淺談某BSL-3生物潔淨實驗室自動控製係統設計與調試案例

生物潔淨實驗室的建設應符合“保證環境安全、保證實驗人員安全、保證實驗樣本安全”三項原則，為(wei) 此，實驗室內(nei) 的氣體(ti) 絕不允許不加處理排入大氣，生物安全櫃內(nei) 的氣體(ti) 絕不允許流入實驗室。本文通過介紹幾個(ge) BSL-3實驗室全過程的設計和調試工作，重點總結了控製係統在設計和調試過程中的問題和難點，在首先解決(jue) 了安全要求（包括靜態和動態過程）問題基礎上，實現了係統節能變風量的節能目的。詳細介紹了如何解決(jue) 在一間麵積為(wei) 23.9M2的BSL-3實驗室中安置4台100％外排生物安全櫃的風量調節係統自動控製，為(wei) 了達到節能的目的，4台安全櫃允許隨時分別投入使用，不投入使用的安全櫃處於(yu) 關(guan) 閉狀態。而在安全櫃分別投入使用和關(guan) 閉的過程中，要求不影響其它正在使用的安全櫃，這樣就要求在安全櫃投入或切除的動態過程中，始終滿足正在使用的安全櫃額定排風量和相關(guan) 房間之間的壓差要求。不同生產(chan) 廠的生物安全櫃使用特性不同，自控係統如何能滿足特性不同的安全櫃使用，本文對此提出了自控設計要點，並在不同的BSL-3實驗室中成功實施，取得良好的控製效果。

一、前言

性病艾滋病防治中心隸屬於(yu) 中國疾病預防控製中心（簡稱性艾中心）位於(yu) 北京天壇西門的中國疾病預防控製中心內(nei) ，BSL-3實驗室為(wei) 原階梯教室的一部分改建而成，在使用麵積僅(jin) 為(wei) 23.9M2的實驗室內(nei) 設置了4台排風量為(wei) 1200M3/h的全排風型二級生物安全櫃。實驗室於(yu) 2003年8月開始建設。試驗室建成後，經過中國疾病預防控製中心環境與(yu) 健康相關(guan) 產(chan) 品安全所的嚴(yan) 格檢測，各項技術參數達到設計和使用要求，現已投入使用。

二、設計、調試內(nei) 容及依據

BSL-3實驗室空調自控係統內(nei) 容見表1 

三、自控係統設計要點

3.1

自控係統的可靠安全運行

根據使用方要求及BSL-3實驗室的特殊性，自控係統設計為(wei) 中央監控計算機控製係統，計算機設在控製室。由於(yu) 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(nei) 負壓的梯度控製具有嚴(yan) 格的要求，在任何時間絕對不允許因控製係統出現故障造成壓力的失控，因此，現場控製器選用了高可靠、高速度、免維護的工業(ye) 級控製器，控製器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製係統癱瘓，並且在控製係統上還設置了手/自動轉換功能，保證在控製係統失控時可人為(wei) 轉換為(wei) 手動操作。計算機選用工業(ye) 控製機，在計算機上可以實時監視機組和自控設備的運行情況，並具有曆史數據記錄、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。

3.2

自控係統節能運行模式

由於(yu) 實驗區空調運行為(wei) 全新風係統，根據使用要求，實驗室內(nei) 的4台生物安全櫃分屬兩(liang) 個(ge) 實驗小組使用，因此，實驗人員有可能不同時使用安全櫃，由於(yu) 是全排風係統，如果不對安全櫃排風進行控製，就會(hui) 造成能源的很大浪費。為(wei) 此我們(men) 考慮了變頻節能的控製措施，在保證實驗區潔淨要求的基礎上，通過調節變頻器頻率，改變空調機組送風量，達到節能的目的。

3.3

多台生物安全櫃開關(guan) 組合的動態過程控製

當有人員正在使用安全櫃做實驗時，其他人員需進入使用其他安全櫃，此時新啟動的安全櫃在啟動過程中一定要保證動態過程中房間的壓力不能超過安全櫃安全運行的壓力參數，即動態過程中房間的負壓值即不能太大也不能太小，關(guan) 閉安全櫃時的過程也如此。

3.4

溫度控製對房間壓力的影響

在項目調試過程中發現，房間壓力有時會(hui) 出現周期性變化。經過觀察，這是由於(yu) 當機組進入加熱（製冷）工況時，送風溫度發生周期性變化，導致經過送風閥門進入房間的新風空氣密度也產(chan) 生相應變化，對房間壓力產(chan) 生了一定影響。當然在此過程中，房間溫度也在周期性變化，這種波動也會(hui) 使房間壓力產(chan) 生波動。因此，要維持房間的壓力為(wei) 恒定值，則排風量應隨送風溫度的變化而變化。

由此看出，如果房間的排風變風量閥排出的空氣體(ti) 積不能禰補由於(yu) 溫度變化造成的壓力變化，則房間的壓力不能保持恒定。由於(yu) 恒溫機組的送風溫度變化較大，從(cong) 18℃~45℃，變化率達60%，因此在選擇房間排風變風量閥時，必須注意令其風量調節範圍能夠滿足上述要求。

