基于PLC的醫(yī)院空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)院空氣凈化系統(tǒng)能耗大的問(wèn)題，結(jié)合變頻技術(shù)提出基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)和觸摸屏的節(jié)能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了由PLC、變頻器、溫度傳感器等器件構(gòu)成的溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)速，達(dá)到了節(jié)能目的。相信基于PLC的醫(yī)院空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)將在未來(lái)的醫(yī)療環(huán)境中發(fā)揮重要作用，為醫(yī)院的空氣凈化工作提供更加可靠和高效的解決方案。

關(guān)鍵詞：醫(yī)院；空氣凈化；PLC

一、前言

醫(yī)院作為一個(gè)重要的公共場(chǎng)所，需要提供干凈、健康的空氣環(huán)境以保障患者和醫(yī)護(hù)人員的健康與安全。然而，傳統(tǒng)的醫(yī)院空氣凈化系統(tǒng)存在一些問(wèn)題，例如能耗較高、操作復(fù)雜、維護(hù)困難等。為了解決這些問(wèn)題，PLC技術(shù)成為一種理想的解決方案。PLC技術(shù)具有可編程性、可靠性和高效性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣凈化設(shè)備的精確控制和監(jiān)測(cè)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、相關(guān)技術(shù)綜述

（一）醫(yī)院空氣凈化技術(shù)概述

醫(yī)院空氣凈化技術(shù)主要包括空氣過(guò)濾、空氣消毒和空氣負(fù)壓控制。其中，空氣過(guò)濾是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)空氣中的顆粒物進(jìn)行過(guò)濾，可以有效去除塵埃、花粉、細(xì)菌等污染物，提供潔凈的空氣環(huán)境。空氣消毒則是通過(guò)殺滅空氣中的細(xì)菌、病毒等微生物，減少交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)[1]。而空氣負(fù)壓控制則是為了防止空氣中的污染物擴(kuò)散到其他區(qū)域，通過(guò)減小壓差，使空氣流動(dòng)方向從無(wú)污染區(qū)域向污染區(qū)域。

（二）PLC技術(shù)概述

PLC是一種專門用于工業(yè)自動(dòng)化控制的電子設(shè)備。它具有高度可編程性和可靠性，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，包括醫(yī)療行業(yè)中的空氣凈化系統(tǒng)[2]。PLC的核心是其控制器，它由處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出模塊和通信模塊組成。處理器是PLC的大腦，負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶編寫(xiě)的程序。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出模塊用于與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如傳感器和執(zhí)行器。通信模塊則實(shí)現(xiàn)PLC與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。PLC 編程語(yǔ)言一般以梯形圖和功能塊圖等邏輯圖形為基礎(chǔ)。這些編程語(yǔ)言易于理解和使用，使得工程師能夠快速開(kāi)發(fā)和調(diào)試控制程序。

三、設(shè)計(jì)背景

由于空氣中的細(xì)菌和病毒大多附著在灰塵上，因此空氣凈化系統(tǒng)可以通過(guò)減少空氣中灰塵顆粒的數(shù)量來(lái)降低感染率，為臨床醫(yī)療環(huán)境提供符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的潔凈空氣，是醫(yī)院安全運(yùn)行必不可少的重要設(shè)施[3]。為此，本文研究的空氣凈化系統(tǒng)采用PLC和變頻器控制，智能調(diào)節(jié)各風(fēng)量閥的大小、開(kāi)閉和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)以最佳性能運(yùn)行，減少多余風(fēng)量的損失，符合醫(yī)療保健空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)還放棄了以往對(duì)加熱電阻的依賴，轉(zhuǎn)而采用板式傳熱，從而大大降低了能耗。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.硬件選型與配置

（1）PLC主控模塊。根據(jù)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(chǔ)器、輸入/輸出系統(tǒng)和其他可擴(kuò)展系統(tǒng)[4]。存儲(chǔ)器是PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算數(shù)據(jù)、仿真模塊運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)控模塊運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障診斷模塊數(shù)據(jù)以及編程器等外部設(shè)備產(chǎn)生的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

（2）變頻器模塊。變頻器由顯示單元、制動(dòng)單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、通信單元和檢測(cè)單元等多個(gè)組件組成，具有很強(qiáng)的安全保護(hù)作用，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，其作用也會(huì)越來(lái)越大。

