中国疾病预防控制中心生物安全实验室控制系统 - 安防知识网

实验室是用于完成各种实验工作的特殊环境，无论实验室用于学校的科研教学、制药行业的研发，还是用于医学研究，其运转必须可靠。实验室对于气体、温湿度等数据非常敏感，这也就对楼内设备控制系统提出了更高的要求。本文将以中国疾病预防控制中心为例重点讲述如何建设实验室控制系统。

【安防知识网】中国疾病预防控制中心是由政府举办的实施国家级疾病预防控制与公共卫生技术管理和服务的公益事业单位。新址位于北京市昌平区，一期工程占地面积 17857 平方米，建筑面积76847.54 平方米。建筑群包括综合业务楼、传染病所科研楼、病毒病所科研楼、性艾中心科研楼、动物实验楼、污水处理站、制冷机房、公寓、后勤配套楼等设施。

　　为满足疾控中心在疾病预防控制方面的功能需求，在传染病所科研楼、病毒病所科研楼、性艾中心科研楼、动物实验楼设计了大量的P2、P3级别实验室，对实验室通风及温湿度、压力梯度的控制是建筑设备控制系统的主要内容。

　　实验室使用功能及监控管理系统架构

　　实验室是用于完成各种实验工作的特殊环境，无论实验室用于学校的科研教学、制药行业的研发，还是用于医学研究，其运转必须可靠。对于生物安全实验室而言，实验室的气流控制系统对于实验人员的安全以及大气环境都是至关重要的，它必须确保被实验过程污染的有害气体通过安全柜排放。为了避免有毒、有害气体泄漏到外部环境，必须使实验室内的气压相对于其他房间的气压保持一定的负压，以保证有害气体不向外泄漏造成环境的污染和损害。而要满足这些特殊工艺的要求，除了对通风空调系统的运行参数如温度、湿度、压力梯度、洁净度等有要求以外，还要求具备定时、逻辑控制功能，以满足实验室使用过程转换、人员进出状态下，实验室环境能够始终满足使用要求。

　　根据中国疾病预防控制中心一期的实验室功能特点以及为适应用户的管理需要，中国疾病预防控制中心一期工程机电设备控制系统由五个分系统构成。采用集散式控制系统架构，中央站位于综合业务楼监控中心，在综合业务楼、传染病所科研楼、病毒病所科研楼、性艾中心科研楼和动物实验楼设有分控中心。主控中心配置管理服务器一台，各分控中心通过园区局域网与中央站之间连接构成完整的机电设备控制系统。各个实验室在控制系统的控制下独立运行，自动完成相关控制功能的同时通过系统总线置于建筑物分控中心的管理，使系统管理人员可对实验室运行状况进行有效的监控管理。

　　生物安全实验室通风流程

　　中国疾病预防控制中心生物安全实验室根据研究方向不同分为多个实验单元，根据实验性质、危险级别不同，在每个单元内又包括多个3-5个不同类型的实验室，相应的通风系统设置大致可以分为以下两种。

　　· 实验室排风系统：它为整个实验单元提供排风，排风机为变频风机，在总管道设有风道压力传感器，排风机的总管道及各实验室的支管处均设有电动密闭阀(ED)和变风量阀(AVD)。排风总管设置高效过滤及灭菌装置，保证排风无害化;

　　· B2型生物安全柜(BSC)排风系统：它为生物安全柜提供排风，排风机为双速风机，分为高速和低速运转两种状态，在排风机的总管道设有电动密闭阀(ED)。

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　　根据系统使用需求，送风系统分为三类。

　　第一类，使用内循环的A2级生物安全柜，空调系统允许有回风。采用上送下回的送风方式。空调通风系统满足室内温湿度要求和房间负压要求。当实验人员要进入实验室工作前，先将电动风阀ED打开，开始房间排风，然后再启动空调机组的送风机。停机的次序则相反，先关闭送风机，再关闭ED。

　　第二类，设有需要外排30%风量的A2级生物安全柜，但允许空调系统设回风。对应A2生物安全柜，设置排风机。当实验人员要进入病源污染实验室工作前，应先将生物安全柜对应的排风机启动，再打开电动风阀ED，开始房间排风，最后启动空调机组的送风机。当要使用生物安全柜时，打开生物安全柜即可。当结束实验工作，要离开实验室时，关机顺序为，关闭空调机组，再关闭电动风阀ED，最后关闭排风机。

