制藥廠空調控制系統的設計與選型

王勤

（天津市化工設計院，天津300193）

0 引言

在制藥、生物制品的生產制造等領域，隨著產品品質的不斷升級，對生產環境的要求也越來越高。溫度、濕度、正壓值和潔凈度4個主要指標必須嚴格控制。GMP作為制藥、食品等行業的強制性標準，是藥品加工企業必須達到的最基本的條件。要達到GMP標準，空調系統的高水平是不可或缺的，它是保證產品質量及安全生產的關鍵環節。因此，建立一套先進、可靠、穩定的高性價比的空調控制系統是非常必要的。

1 控制系統的組成

采用 DDC（Direct Digital Control，直接數字控制）系統，來完成藥廠的空調系統的控制是非常合適的。DDC系統的組成通常包括中央控制設備（集中控制電腦、彩色監視器、鍵盤、打印機、不間斷電源、通訊接口等）、現場DDC控制器、通訊網絡，以及相應的傳感器、執行器、調節閥等元器件，如圖1。

圖1 空調控制系統構成圖

控制系統分為三層，即上位機監控系統（在廠區辦公樓內）、控制站（在生產車間控制室內）、DDC控制器（在生產車間內）。上位機監控系統主要實現實時數據的遠程監控和生產管理。控制站負責對所有輸入的信號進行監視并進行綜合處理，之后，對現場執行器輸出控制信號。同時，通過光纖將所有信息上傳上位機監控系統。

DDC控制器用于采集現場儀表信號，實時監控控制對象，可完成PID控制、自適應控制，可對各個空調設備的控制參數以及運行狀態進行再設定，同時，采用RS485將所有信息上傳控制站。在接到報警信號后可根據已設置程序聯鎖有關設備的啟停，同時向上位機監控系統發出警報。潔凈房間的溫濕度顯示控制、壓差顯示、變頻器的運行頻率顯示、送排風機的啟停控制和電動閥門的開關控制等等，也都可以通過上位機實現。控制站和現場控制器之間、現場控制器之間均可實現雙向直接數據通信，控制站停止工作不影響控制器功能和設備運行。

2 控制方案

根據每個生產過程中的不同需求，將會有相應的監控方案。

2.1 空調機組送出風溫濕度調節

溫濕度控制是潔凈空調控制系統實現的關鍵。其中送出風的溫度是通過測量送出風管內風的溫度來調節冷水閥或蒸汽閥，從而達到控制風溫的目的。而送出風的濕度是通過測量送出風管內風的濕度來調節蒸汽閥，從而達到控制風的濕度的目的。

2.2 空氣循環控制

2.2.1 室內送回風風量平衡控制

DDC系統以空氣循環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計算出排風氣流的總流量（m3/h），而送風氣流的設定流量值等于排風氣流的總流量減去滲透氣流的流量。DDC通過調節送風閥的開度，使得送風氣流量保持為送風氣流的設定流量值。可形成穩定的壓差風量。

2.2.2 根據室內外壓差調節送風量

DDC系統根據測得的房間與鄰近的通道的壓差值，在保持排風量不變的情況下，調節送風閥的開度，來改變送風氣流量，使得房間與鄰近的通道的壓差穩定為設定壓差值。

2.3 開關燈控制

DDC系統以一個預先設計的時間表為基礎，結合房間照明開關的狀態來決定房間的空調風系統的運行/非運行模式（空閑模式）。

在工作時間段，當房間的照明開關被打開后，DDC將收到該開關信號，于是，DDC將控制通風系統由空閑模式轉入運行模式，即控制送、排風進入高位循環狀態，之后，DDC將啟動房間的所有照明設備。此時，操作工就可進入房間開始工作了。

在非工作時間段，即使房間的照明開關被打開，房間的空調風系統仍會保持空閑模式狀態，即送、排風保持低位循環狀態，且房間照明保持關閉狀態。此時，只有打開特別設置的“維護模式”鑰匙開關，房間的照明才會在通風系統低位循環狀態時被打開。

2.4 通風櫥控制

通風櫥是變風量控制，風的平均表面流速要維持在某一數值（如0.5 m/s）。安裝在通風櫥上的表面流速控制器，將提供通風櫥運轉的可視信號，對低風速進行聲光報警，報警消音開關，以及與窗框位置傳感器和排氣閥的信號接口。

