淺談某BSL-3生物潔凈實驗室自動控制系統設計與調試案例

生物潔凈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，為此，實驗室內的氣體絕不允許不加處理排入大氣，生物安全柜內的氣體絕不允許流入實驗室。本文通過介紹幾個BSL-3實驗室全過程的設計和調試工作，重點總結了控制系統在設計和調試過程中的問題和難點，在首先解決了安全要求（包括靜態和動態過程）問題基礎上，實現了系統節能變風量的節能目的。詳細介紹了如何解決在一間面積為23.9M2的BSL-3實驗室中安置4臺100％外排生物安全柜的風量調節系統自動控制，為了達到節能的目的，4臺安全柜允許隨時分別投入使用，不投入使用的安全柜處于關閉狀態。而在安全柜分別投入使用和關閉的過程中，要求不影響其它正在使用的安全柜，這樣就要求在安全柜投入或切除的動態過程中，始終滿足正在使用的安全柜額定排風量和相關房間之間的壓差要求。不同生產廠的生物安全柜使用特性不同，自控系統如何能滿足特性不同的安全柜使用，本文對此提出了自控設計要點，并在不同的BSL-3實驗室中成功實施，取得良好的控制效果。

一、前言

性病艾滋病防治中心隸屬于中國疾病預防控制中心（簡稱性艾中心）位于北京天壇西門的中國疾病預防控制中心內，BSL-3實驗室為原階梯教室的一部分改建而成，在使用面積僅為23.9M2的實驗室內設置了4臺排風量為1200M3/h的全排風型二級生物安全柜。實驗室于2003年8月開始建設。試驗室建成后，經過中國疾病預防控制中心環境與健康相關產品安全所的嚴格檢測，各項技術參數達到設計和使用要求，現已投入使用。

二、設計、調試內容及依據

BSL-3實驗室空調自控系統內容見表1 

三、自控系統設計要點

3.1

自控系統的可靠安全運行

根據使用方要求及BSL-3實驗室的特殊性，自控系統設計為中央監控計算機控制系統，計算機設在控制室。由于BSL-3實驗室進行的實驗都具有很高的危險性，因此對實驗區內負壓的梯度控制具有嚴格的要求，在任何時間絕對不允許因控制系統出現故障造成壓力的失控，因此，現場控制器選用了高可靠、高速度、免維護的工業級控制器，控制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制系統癱瘓，并且在控制系統上還設置了手/自動轉換功能，保證在控制系統失控時可人為轉換為手動操作。計算機選用工業控制機，在計算機上可以實時監視機組和自控設備的運行情況，并具有歷史數據記錄、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

自控系統節能運行模式

由于實驗區空調運行為全新風系統，根據使用要求，實驗室內的4臺生物安全柜分屬兩個實驗小組使用，因此，實驗人員有可能不同時使用安全柜，由于是全排風系統，如果不對安全柜排風進行控制，就會造成能源的很大浪費。為此我們考慮了變頻節能的控制措施，在保證實驗區潔凈要求的基礎上，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

多臺生物安全柜開關組合的動態過程控制

當有人員正在使用安全柜做實驗時，其他人員需進入使用其他安全柜，此時新啟動的安全柜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柜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，關閉安全柜時的過程也如此。

3.4

溫度控制對房間壓力的影響

在項目調試過程中發現，房間壓力有時會出現周期性變化。經過觀察，這是由于當機組進入加熱（制冷）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生相應變化，對房間壓力產生了一定影響。當然在此過程中，房間溫度也在周期性變化，這種波動也會使房間壓力產生波動。因此，要維持房間的壓力為恒定值，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積不能禰補由于溫度變化造成的壓力變化，則房間的壓力不能保持恒定。由于恒溫機組的送風溫度變化較大，從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范圍能夠滿足上述要求。

自控系統控制原理圖

圖1  BSL-3自控系統原理

四、BSL-3實驗室自控系統調試

4.1

送風排風變頻控制

系統送風根據不同工況分為“進入”狀態，1臺安全柜開/關狀態，2臺安全柜開/關狀態，3臺安全柜開/關狀態，4臺安全柜開/關狀態，共5種工況。當使用1臺生物安全柜時，送風量在進入狀態的送風量基礎上疊加（減少）1臺安全柜的額定排風量，當使用2臺生物安全柜時，送風量在2臺安全柜開/關狀態的送風量基礎上疊加（減少）2臺安全柜的額定排風量，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

壓差控制與監視

在BSL-3實驗室、緩沖間、更衣和控制室內分別設置壓差傳感器，用設備夾層的靜壓作為采樣的基準點。我們將BSL-3實驗室壓力作為設定值，與壓力傳感器的測量值進行比較，通過PID環節控制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實驗室和緩沖間、更衣和控制室之間壓差。各壓力和壓差值可在中央監控計算機上實時監視，并可提供歷史數據查詢功能。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

消毒工況控制

在送、排風主風道上設置密閉閥，當系統正常工作時，密閉閥處于開啟狀態，當需要對實驗室進行消毒時，在計算機上進入消毒工況，關閉密閉閥即可。在系統啟動和關閉時，密閉閥自動打開或關閉，這樣就避免了由于工作人員偶然的失誤忘記開關密閉閥，造成系統故障。

4.4

溫度控制和電加熱保護

溫度控制由恒溫機組完成。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，且延時后再停止送風機，以保證系統的安全。

4.5

連鎖控制和報警

當系統開啟為“進入”狀態時，先開啟變頻排風機，延時后開啟變頻送風機、恒溫機組，保證房間的負壓狀態。當房間壓力超出安全范圍時，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實驗室空調自控系統的設計和調試難點是風量控制和多等級壓差控制，即要保證潔凈區的換氣次數又要保證多工況轉換時房間壓差的平穩控制。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制在壓差參數的范圍之內并達到萬級潔凈的換氣次數。當不同工況轉換時，自控系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控制，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制，節省能源，這對全新風系統來說節能效果明顯。

通過此工程的設計和調試，我們有以下體會：

1、應重視空調風系統的風量測量和風量的靜態平衡調試

由于BSL-3實驗室房間面積太小，送風系統最小風量與最大風量之比接近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。每臺生物安全柜的排風量的偏差也會造成房間壓力的較大變化。風系統的靜態平衡應在自控系統投入之前調整到較理想狀態，如果風系統的各個參數沒有調整好就加入自動控制，不僅會增加調試的難度，嚴重時會造成自控系統無法進行調試，并且無法排除故障原因。

2、注意新風量與使用要求相匹配以達到節能的目的

在全新風空調系統中，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柜來補充新風量，可以大大降低能量處理不必要新風量的消耗，例如，采用變頻技術后，當使用1臺安全柜時最小新風量與使用4臺安全柜時最大新風量的能耗比為約為1：13.5，即最小新風量所消耗能量為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，因為房間的壓力與氣體的溫濕度