生物潔凈實驗室的建設(shè)應(yīng)符合“保證環(huán)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(nèi)的氣體絕不允許不加處理排入大氣，生物安全柜內(nèi)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(shè)計和調(diào)試工作，重點總結(jié)了控制系統(tǒng)在設(shè)計和調(diào)試過程中的問題和難點，在首先解決了安全要求（包括靜態(tài)和動態(tài)過程）問題基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了系統(tǒng)節(jié)能變風(fēng)量的節(jié)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(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動控制，為了達到節(jié)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(guān)閉狀態(tài)。而在安全柜分別投入使用和關(guān)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(tài)過程中，始終滿足正在使用的安全柜額定排風(fēng)量和相關(guān)房間之間的壓差要求。不同生產(chǎn)廠的生物安全柜使用特性不同，自控系統(tǒng)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(shè)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(yù)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(yù)防控制中心內(nèi)，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(nèi)設(shè)置了4臺排風(fēng)量為1200M3/h的全排風(fēng)型二級生物安全柜。實驗室于2003年8月開始建設(shè)。試驗室建成后，經(jīng)過中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所的嚴格檢測，各項技術(shù)參數(shù)達到設(shè)計和使用要求，現(xiàn)已投入使用。

二、設(shè)計、調(diào)試內(nèi)容及依據(jù)

BSL-3實驗室空調(diào)自控系統(tǒng)內(nèi)容見表1 

三、自控系統(tǒng)設(shè)計要點

3.1

自控系統(tǒng)的可靠安全運行

根據(jù)使用方要求及BSL-3實驗室的特殊性，自控系統(tǒng)設(shè)計為中央監(jiān)控計算機控制系統(tǒng)，計算機設(shè)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(qū)內(nèi)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(tǒng)出現(xiàn)故障造成壓力的失控，因此，現(xiàn)場控制器選用了高可靠、高速度、免維護的工業(yè)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(xiàn)故障造成控制系統(tǒng)癱瘓，并且在控制系統(tǒng)上還設(shè)置了手/自動轉(zhuǎn)換功能，保證在控制系統(tǒng)失控時可人為轉(zhuǎn)換為手動操作。計算機選用工業(yè)控制機，在計算機上可以實時監(jiān)視機組和自控設(shè)備的運行情況，并具有歷史數(shù)據(jù)記錄、動態(tài)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(tǒng)節(jié)能運行模式

由于實驗區(qū)空調(diào)運行為全新風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)使用要求，實驗室內(nèi)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(fēng)系統(tǒng)，如果不對安全柜排風(fēng)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(jié)能的控制措施，在保證實驗區(qū)潔凈要求的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率，改變空調(diào)機組送風(fēng)量，達到節(jié)能的目的。

3.3

多臺生物安全柜開關(guān)組合的動態(tài)過程控制

當(dāng)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(tài)過程中房間的壓力不能超過安全柜安全運行的壓力參數(shù)，即動態(tài)過程中房間的負壓值即不能太大也不能太小，關(guān)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(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，房間壓力有時會出現(xiàn)周期性變化。經(jīng)過觀察，這是由于當(dāng)機組進入加熱（制冷）工況時，送風(fēng)溫度發(fā)生周期性變化，導(dǎo)致經(jīng)過送風(fēng)閥門進入房間的新風(fēng)空氣密度也產(chǎn)生相應(yīng)變化，對房間壓力產(chǎn)生了一定影響。當(dāng)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(chǎn)生波動。因此，要維持房間的壓力為恒定值，則排風(fēng)量應(yīng)隨送風(fēng)溫度的變化而變化。

由此看出，如果房間的排風(fēng)變風(fēng)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(fēng)溫度變化較大，從18℃~45℃，變化率達60%，因此在選擇房間排風(fēng)變風(fēng)量閥時，必須注意令其風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍能夠滿足上述要求。

自控系統(tǒng)控制原理圖

圖1  BSL-3自控系統(tǒng)原理

四、BSL-3實驗室自控系統(tǒng)調(diào)試

4.1

送風(fēng)排風(fēng)變頻控制

系統(tǒng)送風(fēng)根據(jù)不同工況分為“進入”狀態(tài)，1臺安全柜開/關(guān)狀態(tài)，2臺安全柜開/關(guān)狀態(tài)，3臺安全柜開/關(guān)狀態(tài)，4臺安全柜開/關(guān)狀態(tài)，共5種工況。當(dāng)使用1臺生物安全柜時，送風(fēng)量在進入狀態(tài)的送風(fēng)量基礎(chǔ)上疊加（減少）1臺安全柜的額定排風(fēng)量，當(dāng)使用2臺生物安全柜時，送風(fēng)量在2臺安全柜開/關(guān)狀態(tài)的送風(fēng)量基礎(chǔ)上疊加（減少）2臺安全柜的額定排風(fēng)量，依次類推。根據(jù)送、排風(fēng)量的不同，改變送、排風(fēng)機變頻值，達到節(jié)省能源的目的。

