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负压屏障环境动物生物安全实验室控制系统
2021-10-18 14:24 来源：康合
引言
负压屏障环境动物生物安全实验室是饲养和操作感染性实验动物的活动场所，不仅要满足生物安全实验室负压梯度和定向流要求，还要根据实验动物的特点和要求避免动物之间及动物之间交叉感染，并且要符合屏障环境空气洁净度的要求，确保实验操作人员和周边环境安全。本文以某动物中心负压屏障环境动物生物安全实验室为例，根据该实验室特点和工艺要求分析，运用控制系统负反馈控制原理搭建实验室压差控制系统并通过组态软件和DDC实现该实验区净化空调系统自动控制，满足了实验室生物安全和动物实验质量要求。
1、平面布局、工艺要求分析
1.1平面布局
负压屏障环境动物生物安全实验区平面布局应满足所饲养动物居住和生长环境、利于动物实验开展，室内压力、气流组织应符合控制交叉感染和防止污染扩散的原理，保证节能、环保、舒适性要求，应以保护人员健康、环境安全、保证动物实验的质量及动物福祉为目标。图1为某动物中心负压屏障环境动物生物安全二级实验区平面图，该区域饲养同一种类动物，图1显示了其平面工艺布局和定向流流向。
1.2工艺要求
1.2.1实验区差压梯度、定向流要求
该实验区要满足由清洁区向防护区形成一定压差梯度和定向流，为该区域整体配备一套送排风机组，同时设置送风机和排风机，为双风机机组，且机组设置板式热回收装置。由于实验区各房间使用情况不同，送排风机均设有变频器，满足复杂多工况使用时风量随时变化需求。
1.2.2房间压力要求
各房间要求保持稳定压力，尤其是工况切换时保证有序压差梯度和定向流，则每个房间送排风均须设有可调风量阀，根据具体使用要求，自动调节房间压力。
各房间送风设有定风量阀，排风均设有变风量调节阀，房间送风量保持恒定，排风变风量阀根据实验室设定压力要求自动调节，不同压力相邻房间形成高压力向低压力定向流动。
单个动物饲养室送排风示意图见图2。
为保证动物生物安全实验室满足节能、环保及舒适性要求，根据动物饲养间是否有人员操作，设置“高低态运行模式”实现节能要求。高态运行模式即在饲养间有人员进入操作时，换气次数为15h-1，低态运行模式即饲养间无人员操作时，换气次数为10h-1，以实现既满足国标要求又节能的理念。所有动物饲养间进出门口均设置通风系统开关切换按钮，通过送风管道上的两态定风量阀实现房间高低态的切换，相应排风变风量阀同步进行调节以保证房间内压力值稳定。相应地系统送风机、排风机根据送排风系统主管压力调节相应变频器频率，以维持房间压差稳定。
1.2.4笼具单独设置排风避免气味交叉污染
实验区内地动物饲养室设置饲养笼具，饲养笼具采用房间内取风、单独排风。该实验区所有笼具单独设置一台排风机，饲养动物笼具排风通过其排风管上定风量阀设定笼具排风量，该区域所有笼具排风量通过一台变频风机排风，有效避免笼具排风通过送排风板式热回收装置导致气味交叉污染。
2、控制方案
根据负压屏障环境动物生物安全实验室平面布局和工艺要求，运用负反馈控制系统原理和比例积分微分（PID）控制函数方程，制定了组合式PID控制方案并通过组态软件和DDC模块来控制交叉感染和防止污染扩散，达到保护人员健康、环境安全、保证动物实验的质量的目的。
2.1控制方案
该系统各房间压力要求保持稳定，尤其是工况切换过程中压差梯度、定向流保持不变，且房间数量较多、控制复杂，通过房间送排风系统、动物笼具排风系统分别设置，最大限度减少动物之间交叉感染；同时对负压控制房间的温度、适度、洁净度、压力等参数分析，根据自动控制系统负反馈控制原理，依据总送、排风管道上压力调节变频器频率，通过房间高低态运行工况控制送风两态阀，根据房间压差控制排风变风量阀等组合式PID调节方法进行压差和定向流控制。
2.2控制对象及自控点数统计
系统需要控制的主要设备又新风机1台，排风机1台，笼具排风机及备用排风机各一台，均为变频控制。各房间通风系统设置送风两态阀、排风变风量阀、送排风密闭阀，以及系统所需的所有传感器、执行器等。经统计，该系统模拟量、数字量输入输出点数统计如表1所示。
表1 系统控制对象、点数统计
