淺議藥廠潔凈室壓差及送風量的自動化控制

李 松

（上海朗脈潔凈技術股份有限公司，上海201100）

0 引言

藥廠潔凈室的壓差及送風量作為空調自控系統中自動化控制的關鍵參數，在《藥品生產質量管理規范（2010年修訂版）》（以下簡稱新版GMP）及GB 50073—2013《潔凈廠房設計規范》中對其作了明確規定。

新版GMP規定：潔凈區與非潔凈區之間、不同級別潔凈區之間的壓差應當不低于10 Pa。必要時，相同潔凈度級別的不同功能區域（操作間）之間也應當保持適當的壓差梯度[1]。可以說，保持不同級別區域間的壓差或者同級房間的適當壓差梯度符合要求是減少外部污染、防止交叉污染的重要手段。《潔凈廠房設計規范》規定：不同空氣潔凈度等級需要的換氣次數不同，即對送風量有不同要求。合理的換氣次數是保持潔凈室等級符合要求的重要參數[2]。

本文以某藥廠的潔凈室壓差和送風量的自動化控制為例，闡述自動化控制系統中壓差及送風量控制的具體設計與實施。

1 潔凈室壓差及送風量控制的原理

1.1 房間送風量條件

為了保證房間具有一定的壓力（正壓或者負壓），可以通過調節房間的送風量、回風量或者排風量來控制房間壓力。

房間的送風量需要達到下列條件中的最大值：（1）空氣潔凈等級要求的送風量；

（2）根據熱、濕負荷計算確定的送風量；

（3）補償室內排風量和保持室內正壓所需的送風量之和；

（4）保證供給潔凈室內每人每小時的新鮮空氣量不小于40 m3。

由于對送風量有上述要求，所以一般不對房間的送風量進行調整，而是結合潔凈室的實際情況對房間的回風量或者排風量進行調整。通過在回風管或者排風管上安裝電動調節閥，根據需要控制的房間壓力進行自動控制，保證房間壓力維持在所需范圍內，從而保證相鄰房間或者不同級別潔凈區之間的壓差滿足要求。

1.2 送風量控制方法

在系統送風量控制中，為了保證系統中各個房間的送風量恒定，通過以下方法實現：

（1）在每個房間的送風管上加裝手動調節閥，通過調節手動調節閥使各個房間的風量達到平衡和恒定。以這種方式運行的系統，由于各房間高效過濾器阻力不一定是成比例地增加，在系統運行一段時間后，各房間的風量平衡將被破壞，這需要重新調整手動調節閥，使風量重新平衡。

風量平衡的調整是一個多次重復的過程，在多次重復的調整過程中找到一個最優的平衡狀態。對風量平衡的調節需要由有一定專業知識和實際工程經驗的人員操作。

（2）在每個房間的送風管上加裝定風量閥，當房間高效過濾器阻力發生變化時，定風量閥會自動調整開度，使通過定風量閥的風量恒定，從而保證房間的送風量恒定。

在目前的空調系統設計過程中，只保證生產過程中的送風量滿足要求是遠遠不夠的，在消毒或者其他非生產過程中，對送風量也是有要求的。

1.3 特殊需求

在消毒過程中，為了使消毒劑的濃度達到一定要求，系統的送風量不能太高，否則對消毒劑的需求量將變大。在非生產過程中，由于沒有人員活動及設備運行，潔凈室的環境處于相對靜止狀態，此時適當地降低送風量也能保證環境的潔凈等級符合要求。在這些新的需求下，手動調節閥或者定風量閥已經不能滿足要求。

因此，可在房間的送風管上設置變風量閥，當潔凈室處于不同的狀態，通過自控系統給變風量閥設定不同的風量值，使其滿足不同要求的送風量。我們將變風量閥的這種工作模式稱為多穩態變風量閥工作模式。

