實驗室壓力梯度控制方法探討

文/朱翔，華一中

西門子（中國）有限公司上海分公司

圖1 實驗室壓力控制應用的典型場景及組成部分

實驗室根據(jù)空氣品質(zhì)要求的不同，需要在區(qū)域間維持一定的壓差。除此之外，各個區(qū)域內(nèi)可能會存在產(chǎn)生有害氣體的單元，如藥品柜、試驗用通風柜、排氣罩等，需要根據(jù)設計要求排出一定的風量。在此基礎上，還需要考慮滿足房間最小換氣次數(shù)。在多個區(qū)域作為一個整體協(xié)同控制過程中，如果單純在區(qū)域間安裝壓差傳感器檢測壓差，通過PID來調(diào)節(jié)房間壓差，那么在發(fā)生擾動時，難免牽一發(fā)而動全身，造成多個實驗室同時調(diào)節(jié)，往往需要經(jīng)過一定的時間才能調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)。在調(diào)節(jié)過程中，可能會影響實驗室的空氣品質(zhì)，乃至危害實驗室內(nèi)人員的安全。

針對以上情況，我們需要解決兩個問題：第一，實驗室壓力梯度在系統(tǒng)協(xié)同調(diào)解過程中需要相對獨立，不能因為一個區(qū)域受到擾動，就要對所有區(qū)域的通風量作出調(diào)整；第二，在實驗室壓差受到擾動時，如何迅速且精確地調(diào)整各個執(zhí)行器，使房間壓力維持恒定。

1 采用建立標準參考系的方法使壓力梯度控制相對獨立

為避免各個實驗室在其中一個區(qū)域受到擾動，需要同時調(diào)節(jié)每一個相關實驗室才能保證壓力梯度相對穩(wěn)定的情況，現(xiàn)在選用一個統(tǒng)一且能保持穩(wěn)定不變的參考系，如室外標準大氣壓，各實驗室的房間壓力與室外標準大氣壓做對比，避免控制復雜化，加快壓差梯度的調(diào)節(jié)時間。

圖2 生物醫(yī)療行業(yè)壓力控制的典型應用場景

具體來說，可以做一個旁通管與外界大氣連通，每個實驗室的壓差傳感器測量旁通管與所在房間的壓差。每個區(qū)域與外界大氣有一個固定的壓差數(shù)值，只要區(qū)域與大氣的壓差保持在設定的數(shù)值，即可保證區(qū)域間壓差梯度滿足要求。

2 預設完備的擾動模型，可根據(jù)擾動迅速作出調(diào)節(jié)

實驗室送排風量受以下參數(shù)限制：①換氣次數(shù)（一個小時區(qū)域的送風量是該區(qū)域容積的倍率即為該區(qū)域的換氣次數(shù)，根據(jù)實驗室用途，有不同的換氣次數(shù)要求范圍）；②通風柜排風量（通風柜一般要求面風速在0.3～0.5m/s范圍以內(nèi)，操作人員可根據(jù)使用需求來調(diào)節(jié)通風面的大小，通風柜排風出的風閥做快速調(diào)節(jié)來滿足排風需求）；③藥品柜、排氣罩的排風量（排風量一般是固定的數(shù)值）；④門開關造成的擾動（一般情況下，開門造成的房間風量泄露時間短，且有緩沖間做緩沖，相比于房間體積，門泄露風量占比很小。因此該部分只采用PID調(diào)節(jié)即可）。

以帶通風柜的實驗室為例。實驗時，實驗室內(nèi)通風柜柜門開度會根據(jù)實驗需要發(fā)生變化，為保證通風柜面風速要求，需要通過調(diào)節(jié)排風風閥迅速對通風柜通風量作調(diào)整。區(qū)域內(nèi)通風柜的排風量發(fā)生變化，為保證壓力梯度，整個房間通風量也隨之發(fā)生變化。以上控制需要有較為精確的對照表，如通風柜開門時，通過測量計算通風柜門開啟的面積、通風柜柜面風速的國標要求、通風柜縫隙滲漏風量等要素，可通過排風閥開度與柜門面積的對應關系迅速做出調(diào)整，基本滿足通風柜排風量要求，再根據(jù)整體房間內(nèi)送排風量與壓力梯度的對應關系迅速對房間內(nèi)其他風量做出調(diào)整，可基本解決通風柜開關柜門產(chǎn)生的擾動。在此基礎上，再通過PID調(diào)節(jié)，將開環(huán)調(diào)節(jié)的部分誤差修正，最后滿足控制需求（風閥執(zhí)行器調(diào)節(jié)速度需足夠快，目前西門子快速風閥執(zhí)行器全行程只需2s，可滿足控制需求）。

式中：Q1為區(qū)域送風量，n為換氣次數(shù)，V為區(qū)域容積，Qd1為區(qū)域送風擾動；

Q2為區(qū)域排風量，Qc為定排風裝置排風量，Qv為變排風裝置排風量，Qd2為區(qū)域排風擾動；

k1為送風量與區(qū)域壓力的相關因數(shù)，k2為排風量與區(qū)域壓力的相關因數(shù)。

根據(jù)Matlab擬合曲線，送排風量與壓力呈線性關系。

在標準的大氣參考系建立的前提下，只需要對單一實驗室內(nèi)的以上要素做模型，進行協(xié)同控制即可。模型可做粗調(diào)，再通過PID做精調(diào)。

圖3 化學實驗室壓力控制的典型應用場景

3 結論

采用室外標準大氣壓作為壓差的標準參考系，在滿足壓力梯度的前提下，發(fā)生擾動時，可以使實驗室間控制相對獨立。只需要解決發(fā)生擾動的區(qū)域送排風量的修正符合控制要求即可，其他未受到擾動的區(qū)域保持原有運行規(guī)則。

預設完備的擾動模型，即將所有影響實驗室送排風設備的限定值作為第一優(yōu)先級，標定出實驗室送排風量的范圍。在此基礎上，再根據(jù)預設的擾動因素模型，在發(fā)生擾動時迅速作出相應的調(diào)整，使擾動發(fā)生前后，實驗室區(qū)域之間的壓差變化值控制在一定范圍內(nèi)，不至于發(fā)生高級別實驗室被低級別實驗室產(chǎn)生氣體滲漏，造成高級別區(qū)域被污染。在擾動基本穩(wěn)定以后，再通過PID調(diào)節(jié)，將可能存在的微小偏差值修正。

以上兩種方法，先簡化了實驗室間協(xié)同控制的復雜關聯(lián)，而后再通過對單個區(qū)域獨立做參數(shù)和擾動因素模型，能在短時間內(nèi)迅速作出應對擾動的送排風量調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對實驗室壓力梯度的迅速精確調(diào)節(jié)，防止實驗室因長時間調(diào)節(jié)不穩(wěn)定而導致被污染。

西門子根據(jù)實驗室壓力梯度的復雜控制需求，研發(fā)出專門的實驗室控制器并預制了多個針對擾動因素、氣體滲漏的程序功能塊。參照AIHA/ASSE Z9.5、SEFA、OSHA標準以滿足實驗室的安全需求，參照ASHRAE 110、ASHRAE 170、CEN EN 14175 Part6標準以滿足房間及房間內(nèi)通風柜的控制需求，通過簡單的程序功能塊組合，就能實現(xiàn)上述的控制需求。