手术室空调温湿度自控系统的工程实现

许春香，时 伟，宋海军

（中州大学，郑州 450044）

0 引言

近年来，随着信息技术、控制技术和通信技术的高速发展，医院信息化和自动化管理水平迅速提升，许多先进、成熟、实用的新技术广泛应用于医疗卫生环境建设中。洁净手术室空调控制系统作为医院楼宇自动化系统的重要组成部分在医疗系统中正被逐渐使用。本项目依托河北某附属医院手术室空调自动化监控系统工程，采用Honeywell公司的工业自动化数字控制系统，基于EBI系统工程组态平台，实现对手术室空调温湿度控制及现场设备管理,使之满足手术室对空气环境的要求。

EBI（Enterprise Buildings Integrator） 是Honeywell公司推出的企业楼宇集成系统软件，它是一个包含了从底层设备到中央监控平台的完整的自动化解决方案，提供的子系统有楼宇自动化控制系统、安全防范系统、火灾报警系统、数字影像管理系统和资产/人员管理系统。作为世界领先的开放式楼宇监控系统，EBI能够最大限度地满足用户的需求，遵循现有各种工业标准，集成开放性能，支持BACnet、LonWorks、OPC、Modbus和C-Bus等现场设备的集成[1]。

1 手术室空调系统控制功能

1）手术室空气被控参数有：温度、相对湿度、压力（风量）、洁净度、新鲜度；

2）空调系统的基本任务：通风、过滤、冷却、除湿、加热、加湿。

1.1 手术室温湿度自动控制原理

洁净手术室要求对温度和湿度有着恒定的控制要求。因此，温湿度指标是洁净手术室中最重要的控制指标。图1是手术室温度控制示意图，采用DDC（直接数字控制）控制器实现自动化控制。

图1 手术室空调系统温度控制示意图

室外较热的新风与部分回风相混合，由风机送经表冷器，使空气降温，然后送至房间，使室内温度保持夏季降温工况的要求。在这个系统中，DDC控制器通过温度传感器采集室内温度，根据控制器预设的控制规律，操纵冷冻水调节阀的开度，改变冷冻水的流量来实现冷冻水冷量与房间里的热量随时相平衡，以得到稳定的室温。

1.2 系统工艺要求[2]

1）系统工作模式上分为冬夏两季。在冬季模式里，回风温湿度低于设定值，控制要求主要是升温加湿。一般通过打开（热）水阀执行器以提高温度，打开加湿器开度以提高湿度。在夏季模式里，控制要求主要是降温除湿。系统要求湿度优先调节，即夏季湿度较高时候，控制器通过计算后调节送水管(≤8℃左右的冷冻水)的开度达到降温除湿的目的，而由此造成的温差通过电加热来补偿。当回风湿度达到设定要求时，系统自动进入温度控制状态。

2）空调系统工艺上，循环机组要全年恒温恒湿；对于新风机组，夏季送风露点温度在12℃以下，冬季送风温度18℃，湿度45%。

在控制精度上，温度≤±1℃，相对湿度≤±5%RH。

3）按照现场工艺要求：（1）手术室内设有多功能控制面板，实现本地温湿度及机组运行状态控制。（2）楼层控制室设有EBI服务器实现远程，除实现手术室控制面板的功能外，还增加如下功能：图形界面动态显示各检测数据、控制参数与设备状态；可定时启动所需手术室空调系统；机组各种故障自诊断，发出维修提示并予以报警和即时打印；根据累计运行时间及设定的维护计划发出保养提示；数据管理与分析，历史资料查询，报警与事故存档追忆；每天的运行状态记录或打印；系统操作界面和系统维护界面等。（3）室外设有机组控制柜，便于系统维护和调试，可以手工控制系统启停、通过DDC控制面板直接进行参数设定，以及机组运行状态显示。

1.3 空调系统组成[3]

