藥廠潔凈室壓差及送風(fēng)量的自動化控制

1、引言藥廠潔凈室的壓差及送風(fēng)量作為空調(diào)自控系統(tǒng)中自動化控制的關(guān)鍵參數(shù)，在《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010年修訂版）》（以下簡稱新版GMP）及GB50073—2013《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中對其作了明確規(guī)定。新版GMP規(guī)定：潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間、不同級別潔凈區(qū)之間的壓差應(yīng)當(dāng)不低于10Pa。必要時，相同潔凈度級別的不同功能區(qū)域（操作間）之間也應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)膲翰钐荻萚1]?？梢哉f，保持不同級別區(qū)域間的壓差或者同級房間的適當(dāng)壓差梯度符合要求是減少外部污染、防止交叉污染的重要手段?！稘崈魪S房設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：不同空氣潔凈度等級需要的換氣次數(shù)不同，即對送風(fēng)量有不同要求。合理的換氣次數(shù)是保持潔凈室等級符合要求的重要參數(shù)[2]。本文以某藥廠的潔凈室壓差和送風(fēng)量的自動化控制為例，闡述自動化控制系統(tǒng)中壓差及送風(fēng)量控制的具體設(shè)計與實施。2、潔凈室壓差及送風(fēng)量控制的原理2.1房間送風(fēng)量條件為了保證房間具有一定的壓力（正壓或者負(fù)壓），可以通過調(diào)節(jié)房間的送風(fēng)量、回風(fēng)量或者排風(fēng)量來控制房間壓力。房間的送風(fēng)量需要達(dá)到下列條件中的最大值：（1）空氣潔凈等級要求的送風(fēng)量；（2）根據(jù)熱、濕負(fù)荷計算確定的送風(fēng)量；（3）補(bǔ)償室內(nèi)排風(fēng)量和保持室內(nèi)正壓所需的送風(fēng)量之和；（4）保證供給潔凈室內(nèi)每人每小時的新鮮空氣量不小于40m3。由于對送風(fēng)量有上述要求，所以一般不對房間的送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，而是結(jié)合潔凈室的實際情況對房間的回風(fēng)量或者排風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。通過在回風(fēng)管或者排風(fēng)管上安裝電動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)需要控制的房間壓力進(jìn)行自動控制，保證房間壓力維持在所需范圍內(nèi)，從而保證相鄰房間或者不同級別潔凈區(qū)之間的壓差滿足要求。2.2送風(fēng)量控制方法在系統(tǒng)送風(fēng)量控制中，為了保證系統(tǒng)中各個房間的送風(fēng)量恒定，通過以下方法實現(xiàn)：（1）在每個房間的送風(fēng)管上加裝手動調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)手動調(diào)節(jié)閥使各個房間的風(fēng)量達(dá)到平衡和恒定。以這種方式運行的系統(tǒng)，由于各房間高效過濾器阻力不一定是成比例地增加，在系統(tǒng)運行一段時間后，各房間的風(fēng)量平衡將被破壞，這需要重新調(diào)整手動調(diào)節(jié)閥，使風(fēng)量重新平衡。風(fēng)量平衡的調(diào)整是一個多次重復(fù)的過程，在多次重復(fù)的調(diào)整過程中找到一個最優(yōu)的平衡狀態(tài)。對風(fēng)量平衡的調(diào)節(jié)需要由有一定專業(yè)知識和實際工程經(jīng)驗的人員操作。