自控係統控製原理圖

圖1  BSL-3自控係統原理

四、BSL-3實驗室自控係統調試

4.1

送風排風變頻控製

係統送風根據不同工況分為(wei) “進入”狀態，1台安全櫃開/關(guan) 狀態，2台安全櫃開/關(guan) 狀態，3台安全櫃開/關(guan) 狀態，4台安全櫃開/關(guan) 狀態，共5種工況。當使用1台生物安全櫃時，送風量在進入狀態的送風量基礎上疊加（減少）1台安全櫃的額定排風量，當使用2台生物安全櫃時，送風量在2台安全櫃開/關(guan) 狀態的送風量基礎上疊加（減少）2台安全櫃的額定排風量，依次類推。根據送、排風量的不同，改變送、排風機變頻值，達到節省能源的目的。

4.2

壓差控製與(yu) 監視

在BSL-3實驗室、緩衝(chong) 間、更衣和控製室內(nei) 分別設置壓差傳(chuan) 感器，用設備夾層的靜壓作為(wei) 采樣的基準點。我們(men) 將BSL-3實驗室壓力作為(wei) 設定值，與(yu) 壓力傳(chuan) 感器的測量值進行比較，通過PID環節控製BSL-3實驗室排風變風量閥開度，以恒定BSL-3實驗室的壓力以及BSL-3實驗室和緩衝(chong) 間、更衣和控製室之間壓差。各壓力和壓差值可在中央監控計算機上實時監視，並可提供曆史數據查詢功能。不同工況的房間壓力參數見表2

表2  不同工況的房間壓力                    

4.3

消毒工況控製

在送、排風主風道上設置密閉閥，當係統正常工作時，密閉閥處於(yu) 開啟狀態，當需要對實驗室進行消毒時，在計算機上進入消毒工況，關(guan) 閉密閉閥即可。在係統啟動和關(guan) 閉時，密閉閥自動打開或關(guan) 閉，這樣就避免了由於(yu) 工作人員偶然的失誤忘記開關(guan) 密閉閥，造成係統故障。

4.4

溫度控製和電加熱保護

溫度控製由恒溫機組完成。冬季由恒溫機組自帶的4組電加熱提供熱源，當恒溫機組停機時即切斷投入的電加熱，且延時後再停止送風機，以保證係統的安全。

4.5

連鎖控製和報警

當係統開啟為(wei) “進入”狀態時，先開啟變頻排風機，延時後開啟變頻送風機、恒溫機組，保證房間的負壓狀態。當房間壓力超出安全範圍時，聲光報警器報警，通知實驗人員迅速撤離，保證實驗人員的安全。當變頻器、風機出現故障及過濾器阻塞時可在計算機上報警。

五、小結

BSL-3實驗室空調自控係統的設計和調試難點是風量控製和多等級壓差控製，即要保證潔淨區的換氣次數又要保證多工況轉換時房間壓差的平穩控製。通過數據和曲線可以得出以下結論：

l  多工況轉換時房間壓差完全控製在壓差參數的範圍之內(nei) 並達到萬(wan) 級潔淨的換氣次數。當不同工況轉換時，自控係統立即對房間的壓差做出反應，動態響應時間完全滿足使用要求。

l  通過對BSL-3實驗室排風變風量閥的PID控製，消除送風溫度對房間壓力的影響，滿足環境參數要求。

l  不同工況時送風變頻控製，節省能源，這對全新風係統來說節能效果明顯。

通過此工程的設計和調試，我們(men) 有以下體(ti) 會(hui) ：

1、應重視空調風係統的風量測量和風量的靜態平衡調試

由於(yu) BSL-3實驗室房間麵積太小，送風係統最小風量與(yu) 最大風量之比接近1：5，這就造成很小的風量變化能引起房間壓力的較大波動。每台生物安全櫃的排風量的偏差也會(hui) 造成房間壓力的較大變化。風係統的靜態平衡應在自控係統投入之前調整到較理想狀態，如果風係統的各個(ge) 參數沒有調整好就加入自動控製，不僅(jin) 會(hui) 增加調試的難度，嚴(yan) 重時會(hui) 造成自控係統無法進行調試，並且無法排除故障原因。

2、注意新風量與(yu) 使用要求相匹配以達到節能的目的

在全新風空調係統中，能量的消耗是非常驚人的，在此項目中采用變頻技術，根據實際使用的安全櫃來補充新風量，可以大大降低能量處理不必要新風量的消耗，例如，采用變頻技術後，當使用1台安全櫃時最小新風量與(yu) 使用4台安全櫃時最大新風量的能耗比為(wei) 約為(wei) 1：13.5，即最小新風量所消耗能量為(wei) 最大新風量所消耗能量的7.4%，節能效果明顯。

3、應重視恒溫恒濕機組調節溫度的穩定性和精度，因為(wei) 房間的壓力與(yu) 氣體(ti) 的溫濕度