制药厂空调自控系统的设计与实现

制药厂空调自控系统的设计与实现

陈志超

发泰（天津）科技有限公司天津市300410

摘要：制药行业对生产环境有着严格的要求，特别是随着2010年新版GMP的颁布，许多制药厂都在对这方面进行技术改造。洁净区的温度和相对湿度应与药品生产工艺相适应，一般情况下洁净区的温度应控制在18-26℃，相对湿度应控制在45%-65%。房间之间压差也会因为不同区域而要求一定的压差梯度。因此对空调自控系统的整体设计及控制精度、稳定性提出了更高的要求。如何保证温度、湿度、风量、压差等技术指标来满足特殊工艺的需求，成为现在药厂空调自控系统的研究热点之一，而这也给我们空调自控专业人员提出了更高要求。

关键词：温度；湿度；洁净度；风量；GMP；制药。

中图分类号：TP273文献标识码：A

引言

作为空调自控系统，当今大多数自动化系统厂商对温湿度、压差仍然采用简单的PID控制，PID控制因为相对来说控制程序模块化、控制简单、参数调整方便，在温湿度控制、压力控制等应用比较广泛。但是由于PID算法只有在整个系统模型参数不随时间变化的情况下，设定值、输出值、反馈值单一并且无其它干扰源时，效果最佳。但是空调系统温湿度之间的相互干扰以及高度非线性，导致温度与湿度之间的耦合关系很难精准找到。因此我们就必须要有针对性的研究其它的控制方法，如自整定、模糊控制等。

例如模糊控制、自整定控制等与传统的PID控制相比，它不完全依赖于被控对象的数学模型，本身具有自整定功能，并且通过不断的优化控制参数，以取得最优的控制策略。由于空调系统的温湿度控制是一个大滞后、温湿度相互干扰、惯性大的系统，获取它的精确模型很困难，必须要进行不断的调试摸索，每个系统的控制参数都不一样，所以空调自控系统成为中央空调系统中研究的热点。

1、制药厂洁净空调系统构成

1.1一般的净化空调系统包括以下几个部分：

1.1.1送风部分：系统开始运行时，根据工艺要求系统新风阀自动打开在一定的开度，新风通过阀门进入新风机柜，最终新风和来自于房间内的回风组成了送风部分。

1.1.2空气防冻过滤部分：在新风机柜上安装温度传感器或者防冻开关，传感器将温度值传送到PLC控制系统，控制系统将检测到的温度反馈值与设定值进行比较，如果温度过低。自动将新风阀门关闭。同时新进来的新风也要经过多次过滤来除去颗粒较大的灰尘。一般由于净化级别的不同会在净化空调机组上都安装有初效过滤器、中效过滤器和亚高效过滤器，净化级别高的房间送风口安装高效过滤器。

1.1.3空气热湿处理部分：通过冷冻水、热水、蒸汽、电加热等方式对空气进行加热、冷却、加湿、除湿等不同处理过程组合在一起统称为空调系统的热湿处理部分。

1.1.4管路输送部分：送风风机将温湿度、洁净度符合要求的空气均匀地分配到洁净区房间内，来保证房间达到合适的温湿度及压差。这是空调系统中空气管路输送部分，它由风机、阀门以及不同形式的管道组成。

1.1.5加热和制冷部分：为了保证房间的温度和湿度，空调机组需要有加热和冷却能力。冷却一般用冷冻水，加热一般用锅炉加热出来的水或者蒸汽等。

1.2洁净空调自控系统主要为了保证洁净室：

1.2.1风量（换气次数）；

1.2.2压差（压力梯度）；

1.2.3温湿度（环境及工艺要求）；

1.2.4洁净度（尘埃粒子、微生物等）；

2、空调自控系统设计

2.1控制系统的设计

冗余CPU设计：S7-400H冗余系统可以达到毫秒范围的切换时间，通过此解决方案，第二个备用CPU（与主CPU保持事件同步）与主CPU执行相同的用户程序处理任务。如果工作的主CPU发生故障，备用CPU会继续处理用户程序而不会中断。此种备用类型称作“热备用”。它们通过光纤电缆同步。存储在两个CPU中的用户程序完全相同，当出现总线故障或者系统故障时，后备CPU可以接管全部控制功能，全系统采用UPS（不间断电源）供电。软件开发思路如下：

（1）软件开发完全符合美国FDA21CFRPART11的相关条款，人员登入登出权限保护、配方保护功能，参数修改权限保护功能；审计追踪功能、电子记录、电子签名功能；

