基于PLC的醫院空氣凈化節能系統的研究設計

摘要：針對傳統醫院空氣凈化系統能耗大的問題，結合變頻技術提出基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術和觸摸屏的節能控制系統，設計了由PLC、變頻器、溫度傳感器等器件構成的溫差閉環控制系統。系統能自動調節變頻器的工作頻率，實現了對空氣凈化節能系統自動調速，達到了節能目的。相信基于PLC的醫院空氣凈化節能系統將在未來的醫療環境中發揮重要作用，為醫院的空氣凈化工作提供更加可靠和高效的解決方案。

關鍵詞：醫院；空氣凈化；PLC

一、前言

醫院作為一個重要的公共場所，需要提供干凈、健康的空氣環境以保障患者和醫護人員的健康與安全。然而，傳統的醫院空氣凈化系統存在一些問題，例如能耗較高、操作復雜、維護困難等。為了解決這些問題，PLC技術成為一種理想的解決方案。PLC技術具有可編程性、可靠性和高效性等優點，能夠實現對空氣凈化設備的精確控制和監測，提高系統的穩定性和可靠性。

二、相關技術綜述

（一）醫院空氣凈化技術概述

醫院空氣凈化技術主要包括空氣過濾、空氣消毒和空氣負壓控制。其中，空氣過濾是最基礎的環節，通過對空氣中的顆粒物進行過濾，可以有效去除塵埃、花粉、細菌等污染物，提供潔凈的空氣環境。空氣消毒則是通過殺滅空氣中的細菌、病毒等微生物，減少交叉感染的風險[1]。而空氣負壓控制則是為了防止空氣中的污染物擴散到其他區域，通過減小壓差，使空氣流動方向從無污染區域向污染區域。

（二）PLC技術概述

PLC是一種專門用于工業自動化控制的電子設備。它具有高度可編程性和可靠性，廣泛應用于各種工業領域，包括醫療行業中的空氣凈化系統[2]。PLC的核心是其控制器，它由處理器、存儲器、輸入/輸出模塊和通信模塊組成。處理器是PLC的大腦，負責執行用戶編寫的程序。存儲器用于存儲程序和數據。輸入/輸出模塊用于與外部設備進行數據交換，如傳感器和執行器。通信模塊則實現PLC與其他設備的數據傳輸。PLC 編程語言一般以梯形圖和功能塊圖等邏輯圖形為基礎。這些編程語言易于理解和使用，使得工程師能夠快速開發和調試控制程序。

三、設計背景

由于空氣中的細菌和病毒大多附著在灰塵上，因此空氣凈化系統可以通過減少空氣中灰塵顆粒的數量來降低感染率，為臨床醫療環境提供符合國家相關標準的潔凈空氣，是醫院安全運行必不可少的重要設施[3]。為此，本文研究的空氣凈化系統采用PLC和變頻器控制，智能調節各風量閥的大小、開閉和風機轉速，使風機以最佳性能運行，減少多余風量的損失，符合醫療保健空氣凈化標準。該系統還放棄了以往對加熱電阻的依賴，轉而采用板式傳熱，從而大大降低了能耗。

四、系統設計

（一）PLC控制系統設計

1.硬件選型與配置

（1）PLC主控模塊。根據PLC主要控制模塊的功能，PLC組件的類型可分為4類。在這 4 種類型中，最重要的組件主要有：中央處理器、存儲器、輸入/輸出系統和其他可擴展系統[4]。存儲器是PLC的數據存儲區，用于存儲邏輯運算數據、仿真模塊運行數據、監控模塊運行數據、故障診斷模塊數據以及編程器等外部設備產生的運行數據。

（2）變頻器模塊。變頻器由顯示單元、制動單元、控制單元、驅動單元、通信單元和檢測單元等多個組件組成，具有很強的安全保護作用，隨著工業自動化水平的提高，其作用也會越來越大。