该系统采用分布式控制结构，由上位机和下位机及现场设备构成。系统上位机采用TACVISTTA版组态软件开发监控界面，能够完成远程开关机、参数设定、报警记录、趋势分析等管理任务；作为该监控系统的下位机使用某品牌DDC和智能检测传感器及执行结构，完成实施数据采集、分析判断、发出指令和自动控制的功能。监控系统结构如图3所示。
硬件是监控系统的载体和重要组成部分，硬件设备的质量直接影响动物实验能否顺利进行，是监控系统成败的关键，所以选择适合屏障环境负压动物生物安全实验室的监控设备非常重要。
3.1中央监控系统（上位机）硬件配置
中央监控系统计算机采用工控机，并通过网卡连接LonWorks通讯卡和路由器以实现与DDC模块及模块之间的通讯。
3.2下位机硬件配置
采用国际通用LonWorks通讯技术，多厂商支持、可根据用户需要对系统进行扩展和升级改造。该系统适应能力和扩展性很强，为模块化结构，即播即用。系统独立性强，控制处理模块TACMenta具有独立的CPU和存储器，只要将控制程序输入模块中，即可对现场设备进行独立控制，现场信息即时存储，可随时查看，同时作为整个控制系统一个子环节，也可通过中央控制系统操作控制。
分布于现场的DDC模块主要负责对现场的各种传感器、执行机构进行信号接收或发送指令，分为主模块和从模块。主模块控制器具有全部控制功能，包括循环控制、控制曲线、时间控制、报警管理等。该控制器采用记忆存储器，在电源故障后仍然保存用户设定值，确保电源恢复后就能正常工作。通过LonWorks通讯卡和路由器与中央监控系统实现实时通信。主模块可选用TAC301、TAC302和TAC401，从模块可选用TAC411、TAC421、TAC451等。主模块可通过LonWorks通讯连接从模块。不同主模块或从模块所具有的数字量输入和输出、模拟量输入和输出的数量和种类不同。不同种类的模块选用主要依据不同场所内需要控制设备的自控点种类和数量，同时兼顾数字量输入输出和模拟量输入输出的冗余量来选配。
4、监控系统软件
负压屏障环境动物生物安全实验室监控系统采用了工作站组态软件，并安装有TACMenta编程软件和TACVISTAIVServer服务器软件。TACVISTA软件是一个集成的人机界面系统（HMI）,具有图形显示和操作、编程、报警管理、用户管理、时间管理、历史记录管理等功能。
4.1编辑监控画面
TACVISTA提供面向对象的彩色图形界面，不仅能清楚地显示整个系统地布局，还能监控被控对象运行状态及实验室实时运行参数。考虑到该项目对负压屏障环境地房间参数要求高，因此屏障区内地各房间均显示负压、温湿度、送风定风量阀的状态、排风变风量阀的开度及反馈值。同时监测送排风主管道的风压，用以调节送排风机变频器，保持送排风总风量稳定。另外，在实验结束后进行各房间终末消毒，该房间的送排风密闭阀关闭。该图形界面可监测房间消毒状态。利用图形编辑器编辑系统监控画面，将其中的图形对象与相应数据库标签变量建立动态连接。
实验室主监控图如图4所示。
TACVISTA中可以使用TACMenta进行监控系统程序编写，通过编辑与实际模块及图形界面中相对并的绑定点，将若干存在相互关联的绑定点运用一定逻辑顺序关联起来，形成一个符合现场实际需求的有机整体，并将编写完整的Menta程序下载到对应的TACMenta主模块中去，实现对整个送排风系统的监测和控制。
4.3报警管理
系统可以设置标签的开关量报警和模拟量报警，可区分一般报警和重要报警（重要报警可声光同时警示，如市电断电故障等），且可设定报警的紧急程序，操作员可根据报警信息快速找到故障原因并进行修正。报警信息可以用表格的形式显示于监控画面上或由打印机输出，或存于硬盘的报警档案中。
4.4用于管理
TACVISTA提供了用户权限管理的功能。系统可根据用户不同的权限登录系统后进行对应用户级别的操作，防治非法操作。
5、结语
根据负反馈控制原理和组合式PID控制方案并采用控制软件和DDC对某动物中心负压屏障环境动物生物安全实验室进行自动控制和远程监视，该系统符合GB14925-2010《实验动物环境与设施》和GB/T27416-2014《实验室生物安全通用要求》的要求，同时满足了实验室生物安全和动物实验质量要求，为新冠肺炎疫情后公共卫生体系负压屏障环境动物实验室的建设提供了参考。
作者 蒋晋生 吴建利 本资源来源于互联网，如有侵权请联系删除。
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