本文通過國家檢疫局生物安全實驗室項目,介紹了一個利用PLC控制器為主的自動控制系統在生物安全實驗室的環境控制中的應用,分系統介紹了各部分的構造和功能,列舉了主要的硬件設備,從理論和實踐上探討了實驗室負壓梯度如何實現,換氣次數、送風量和房間內壓強之間的關系,控制系統中交流調速設備變頻器和PLC的噪聲抑制等技術問題,為其它生物安全實驗室控制系統的深入研究提供了一個有益的探索和借鑒。

1.1系統形式

潔凈空調系統采用全新風系統。
空調系統送、排風總管道上設置有電動密閉風閥，以利于實驗室熏蒸消毒時，保證實驗室的氣密性，防止泄漏。

1.2送風系統

采用組合式空調機組對室外新風進行初、中效過濾及熱、濕處理。

空調機組設置兩臺同型號送風機，一用一備，以確保風機故障時可立即切換，保證實驗室的安全運行。加濕采用電極蒸汽加濕。初效過濾器過濾等級為G4，中效過濾器過濾等級為F7。

新風口設置于空調機房的側墻上，采用防雨百葉風口，并設置金屬保護網，以防止昆蟲、鼠等動物進入。送風管道采用意大利進口P3風管，風管為鋁箔/聚胺脂復合板材，采用專用黏合劑粘接成型，保證優良的氣密性及保溫隔熱性能。

實驗室各房間的送風支管上設置風量調節器，以保證房間的設定送風量不會因送風高效過濾器積塵阻力變化而改變。房間高效送風口安裝國標B類高效過濾器，過濾效率99.99%，金屬邊框。靜壓箱采用鋼制整體焊接，表面噴塑防腐處理。采用孔板擴散罩送風口。

1.3排風系統

房間排風口在擺放生物安全柜側的隔墻上單側布置，風口下邊沿距地面100mm高。以實現室內被污染風險最高的區域遠離房間入口。

排風口安裝國標B類高效過濾器，過濾效率99.99%，金屬邊框。靜壓箱采用鋼制整體焊接，表面噴塑防腐處理。采用豎向百葉排風口。排風高效過濾風口安裝前進行整體檢漏，合格后作為整體裝置安裝，并在安裝過程中嚴格保護。

生物安全柜、動物隔離器、負壓罩的排風管道接入排風系統的總管道一同排放。排風管道均采用不銹鋼材料。

實驗室各房間的排風支管上設置有電動風量調節閥，以保證房間壓差梯度的恒定。

實驗室排風機組安裝于建筑的屋面，設置兩臺排風機組，一用一備，當運行風機故障時，備用風機可立即投入運行，防止室內負壓狀態被破壞，保證實驗室安全運行。

排風系統室外排風口高于屋面2.5m，出風口安裝防風擾動、防雨風帽，并安裝防止昆蟲、鼠等動物進入的金屬防互網。

1.4氣流組織

實驗室內各區間壓差梯度的恒定控制，保證氣流方向由清潔區流向半污染區，由半污染區流向污染區。各主實驗室內采用單側上部斜送，對側下排的單向氣流組織方式，以利于氣流由“清潔”空間向“污染”空間流動，最大限度減少了室內回流與渦流。

1.5冷熱源

冷熱源采用低溫型空氣源熱泵機組，冷熱源合一。

1.6空調水系統

空調水系統采用兩臺循環水泵（一用一備），以保證空調供水系統的安全運行。

空調機組換熱盤管供水采用電動比例三通閥控制，以實現送風溫度的恒定控制。

空氣源熱泵機組冬季制熱時，有化霜運行過程，為防止化霜運行過程造成系統水溫變化過大，引起空調送風溫度波動，在熱泵機組出水管路上串接一容積3立方米的儲水箱，以增加系統水容積，緩沖化霜運行過程造成的水溫變化。

2.1自動控制系統硬件設備組成

自動控制系統將實驗室所有系統完全整合，由上位計算機進行全面的監控。包括空調設備監控、室內參數監控、室內設備、門禁系統、網絡信息傳輸，每項控制內容為獨立視窗界面，包括起停、設定、循檢、報警、歷史趨勢、報表、后臺管理、幫助信息等子項。

（1）可編程控制器在P3自動控制系統中，下位機采用可編程控制器，使機電控制、過程控制與商務管理之間的無縫連接成為現實，通過Web瀏覽器可以讓我們輕松地實現異地監控。

（2）上位監控計算機上位計算機采用工業計算機實現實驗室的整體控制管理。

（3）閥門執行器、傳感器

（4）變頻器

2.2空調設備監控

空調設備監控包括對冷熱源起停，故障狀態報警，故障切換，冷熱源的各參量的監控；水泵的起停，故障狀態報警，故障切換及水泵用電電壓等參量的監控；新風送風子系統的監控主要有送風閥的開關，初中效過濾器的堵塞報警，送風機的起停、故障狀態報警、故障切換、變頻器的故障狀態報警，送風溫濕度、送風量等；排風子系統與送風子系統具有相同的控制功能。空調設備中的水泵、送風機、排風機等均采用一用一備，主備之間既可互換又互鎖，實現主備交替運行。