整个空调系统由新风机组、循环机组和送风管道组成。新风机组主要为手术室提供一定的新鲜空气，满足室内卫生要求,将室外新风进行初步净化及热湿处理后送入循环机组。循环机组负责对新风机组处理的新风和手术室回风再进行过滤及热湿处理，将手术室、洁净走廊的温度、湿度、压力控制在一定的允许范围之内。在本项目中系统由4组循环机组和1组新风机组构成，新风机组共用。

2 系统硬件结构及空调系统设备

2.1 系统硬件结构

基于EBI平台的手术室温湿度控制系统分为上下两级结构，如图2所示，由基层的现场控制站、中央管理工作站[4,5]。

图2 手术室温湿度控制系统结构

1）基层的现场控制站：每个现场控制节点负责一个空调系统的数据采集与调控，即每个节点只有一个DDC控制器，以空调机组控制柜的形式实行一对一的控制。

由现场各类仪表设备和DDC控制器节点构成。其主要功能是把各种传感器和检测器传送的数据，按照DDC控制器内部预先设置的参数和预先编制的控制程序来进行比较和相应的运算，输出各种信号驱动执行器进行控制，并接收上层中央管理工作站、现场控制柜面板和手术室面板发出的各种指令操作。

2）中央管理工作站集中监控：由EBI组态系统构成，负责对全部空调系统的监控与管理。在现场控制节点的基础上，通过Honeywell公司的C-Bus网络线把全部控制器联网，经RS485/232转换器与EBI服务器连接，只需对EBI服务器进行操作，就能对所有的机组进行集中监控和在线管理。

利用计算机调控程序，可以根据现场采集信息对系统做最优化控制等，以及对以往的系统设备/人员监控数据进行专门备份保存以及管理的功能。

本项目预留100Mb/s以太网接口（TCP/IP），可通过互联网与EBI服务器计算机连接，实现系统远程控制（客户机/服务器模式）。当条件具备时，系统纳入整个医院楼宇自动控制系统中。

2.2 空调系统设备

1）空气处理设备：组合在空气处理机内的冷/热水盘管、电加热器、加湿器、除湿机、表冷器、过滤器、风机、电机。设在一个集中的空调机房内，经过集中处理的空气，通过分道送到各个手术室。

2）自控设备：使用DDC控制器、电动风阀、电动水阀、加湿驱动器、电力开关等设备，对冷/热水盘管、电加热器、加湿器、除湿机等进行有效的控制，使之达到空气处理对温湿度的工艺要求。

控制器采用Honeywell公司Excel 50控制器[3]，具有4路数字输入、6路数字输出、8路模拟输入、4路模拟输出，具有4路PID控制回路，支持C-Bus、LonWorks网络通讯接口，方便与EBI服务器连接。

传感器有风道式温湿度传感器、空气压差开关、空气压差传感器、温度开关等。

3 系统软件设计

根据系统工艺要求和硬件配置，采用EBI平台软件进行上位机工程组态设计和Excel CARE软件对下位机DDC编程。

3.1 DDC下位机软件的功能及编程[1,7,8]

Excel CARE是Honeywell系统工程集成及调试工具，以直观的图形化方式为DDC控制器编制控制流程和时序控制策略。程序设计包括DDC控制设备的创建、原理图设计、数据点的定义、开关逻辑、控制策略等。工程开发一般过程如图3所示。

图3 CARE工程开发过程

1）CARE的所有功能都基于设备，一个控制器可控制一个或多个设备,取决于控制器容量,但不同控制器不能包含相同的设备。一个设备是一个被控系统，如空气处理器,锅炉或是冷却设备。

2）一个设备原理图由若干段顺序组合而成,表示出设备中各组件以及它们是如何安排的。段是一个控制系统,如锅炉、冷却及其它设备的组成元件,元件包括传感器、阀门、状态点等。

3）数据点有硬件点和软件点，硬件点是传感器和执行器发出的数据信息，软件点是软件程序的计算结果；其次又分为模拟点和数字点，以及输出和输入。

4）开关逻辑通过DDC建立信号数据点之间的联系。如表1所示（第3台空调机组），对于冷水阀开阀信号逻辑，当风机处于开机状态并且系统无故障报警，冬夏转换开关处于夏天模式时，发出可以打开冷水阀的信号，否则发出关阀信号。

