實驗動物屏障設施系統自動化控制技術體系應用探索

李可欣，張鳳梅，楊根嶺，徐 磊，高 杰，楊 青，潘永全，潘 劼

(1.重慶醫科大學實驗動物中心，重慶 400016；2.遵義醫學院實驗動物中心，貴州 遵義 563000；3.重慶展業空調凈化工程有限公司，重慶 400050；4.重慶醫科大學基本建設指揮部，重慶 400016)

實驗動物是生命科學研究中的重要科技資源，直接關系到科研成果的完成與評價[1]。隨著生命科學的發展，對實驗動物的質量及動物實驗環境的要求也越來越嚴格[2-3]。標準化的實驗動物是醫學和生命科學發展的重要基礎和支撐條件，而屏障設施作為目前國內外最常用的實驗動物飼育和動物實驗設施，是實現實驗動物質量標準化的重要保障[4-5]。

目前，國內許多實驗動物屏障設施通過集成軟硬件技術，涵蓋變頻傳動技術、傳感技術、計算機技術、通訊技術等，盡管這種自動化控制系統一定程度上能夠提高設施運行的穩定性和可靠性并且節約了人力，但是使用過程中也常出現參數達不到預定目標，甚至會出現因為自動化控制系統失效而采用手動控制的現象[6-7]。

本文基于“互聯網+”技術建成實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯系統，實現了對動物屏障設施的恒溫恒濕控制系統、壓差控制系統、空調主機及送排風等系統的實時監控和移動終端遠程有效控制。探討遠程監控與報警糾錯模式在實驗動物屏障設施中的運用規范和運用模式。便于管理者對相關知識的理解。是對管理者理論知識的有益補充和拓展，便于提高管理效率。

1 系統簡介

實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯模式由DCS/PLC信息采集系統、儀表檢測系統、計算機控制管理系統、通訊系統組成，主要功能包括設備運行管理，環境安全監督，實驗過程狀態監控，應急突發事件實時記錄及信息遠程發布四大模塊[8]。其中，信息采集系統、儀表檢測系統、計算機控制管理系統構成見圖1。

通過安裝在系統各個部位的各種傳感器、檢測儀表，將實驗人員所需要的各種數據傳送到控制系統，經過控制系統對各種數據的比對、運算，將指令發送到各個部位的執行機構，確保整個系統穩定運行。整個控制過程中的各種運行數據、報警信號等均存儲在上位機中供查詢(見圖2～5)。系統運行狀況的查詢、輸入指令等，在授權后，除了在現場觸摸屏管理辦公室的上位機可以操作外，通過實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯系統，也可通過筆記本電腦、智能手機、平板電腦等移動智能終端進行操作(見圖6)。

圖1 屏障設施遠程監控與報警糾錯模式系統構成Figure 1 Schematic diagram of the remote monitoring and alarm system of barrier facilities

圖2 空調主機、冷水系統、純水機、實驗動物專用滅菌器控制及查詢界面Figure 2 The air conditioner, cold water system, water purifier, and sterilizer for the laboratory animal control and query interface of the monitoring and alarm system

圖3 屏障設施參數控制及狀態查詢界面Figure 3 The barrier facility parameter control and status query interface

圖4 空調機組、排風機組、溫濕度、壓差等操作及查詢界面Figure 4 The operation and query interface of the air conditioning unit, exhaust fan unit, temperature and humidity, and pressure difference.

圖5 獨立通風籠盒(IVC)運行狀態查詢界面Figure 5 The independent ventilation cage(IVC) operation status query interface

圖6 遠程監控參數及通訊設置查詢界面Figure 6 The remote monitoring parameter and communication setting query interface

2 探索研究對象

探索研究對象1為某醫學院實驗動物中心的新建實驗動物大樓，是標準的屏障設施。參照國家標準《實驗動物環境及設施》(GB 14925-2010)、《實驗動物設施建筑技術規范》(GB 50447-2008)。該設施分為動物實驗區和動物生產區兩個區域，總面積1110 m2。該設施共3套潔凈空調機組，其中動物實驗區2套，動物生產區1套。每個區域分別擁有一套獨立的實驗動物屏障設施專用控制系統，該系統集成了實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯系統。其中溫、濕度的控制方式采用在空調系統排風管上設置溫濕度傳感器，夏季通過調節表冷器的冷水量和再熱水閥來達到室內溫度和濕度的控制要求，冬季則是通過調節熱水閥和加濕器的加濕量以滿足要求。凈化送排風機組裝有聯動風閥，實現主、備用機組的自動切換；為了控制潔凈度，確保系統潔凈風的送風量，系統設有風機變頻裝置，通過調整風機供電頻率，改變風機輸出壓力來適應系統因過濾器阻尼變化帶來的風量變化，保持潔凈風的送風量恒定。在此基礎上，每個受控功能房間的排風上均裝有比例調節風閥，根據房間壓差的波動進行調節，精確控制各受控功能房間的壓差。每個區域有各自獨立的視頻監控系統、照明系統、門禁系統及脈動真空滅菌器，此外動物實驗區含有獨立通風籠盒(independent ventilation cage, IVC)系統。