（2）矩阵式权限管理保护，共分为5个级别，级别由低到高分为：

第5级：仅具有数据监视、数据检查功能；

第4级：第5级＋操作员控制与部分参数设定功能；

第3级：第4级＋监控参数上下限与报警参数更改功能；

第2级：第3级＋数据库增减功能；

第1级：第2级＋操作员、工程师权限修改功能；

（3）趋势曲线功能提供历史及实时数据查询功能，可通过选择框进行日期时间段的数据检索，曲线的缩放，通过操作按钮可进行曲线某点的数据查看，曲线可以打印。

（4）上位机组态画面能够实时显示空调机组各部位传感器采集的数据以及工艺房间传感器采集的数据。并且可以按照生产批次进行相关报表的打印等。在上位机参数设定画面中，可以对机组运行参数、压差报警设定值、风阀开度进行手动设定等。

（5）机组、房间相关报警提示将在本系统中体现，如当压差传感器检测数值超过设定的上下限值，或当系统有其他故障的时候，将会在上位机画面下方出现报警提示信息并需要操作人员确认。报警信息包括时间戳、报警位置、报警值、报警级别、确认时间、确认人员等关键信息。

2.2送风风量的设计

在空调机房内送风主管、回风主管上设风量传感器。实现手段：送风主管上设风量传感器。全压风量传感器采用蜂窝整流十字交叉结构，全压取压管与静压取压管串联布置，通过尼龙软管与集成控制器连接，将压差信号送至集成控制器内，计算送回风主管的风量。初调试时设定风管内动压值，运行中与设定值比较，通过风机变频调节，保证主管动压在设定内±2%范围内。

2.3温湿度的控制

温湿度控制采用分程解耦+串级PID来完成洁净区温湿度精确控制。由于冷水阀既受温度控制也要受到湿度控制，所以采用了始终湿度优先控制的原则，只有当湿度调节在设定范围内，才允许进行温度调节。否则优先调整湿度，这在一定程度上也解除了温湿度的耦合效果。

夏季控制模式：

当设定值<实际值，冷冻水阀门关小；当设定值>实际值，冷冻水阀门开大；

当设定值<实际值，蒸汽加热阀开大；当设定值>实际值，蒸汽加热阀关小；

冬季控制模式：

当设定值<实际值，蒸汽加热阀开大；当设定值>实际值，蒸汽加热阀关小；

当设定值<实际值，蒸汽加湿阀开大；当设定值>实际值，蒸汽加湿阀关小；

通过优化计算（PID+送风温度前馈控制）保证回风温度恒定。从而保证房间的温湿度恒定。

2.4初中效过滤器及房间高效过滤器检测

送风机组初效和中效过滤器、回风机组中效过滤器、排风机组初效过滤器均设置压差传感器；并将压差信号在控制电脑上显示；可根据要求设置过滤器的初阻力及终阻力，当小于初阻力及大于中阻力时均报警。在每个系统相应的房间内选取2-5个高效送风口安装压差传感器，将压差信号传送至控制电脑内，可根据要求设定高效送风口的初阻力及终阻力，当检测的压差超过终阻力或低于初阻力时均做报警显示。所有压差数据自动存储，随时调用。

2.5房间压差控制

房间送风主管设定风量阀（多分支房间需分支主管均安装），回、排风主管设压差控制型变风量阀（多分支房间需分支主管均安装）。全机械式定风量阀无需外部供电，它依靠一块灵活的阀片在空气动力的作用下，能将风量在整个压差范围内恒定在设定值上。气流流动产生动力，这一作用力再经由定风量阀内的自动充气气囊放大，作用于阀片使其朝关闭方向运动，气囊还具有缓冲减震的作用。同时，由弹簧片和凸轮组成的机械装置驱使阀片向相反方向运动，从而保证风管压力变化时风量恒定在微小的误差内。

变风量阀由两部分组成第一部分为阀体；第二部分为紧凑风阀执行器，执行器本身具备调节、检测及信号传输功能；紧凑型风阀执行器具有监测室内、外压差（或相邻房间压差），并不间断的与压差控制器的设定值（即被控房间要求压差值）进行比对，二者有偏差时风阀执行器会自动调节阀门开度到合适位置，达到压差再次平衡。洁净走廊压差为相对大气压力，其他房间压差为相对洁净走廊压差。

2.6连锁控制

新风阀和风机启动设置连锁，当风机启动时，开启新风阀门。风机停止后，新风阀自动关闭。当新风温度过低时，新风阀门自动关小或关闭。风机启动后若其前后压差过大或者压差为零时进行故障报警，并连锁停机。

结束语

本论文阐述了空调自控系统中基于PLC和上位机相结合对净化空调机组温湿度及房间压差控制。此系统代替了传统的人工调节阀门来控制房间温湿度，消除了系统的滞后影响，控制精度高，相较于传统的手动控制方式节省了大量的人工。并且采用风量传感器技术来控制总送风量恒定，保证房间的换气次数。利用定风量阀和变风量阀保证了房间的压差恒定。对提高药品质量及对未来的验证工作提供了保障。

参考文献

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