（3）溫度傳感模塊。在PLC的自動控制中，溫度傳感器是最重要的控制參數，也是最重要的控制輸入。其中，溫度檢測模塊主要是對循環水的入口和出口的溫差進行檢測。

2.軟件開發

（1） PLC程序設計 。本文介紹了醫療空氣凈化系統和節能的軟件設計思路，即通過電壓信號控制速度控制、轉速控制和變頻調速。系統的輸出電壓由 PD 控制算法控制[5]。2 個子程序 SBR0 和 SBRH 分別是 1 號和 2 號變頻器的電壓控制參數，OBI 通過子程序 SBR0 和 SBR-1 傳輸 PD 控制參數，中斷交易程序 INT0 接收間隔為 10 毫秒的時間中斷。兩個逆變器由 INT0 獨立控制。PLC 程序被分為多個子程序，按照各自的要求編寫，然后主程序調用每個子程序。空調控制系統自動控制過程的工作流程圖如圖1所示。

（2）觸摸屏畫面設計。觸摸屏采用的組態軟件主要有主畫面、系統設置、PD參數設置、運行模式選擇、溫度顯示、故障報警及復位等界面等。通過PLC的人機界面，用戶可以直觀地了解系統的工作狀態和參數設置。在醫院空氣凈化節能系統中，界面設計可以包括實時溫度、濕度顯示，設定溫度、濕度調節等功能。通過合理的界面設計，可以提高系統的操作便捷性和用戶體驗。

（二）空氣凈化設備集成設計

選擇適合醫院空氣凈化需求的設備。首先，根據醫院的特殊環境和需求，可以選擇高效的空氣過濾器、空氣消毒器等設備。這些設備可以有效去除空氣中的細菌、病毒、有害氣體等污染物，提供清潔的空氣環境[6]。其次，需要將這些設備與PLC控制系統進行連接。通過PLC控制系統，可以對空氣凈化設備進行精確地控制和監測。例如，通過PLC控制系統，可以設置空氣凈化設備的運行時間、風速、溫度等參數，以實現最佳的空氣凈化效果。

（三）節能策略設計

通過優化空氣凈化設備的工作模式來實現節能。通過PLC控制系統，可以通過設定過濾器的工作時間，根據空氣質量的變化來靈活調整過濾器的使用，以減少能耗。可以利用PLC控制系統來實現智能控制，進一步提高節能效果。通過安裝傳感器，可以實時監測醫院內的空氣質量、人員流量等參數。PLC控制系統可以根據這些數據來自動調整空氣凈化設備的工作模式，以滿足實際需求。例如，在人員流量較少的時候，可以減少空氣凈化設備的運行時間，以節省能源。此外，還可以通過優化空氣凈化設備的布局和通風系統設計來提高節能效果。合理布置設備，避免設備之間的相互干擾，減少能耗。同時，合理設計通風系統，優化空氣流動路徑，減少能耗和壓力損失。

五、系統實現與測試

（一）PLC控制系統調試

為確保系統安全穩定運行，在系統正式調試前，需要對系統進行全面調試。

1.根據設計圖紙，連接各個硬件組件，確保所有線路連接良好；

2.接通電源后，依次操作各個輸入鍵，檢查相應的 PLC 輸入點是否處于工作狀態，然后利用編程軟件強制設置 PLC 內部輸出點，并現場檢查相應的硬件設備是否處于工作狀態；

3.檢查和調試 PLC 程序和上位機程序，通過仿真驗證程序運行邏輯是否正確；

4.測試系統鎖定機構和安全鎖定機構，根據程序強行設置，模擬系統正常工作狀態；

5.在上位機狀態監控畫面上，手動控制并檢查現場各設備的工作狀態，發現工作狀態正常后，再選擇自動工作狀態，仔細檢查整個設備的工作狀態；

6.在本系統實際運行過程中，使用檢測儀對各關鍵參數進行測量，并按照國家潔凈空氣標準對運行參數進行調整；

7.測試完成，開始工作。

（二）傳感器及執行器的連接與測試

針對空氣凈化系統的傳感器，選擇了溫度傳感器和濕度傳感器。這些傳感器的連接通常通過模擬輸入模塊來實現。將傳感器的輸出信號連接到PLC的模擬輸入端口上。在連接過程中，需要注意傳感器的電源和接地的連接，確保傳感器能夠正常工作并提供準確的測量值。在連接完成后，需要對傳感器進行測試，以確保其功能正常。