探索研究對象2為某醫科大學實驗動物中心在使用中的實驗動物屏障設施，該設施于2010年建成投入使用，設施面積750 m2，為SPF實驗級動物科研提供專業實驗平臺的設施，目前系統設施運行正常[9]。該動物設施采用獨立潔凈空調系統，系統的溫度、濕度、壓差、照明系統等均在自動控制系統的控制下運行。2017年經過技術升級，對自動控制系統進行改造升級，采用了實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯系統。

3 系統構成

實驗動物屏障設施遠程監控和報警糾錯系統是由物聯網管理系統與移動通訊控制平臺兩部分組成。

3.1 物聯網管理系統

本系統利用現代化的計算機技術和網絡系統，實現對所有儀器設備的集中管理和自動監測，確保所有儀器設備的安全運行[10]。

3.1.1 物聯網管理系統的監控范圍

監控范圍包括恒溫恒濕系統、壓差控制系統、空調主機和送、排風控制系統、照明控制系統、門禁控制系統、脈動真空滅菌器和傳遞控制系統、IVC系統、節能措施系統、環保措施系統以及動物實驗所應用的儀器和設備等。

3.1.2 物聯網管理系統的監控形式

監控形式是通過安裝于機房服務器與監控主機，公共區域的壁掛式觸控電腦，或者筆記本電腦、智能手機、平板電腦等移動智能終端設備，來實現監控形式。

3.1.3 物聯網管理系統的監控內容

監控內容主要包括：空調主機的通信及控制、電預熱的控制與通訊、加濕器的控制與通訊、表冷器與再熱量的控制與通訊、送/排風機變頻控制及空調機組的聯動控制、環境參數監測面板的控制與通訊；送風(新風)多位定風量閥、排風比例調節變風量閥等控制設備的信息收集、處理與控制；初、中、高效和活性炭過濾器失效報警，電加熱高溫報警和斷電保護控制，加濕缺水故障報警與保護控制、空調風機故障報警、空調主機故障報警、排風機故障報警、系統壓力梯度故障報警、潔凈室高溫與低溫報警；管道壓力、潔凈室壓差、潔凈室溫濕度、新風溫濕度的數據收集、識別、顯示、處理、調節、控制；純水系統、脈動真空滅菌器及IVC系統設備、節能系統設備、環保系統設備等智能儀器設備的數據采集和控制管理[11-13]。

3.2 移動通訊平臺

移動通訊平臺就是將物聯網管理系統的模擬有線控制模式轉換為數字化程控模式，并通過通訊接口將物聯網管理信息以通訊形式進行遠程發布。該系統以安全性為設計核心，以節能效果為目標，以先進性、前瞻性為標準。具備開放性通訊端口，兼容標準通訊數據上傳，具有無限擴展性，可承載多系統、多專業、多畫面，同時可提供系統不斷地升級、軟件更新、系統等優化服務。

4 實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯系統運行模式

物聯網管理系統是在建立移動通訊平臺的基礎上運行，所使用的系統軟件基于WEB的數據采集與監控系統，保證利用已有的各種網絡設備和資源(3G/4G/WIFI)，從而高效的組建一個數據共享網絡。移動通訊平臺能保證移動終端可以在任何場地任何時間快速穩定的訪問控制項目并得到想要的任何數據，移動設備和遠端站點設備之間能直接建立通信連接。在任何有移動數字信號與移動網絡(3G/4G/WIFI)的地方，都可通過移動終端設置設備(如筆記本電腦、智能手機、平板電腦等)，實現對實驗動物屏障設施系統的直觀瀏覽、了解與控制。

移動通訊平臺支持無限的可擴展性，后期擴容可添加更多變量。移動通訊平臺支持無限的移動客戶端，目前主流的IOS、Android系統移動終端APP應用程序，該APP支持Modbus Top/Profinet/Ethernet IP等標準通訊協議，可有效的與各監控設備集成，其中Android系統 APP采用Native Development Kit開發工具，IOS 系統APP采用 Xcode開發工具，最終確保移動終端在物聯網管理系統服務器連接不良情況下，依然可能獲得穩定的監控信息。

5 結語

實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯系統運行，具有自動發現故障并自動采取安全措施、自動修復、自動報告、監控設備的監控信息跨平臺無障礙數據鏈接與分享、遠程預警與報告、智能化系統運行數據分析等優點。對受控房間的潔凈風送風系統、排風系統、空調系統等進行24小時全程實時監控及移動終端遠程控制。在設備隱患升級為故障之前提供解決方案和突發事件及時記錄并實時發送信息。實驗動物屏障設施遠程監控與報警糾錯系統模式是移動通訊控制-網絡信息平臺和自動化控制模式有機的結合，使得各項環境指標均在國標要求的范圍內。系統具有安全可靠、穩定、節能等優點，最大限度的延長了設備的壽命，同時節省了人力成本。為實驗動物屏障設備安全運行提供了可靠保障，為實驗動物的繁育生產和動物實驗的飼養管理提供基礎條件保障[14-15]。