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  • 自動控制系統在生物安全三級實驗室中的應用

    2018-04-19 admin
    。 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OMRON 中型CJ2M系列的PLC(可編程邏輯控制器),PLC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。
    2. 系統設計介紹 
    (1).系統介紹 
    根據三級生物安全實驗室布局(如下),由兩個集裝箱拼接而成(長12192 mm x 寬5,438 mm x 高3500 mm),實驗室負壓區域為:進口緩沖間設計為-20Pa,主實驗室設計為-40Pa,出口1設計為-20Pa,出口2設計為-10Pa。

    系統壓力的控制原理為:系統的送風量不變,通過排風量的變化來維持恒定系統壓力的變化。系統內的各個房間送風閥門選用定風量閥門,排風閥門選用變風最閥門。閥門的調節通過電動執行器來調整。排風電動執行器的控制原理為PID控制,執行器的開度控制隨著目標值(壓力)的變化而變化。  (2).自控系統的內容 
    三級生物安全實驗的自控內容如下:
     
    1)系統的溫濕度控制 
    系統的送風盤管上都有一冷卻/加熱水調節閥,實驗區的溫度控制通過冷卻/加熱水調節閥,采用PID控制,控制在一定的溫度設定值。
    實驗區濕度通過系統加濕器,濕度低于定值時打開加濕器,高于定值I時關閉加濕器, 高于定值II時打開電加熱除濕。 
    2)系統總的送風量由變頻器控制,以保證相關實驗室的換氣指數的要求及負壓
    要求。系統送風機選用變頻器控制,主要是考慮到實驗室內部配置了全排的生物安全柜。分為2種工況,當安全柜投入和關閉的過程中,始終保持正在使用的的安全柜額定的排風量和相關房間之間的壓差。當使用安全柜時,送風量在進入狀態的送風量基礎上疊加(減少)安全柜的額定排風量。根據送、排風量的不同,改變送、排風變頻器的值,達到節能的效果。 
    3)壓差控制 
    在BSL-3實驗室,主實驗、進口緩沖間、出口1、2緩沖間分別安裝了Dwye605(0-125Pa)的壓力指針表,用設備夾層的靜壓作為采樣的基準點。另外還配置了數字儀表顯示實時壓力。在PLC程序中分別設置好每個房間的壓力值。主實驗室:-40Pa, 進口緩沖間:-20Pa, 出口緩沖1,2分別為:-20Pa,-10Pa.在PLC程序中與數字儀表的輸出信號(4-20mA)進行比較,通過PID控制自動調節各個房間的排風變風量閥的開度,以恒定各個房間所設定的壓力值。各壓力值都可以在組態軟件(紫金橋)上實時顯示,并自動儲存歷史數據。 壓差控制的程序所下如下:

    4) 消毒工況轉換 
    在送排風總風管上設置了密閉閥,當系統正常工作時,密閉閥處于開啟狀態,當需要對系統進行消毒時,在組態畫面上進入消毒工況,關閉密閉閥。在系統啟動和關閉時密閉閥自動打開或關閉,這樣就避免了操作人員偶然忘記開關閥門,導致系統故障。 
    5)過濾器壓差及報警 
    凈化空調機組初中效過濾器分別安裝壓差開關,排風機組也安裝壓差開關,當壓力大于一定值時,在組態界面上自動會彈出提示信息,提醒客戶更換初中效過濾器。系統的送、排風高效過濾器分別安裝了壓差變送器,并且在組態界面上實時顯示。當壓差值大于一定值時,也會自動彈出提醒界面,提醒客戶及時更換高效過濾器。以保證系統的正常運行。 
    6)系統的報警信息 
    設計理念:在監控計算機上實時監控、顯示、記錄各種報警的詳細信息, 在監控中心根據故障的程度進行分級顯示。在系統控制方面,系統能夠根據報警等級做出相應的、及時安全的處理操作,任何故障報警出現,可根據報警等級進行報警或采取安全措施,同時必須最大程度的繼續維持實驗室負壓狀態,以便實驗人員能有足夠的時間來安全的結束實驗。 對于實驗室出現的重大報警(如以下的三級報警),除在監控室界面顯示外,有關地點應同時報警,通知實驗室操作人員盡快撤離,從而最大程度保護實驗室工作人員的人身安全。對于一般報警(如以下的一、二級報警)可只在監控界面顯示,不在實驗室內進行聲光報警,以免由報警造成實驗人員情緒緊張而出現操作意外。監控室監控人員可根據需要通過對講系統通知實驗室操作人員。 
    a. 一級報警: 壓力超限報警、溫濕度報警、高效過濾器阻力報警。 
    b. 二級報警:實驗室壓力超限報警、送風系統報警、排風系統報警、UPS報警。 
    送風系統報警: 如果送風機發生故障, 關閉送風機組, 在工作正常的前提下, 降低排風量, 使實驗室壓力維持在適當的負壓狀態, 以保證實驗人員能夠安全的結束實驗,在確保安全的情況下關閉系統。 
    排風系統報警:此系統為兩臺排風機( 一常一備),如果其中一臺發生故障, 則另一臺排風機自動啟動, 維持系統運行。 
    UPS報警: 根據系統要求, 在市電停止時, 立即將報警信號發送至監控室和機房。
    C. 三級報警: 系統嚴重異常(排風機切換失敗、送風機停機等)、火災報警。 7) 聯鎖控制 系統開啟 
    打開實驗區的所有排風閥—打開系統排風風機—低流量報警開始工作—打開實驗區的所有送風閥—打開總的送風機組的風機(小流量)-程序自動平衡實驗室壓力-實驗區進入正常工況  
    系統停止: 
    進入系統監控界面  
    按停止按扭執行自動關機程序。自動關機模式如下: 關閉送風機——關閉各送風閥——關閉排風機——關閉排風閥 8)門的狀態監視 
    為了確保實驗室各個房間壓力的穩定性,相鄰門之間是互鎖的。為了達到互鎖效果,門禁系統將門的狀態信號通過硬接線接入PLC模塊,PLC系統可以對整個工作區域互鎖門的狀態進行監視。 
     
    3. 自控設備的配置

    自動控制系統在生物安全三級實驗室中的應用(圖1)

    4、小結 
    BSL-3實驗室的自動系統的難點是風量控制和多等級壓力控制,此設計能達到的效果是: 
    (1)多工況轉換時,房間壓差完全控制在壓差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自動調整。確保實驗室系統的負壓要求。 
    (2)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,確保實驗室壓力一直處于壓差范圍中。滿足BSL-3的設計要求。 (3)不同工況時,送、排風變頻調節,以達到節能的效果。
    一鍵撥號
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