表1 冷水阀开阀信号

5）软件控制策略：采用PID控制来调节温湿度。PID是在控制中最为广泛的一种控制方式，它具有简单可靠、稳定性好的特点。在PID控制中，将系统的设定值与系统的输出比较得到偏差，并根据偏差情况给出控制量。增量式PID的一般表达式如下：

式中：Kp为比例系数；Ki为积分系数，Kd为微分系数。

在Honeywell的DDC控制器中通过内置的PID调节器实现增量式PID控制。如图4所示，描述了CARE软件中对标准PID调节器模块的参数设置，控制关系为回风温度与冷水阀。图中符号Xp为比例带宽度，TV为微分时间常数，Tn为积分时间常数，Minimum output和 Maximum output分别限制了水阀的最小/最大开度范围，系统初始开度一般设为50%。

图4 冷水阀标准PID调节器参数设置

常规PID控制器对于非线性、时变的系统和模型不清楚的系统就不能很好控制，不能得到预期的控制效果。CARE中还有增强EPID控制器，EPID与传统PID的区别在于它能在一定时间内将被控制的参数保持在设定值，避免PID在启动时在设定值上下抖动。其配置比标准PID略复杂，可参看CARE帮助系统文档[7]。

3.2 EBI服务器软件平台设计[1, 5]

EBI软件平台主要包括：Station、Quick Builder和Display Builder。利用EBI监控平台实现对设备监控的开发应用过程为：

1）在EBI的实时数据库开发软件Quick Builder中创建一个新工程( Project)，完成对通道(Channels)、控制器(Controllers)、控制点( Points)、工作站( Stations)、服务器( Servers)等硬件的定义和组态配置，并将工程下载到EBI的实时数据库中。本系统工程组态情况如图5所示，共创建了5个DDC控制器，使用1个通道，每个DDC控制器对控制点进行监控。在Quick Builder中组态是实现通讯的关键。

图5 工程组态结构图

2）采用EBI的Display Builder软件为每个DDC开发图形化的人机界面，在图形界面中连接各个控制点，图6是人机交互界面在station中显示效果，实现对所需控制点的直观监控。支持图形化设计和VB脚本语言编程。

图6 护士工作站控制界面

3）在Station中，执行Display Builder开发的人机界面，实现对EBI实时数据库中控制点的访问和操作，进而完成对于设备和子系统的监控。控制点的各种详细数据有：报表显示、报警显示、趋势显示、组群显示和系统诊断显示等。

4 结束语

利用EBI和CARE组态软件设计的的手术室温湿度控制系统在精度、实时性、可靠性等方面是模拟控制所无法比拟的。系统已投入正常使用，运行稳定，最大限度的提高舒适程度和节能控制，保证了系统运行的经济性和管理的智能性。

[1] NanJing University of Technology IBI.Teaching Material of Honeywell EBI System [EB/OL].2003-10.

[2] 张国铭, 朱劲.洁净手术室空调控制系统的设计与实现[J].现代电子技术.2009(1): 97-100.

[3] 王用伦.智能楼宇技术[M].北京: 人民邮电出版社,2008.

[4] 葛锁良, 麻芳义.基于LonWorks技术的空调自控系统[J].合肥工业大学学报(自然科学版), 2005.28(5): 558-561.

[5] Honeywell Limited Australia.EBI overview[EB/OL].2003-04.http://www.honeywell.com.au.

[6] Honeywell Inc.en1b0101-ge51r0909g.pdf[EB/OL].2009.http://ecc.emea.honeywell.com.

[7] Honeywell Inc.Excel Live CARE USER GUIDE[EB/OL].2004.http://honeywell.com.

[8] 贾雪.应用组态软件实现楼宇新风系统的监控[J].吉林建筑工程学院学报, 2008.25(4): 63-65.