制藥廠空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

王勤

（天津市化工設(shè)計(jì)院，天津300193）

0 引言

在制藥、生物制品的生產(chǎn)制造等領(lǐng)域，隨著產(chǎn)品品質(zhì)的不斷升級(jí)，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求也越來越高。溫度、濕度、正壓值和潔凈度4個(gè)主要指標(biāo)必須嚴(yán)格控制。GMP作為制藥、食品等行業(yè)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，是藥品加工企業(yè)必須達(dá)到的最基本的條件。要達(dá)到GMP標(biāo)準(zhǔn)，空調(diào)系統(tǒng)的高水平是不可或缺的，它是保證產(chǎn)品質(zhì)量及安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，建立一套先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定的高性價(jià)比的空調(diào)控制系統(tǒng)是非常必要的。

1 控制系統(tǒng)的組成

采用 DDC（Direct Digital Control，直接數(shù)字控制）系統(tǒng)，來完成藥廠的空調(diào)系統(tǒng)的控制是非常合適的。DDC系統(tǒng)的組成通常包括中央控制設(shè)備（集中控制電腦、彩色監(jiān)視器、鍵盤、打印機(jī)、不間斷電源、通訊接口等）、現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)，以及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥等元器件，如圖1。

圖1 空調(diào)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

控制系統(tǒng)分為三層，即上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（在廠區(qū)辦公樓內(nèi)）、控制站（在生產(chǎn)車間控制室內(nèi)）、DDC控制器（在生產(chǎn)車間內(nèi)）。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和生產(chǎn)管理。控制站負(fù)責(zé)對(duì)所有輸入的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視并進(jìn)行綜合處理，之后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器輸出控制信號(hào)。同時(shí)，通過光纖將所有信息上傳上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

DDC控制器用于采集現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控控制對(duì)象，可完成PID控制、自適應(yīng)控制，可對(duì)各個(gè)空調(diào)設(shè)備的控制參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行再設(shè)定，同時(shí)，采用RS485將所有信息上傳控制站。在接到報(bào)警信號(hào)后可根據(jù)已設(shè)置程序聯(lián)鎖有關(guān)設(shè)備的啟停，同時(shí)向上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。潔凈房間的溫濕度顯示控制、壓差顯示、變頻器的運(yùn)行頻率顯示、送排風(fēng)機(jī)的啟停控制和電動(dòng)閥門的開關(guān)控制等等，也都可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。控制站和現(xiàn)場(chǎng)控制器之間、現(xiàn)場(chǎng)控制器之間均可實(shí)現(xiàn)雙向直接數(shù)據(jù)通信，控制站停止工作不影響控制器功能和設(shè)備運(yùn)行。

2 控制方案

根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)過程中的不同需求，將會(huì)有相應(yīng)的監(jiān)控方案。

2.1 空調(diào)機(jī)組送出風(fēng)溫濕度調(diào)節(jié)

溫濕度控制是潔凈空調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。其中送出風(fēng)的溫度是通過測(cè)量送出風(fēng)管內(nèi)風(fēng)的溫度來調(diào)節(jié)冷水閥或蒸汽閥，從而達(dá)到控制風(fēng)溫的目的。而送出風(fēng)的濕度是通過測(cè)量送出風(fēng)管內(nèi)風(fēng)的濕度來調(diào)節(jié)蒸汽閥，從而達(dá)到控制風(fēng)的濕度的目的。

2.2 空氣循環(huán)控制

2.2.1 室內(nèi)送回風(fēng)風(fēng)量平衡控制

DDC系統(tǒng)以空氣循環(huán)跟蹤方式使房間與鄰近的通道保持一定的差壓（如12.25 Pa水柱）。做法是：DDC計(jì)算出排風(fēng)氣流的總流量（m3/h），而送風(fēng)氣流的設(shè)定流量值等于排風(fēng)氣流的總流量減去滲透氣流的流量。DDC通過調(diào)節(jié)送風(fēng)閥的開度，使得送風(fēng)氣流量保持為送風(fēng)氣流的設(shè)定流量值?？尚纬煞€(wěn)定的壓差風(fēng)量。

