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引言
負壓屏障環境動物生物安全實驗室是飼養和操作感染性實驗動物的活動場所，不僅要滿足生物安全實驗室負壓梯度和定向流要求，還要根據實驗動物的特點和要求避免動物之間及動物之間交叉感染，并且要符合屏障環境空氣潔凈度的要求，確保實驗操作人員和周邊環境安全。本文以某動物中心負壓屏障環境動物生物安全實驗室為例，根據該實驗室特點和工藝要求分析，運用控制系統負反饋控制原理搭建實驗室壓差控制系統并通過組態軟件和DDC實現該實驗區凈化空調系統自動控制，滿足了實驗室生物安全和動物實驗質量要求。
1、平面布局、工藝要求分析
1.1平面布局
負壓屏障環境動物生物安全實驗區平面布局應滿足所飼養動物居住和生長環境、利于動物實驗開展，室內壓力、氣流組織應符合控制交叉感染和防止污染擴散的原理，保證節能、環保、舒適性要求，應以保護人員健康、環境安全、保證動物實驗的質量及動物福祉為目標。圖1為某動物中心負壓屏障環境動物生物安全二級實驗區平面圖，該區域飼養同一種類動物，圖1顯示了其平面工藝布局和定向流流向。
1.2工藝要求
1.2.1實驗區差壓梯度、定向流要求
該實驗區要滿足由清潔區向防護區形成一定壓差梯度和定向流，為該區域整體配備一套送排風機組，同時設置送風機和排風機，為雙風機機組，且機組設置板式熱回收裝置。由于實驗區各房間使用情況不同，送排風機均設有變頻器，滿足復雜多工況使用時風量隨時變化需求。
1.2.2房間壓力要求
各房間要求保持穩定壓力，尤其是工況切換時保證有序壓差梯度和定向流，則每個房間送排風均須設有可調風量閥，根據具體使用要求，自動調節房間壓力。
各房間送風設有定風量閥，排風均設有變風量調節閥，房間送風量保持恒定，排風變風量閥根據實驗室設定壓力要求自動調節，不同壓力相鄰房間形成高壓力向低壓力定向流動。
單個動物飼養室送排風示意圖見圖2。
為保證動物生物安全實驗室滿足節能、環保及舒適性要求，根據動物飼養間是否有人員操作，設置“高低態運行模式”實現節能要求。高態運行模式即在飼養間有人員進入操作時，換氣次數為15h-1，低態運行模式即飼養間無人員操作時，換氣次數為10h-1，以實現既滿足國標要求又節能的理念。所有動物飼養間進出門口均設置通風系統開關切換按鈕，通過送風管道上的兩態定風量閥實現房間高低態的切換，相應排風變風量閥同步進行調節以保證房間內壓力值穩定。相應地系統送風機、排風機根據送排風系統主管壓力調節相應變頻器頻率，以維持房間壓差穩定。
1.2.4籠具單獨設置排風避免氣味交叉污染
實驗區內地動物飼養室設置飼養籠具，飼養籠具采用房間內取風、單獨排風。該實驗區所有籠具單獨設置一臺排風機，飼養動物籠具排風通過其排風管上定風量閥設定籠具排風量，該區域所有籠具排風量通過一臺變頻風機排風，有效避免籠具排風通過送排風板式熱回收裝置導致氣味交叉污染。
2、控制方案
根據負壓屏障環境動物生物安全實驗室平面布局和工藝要求，運用負反饋控制系統原理和比例積分微分（PID）控制函數方程，制定了組合式PID控制方案并通過組態軟件和DDC模塊來控制交叉感染和防止污染擴散，達到保護人員健康、環境安全、保證動物實驗的質量的目的。
2.1控制方案
該系統各房間壓力要求保持穩定，尤其是工況切換過程中壓差梯度、定向流保持不變，且房間數量較多、控制復雜，通過房間送排風系統、動物籠具排風系統分別設置，最大限度減少動物之間交叉感染；同時對負壓控制房間的溫度、適度、潔凈度、壓力等參數分析，根據自動控制系統負反饋控制原理，依據總送、排風管道上壓力調節變頻器頻率，通過房間高低態運行工況控制送風兩態閥，根據房間壓差控制排風變風量閥等組合式PID調節方法進行壓差和定向流控制。
2.2控制對象及自控點數統計
系統需要控制的主要設備又新風機1臺，排風機1臺，籠具排風機及備用排風機各一臺，均為變頻控制。各房間通風系統設置送風兩態閥、排風變風量閥、送排風密閉閥，以及系統所需的所有傳感器、執行器等。經統計，該系統模擬量、數字量輸入輸出點數統計如表1所示。
表1 系統控制對象、點數統計
該系統采用分布式控制結構，由上位機和下位機及現場設備構成。系統上位機采用TACVISTTA版組態軟件開發監控界面，能夠完成遠程開關機、參數設定、報警記錄、趨勢分析等管理任務；作為該監控系統的下位機使用某品牌DDC和智能檢測傳感器及執行結構，完成實施數據采集、分析判斷、發出指令和自動控制的功能。監控系統結構如圖3所示。
