手術室空調溫濕度自控系統的工程實現

許春香，時 偉，宋海軍

（中州大學，鄭州 450044）

0 引言

近年來，隨著信息技術、控制技術和通信技術的高速發展，醫院信息化和自動化管理水平迅速提升，許多先進、成熟、實用的新技術廣泛應用于醫療衛生環境建設中。潔凈手術室空調控制系統作為醫院樓宇自動化系統的重要組成部分在醫療系統中正被逐漸使用。本項目依托河北某附屬醫院手術室空調自動化監控系統工程，采用Honeywell公司的工業自動化數字控制系統，基于EBI系統工程組態平臺，實現對手術室空調溫濕度控制及現場設備管理,使之滿足手術室對空氣環境的要求。

EBI（Enterprise Buildings Integrator） 是Honeywell公司推出的企業樓宇集成系統軟件，它是一個包含了從底層設備到中央監控平臺的完整的自動化解決方案，提供的子系統有樓宇自動化控制系統、安全防范系統、火災報警系統、數字影像管理系統和資產/人員管理系統。作為世界領先的開放式樓宇監控系統，EBI能夠最大限度地滿足用戶的需求，遵循現有各種工業標準，集成開放性能，支持BACnet、LonWorks、OPC、Modbus和C-Bus等現場設備的集成[1]。

1 手術室空調系統控制功能

1）手術室空氣被控參數有：溫度、相對濕度、壓力（風量）、潔凈度、新鮮度；

2）空調系統的基本任務：通風、過濾、冷卻、除濕、加熱、加濕。

1.1 手術室溫濕度自動控制原理

潔凈手術室要求對溫度和濕度有著恒定的控制要求。因此，溫濕度指標是潔凈手術室中最重要的控制指標。圖1是手術室溫度控制示意圖，采用DDC（直接數字控制）控制器實現自動化控制。

圖1 手術室空調系統溫度控制示意圖

室外較熱的新風與部分回風相混合，由風機送經表冷器，使空氣降溫，然后送至房間，使室內溫度保持夏季降溫工況的要求。在這個系統中，DDC控制器通過溫度傳感器采集室內溫度，根據控制器預設的控制規律，操縱冷凍水調節閥的開度，改變冷凍水的流量來實現冷凍水冷量與房間里的熱量隨時相平衡，以得到穩定的室溫。

1.2 系統工藝要求[2]

1）系統工作模式上分為冬夏兩季。在冬季模式里，回風溫濕度低于設定值，控制要求主要是升溫加濕。一般通過打開（熱）水閥執行器以提高溫度，打開加濕器開度以提高濕度。在夏季模式里，控制要求主要是降溫除濕。系統要求濕度優先調節，即夏季濕度較高時候，控制器通過計算后調節送水管(≤8℃左右的冷凍水)的開度達到降溫除濕的目的，而由此造成的溫差通過電加熱來補償。當回風濕度達到設定要求時，系統自動進入溫度控制狀態。

2）空調系統工藝上，循環機組要全年恒溫恒濕；對于新風機組，夏季送風露點溫度在12℃以下，冬季送風溫度18℃，濕度45%。

在控制精度上，溫度≤±1℃，相對濕度≤±5%RH。

3）按照現場工藝要求：（1）手術室內設有多功能控制面板，實現本地溫濕度及機組運行狀態控制。（2）樓層控制室設有EBI服務器實現遠程，除實現手術室控制面板的功能外，還增加如下功能：圖形界面動態顯示各檢測數據、控制參數與設備狀態；可定時啟動所需手術室空調系統；機組各種故障自診斷，發出維修提示并予以報警和即時打印；根據累計運行時間及設定的維護計劃發出保養提示；數據管理與分析，歷史資料查詢，報警與事故存檔追憶；每天的運行狀態記錄或打印；系統操作界面和系統維護界面等。（3）室外設有機組控制柜，便于系統維護和調試，可以手工控制系統啟停、通過DDC控制面板直接進行參數設定，以及機組運行狀態顯示。

1.3 空調系統組成[3]