（2）在每個房間的送風(fēng)管上加裝定風(fēng)量閥，當(dāng)房間高效過濾器阻力發(fā)生變化時，定風(fēng)量閥會自動調(diào)整開度，使通過定風(fēng)量閥的風(fēng)量恒定，從而保證房間的送風(fēng)量恒定。在目前的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中，只保證生產(chǎn)過程中的送風(fēng)量滿足要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在消毒或者其他非生產(chǎn)過程中，對送風(fēng)量也是有要求的。2.3特殊需求在消毒過程中，為了使消毒劑的濃度達(dá)到一定要求，系統(tǒng)的送風(fēng)量不能太高，否則對消毒劑的需求量將變大。在非生產(chǎn)過程中，由于沒有人員活動及設(shè)備運行，潔凈室的環(huán)境處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，此時適當(dāng)?shù)亟档退惋L(fēng)量也能保證環(huán)境的潔凈等級符合要求。在這些新的需求下，手動調(diào)節(jié)閥或者定風(fēng)量閥已經(jīng)不能滿足要求。因此，可在房間的送風(fēng)管上設(shè)置變風(fēng)量閥，當(dāng)潔凈室處于不同的狀態(tài)，通過自控系統(tǒng)給變風(fēng)量閥設(shè)定不同的風(fēng)量值，使其滿足不同要求的送風(fēng)量。我們將變風(fēng)量閥的這種工作模式稱為多穩(wěn)態(tài)變風(fēng)量閥工作模式。3、壓差控制和送風(fēng)量控制的自動化設(shè)計3.1壓差控制為了控制房間壓力，需要在各房間中安裝壓力傳感器，在房間的回風(fēng)管或者排風(fēng)管上安裝電動調(diào)節(jié)閥，并在潔凈室的房間門上安裝門限位開關(guān)。根據(jù)壓力傳感器實時監(jiān)測房間壓力變化，當(dāng)房間壓力發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)閥根據(jù)壓力變化做出調(diào)整，以此保證房間壓力。門限位開關(guān)的作用是當(dāng)房間門處于打開狀態(tài)時，PID將停止計算，調(diào)節(jié)閥將根據(jù)門限位開關(guān)的信號停止動作；當(dāng)房間門處于關(guān)閉狀態(tài)時，PID繼續(xù)計算，控制調(diào)節(jié)閥根據(jù)房間壓力的變化動態(tài)調(diào)整開度，保證房間壓力穩(wěn)定。當(dāng)房間門處于打開狀態(tài)時，兩個房間處于連通狀態(tài)，壓力低的房間由于受壓力高的房間泄壓而壓力變高，壓力高的房間由于泄壓使房間壓力變低。由于兩個房間的壓力均偏離設(shè)定值，如果閥門繼續(xù)調(diào)整，將導(dǎo)致壓力高的房間調(diào)節(jié)閥一直關(guān)小使壓力升高，壓力低的房間調(diào)節(jié)閥一直開大使壓力降低，由于兩個房間處于連通狀態(tài)，房間壓力始終一樣，無論怎樣調(diào)整調(diào)節(jié)閥，兩個房間的壓力至少有一個和設(shè)定值不一樣，或者兩個房間的壓力都和設(shè)定值不一樣，在這兩種情況下繼續(xù)調(diào)整房間壓力將失去意義。在開門過程中，如果房間的調(diào)節(jié)閥繼續(xù)調(diào)節(jié)，將會導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果。如果兩個房間的送風(fēng)量相差較大，若低壓側(cè)的房間送風(fēng)量較小，在長時間的開門過程中，將會導(dǎo)致低壓房間的調(diào)節(jié)閥門全開；若高壓側(cè)的房間送風(fēng)量較小，在長時間的開門過程中，將會導(dǎo)致高壓側(cè)房間的調(diào)節(jié)閥全關(guān)。不管調(diào)節(jié)閥是全開還是全關(guān)，都將導(dǎo)致在關(guān)閉房門的過程中，兩個房間的壓差過大，關(guān)門變得很困難，甚至房門無法關(guān)閉。