硬件是監控系統的載體和重要組成部分，硬件設備的質量直接影響動物實驗能否順利進行，是監控系統成敗的關鍵，所以選擇適合屏障環境負壓動物生物安全實驗室的監控設備非常重要。
3.1中央監控系統（上位機）硬件配置
中央監控系統計算機采用工控機，并通過網卡連接LonWorks通訊卡和路由器以實現與DDC模塊及模塊之間的通訊。
3.2下位機硬件配置
采用國際通用LonWorks通訊技術，多廠商支持、可根據用戶需要對系統進行擴展和升級改造。該系統適應能力和擴展性很強，為模塊化結構，即播即用。系統獨立性強，控制處理模塊TACMenta具有獨立的CPU和存儲器，只要將控制程序輸入模塊中，即可對現場設備進行獨立控制，現場信息即時存儲，可隨時查看，同時作為整個控制系統一個子環節，也可通過中央控制系統操作控制。
分布于現場的DDC模塊主要負責對現場的各種傳感器、執行機構進行信號接收或發送指令，分為主模塊和從模塊。主模塊控制器具有全部控制功能，包括循環控制、控制曲線、時間控制、報警管理等。該控制器采用記憶存儲器，在電源故障后仍然保存用戶設定值，確保電源恢復后就能正常工作。通過LonWorks通訊卡和路由器與中央監控系統實現實時通信。主模塊可選用TAC301、TAC302和TAC401，從模塊可選用TAC411、TAC421、TAC451等。主模塊可通過LonWorks通訊連接從模塊。不同主模塊或從模塊所具有的數字量輸入和輸出、模擬量輸入和輸出的數量和種類不同。不同種類的模塊選用主要依據不同場所內需要控制設備的自控點種類和數量，同時兼顧數字量輸入輸出和模擬量輸入輸出的冗余量來選配。
4、監控系統軟件
負壓屏障環境動物生物安全實驗室監控系統采用了工作站組態軟件，并安裝有TACMenta編程軟件和TACVISTAIVServer服務器軟件。TACVISTA軟件是一個集成的人機界面系統（HMI）,具有圖形顯示和操作、編程、報警管理、用戶管理、時間管理、歷史記錄管理等功能。
4.1編輯監控畫面
TACVISTA提供面向對象的彩色圖形界面，不僅能清楚地顯示整個系統地布局，還能監控被控對象運行狀態及實驗室實時運行參數。考慮到該項目對負壓屏障環境地房間參數要求高，因此屏障區內地各房間均顯示負壓、溫濕度、送風定風量閥的狀態、排風變風量閥的開度及反饋值。同時監測送排風主管道的風壓，用以調節送排風機變頻器，保持送排風總風量穩定。另外，在實驗結束后進行各房間終末消毒，該房間的送排風密閉閥關閉。該圖形界面可監測房間消毒狀態。利用圖形編輯器編輯系統監控畫面，將其中的圖形對象與相應數據庫標簽變量建立動態連接。
實驗室主監控圖如圖4所示。
TACVISTA中可以使用TACMenta進行監控系統程序編寫，通過編輯與實際模塊及圖形界面中相對并的綁定點，將若干存在相互關聯的綁定點運用一定邏輯順序關聯起來，形成一個符合現場實際需求的有機整體，并將編寫完整的Menta程序下載到對應的TACMenta主模塊中去，實現對整個送排風系統的監測和控制。
4.3報警管理
系統可以設置標簽的開關量報警和模擬量報警，可區分一般報警和重要報警（重要報警可聲光同時警示，如市電斷電故障等），且可設定報警的緊急程序，操作員可根據報警信息快速找到故障原因并進行修正。報警信息可以用表格的形式顯示于監控畫面上或由打印機輸出，或存于硬盤的報警檔案中。
4.4用于管理
TACVISTA提供了用戶權限管理的功能。系統可根據用戶不同的權限登錄系統后進行對應用戶級別的操作，防治非法操作。
5、結語
根據負反饋控制原理和組合式PID控制方案并采用控制軟件和DDC對某動物中心負壓屏障環境動物生物安全實驗室進行自動控制和遠程監視，該系統符合GB14925-2010《實驗動物環境與設施》和GB/T27416-2014《實驗室生物安全通用要求》的要求，同時滿足了實驗室生物安全和動物實驗質量要求，為新冠肺炎疫情后公共衛生體系負壓屏障環境動物實驗室的建設提供了參考。
作者 蔣晉生 吳建利 本資源來源于互聯網，如有侵權請聯系刪除。
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