2.2.2 根據(jù)室內(nèi)外壓差調(diào)節(jié)送風(fēng)量

DDC系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的房間與鄰近的通道的壓差值，在保持排風(fēng)量不變的情況下，調(diào)節(jié)送風(fēng)閥的開度，來改變送風(fēng)氣流量，使得房間與鄰近的通道的壓差穩(wěn)定為設(shè)定壓差值。

2.3 開關(guān)燈控制

DDC系統(tǒng)以一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的時(shí)間表為基礎(chǔ)，結(jié)合房間照明開關(guān)的狀態(tài)來決定房間的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行/非運(yùn)行模式（空閑模式）。

在工作時(shí)間段，當(dāng)房間的照明開關(guān)被打開后，DDC將收到該開關(guān)信號(hào)，于是，DDC將控制通風(fēng)系統(tǒng)由空閑模式轉(zhuǎn)入運(yùn)行模式，即控制送、排風(fēng)進(jìn)入高位循環(huán)狀態(tài)，之后，DDC將啟動(dòng)房間的所有照明設(shè)備。此時(shí)，操作工就可進(jìn)入房間開始工作了。

在非工作時(shí)間段，即使房間的照明開關(guān)被打開，房間的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)仍會(huì)保持空閑模式狀態(tài)，即送、排風(fēng)保持低位循環(huán)狀態(tài)，且房間照明保持關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)，只有打開特別設(shè)置的“維護(hù)模式”鑰匙開關(guān)，房間的照明才會(huì)在通風(fēng)系統(tǒng)低位循環(huán)狀態(tài)時(shí)被打開。

2.4 通風(fēng)櫥控制

通風(fēng)櫥是變風(fēng)量控制，風(fēng)的平均表面流速要維持在某一數(shù)值（如0.5 m/s）。安裝在通風(fēng)櫥上的表面流速控制器，將提供通風(fēng)櫥運(yùn)轉(zhuǎn)的可視信號(hào)，對(duì)低風(fēng)速進(jìn)行聲光報(bào)警，報(bào)警消音開關(guān)，以及與窗框位置傳感器和排氣閥的信號(hào)接口。

窗框位置傳感器將測(cè)量通風(fēng)櫥的窗框打開的位置，并將此信號(hào)傳送給表面流速控制器。在運(yùn)行模式下，表面流速控制器將調(diào)節(jié)排風(fēng)閥，以維持通風(fēng)櫥的風(fēng)的平均表面流速在某一數(shù)值（如0.5m/s）。當(dāng)通風(fēng)櫥的平均表面流速低于某一設(shè)定值時(shí)（如0.4m/s），表面流速控制器將會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。

通風(fēng)櫥設(shè)置有較小的旁通口，當(dāng)所有的通風(fēng)櫥的窗框都被關(guān)閉時(shí)，控制器將調(diào)節(jié)排風(fēng)閥，使它保持一個(gè)最小流量（如40 m3/h）。在空閑模式下，表面流速控制器將降低氣流的表面速度（如0.3 m/s）。當(dāng)窗框位置傳感器發(fā)生故障時(shí)，DDC會(huì)有指示和報(bào)警。

2.5 室內(nèi)排風(fēng)管道內(nèi)可燃性氣體探測(cè)

由于生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生出可燃性氣體，該氣體在排風(fēng)管道內(nèi)的濃度須實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保安全生產(chǎn)。檢測(cè)信號(hào)將傳送至DDC進(jìn)行濃度指示及超限報(bào)警。安裝在風(fēng)道上的可燃?xì)怏w探頭，也會(huì)在可燃?xì)怏w超限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

2.6 風(fēng)道過濾器通暢度檢測(cè)

為保證空氣潔凈，送風(fēng)管道上的過濾器應(yīng)保持通風(fēng)順暢。當(dāng)過濾器進(jìn)出兩端的差壓值偏大時(shí)（如＞12Pa），DDC將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員及時(shí)更換風(fēng)道過濾器。