整個空調系統由新風機組、循環機組和送風管道組成。新風機組主要為手術室提供一定的新鮮空氣，滿足室內衛生要求,將室外新風進行初步凈化及熱濕處理后送入循環機組。循環機組負責對新風機組處理的新風和手術室回風再進行過濾及熱濕處理，將手術室、潔凈走廊的溫度、濕度、壓力控制在一定的允許范圍之內。在本項目中系統由4組循環機組和1組新風機組構成，新風機組共用。

2 系統硬件結構及空調系統設備

2.1 系統硬件結構

基于EBI平臺的手術室溫濕度控制系統分為上下兩級結構，如圖2所示，由基層的現場控制站、中央管理工作站[4,5]。

圖2 手術室溫濕度控制系統結構

1）基層的現場控制站：每個現場控制節點負責一個空調系統的數據采集與調控，即每個節點只有一個DDC控制器，以空調機組控制柜的形式實行一對一的控制。

由現場各類儀表設備和DDC控制器節點構成。其主要功能是把各種傳感器和檢測器傳送的數據，按照DDC控制器內部預先設置的參數和預先編制的控制程序來進行比較和相應的運算，輸出各種信號驅動執行器進行控制，并接收上層中央管理工作站、現場控制柜面板和手術室面板發出的各種指令操作。

2）中央管理工作站集中監控：由EBI組態系統構成，負責對全部空調系統的監控與管理。在現場控制節點的基礎上，通過Honeywell公司的C-Bus網絡線把全部控制器聯網，經RS485/232轉換器與EBI服務器連接，只需對EBI服務器進行操作，就能對所有的機組進行集中監控和在線管理。

利用計算機調控程序，可以根據現場采集信息對系統做最優化控制等，以及對以往的系統設備/人員監控數據進行專門備份保存以及管理的功能。

本項目預留100Mb/s以太網接口（TCP/IP），可通過互聯網與EBI服務器計算機連接，實現系統遠程控制（客戶機/服務器模式）。當條件具備時，系統納入整個醫院樓宇自動控制系統中。

2.2 空調系統設備

1）空氣處理設備：組合在空氣處理機內的冷/熱水盤管、電加熱器、加濕器、除濕機、表冷器、過濾器、風機、電機。設在一個集中的空調機房內，經過集中處理的空氣，通過分道送到各個手術室。

2）自控設備：使用DDC控制器、電動風閥、電動水閥、加濕驅動器、電力開關等設備，對冷/熱水盤管、電加熱器、加濕器、除濕機等進行有效的控制，使之達到空氣處理對溫濕度的工藝要求。

控制器采用Honeywell公司Excel 50控制器[3]，具有4路數字輸入、6路數字輸出、8路模擬輸入、4路模擬輸出，具有4路PID控制回路，支持C-Bus、LonWorks網絡通訊接口，方便與EBI服務器連接。

傳感器有風道式溫濕度傳感器、空氣壓差開關、空氣壓差傳感器、溫度開關等。

3 系統軟件設計

根據系統工藝要求和硬件配置，采用EBI平臺軟件進行上位機工程組態設計和Excel CARE軟件對下位機DDC編程。

3.1 DDC下位機軟件的功能及編程[1,7,8]

Excel CARE是Honeywell系統工程集成及調試工具，以直觀的圖形化方式為DDC控制器編制控制流程和時序控制策略。程序設計包括DDC控制設備的創建、原理圖設計、數據點的定義、開關邏輯、控制策略等。工程開發一般過程如圖3所示。

圖3 CARE工程開發過程

1）CARE的所有功能都基于設備，一個控制器可控制一個或多個設備,取決于控制器容量,但不同控制器不能包含相同的設備。一個設備是一個被控系統，如空氣處理器,鍋爐或是冷卻設備。

2）一個設備原理圖由若干段順序組合而成,表示出設備中各組件以及它們是如何安排的。段是一個控制系統,如鍋爐、冷卻及其它設備的組成元件,元件包括傳感器、閥門、狀態點等。

3）數據點有硬件點和軟件點，硬件點是傳感器和執行器發出的數據信息，軟件點是軟件程序的計算結果；其次又分為模擬點和數字點，以及輸出和輸入。

4）開關邏輯通過DDC建立信號數據點之間的聯系。如表1所示（第3臺空調機組），對于冷水閥開閥信號邏輯，當風機處于開機狀態并且系統無故障報警，冬夏轉換開關處于夏天模式時，發出可以打開冷水閥的信號，否則發出關閥信號。