（三）醫用空氣凈化設備的安裝與測試

1.硬件安裝和網絡連接

風速檢測采用的是模擬量的風速傳感器，以實際控制點數和系統設備的控制要求為依據，具體 I/O硬件配置及原理圖如圖2、圖3所示[7]。

2.控制系統的組態和關鍵控制程序的實現

本文介紹了一種基于 PLC編程的空調機組運行過程，并對空調機組的運行過程進行了詳細分析。一拖多個單元是經常使用的和需要重點改進的單元，下面就一拖二型單元的典型操作做一個介紹。啟動后，在使用1個純化室時，設置M0.3。在采用2個凈化間的時候，設置M0.4，按照凈化間的使用情況，對風機的運行頻率進行自動調整，并對閥門的開度進行調整，使之符合規范的要求，從而達到節能部的降低能耗的目的，其中的部分流程如圖4。

在測試過程中，還使用了傳感器來監測設備的運行狀態和環境參數。通過連接傳感器到PLC控制系統，能夠實時監測設備的工作狀態和效果，并根據實際情況進行調整和優化。這種實時監測和控制的方式可以提高設備的運行效率和節能效果。

（四）醫用空氣凈化節能系統改造前后對比

根據一拖二機組對比分析，假設每天開機時間為10小時，每度電成本為1元。風機調整前，風機功率為7.5千瓦，實際運行功率為 7.5千瓦，每天成本約為75元。調整后，風機功率為55千瓦，一拖二機組風機運行功率為3.85千瓦，一拖三機組風機運行功率為4.62千瓦。按一個沖程30%的運行時間分攤計算，每天的費用約為44元，每天可節省約31元。供熱改造前，機組輸入功率為66千瓦，每天運行費用約為264元。在此基礎上進行改進，平板換熱功率可達15千瓦，每天消耗約為150元，每天可節省約114元。如果以北方5個月的供暖周期來看，每臺供暖設備每年可節約電費28415元，如果以后再提高，還可以節約大量電費。同時，改造后的系統在空氣質量監測和能耗控制方面表現出更好的效果。與改造前相比，改造后的系統能夠根據實際需求進行智能調節，減少了能源的浪費，提高了系統的效率[8]。同時，通過遠程監控和控制，也提高了系統的管理和維護效率。

六、結語

綜上所述，基于PLC的醫院空氣凈化節能系統的設計與研究為醫院提供了一種可靠的空氣凈化解決方案。通過智能化控制和節能優化，系統能夠有效提高空氣凈化設備的運行效率，減少能源消耗，為醫院節約成本，保障患者健康提供了可靠的保障。然而，本研究仍存在一些局限性，如系統的可擴展性和適應性有待進一步提高。未來的研究可以著重于進一步優化系統的控制策略和節能效果，以及提高系統的可靠性和穩定性。

參考文獻

[1]王佳龍.關于建筑暖通空調系統節能設計策略的分析思考[J].中國住宅設施，2023，（04）：88-90.

[2]李思琴.醫院建筑空調通風系統節能設計分析[J].江西建材，2023（03）：242-243+248.

[3]王業乾.綠色理念在建筑暖通空調系統節能設計中的應用[J].房地產世界，2022（17）：47-49.

[4]陳怡塘.PLC和變頻器在中央空調節能改造中的應用探析[J].中國新技術新產品，2022（10）：69-71.

[5]李欣航.節能減排理念在建筑暖通空調設計中的應用前景分析[J].居業，2022（02）：142-144.

[6]王曉彬.西門子PLC軟件在中央空調節能設計中的應用[J].電子技術與軟件工程，2019（03）：48.

[7]呂慶昌.中央空調節能改造探討[J].山東工業技術，2014（19）：98+105.

[8]周靖靖.基于PLC的中央空調模糊PID監控系統的研究[D].西安：西安工程大學，2012.

作者單位：高安市人民醫院總務科

■ 責任編輯：尚丹