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

2.軟件開(kāi)發(fā)

（1） PLC程序設(shè)計(jì) 。本文介紹了醫(yī)療空氣凈化系統(tǒng)和節(jié)能的軟件設(shè)計(jì)思路，即通過(guò)電壓信號(hào)控制速度控制、轉(zhuǎn)速控制和變頻調(diào)速。系統(tǒng)的輸出電壓由 PD 控制算法控制[5]。2 個(gè)子程序 SBR0 和 SBRH 分別是 1 號(hào)和 2 號(hào)變頻器的電壓控制參數(shù)，OBI 通過(guò)子程序 SBR0 和 SBR-1 傳輸 PD 控制參數(shù)，中斷交易程序 INT0 接收間隔為 10 毫秒的時(shí)間中斷。兩個(gè)逆變器由 INT0 獨(dú)立控制。PLC 程序被分為多個(gè)子程序，按照各自的要求編寫(xiě)，然后主程序調(diào)用每個(gè)子程序。空調(diào)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制過(guò)程的工作流程圖如圖1所示。

（2）觸摸屏畫(huà)面設(shè)計(jì)。觸摸屏采用的組態(tài)軟件主要有主畫(huà)面、系統(tǒng)設(shè)置、PD參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行模式選擇、溫度顯示、故障報(bào)警及復(fù)位等界面等。通過(guò)PLC的人機(jī)界面，用戶可以直觀地了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置。在醫(yī)院空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)中，界面設(shè)計(jì)可以包括實(shí)時(shí)溫度、濕度顯示，設(shè)定溫度、濕度調(diào)節(jié)等功能。通過(guò)合理的界面設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的操作便捷性和用戶體驗(yàn)。

（二）空氣凈化設(shè)備集成設(shè)計(jì)

選擇適合醫(yī)院空氣凈化需求的設(shè)備。首先，根據(jù)醫(yī)院的特殊環(huán)境和需求，可以選擇高效的空氣過(guò)濾器、空氣消毒器等設(shè)備。這些設(shè)備可以有效去除空氣中的細(xì)菌、病毒、有害氣體等污染物，提供清潔的空氣環(huán)境[6]。其次，需要將這些設(shè)備與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行連接。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，可以對(duì)空氣凈化設(shè)備進(jìn)行精確地控制和監(jiān)測(cè)。例如，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，可以設(shè)置空氣凈化設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、風(fēng)速、溫度等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的空氣凈化效果。

（三）節(jié)能策略設(shè)計(jì)

通過(guò)優(yōu)化空氣凈化設(shè)備的工作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)，可以通過(guò)設(shè)定過(guò)濾器的工作時(shí)間，根據(jù)空氣質(zhì)量的變化來(lái)靈活調(diào)整過(guò)濾器的使用，以減少能耗?？梢岳肞LC控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制，進(jìn)一步提高節(jié)能效果。通過(guò)安裝傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)醫(yī)院內(nèi)的空氣質(zhì)量、人員流量等參數(shù)。PLC控制系統(tǒng)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)自動(dòng)調(diào)整空氣凈化設(shè)備的工作模式，以滿足實(shí)際需求。例如，在人員流量較少的時(shí)候，可以減少空氣凈化設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，以節(jié)省能源。此外，還可以通過(guò)優(yōu)化空氣凈化設(shè)備的布局和通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)提高節(jié)能效果。合理布置設(shè)備，避免設(shè)備之間的相互干擾，減少能耗。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)化空氣流動(dòng)路徑，減少能耗和壓力損失。

五、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

（一）PLC控制系統(tǒng)調(diào)試

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在系統(tǒng)正式調(diào)試前，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面調(diào)試。

1.根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，連接各個(gè)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(gè)輸入鍵，檢查相應(yīng)的 PLC 輸入點(diǎn)是否處于工作狀態(tài)，然后利用編程軟件強(qiáng)制設(shè)置 PLC 內(nèi)部輸出點(diǎn)，并現(xiàn)場(chǎng)檢查相應(yīng)的硬件設(shè)備是否處于工作狀態(tài)；

3.檢查和調(diào)試 PLC 程序和上位機(jī)程序，通過(guò)仿真驗(yàn)證程序運(yùn)行邏輯是否正確；

4.測(cè)試系統(tǒng)鎖定機(jī)構(gòu)和安全鎖定機(jī)構(gòu)，根據(jù)程序強(qiáng)行設(shè)置，模擬系統(tǒng)正常工作狀態(tài)；

