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BSL-3生物洁净实验室自动控制系统 设计与调试

摘  要    BSL-3实验室是专门对一些病毒及对人体有害的物质进行实验和培养的实验室,例如对SARS病毒的研究。它的建设应符合“保证环境安全、保证实验人员安全、保证实验样本安全”三项原则,为此,实验室内的气体绝不允许不加处理排入大气,生物安全柜内的气体绝不允许流入实验室。本文通过介绍几个BSL-3实验室全过程的设计和调试工作,重点总结了控制系统在设计和调试过程中的问题和难点,在首先解决了安全要求(包括静态和动态过程)问题基础上,实现了系统节能变风量的节能目的。详细介绍了如何解决在一间面积为23.9M2的BSL-3实验室中安置4台100%外排生物安全柜的风量调节系统自动控制,为了达到节能的目的,4台安全柜允许随时分别投入使用,不投入使用的安全柜处于关闭状态。而在安全柜分别投入使用和关闭的过程中,要求不影响其它正在使用的安全柜,这样就要求在安全柜投入或切除的动态过程中,始终满足正在使用的安全柜额定排风量和相关房间之间的压差要求。不同生产厂的生物安全柜使用特性不同,自控系统如何能满足特性不同的安全柜使用,本文对此提出了自控设计要点,并在不同的BSL-3实验室中成功实施,取得良好的控制效果。
关键词    万级洁净区  自控系统         设计  调试         压差  温湿度  变频  节能

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。
 
BSL-3实验室空调自控系统内容见表1                                                                           表
名       称 用途
实验区变频送风机组 整个实验区域送风和温度调节
实验区变频排风机 整个实验区域排风
BSL-3实验室送风变风量阀 根据开启安全柜的数量给出不同风量
BSL-3实验室排风变风量阀 根据房间压力调节房间排风量
Ⅱ级生物安全柜排风定风量阀 稳定生物安全柜排风量
缓冲、一更、二更送、排风定风量阀 稳定辅助间送、排风量
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℃
· 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
 
 
· 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
工况 BSL-3(Pa)
 
缓冲间(Pa)
 
更衣间(Pa)
 
控制室(Pa)
 
进入 1# 2# 3# 4#
-47.0 -43.0 -22.0 -18.0 -23.0 -22.0 12.0 7.0
-45.0 -41.0 -20.0 -16.0 -21.0 -20.0 10.0 5.0
-63.0 -51.0 -38.0 -26.0 -39.0 -30.0 28.0 15.0
-56.0 -43.0 -31.0 -18.0 -32.0 -22.0 21.0 7.0
-59.0 -47.0 -34.0 -22.0 -35.0 -26.0 24.0 11.0
-47.0 -39.0 -22.0 -14.0 -23.0 -18.0 12.0 3.0
-51.0 -42.0 -26.0 -17.0 -27.0 -21.0 16.0 6.0
-58.0 -45.0 -33.0 -20.0 -34.0 -24.0 23.0 9.0
-57.0 -45.0 -32.0 -20.0 -33.0 -24.0 22.0 9.0
-61.0 -51.0 -36.0 -26.0 -37.0 -30.0 26.0 15.0
-61.0 -49.0 -36.0 -24.0 -37.0 -28.0 26.0 13.0
-46.0 -38.0 -21.0 -13.0 -22.0 -17.0 11.0 2.0
-58.0 -47.0 -33.0 -22.0 -34.0 -26.0 23.0 11.0
-56.0 -49.0 -31.0 -24.0 -32.0 -28.0 21.0 13.0
-58.0 -46.0 -33.0 -21.0 -34.0 -25.0 23.0 10.0
-58.0 -44.0 -33.0 -19.0 -34.0 -23.0 23.0 8.0
-52.0 -41.0 -27.0 -16.0 -28.0 -20.0 17.0 5.0
-47.0 -34.0 -22.0 -9.0 -23.0 -13.0 17.0 4.0
-50.0 -43.0 -25.0 -18.0 -26.0 -22.0 15.0 7.0
-62.0 -48.0 -37.0 -23.0 -38.0 -27.0 27.0 12.0
-48.0 -47.0 -23.0 -22.0 -24.0 -26.0 13.0 11.0
√ 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。
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。

 

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