2 壓差控制和送風量控制的自動化設計

2.1 壓差控制

為了控制房間壓力，需要在各房間中安裝壓力傳感器，在房間的回風管或者排風管上安裝電動調節閥，并在潔凈室的房間門上安裝門限位開關。

根據壓力傳感器實時監測房間壓力變化，當房間壓力發生變化時，調節閥根據壓力變化做出調整，以此保證房間壓力。門限位開關的作用是當房間門處于打開狀態時，PID將停止計算，調節閥將根據門限位開關的信號停止動作；當房間門處于關閉狀態時，PID繼續計算，控制調節閥根據房間壓力的變化動態調整開度，保證房間壓力穩定。當房間門處于打開狀態時，兩個房間處于連通狀態，壓力低的房間由于受壓力高的房間泄壓而壓力變高，壓力高的房間由于泄壓使房間壓力變低。由于兩個房間的壓力均偏離設定值，如果閥門繼續調整，將導致壓力高的房間調節閥一直關小使壓力升高，壓力低的房間調節閥一直開大使壓力降低，由于兩個房間處于連通狀態，房間壓力始終一樣，無論怎樣調整調節閥，兩個房間的壓力至少有一個和設定值不一樣，或者兩個房間的壓力都和設定值不一樣，在這兩種情況下繼續調整房間壓力將失去意義。在開門過程中，如果房間的調節閥繼續調節，將會導致比較嚴重的后果。

如果兩個房間的送風量相差較大，若低壓側的房間送風量較小，在長時間的開門過程中，將會導致低壓房間的調節閥門全開；若高壓側的房間送風量較小，在長時間的開門過程中，將會導致高壓側房間的調節閥全關。

不管調節閥是全開還是全關，都將導致在關閉房門的過程中，兩個房間的壓差過大，關門變得很困難，甚至房門無法關閉。

因此，當門限位開關檢查到房間門處于打開狀態時，房間的調節閥將停止調節。

為防止調節閥全開或者全關，在調節閥控制中加入了最小開度和最大開度的限制，限制值根據調節閥長時間運行的開度適當加上一個偏差來確定。安裝門限位開關還有一個用途，就是在潔凈室房門長時間打開過程中產生告警信息，提醒相關人員關閉潔凈室房門，以便房間壓力盡快恢復正常。

2.2 送風量控制

為了滿足不同送風量的需求，在房間送風管上安裝了變風量閥，同時該變風量閥具有實時風量檢測功能。

控制系統會根據空調系統所處的不同運行模式，為變風量閥設定一個需要的風量值。變風量閥根據設定風量和檢測到的風量自動進行調整，使通過變風量閥的風量保持在設定風量范圍內。由于變風量閥具有風量實時監測功能，控制系統可以通過變風量閥的實時監測風量記錄，實時監視各房間的送風量是否滿足設計要求。

在送風量控制過程中，由各變風量閥對送入房間的風量進行限制，即通過送風總管的總送風量不會再隨送風機頻率增加而增大。為了保證有足夠的風送入房間，只要根據送風總管末端的壓力來控制變頻器的頻率，使送風機有足夠的壓力將風送入房間。

3 壓差控制和送風量控制的具體實施

3.1 壓差控制的具體實施

在壓差控制中，使用最常規的PID算法，將房間實際壓力作為PID的反饋值，房間需要控制的壓力點作為設定值，在PID調節過程中引入門限位開關信號，當門限位開關信號為0時，即房間處于打開狀態，停止PID運算，PID運算結果保持當前狀態，PID的輸出也保持當前值，停止房間的壓力控制。當門限位開關信號為1時，即房間門處于關閉狀態，PID運算繼續，開始根據房間壓力實時調整調節閥的開度，保持房間壓力穩定。

房間壓力控制邏輯圖如圖1所示。

在實際試運行過程中，房間壓力曲線如圖2所示。由圖2可以看出，采用了該控制方案的房間壓力達到了一個比較理想的狀態。

圖1 房間壓力控制邏輯圖

3.2 送風量控制的具體實施

在送風量控制中，選用帶有控制器的變風量閥，該變風量閥由閥體、風速測片、帶有壓力檢測的控制器三部分組成。

在實際使用中，只需要通過控制系統，為變風量閥設定一個風量，變風量閥便會根據設定風量和實際檢測風量自動調整開度，使實際風量達到設定值。

由于變風量閥廠家提供的閥門本身帶有控制器，能根據實際情況實現自動控制。因此在控制系統中不需要過多的控制，只需要設定風量，檢測變風量閥的反饋風量。

圖2 房間壓力運行曲線

在安裝變風量閥時，需要注意前后直管段的安裝要求，使其可以保證變風量閥工作更加平穩，反饋風量更加準確。在調試變風量閥時，需要注意將變風量閥的最小風量旋鈕調整到最小值，最大風量旋鈕調整到最大值[3]，使變風量閥能在全量程范圍內工作。

4 結語

潔凈室的壓差控制和送風量控制是減少外部污染、防止交叉污染、保持潔凈室等級符合要求的重要手段，其影響藥品生產的全過程，壓差和送風量的自控化控制在潔凈室的正常運行中發揮了關鍵性作用，更好地保證了藥品的生產質量。