5.在上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)控畫(huà)面上，手動(dòng)控制并檢查現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)工作狀態(tài)正常后，再選擇自動(dòng)工作狀態(tài)，仔細(xì)檢查整個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)；

6.在本系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，使用檢測(cè)儀對(duì)各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并按照國(guó)家潔凈空氣標(biāo)準(zhǔn)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

7.測(cè)試完成，開(kāi)始工作。

（二）傳感器及執(zhí)行器的連接與測(cè)試

針對(duì)空氣凈化系統(tǒng)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(guò)模擬輸入模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。將傳感器的輸出信號(hào)連接到PLC的模擬輸入端口上。在連接過(guò)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(zhǔn)確的測(cè)量值。在連接完成后，需要對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，以確保其功能正常。

（三）醫(yī)用空氣凈化設(shè)備的安裝與測(cè)試

1.硬件安裝和網(wǎng)絡(luò)連接

風(fēng)速檢測(cè)采用的是模擬量的風(fēng)速傳感器，以實(shí)際控制點(diǎn)數(shù)和系統(tǒng)設(shè)備的控制要求為依據(jù)，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(tǒng)的組態(tài)和關(guān)鍵控制程序的實(shí)現(xiàn)

本文介紹了一種基于 PLC編程的空調(diào)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程，并對(duì)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。一拖多個(gè)單元是經(jīng)常使用的和需要重點(diǎn)改進(jìn)的單元，下面就一拖二型單元的典型操作做一個(gè)介紹。啟動(dòng)后，在使用1個(gè)純化室時(shí)，設(shè)置M0.3。在采用2個(gè)凈化間的時(shí)候，設(shè)置M0.4，按照凈化間的使用情況，對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，并對(duì)閥門的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整，使之符合規(guī)范的要求，從而達(dá)到節(jié)能部的降低能耗的目的，其中的部分流程如圖4。

在測(cè)試過(guò)程中，還使用了傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。通過(guò)連接傳感器到PLC控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)和效果，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的方式可以提高設(shè)備的運(yùn)行效率和節(jié)能效果。

（四）醫(yī)用空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)改造前后對(duì)比

根據(jù)一拖二機(jī)組對(duì)比分析，假設(shè)每天開(kāi)機(jī)時(shí)間為10小時(shí)，每度電成本為1元。風(fēng)機(jī)調(diào)整前，風(fēng)機(jī)功率為7.5千瓦，實(shí)際運(yùn)行功率為 7.5千瓦，每天成本約為75元。調(diào)整后，風(fēng)機(jī)功率為55千瓦，一拖二機(jī)組風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率為3.85千瓦，一拖三機(jī)組風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率為4.62千瓦。按一個(gè)沖程30%的運(yùn)行時(shí)間分?jǐn)傆?jì)算，每天的費(fèi)用約為44元，每天可節(jié)省約31元。供熱改造前，機(jī)組輸入功率為66千瓦，每天運(yùn)行費(fèi)用約為264元。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，平板換熱功率可達(dá)15千瓦，每天消耗約為150元，每天可節(jié)省約114元。如果以北方5個(gè)月的供暖周期來(lái)看，每臺(tái)供暖設(shè)備每年可節(jié)約電費(fèi)28415元，如果以后再提高，還可以節(jié)約大量電費(fèi)。同時(shí)，改造后的系統(tǒng)在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和能耗控制方面表現(xiàn)出更好的效果。與改造前相比，改造后的系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，減少了能源的浪費(fèi)，提高了系統(tǒng)的效率[8]。同時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，也提高了系統(tǒng)的管理和維護(hù)效率。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于PLC的醫(yī)院空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究為醫(yī)院提供了一種可靠的空氣凈化解決方案。通過(guò)智能化控制和節(jié)能優(yōu)化，系統(tǒng)能夠有效提高空氣凈化設(shè)備的運(yùn)行效率，減少能源消耗，為醫(yī)院節(jié)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(tǒng)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性有待進(jìn)一步提高。未來(lái)的研究可以著重于進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略和節(jié)能效果，以及提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

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作者單位：高安市人民醫(yī)院總務(wù)科

■ 責(zé)任編輯：尚丹