因此，當(dāng)門限位開關(guān)檢查到房間門處于打開狀態(tài)時，房間的調(diào)節(jié)閥將停止調(diào)節(jié)。為防止調(diào)節(jié)閥全開或者全關(guān)，在調(diào)節(jié)閥控制中加入了最小開度和最大開度的限制，限制值根據(jù)調(diào)節(jié)閥長時間運行的開度適當(dāng)加上一個偏差來確定。安裝門限位開關(guān)還有一個用途，就是在潔凈室房門長時間打開過程中產(chǎn)生告警信息，提醒相關(guān)人員關(guān)閉潔凈室房門，以便房間壓力盡快恢復(fù)正常。3.2送風(fēng)量控制為了滿足不同送風(fēng)量的需求，在房間送風(fēng)管上安裝了變風(fēng)量閥，同時該變風(fēng)量閥具有實時風(fēng)量檢測功能?？刂葡到y(tǒng)會根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)所處的不同運行模式，為變風(fēng)量閥設(shè)定一個需要的風(fēng)量值。變風(fēng)量閥根據(jù)設(shè)定風(fēng)量和檢測到的風(fēng)量自動進(jìn)行調(diào)整，使通過變風(fēng)量閥的風(fēng)量保持在設(shè)定風(fēng)量范圍內(nèi)。由于變風(fēng)量閥具有風(fēng)量實時監(jiān)測功能，控制系統(tǒng)可以通過變風(fēng)量閥的實時監(jiān)測風(fēng)量記錄，實時監(jiān)視各房間的送風(fēng)量是否滿足設(shè)計要求。在送風(fēng)量控制過程中，由各變風(fēng)量閥對送入房間的風(fēng)量進(jìn)行限制，即通過送風(fēng)總管的總送風(fēng)量不會再隨送風(fēng)機(jī)頻率增加而增大。為了保證有足夠的風(fēng)送入房間，只要根據(jù)送風(fēng)總管末端的壓力來控制變頻器的頻率，使送風(fēng)機(jī)有足夠的壓力將風(fēng)送入房間。4、壓差控制和送風(fēng)量控制的具體實施4.1壓差控制的具體實施在壓差控制中，使用最常規(guī)的PID算法，將房間實際壓力作為PID的反饋值，房間需要控制的壓力點作為設(shè)定值，在PID調(diào)節(jié)過程中引入門限位開關(guān)信號，當(dāng)門限位開關(guān)信號為0時，即房間處于打開狀態(tài)，停止PID運算，PID運算結(jié)果保持當(dāng)前狀態(tài)，PID的輸出也保持當(dāng)前值，停止房間的壓力控制。當(dāng)門限位開關(guān)信號為1時，即房間門處于關(guān)閉狀態(tài)，PID運算繼續(xù)，開始根據(jù)房間壓力實時調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度，保持房間壓力穩(wěn)定。房間壓力控制邏輯圖如圖1所示。圖1房間壓力控制邏輯圖在實際試運行過程中，房間壓力曲線如圖2所示。由圖2可以看出，采用了該控制方案的房間壓力達(dá)到了一個比較理想的狀態(tài)。圖2房間壓力運行曲線4.2送風(fēng)量控制的具體實施在送風(fēng)量控制中，選用帶有控制器的變風(fēng)量閥，該變風(fēng)量閥由閥體、風(fēng)速測片、帶有壓力檢測的控制器三部分組成。在實際使用中，只需要通過控制系統(tǒng)，為變風(fēng)量閥設(shè)定一個風(fēng)量，變風(fēng)量閥便會根據(jù)設(shè)定風(fēng)量和實際檢測風(fēng)量自動調(diào)整開度，使實際風(fēng)量達(dá)到設(shè)定值。由于變風(fēng)量閥廠家提供的閥門本身帶有控制器，能根據(jù)實際情況實現(xiàn)自動控制。因此在控制系統(tǒng)中不需要過多的控制，只需要設(shè)定風(fēng)量，檢測變風(fēng)量閥的反饋風(fēng)量。在安裝變風(fēng)量閥時，需要注意前后直管段的安裝要求，使其可以保證變風(fēng)量閥工作更加平穩(wěn)，反饋風(fēng)量更加準(zhǔn)確。在調(diào)試變風(fēng)量閥時，需要注意