2.3室內參數監控

室內參數有環境溫度、濕度、壓力及送風量組成，溫度的監控由溫度傳感器與空調機組的表冷段及其閥門經過PID調節來成完設定；濕度監控由自整定電極加濕器來完成，壓力梯度及送風量的監控由壓力及風量傳器、送風閥、排風閥來完成。溫濕度、壓力報警由室聲光報警器和上位計算機報警提示來完成。

2.4室內設備監控

室內設備監控主要是對生物安全柜的起停及故障狀態進行監控。

2.5門禁控制

門禁指紋識系統采用門禁主控制器及指紋識別器。實驗室門禁系統由指紋識別門禁系統及非接觸式紅外感應門控開關組成。在男更衣室和女更衣室出入口處各一套指紋識別門禁系統，通過指紋識別進出實驗室。實驗室內各道門采用非接觸式紅外感應門控開關控制各道門。各道門之間均設有互鎖功能；同時，在出現緊急情況時，可開啟狀態。

2.6手動控制系統

為確保實驗室不間斷運行，防止某個設備故障使自動控制無法正常運行，增設了手動控制系統，在自動控制系統出現故障時極時切換到手動控制系統，以確保實驗室內各參量維持不變。

3.1主系統的起停控制要求

在保證接線正確后，自動控制最先調試的就是主設備能否正確運行。在該工程中，最主要的設備就是空調機組，水泵，送排風機。根據負壓隔離室的要求，并考慮保證設備的安全，啟動的時候，啟動順序應該是先啟動水泵，延時1分鐘左右的時間同時啟動排風機和空調機組，再延時3分鐘后啟動送風機。停止時先停送風機，延時后再停排風機和空調機組，最后延時十分鐘后停止水泵。自控程序必須保證各個設備可靠起停，且需要保證在出現異常后能夠保護機組等重要設備，在突然斷電等異常情況發生后仍然能夠安全起停。

根據各個房間的實際使用情況以及各個不同的時間段對壓力的不同要求，送風機和排風機的功率要求可以靈活變化，這樣既可以保持各個實驗室的狀態穩定，又可以節約電能。

3.2變頻器與PLC連接

因為變頻器在運行中會產生較強的電磁干擾，為保證PLC不因為變頻器主電路斷路器及開關器件等產生的噪音而出現故障，將變頻器與PLC相連接時應該注意以下幾點：

（1）對PLC本身應按規定的接線標準和接地條件進行接地，而且應注意避免和變頻器使用共同的接地線，且在接地時使二者盡可能分開。

（2）當電源條件不太好時，應在PLC的電源模塊及輸入/輸出模塊的電源線上接入噪音濾波器和降低噪音用的變壓器等，另外，若有必要，在變頻器一側也應采取相應的降噪措施。

（3）當把變頻器和PLC安裝于同一操作柜中時，應盡可能使與變頻器有關的電線和與PLC有關的電線分開。

（4）通過使用屏蔽線和雙絞線達到提高噪音干擾的水平。

3.3自控系統狀態參數的調整

由于國家檢疫局通州瘋牛病P3實驗室要求負壓梯度，既要求從污染區到潔凈區電壓逐級升高。所以對壓強的調節是最重要也是最困難的。

在該工程中，主要通過調節送風閥和排風閥的開度來調節房間壓力。送風閥和排風閥均使用電動閥，其中，送風閥的開度比例直接通過PLC的模擬輸出口給定，排風閥的開度通過pid自動調節。送風閥開度直接給定可以保證單位時間的送風量基本維持不變，從而保證每天的換氣次數，排風閥通過pid自動調節可以維持房間里面的壓強基本穩定。首先，必須測定單位時間的送風量，以保證實驗室的換氣次數。

其計算公式是：n=v*s*t/a,

其中，n表示t時間內的總換氣次數，v為送風風速，s為風速傳感器位置送風管道的橫截面積，a為房間的總體積。

在送風給定后，就可以通過調節排風閥來調節各個房間的壓強。排風閥使用PID自動調節，只要給定PID的目標值，PLC的內部運算就可以自動調節排風閥的開度大小，使壓強值等于目標值。

本項目已全面完成驗收，投入使用，主系統：空調機組、水泵、送風機、排風機均能夠安全起停且工作正常；程序在試運行期間沒有明顯的問題；各個傳感器和執行器均能正常工作。房間參數達到合同要求。上位機實時監控頁面美觀、工作可靠。項目總投資200多萬元。