表1 冷水閥開閥信號

5）軟件控制策略：采用PID控制來調節溫濕度。PID是在控制中最為廣泛的一種控制方式，它具有簡單可靠、穩定性好的特點。在PID控制中，將系統的設定值與系統的輸出比較得到偏差，并根據偏差情況給出控制量。增量式PID的一般表達式如下：

式中：Kp為比例系數；Ki為積分系數，Kd為微分系數。

在Honeywell的DDC控制器中通過內置的PID調節器實現增量式PID控制。如圖4所示，描述了CARE軟件中對標準PID調節器模塊的參數設置，控制關系為回風溫度與冷水閥。圖中符號Xp為比例帶寬度，TV為微分時間常數，Tn為積分時間常數，Minimum output和 Maximum output分別限制了水閥的最小/最大開度范圍，系統初始開度一般設為50%。

圖4 冷水閥標準PID調節器參數設置

常規PID控制器對于非線性、時變的系統和模型不清楚的系統就不能很好控制，不能得到預期的控制效果。CARE中還有增強EPID控制器，EPID與傳統PID的區別在于它能在一定時間內將被控制的參數保持在設定值，避免PID在啟動時在設定值上下抖動。其配置比標準PID略復雜，可參看CARE幫助系統文檔[7]。

3.2 EBI服務器軟件平臺設計[1, 5]

EBI軟件平臺主要包括：Station、Quick Builder和Display Builder。利用EBI監控平臺實現對設備監控的開發應用過程為：

1）在EBI的實時數據庫開發軟件Quick Builder中創建一個新工程( Project)，完成對通道(Channels)、控制器(Controllers)、控制點( Points)、工作站( Stations)、服務器( Servers)等硬件的定義和組態配置，并將工程下載到EBI的實時數據庫中。本系統工程組態情況如圖5所示，共創建了5個DDC控制器，使用1個通道，每個DDC控制器對控制點進行監控。在Quick Builder中組態是實現通訊的關鍵。

圖5 工程組態結構圖

2）采用EBI的Display Builder軟件為每個DDC開發圖形化的人機界面，在圖形界面中連接各個控制點，圖6是人機交互界面在station中顯示效果，實現對所需控制點的直觀監控。支持圖形化設計和VB腳本語言編程。

圖6 護士工作站控制界面

3）在Station中，執行Display Builder開發的人機界面，實現對EBI實時數據庫中控制點的訪問和操作，進而完成對于設備和子系統的監控?？刂泣c的各種詳細數據有：報表顯示、報警顯示、趨勢顯示、組群顯示和系統診斷顯示等。

4 結束語

利用EBI和CARE組態軟件設計的的手術室溫濕度控制系統在精度、實時性、可靠性等方面是模擬控制所無法比擬的。系統已投入正常使用，運行穩定，最大限度的提高舒適程度和節能控制，保證了系統運行的經濟性和管理的智能性。

[1] NanJing University of Technology IBI.Teaching Material of Honeywell EBI System [EB/OL].2003-10.

[2] 張國銘, 朱勁.潔凈手術室空調控制系統的設計與實現[J].現代電子技術.2009(1): 97-100.

[3] 王用倫.智能樓宇技術[M].北京: 人民郵電出版社,2008.

[4] 葛鎖良, 麻芳義.基于LonWorks技術的空調自控系統[J].合肥工業大學學報(自然科學版), 2005.28(5): 558-561.

[5] Honeywell Limited Australia.EBI overview[EB/OL].2003-04.http://www.honeywell.com.au.

[6] Honeywell Inc.en1b0101-ge51r0909g.pdf[EB/OL].2009.http://ecc.emea.honeywell.com.

[7] Honeywell Inc.Excel Live CARE USER GUIDE[EB/OL].2004.http://honeywell.com.

[8] 賈雪.應用組態軟件實現樓宇新風系統的監控[J].吉林建筑工程學院學報, 2008.25(4): 63-65.