窗框位置傳感器將測量通風櫥的窗框打開的位置，并將此信號傳送給表面流速控制器。在運行模式下，表面流速控制器將調節排風閥，以維持通風櫥的風的平均表面流速在某一數值（如0.5m/s）。當通風櫥的平均表面流速低于某一設定值時（如0.4m/s），表面流速控制器將會發出聲光報警。

通風櫥設置有較小的旁通口，當所有的通風櫥的窗框都被關閉時，控制器將調節排風閥，使它保持一個最小流量（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）。當窗框位置傳感器發生故障時，DDC會有指示和報警。

2.5 室內排風管道內可燃性氣體探測

由于生產過程中會產生出可燃性氣體，該氣體在排風管道內的濃度須實時監控，以確保安全生產。檢測信號將傳送至DDC進行濃度指示及超限報警。安裝在風道上的可燃氣體探頭，也會在可燃氣體超限時發出聲光報警。

2.6 風道過濾器通暢度檢測

為保證空氣潔凈，送風管道上的過濾器應保持通風順暢。當過濾器進出兩端的差壓值偏大時（如＞12Pa），DDC將發出報警信號，提醒操作人員及時更換風道過濾器。

2.7 房間溫度控制

DDC將根據室內溫度傳感器的測量值，來調節送風再加熱/冷卻閥門，熱源為熱水或蒸汽，冷源為冷水。以使各個房間的溫度保持在各自所需的溫度范圍中。

2.8 所有風機的運行及故障狀態的監控

要保證通風系統正常運行，就需要掌握風機的運行情況。一般情況下，所有風機的運行狀態都會進DDC指示，而一旦風機故障，DDC將發出報警，甚至啟動聯鎖程序。

3 主要控制設備的選型

3.1 溫濕度計、汽水調節閥

對于空調機組送出風溫濕度調節，需要管道式溫濕度變送器作為檢測儀表，執行器為電動調節閥。該調節閥為空調專用的，性價比高，專門用于水或蒸汽的調節。

3.2 文丘里閥

文丘里氣流控制閥主要有三種：1）定風量閥；2）雙穩態閥；3）變風量閥。

通過使用定風量閥、雙穩態閥可以嚴格控制房間送風量、排風量，從而形成穩定的壓差風量，控制房間壓差穩定；使用變風量閥對房間進行調控，使送風管閥流量追蹤排風管閥流量，可形成穩定的壓差風量。

文丘里閥具有靜音工作、反應迅速（＜1 s）、風量控制范圍寬（60～10 000 m3/h）、調節精確（±5%）等特點。只是設備比較昂貴，適合應用在某些要求控制負壓的生物制品生產廠房，有毒有害、化學實驗室及生物安全實驗室等場所。因為要考慮人身安全問題，系統壓差控制必須是高精度、高可靠性的。

3.3 控制系統

要實施空調系統的優化控制，控制系統應是一個重要環節。我們首選DDC控制系統，它代替了PLC或DCS等，特別成為各種建筑環境控制的通用模式。DDC系統是利用微信號處理器來執行各種邏輯控制功能，它主要采用電子驅動。DDC系統的最大特點就是從參數的采集、傳輸到控制等各個環節均采用數字控制功能來實現。同時一個數字控制器可實現多個常規儀表控制器的功能，可有多個不同對象的控制環路。

DDC系統具有很多優點：1）操控靈活、方便，運行穩定，具有很強的故障診斷能力。2）DDC系統比傳統系統具有更高的精確度，各個控制參數可保持在更接近于設定值的值。3）具有良好人機對話界面的智能系統。

3.4 其他儀表

空調系統的控制儀表還有熱電阻、壓力變送器、差壓變送器、壓力表、可燃氣體探測器等。

4 結語

DDC控制系統在制藥廠的空調系統的應用，保證了潔凈房間空氣參數的穩定性和準確性，同時能有效地節約能源，并對設備進行有效的管理。設計的多種空調控制方案，滿足了工藝生產的要求，在安全生產的前提下，為生產高品質產品提供了有力的保障。

［1］ 藥品生產質量管理規范（2010年修訂）［S］.

［2］ 石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范：GB50493-2009［S］.

［3］ 劉瑞霞,王玲,王永晰.潔凈室的溫濕度控制設計［J］.自動化儀表,2005，26（8）：19-21.

［4］ 袁自遠.變風量空調系統新風量控制方法試驗研宄［D］.大連：大連理工大學，2013.

［5］ Geraghty E P.Data centers and VAV design opportunities［J］.Engineered Systems，2013，30（4）：36-41.

［6］ 陳浩.中央空調多變量控制系統應用研究［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2012.