自动控制系统在生物安全三级实验室中的应用

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  1. 前言 

。 自控系统设计为中央监控计算机控制系统,计算机设在控制室。由于BSL-3实验室进行的实验都具有很高的危险性,因此对实验区内负压的梯度控制具有严格的要求,在任何时间绝对不允许因控制系统出现故障造成压力的失控,因此,现场控制器选用了高可靠、高速度、免维护的OMRON 中型CJ2M系列的PLC(可编程逻辑控制器),PLC可脱离计算机独立工作,避免了一旦计算机出现故障造成控制系统瘫痪,并且在控制系统上还设置了手/自动转换功能,保证在控制系统失控时可人为转换为手动操作。计算机选用工业控制机,在计算机上可以实时监视机组和自控设备的运行情况,并具有历史数据记录、动态曲线和报警提示等功能。以上措施可充分保证BSL-3实验室的安全运行。

  1. 系统设计介绍 

(1).系统介绍 

根据三级生物安全实验室布局(如下),由两个集装箱拼接而成(长12192 mm x 宽5,438 mm x 高3500 mm),实验室负压区域为:进口缓冲间设计为-20Pa,主实验室设计为-40Pa,出口1设计为-20Pa,出口2设计为-10Pa。

 

系统压力的控制原理为:系统的送风量不变,通过排风量的变化来维持恒定系统压力的变化。系统内的各个房间送风阀门选用定风量阀门,排风阀门选用变风最阀门。阀门的调节通过电动执行器来调整。排风电动执行器的控制原理为PID控制,执行器的开度控制随着目标值(压力)的变化而变化。  (2).自控系统的内容 

三级生物安全实验的自控内容如下:

 

1)系统的温湿度控制 

系统的送风盘管上都有一冷却/加热水调节阀,实验区的温度控制通过冷却/加热水调节阀,采用PID控制,控制在一定的温度设定值。

实验区湿度通过系统加湿器,湿度低于定值时打开加湿器,高于定值I时关闭加湿器, 高于定值II时打开电加热除湿。 

2)系统总的送风量由变频器控制,以保证相关实验室的换气指数的要求及负压

要求。系统送风机选用变频器控制,主要是考虑到实验室内部配置了全排的生物安全柜。分为2种工况,当安全柜投入和关闭的过程中,始终保持正在使用的的安全柜额定的排风量和相关房间之间的压差。当使用安全柜时,送风量在进入状态的送风量基础上叠加(减少)安全柜的额定排风量。根据送、排风量的不同,改变送、排风变频器的值,达到节能的效果。 

3)压差控制 

在BSL-3实验室,主实验、进口缓冲间、出口1、2缓冲间分别安装了Dwye605(0-125Pa)的压力指针表,用设备夹层的静压作为采样的基准点。另外还配置了数字仪表显示实时压力。在PLC程序中分别设置好每个房间的压力值。主实验室:-40Pa, 进口缓冲间:-20Pa, 出口缓冲1,2分别为:-20Pa,-10Pa.在PLC程序中与数字仪表的输出信号(4-20mA)进行比较,通过PID控制自动调节各个房间的排风变风量阀的开度,以恒定各个房间所设定的压力值。各压力值都可以在组态软件(紫金桥)上实时显示,并自动储存历史数据。 压差控制的程序所下如下:

 

4) 消毒工况转换 

在送排风总风管上设置了密闭阀,当系统正常工作时,密闭阀处于开启状态,当需要对系统进行消毒时,在组态画面上进入消毒工况,关闭密闭阀。在系统启动和关闭时密闭阀自动打开或关闭,这样就避免了操作人员偶然忘记开关阀门,导致系统故障。 

5)过滤器压差及报警 

净化空调机组初中效过滤器分别安装压差开关,排风机组也安装压差开关,当压力大于一定值时,在组态界面上自动会弹出提示信息,提醒客户更换初中效过滤器。系统的送、排风高效过滤器分别安装了压差变送器,并且在组态界面上实时显示。当压差值大于一定值时,也会自动弹出提醒界面,提醒客户及时更换高效过滤器。以保证系统的正常运行。 

6)系统的报警信息 

设计理念:在监控计算机上实时监控、显示、记录各种报警的详细信息, 在监控中心根据故障的程度进行分级显示。在系统控制方面,系统能够根据报警等级做出相应的、及时安全的处理操作,任何故障报警出现,可根据报警等级进行报警或采取安全措施,同时必须最大程度的继续维持实验室负压状态,以便实验人员能有足够的时间来安全的结束实验。 对于实验室出现的重大报警(如以下的三级报警),除在监控室界面显示外,有关地点应同时报警,通知实验室操作人员尽快撤离,从而最大程度保护实验室工作人员的人身安全。对于一般报警(如以下的一、二级报警)可只在监控界面显示,不在实验室内进行声光报警,以免由报警造成实验人员情绪紧张而出现操作意外。监控室监控人员可根据需要通过对讲系统通知实验室操作人员。 

  1. 一级报警: 压力超限报警、温湿度报警、高效过滤器阻力报警。 
  2. 二级报警:实验室压力超限报警、送风系统报警、排风系统报警、UPS报警。 

送风系统报警: 如果送风机发生故障, 关闭送风机组, 在工作正常的前提下, 降低排风量, 使实验室压力维持在适当的负压状态, 以保证实验人员能够安全的结束实验,在确保安全的情况下关闭系统。 

排风系统报警:此系统为两台排风机( 一常一备),如果其中一台发生故障, 则另一台排风机自动启动, 维持系统运行。 

UPS报警: 根据系统要求, 在市电停止时, 立即将报警信号发送至监控室和机房。

  1. 三级报警: 系统严重异常(排风机切换失败、送风机停机等)、火灾报警。 7) 联锁控制 系统开启 

打开实验区的所有排风阀—打开系统排风风机—低流量报警开始工作—打开实验区的所有送风阀—打开总的送风机组的风机(小流量)-程序自动平衡实验室压力-实验区进入正常工况  

系统停止: 

进入系统监控界面  

按停止按扭执行自动关机程序。自动关机模式如下: 关闭送风机——关闭各送风阀——关闭排风机——关闭排风阀 8)门的状态监视 

为了确保实验室各个房间压力的稳定性,相邻门之间是互锁的。为了达到互锁效果,门禁系统将门的状态信号通过硬接线接入PLC模块,PLC系统可以对整个工作区域互锁门的状态进行监视。 

 

  1. 自控设备的配置

图片 1

图片 2

4、小结 

BSL-3实验室的自动系统的难点是风量控制和多等级压力控制,此设计能达到的效果是: 

(1)多工况转换时,房间压差完全控制在压差范围之内并达到万级洁净的换气次数。当不同工况转换时,自控系统立即对房间的压差做出自动调整。确保实验室系统的负压要求。 

(2)通过对BSL-3实验室排风变风量阀的PID控制,消除送风温度对房间压力的影响,确保实验室压力一直处于压差范围中。满足BSL-3的设计要求。 (3)不同工况时,送、排风变频调节,以达到节能的效果。

 

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