4.2

壓差控制與監(jiān)視

在BSL-3實驗室、緩沖間、更衣和控制室內(nèi)分別設(shè)置壓差傳感器，用設(shè)備夾層的靜壓作為采樣的基準(zhǔn)點。我們將BSL-3實驗室壓力作為設(shè)定值，與壓力傳感器的測量值進行比較，通過PID環(huán)節(jié)控制BSL-3實驗室排風(fēng)變風(fēng)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(jiān)控計算機上實時監(jiān)視，并可提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能。不同工況的房間壓力參數(shù)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(fēng)主風(fēng)道上設(shè)置密閉閥，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，密閉閥處于開啟狀態(tài)，當(dāng)需要對實驗室進行消毒時，在計算機上進入消毒工況，關(guān)閉密閉閥即可。在系統(tǒng)啟動和關(guān)閉時，密閉閥自動打開或關(guān)閉，這樣就避免了由于工作人員偶然的失誤忘記開關(guān)密閉閥，造成系統(tǒng)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(dāng)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(fēng)機，以保證系統(tǒng)的安全。

4.5

連鎖控制和報警

當(dāng)系統(tǒng)開啟為“進入”狀態(tài)時，先開啟變頻排風(fēng)機，延時后開啟變頻送風(fēng)機、恒溫機組，保證房間的負壓狀態(tài)。當(dāng)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(dāng)變頻器、風(fēng)機出現(xiàn)故障及過濾器阻塞時可在計算機上報警。

五、小結(jié)

BSL-3實驗室空調(diào)自控系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試難點是風(fēng)量控制和多等級壓差控制，即要保證潔凈區(qū)的換氣次數(shù)又要保證多工況轉(zhuǎn)換時房間壓差的平穩(wěn)控制。通過數(shù)據(jù)和曲線可以得出以下結(jié)論：

l  多工況轉(zhuǎn)換時房間壓差完全控制在壓差參數(shù)的范圍之內(nèi)并達到萬級潔凈的換氣次數(shù)。當(dāng)不同工況轉(zhuǎn)換時，自控系統(tǒng)立即對房間的壓差做出反應(yīng)，動態(tài)響應(yīng)時間完全滿足使用要求。

l  通過對BSL-3實驗室排風(fēng)變風(fēng)量閥的PID控制，消除送風(fēng)溫度對房間壓力的影響，滿足環(huán)境參數(shù)要求。

l  不同工況時送風(fēng)變頻控制，節(jié)省能源，這對全新風(fēng)系統(tǒng)來說節(jié)能效果明顯。

通過此工程的設(shè)計和調(diào)試，我們有以下體會：

1、應(yīng)重視空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量測量和風(fēng)量的靜態(tài)平衡調(diào)試

由于BSL-3實驗室房間面積太小，送風(fēng)系統(tǒng)最小風(fēng)量與最大風(fēng)量之比接近1：5，這就造成很小的風(fēng)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(fēng)量的偏差也會造成房間壓力的較大變化。風(fēng)系統(tǒng)的靜態(tài)平衡應(yīng)在自控系統(tǒng)投入之前調(diào)整到較理想狀態(tài)，如果風(fēng)系統(tǒng)的各個參數(shù)沒有調(diào)整好就加入自動控制，不僅會增加調(diào)試的難度，嚴重時會造成自控系統(tǒng)無法進行調(diào)試，并且無法排除故障原因。

2、注意新風(fēng)量與使用要求相匹配以達到節(jié)能的目的

在全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，能量的消耗是非常驚人的，在此項目中采用變頻技術(shù)，根據(jù)實際使用的安全柜來補充新風(fēng)量，可以大大降低能量處理不必要新風(fēng)量的消耗，例如，采用變頻技術(shù)后，當(dāng)使用1臺安全柜時最小新風(fēng)量與使用4臺安全柜時最大新風(fēng)量的能耗比為約為1：13.5，即最小新風(fēng)量所消耗能量為最大新風(fēng)量所消耗能量的7.4%，節(jié)能效果明顯。

3、應(yīng)重視恒溫恒濕機組調(diào)節(jié)溫度的穩(wěn)定性和精度，因為房間的壓力與氣體的溫濕度