負壓稱量罩智能控制系統開發與應用

黃文濤 李 鵬

（河南華東工控技術有限公司，河南 鄭州 450001）

1 設備概況

稱量罩是一種用于制藥、微生物研究和科學實驗等場所專用的局部凈化設備，它提供一種垂直單向氣流，部分潔凈空氣在工作區循環，部分排出至附近區域，使工作區產生負壓，防止交叉污染，用于保證工作區的高潔凈度環境。

2 結構特征與工作原理

2.1 結構特征

箱體采用50mm 型紙蜂窩加芯板，可見表面為δ≥1.2mm的304 不銹鋼材質，不可見面采用0.5mm 彩鋼板。箱體內工作壓力為1 000Pa 時，泄漏率≤1%；設置密閉式檢修門；選用G4 初效、F8 袋式中效、H14 高效過濾器。保證設備有效區潔凈度達D級；回風口選用δ=1.2mm 的304 沖孔不銹鋼材質，送風口經均流膜垂直送入室內。本設備由工作區、回風箱體、風機箱體、出風箱體及外箱體幾部分拼裝而成。

控制面板位于設備內部工作區正面，控制面板采用西門子寬屏HMI，在回風夾道裝有四個壓差傳感器，對應專門的均流膜，初、中、高效過濾器的阻力。在控制面板下側有一排開關插座，最左邊一個開關控制本設備的照明燈；其余為220V，10A 和380V，16A 開關插座用于稱量設備的臨時取電。設備的動力及控制箱均放置于技術夾層內，除維修與保養時由專門人員檢修，其余皆不接觸操作人員，保證了操作人員的安全。均流及送風面板采用歐洲先進技術的高分子材料，具有阻力低、氣流均勻及高透光性。正常工作時約有10%～15%的空氣經出風板均流膜處理后排至箱體外，可保證工作區域內相對潔凈室負壓，從而保證室內人員及環境的安全。

2.2 工作原理

本設備采用垂直單向流的氣流形式，回風先要通過初效及中效過濾器的預過濾，將氣流中的大顆粒粉塵粒子處理掉，以起到保護高效過濾器的作用。經過預處理后的空氣，在離心風機提供的壓力下，通過高效過濾器，使之達到D 級潔凈度要求。潔凈氣流被送至送風箱體內，85%～90%通過均流送風網板，形成均勻的垂直送風氣流，10%～15%則通過風量調節板排出設備。所有氣流均經過高效過濾器處理，所以送風、排風均不帶殘余粉塵，避免了二次污染。由于在工作區域形成穩定的單向流，在此區域中散發的粉塵，會在單向氣流的影響下，隨著流線而被初、中效過濾器所捕集。設備帶有10%～15%的排風，從而形成相對與外部環境的負壓，從一定程度上保證了此區域內的粉塵不會擴散至室外，起到保護環境的作用。

3 負壓稱量罩自控系統的實現3.1 空氣凈化

一般的潔凈間空間系統中，空氣化處理采用空氣過濾器。通常情況下，安裝初效過濾器和中效過濾器后，空氣潔凈度可以達到10 000 級。而對于超凈要求的潔凈間還應安裝高效過濾器。這樣，空氣潔凈度可以達到更高。過濾器長期使用時，濾料上沉附的灰塵將慢慢增加，這樣會增大氣流阻力，影響整個空調系統的運行。因此，工程上應對過濾器的氣流阻力變力進行自動檢測和報警。本系統在初效、中效、高效過濾器及均流膜各設置一差壓變送器，信號反饋PLC 和HMI 設定上下限運算比較后出發報警，以便及時清理或更換。

3.2 溫度控制

本設備溫濕度控系統采用非傳統PID 算法PWM 技術，脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換的許多領域中。PWM 是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。采樣后，根據溫差的大小進行PID 調節，輸出轉化得到一個空調工作時間及占空比。例如溫差大，空調工作時間就長；溫差小，工作時間就短。程序采用的是粗調和微控兩段式控制方式。在粗控調階段，占空比恒為一；在微控制階段，占空比就根據溫差不停地變化。實際是一套比例隨機可調的控制系統，可良好控制溫度在18-26℃范圍內，濕度在45-65%。

3.3 風速控制

本設備風速控制系統采用S7-200 內部PID 控制指令，輸出調節變頻器的頻率，進而控制風速，風速傳感器作為信號采集裝置，反饋工業標準信號4-20MA 給PLC，和HMI 設定的目標值比較后，經過內部PID 運算通過模擬量輸出模塊控制變頻器頻率給定信號，平滑調速控制風機運行。良好地控制風速在0.35-0.5m/s 范圍內。

3.4 其它控制與空調節能

（1）風機故障報警。傳統檢查單純通過變頻器工作狀態來判斷，但由于風機本身等原因無法準確判斷，本系統通過檢測風機的風流狀態及電氣反饋觸點綜合判斷風機是否正常工作。若因電機燒毀或皮帶松動等原因導致風機停轉，應立即報警。（2）節能程序及輔助判斷及記憶程序。由于計算機控制系統的應用，使節能控制成為現實。除了上述對空調系統工藝特點實施的節能控制手段外，計算機控制還可實現最佳啟停控制。操作人員的記錄及設備工作狀態的記錄功能，便于檢修設備狀態分析。

4 結束語

負壓稱量罩自控系統在醫藥行業得到了成功應用，通過外圍傳感器的準確檢測及內部智能控制程序控制變頻調速，使該設備提供一種垂直單向氣流，部分潔凈空氣在工作區循環，部分排出至附近區域，工作區產生負壓，防止交叉污染，用于保證工作區的高潔凈度環境及人員安全。避免了操作人員的誤操作，減輕操作人員勞動強度，減少維護人員維護量，整體提高了工作效率。該智能控制系統為以后系統升級為遠程監控提供通信接口。

[1]西門子人機界面（觸摸屏）組態與應用技術.