2.7 房間溫度控制

DDC將根據(jù)室內(nèi)溫度傳感器的測(cè)量值，來調(diào)節(jié)送風(fēng)再加熱/冷卻閥門，熱源為熱水或蒸汽，冷源為冷水。以使各個(gè)房間的溫度保持在各自所需的溫度范圍中。

2.8 所有風(fēng)機(jī)的運(yùn)行及故障狀態(tài)的監(jiān)控

要保證通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，就需要掌握風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況。一般情況下，所有風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)都會(huì)進(jìn)DDC指示，而一旦風(fēng)機(jī)故障，DDC將發(fā)出報(bào)警，甚至啟動(dòng)聯(lián)鎖程序。

3 主要控制設(shè)備的選型

3.1 溫濕度計(jì)、汽水調(diào)節(jié)閥

對(duì)于空調(diào)機(jī)組送出風(fēng)溫濕度調(diào)節(jié)，需要管道式溫濕度變送器作為檢測(cè)儀表，執(zhí)行器為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。該調(diào)節(jié)閥為空調(diào)專用的，性價(jià)比高，專門用于水或蒸汽的調(diào)節(jié)。

3.2 文丘里閥

文丘里氣流控制閥主要有三種：1）定風(fēng)量閥；2）雙穩(wěn)態(tài)閥；3）變風(fēng)量閥。

通過使用定風(fēng)量閥、雙穩(wěn)態(tài)閥可以嚴(yán)格控制房間送風(fēng)量、排風(fēng)量，從而形成穩(wěn)定的壓差風(fēng)量，控制房間壓差穩(wěn)定；使用變風(fēng)量閥對(duì)房間進(jìn)行調(diào)控，使送風(fēng)管閥流量追蹤排風(fēng)管閥流量，可形成穩(wěn)定的壓差風(fēng)量。

文丘里閥具有靜音工作、反應(yīng)迅速（＜1 s）、風(fēng)量控制范圍寬（60～10 000 m3/h）、調(diào)節(jié)精確（±5%）等特點(diǎn)。只是設(shè)備比較昂貴，適合應(yīng)用在某些要求控制負(fù)壓的生物制品生產(chǎn)廠房，有毒有害、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室及生物安全實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所。因?yàn)橐紤]人身安全問題，系統(tǒng)壓差控制必須是高精度、高可靠性的。

3.3 控制系統(tǒng)

要實(shí)施空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，控制系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。我們首選DDC控制系統(tǒng)，它代替了PLC或DCS等，特別成為各種建筑環(huán)境控制的通用模式。DDC系統(tǒng)是利用微信號(hào)處理器來執(zhí)行各種邏輯控制功能，它主要采用電子驅(qū)動(dòng)。DDC系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是從參數(shù)的采集、傳輸?shù)娇刂频雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)均采用數(shù)字控制功能來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)一個(gè)數(shù)字控制器可實(shí)現(xiàn)多個(gè)常規(guī)儀表控制器的功能，可有多個(gè)不同對(duì)象的控制環(huán)路。

DDC系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：1）操控靈活、方便，運(yùn)行穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的故障診斷能力。2）DDC系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)具有更高的精確度，各個(gè)控制參數(shù)可保持在更接近于設(shè)定值的值。3）具有良好人機(jī)對(duì)話界面的智能系統(tǒng)。

3.4 其他儀表

空調(diào)系統(tǒng)的控制儀表還有熱電阻、壓力變送器、差壓變送器、壓力表、可燃?xì)怏w探測(cè)器等。

4 結(jié)語

DDC控制系統(tǒng)在制藥廠的空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用，保證了潔凈房間空氣參數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，同時(shí)能有效地節(jié)約能源，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的管理。設(shè)計(jì)的多種空調(diào)控制方案，滿足了工藝生產(chǎn)的要求，在安全生產(chǎn)的前提下，為生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品提供了有力的保障。

［1］ 藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010年修訂）［S］.

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