　　第三类，实验室安装有B2型级生物安全柜，空调系统不允许有回风，送风采用全新风式的新风机组。新风机组为双速风机，分为高速和低速运转两种状态，其送风口处安装有电动两态阀，分为高态和低态两种状态，配合安全柜高低速切换时送风量。当实验人员要进入实验室工作前，先将生物安全柜对应的排风机启动(低速状态)，再打开电动风阀ED，最后启动新风机组的送风机(低速状态)。当要使用生物安全柜时，先将排风机由低速转为高速状态，再打开生物安全柜，然后将新风机组的送风机由低速状态转为高速状态。停止使用生物安全柜时的动作次序则相反，先将新风机组的送风机由高速状态转为低速状态，再关闭生物安全柜，最后将排风机由高速转为低速状态。当结束实验工作，要离开实验室时，关机顺序为，关闭新风机组，再关闭电动风阀，最后关闭排风机。

　　系统控制策略

　　实验室的通风系统设置了控制阀门，允许单元内的每个实验室单独启停。为了使实验人员操控方便，在每个实验室进口处安装有通风系统开关，在每个实验室安装房间压力传感器，房间温湿度传感器，来监测及控制实验室的通风系统的各参数，如温度、湿度、压力等。系统控制策略包括时序(逻辑)控制及环境参数控制两个主要部分。

　　1.实验室启动程序。实验室有远程和就地两种控制方式，远程控制方式由机电设备控制系统分站或中央监控系统主站操作界面设置“启动/停止”置位开关，就地控制方式在实验室进口处的通风系统开关设“启动/停止”置位开关。

　　开机时序为：远程或就地打开单元内任一实验室空调系统的开关→排风总管道上ED开启→实验单元变频排风机开启→该房间排风管道上ED和变风量阀开启→BSC排风管道上ED开启→该实验室的BSC排风机(低速)开启→该房间电动两态阀(低态)开启→该房间送风机(低速)开启，此时该实验室已可进入使用。停机时序反向。

　　2. 使用BSC时系统开启程序。开机时序为：BSC启动→双速送风机低速转高速→该房间电动两态阀(高态)开启→该房间送风机(高速)开启，BSC可使用(系统设置连锁控制程序，保证B2型生物安全柜开启状态下远程及就地控制的任何操作均不能关闭送排风系统)。停机时序反向。

　　3.室内环境参数的控制可以从压力调节和温湿度调节两方面来看。

　　(1)压力调节。实验室的压力稳定对于系统安全运行至关重要，因单元内实验室共用变频排风机，投入使用的实验室数量直接影响到总管道的压差变化。各实验室与实验单元走廊、实验单元走廊与非试验区之间维持-10pa的压差梯度,保证实验室通风气流单向流动。通过PID调节控制排风机频率排风总管压差达到设定值(此设定值根据系统情况确定，一般为百级);通过PID调节控制实验室送风机频率使实验室内压差达到设定值。

　　(2)温湿度调节。实验室按全年恒温恒湿设计，DDC控制器按照实验室房间的温湿度传感器实际值与给定值比较的偏差，通过PID调节冷、热水阀与加湿阀的开度，使实验室的温湿度达到设定值的要求。[nextpage]

　　系统设计及实施要点

　　一个实验单元包含了比较多的相互关联的设备，只有各个环节都能够良好匹配，才能使系统稳定可靠地运行，系统设计及实施要点主要包括如下几个方面：

　　· 暖通设计要精确计算系统风量负荷，并留有充分的余量为系统调试创造条件;

　　· 压差传感器产品选型时应选择合适的测量范围，系统正常工作时传感器信号使出应在精度比较高的范围内工作;

　　· 精确调节PID参数，使系统在工作状态切换、开关门时能够迅速达到稳定状态，系统调试结果表明，DDC控制器的PID回路能够获得满意的动态响应;

　　· 反复测试实验室的各种工作状态，杜绝扰动状态下任何形式的压差反向;

　　· 单个模拟控制回路应在同一个DDC控制器内实现，避免主要控制参数通过网络变量传递;

　　· 系统应能够通过主要传感器及执行机构的运行情况对系统可能的故障发出预警，同时通过程序控制实现强制安全操作，避免生物安全事故;

　　· 对于时序控制程序，应通过测试为设备联锁设置合适的延时;

　　· 了解用户使用要求，结合系统特点制定实验室操作规程。

　　结语

　　生物安全实验室空调及通风控制系统有别于普通的净化空调系统，其工艺过程比较复杂，对系统稳定性要求很高，尤其是在进行高危病毒实验时，如果控制系统或其被控对象出现问题，后果将十分严重。因此，类似项目的规划设计与实施应一切服从安全第一的原则，确保投入使用的系统能够安全、稳定运行。(本文作者现任职于铭基电子技术(北京)有限公司)

　　注：本文通风流程部分参考中国建筑科学研究院设计图纸