送、排风主风道上设置密闭阀，当系统正常工作时，密闭阀处于开启状态，当需要对实验室进行消毒时，在计算机上进入消毒工况，关闭密闭阀即可。在系统启动和关闭时，密闭阀自动打开或关闭，这样就避免了由于工作人员偶然的失误忘记开关密闭阀，造成系统故障。

温度控制和电加热保护

　　温度控制由恒温机组完成。冬季由恒温机组自带的4组电加热提供热源，当恒温机组停机时即切断投入的电加热，且延时后再停止送风机，以保证系统的安全。

连锁控制和报警

　　当系统开启为“进入”状态时，先开启变频排风机，延时后开启变频送风机、恒温机组，保证房间的负压状态。当房间压力超出安全范围时，声光报警器报警，通知实验人员迅速撤离，保证实验人员的安全。当变频器、风机出现故障及过滤器阻塞时可在计算机上报警。

五、 小结

　　BSL-3实验室空调自控系统的设计和调试难点是风量控制和多等级压差控制，即要保证洁净区的换气次数又要保证多工况转换时房间压差的平稳控制。通过数据和曲线可以得出以下结论：

　　多工况转换时房间压差完全控制在压差参数的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反应，动态响应时间完全满足使用要求。

　　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，满足环境参数要求。

　　不同工况时送风变频控制，节省能源，这对全新风系统来说节能效果明显。

　　通过此工程的设计和调试，我们有以下体会：

　　1、应重视空调风系统的风量测量和风量的静态平衡调试

　　由于BSL-3实验室房间面积太小，送风系统最小风量与最大风量之比接近1：5，这就造成很小的风量变化能引起房间压力的较大波动。每台生物安全柜的排风量的偏差也会造成房间压力的较大变化。风系统的静态平衡应在自控系统投入之前调整到较理想状态，如果风系统的各个参数没有调整好就加入自动控制，不仅会增加调试的难度，严重时会造成自控系统无法进行调试，并且无法排除故障原因。

　　2、注意新风量与使用要求相匹配以达到节能的目的

　　在全新风空调系统中，能量的消耗是非常惊人的，在此项目中采用变频技术，根据实际使用的安全柜来补充新风量，可以大大降低能量处理不必要新风量的消耗，例如，采用变频技术后，当使用1台安全柜时最小新风量与使用4台安全柜时最大新风量的能耗比为约为1：13.5，即最小新风量所消耗能量为最大新风量所消耗能量的7.4%，节能效果明显。

　　3、应重视恒温恒湿机组调节温度的稳定性和精度，因为房间的压力与气体的温湿度直接相关，温湿度的波动范围如果超出房间排风阀的调节范围，则自控系统无法满足房间压力的稳定。