实验室压力梯度控制方法探讨

文/朱翔，华一中

西门子（中国）有限公司上海分公司

图1 实验室压力控制应用的典型场景及组成部分

实验室根据空气品质要求的不同，需要在区域间维持一定的压差。除此之外，各个区域内可能会存在产生有害气体的单元，如药品柜、试验用通风柜、排气罩等，需要根据设计要求排出一定的风量。在此基础上，还需要考虑满足房间最小换气次数。在多个区域作为一个整体协同控制过程中，如果单纯在区域间安装压差传感器检测压差，通过PID来调节房间压差，那么在发生扰动时，难免牵一发而动全身，造成多个实验室同时调节，往往需要经过一定的时间才能调节至稳定状态。在调节过程中，可能会影响实验室的空气品质，乃至危害实验室内人员的安全。

针对以上情况，我们需要解决两个问题：第一，实验室压力梯度在系统协同调解过程中需要相对独立，不能因为一个区域受到扰动，就要对所有区域的通风量作出调整；第二，在实验室压差受到扰动时，如何迅速且精确地调整各个执行器，使房间压力维持恒定。

1 采用建立标准参考系的方法使压力梯度控制相对独立

为避免各个实验室在其中一个区域受到扰动，需要同时调节每一个相关实验室才能保证压力梯度相对稳定的情况，现在选用一个统一且能保持稳定不变的参考系，如室外标准大气压，各实验室的房间压力与室外标准大气压做对比，避免控制复杂化，加快压差梯度的调节时间。

图2 生物医疗行业压力控制的典型应用场景

具体来说，可以做一个旁通管与外界大气连通，每个实验室的压差传感器测量旁通管与所在房间的压差。每个区域与外界大气有一个固定的压差数值，只要区域与大气的压差保持在设定的数值，即可保证区域间压差梯度满足要求。

2 预设完备的扰动模型，可根据扰动迅速作出调节

实验室送排风量受以下参数限制：①换气次数（一个小时区域的送风量是该区域容积的倍率即为该区域的换气次数，根据实验室用途，有不同的换气次数要求范围）；②通风柜排风量（通风柜一般要求面风速在0.3～0.5m/s范围以内，操作人员可根据使用需求来调节通风面的大小，通风柜排风出的风阀做快速调节来满足排风需求）；③药品柜、排气罩的排风量（排风量一般是固定的数值）；④门开关造成的扰动（一般情况下，开门造成的房间风量泄露时间短，且有缓冲间做缓冲，相比于房间体积，门泄露风量占比很小。因此该部分只采用PID调节即可）。

以带通风柜的实验室为例。实验时，实验室内通风柜柜门开度会根据实验需要发生变化，为保证通风柜面风速要求，需要通过调节排风风阀迅速对通风柜通风量作调整。区域内通风柜的排风量发生变化，为保证压力梯度，整个房间通风量也随之发生变化。以上控制需要有较为精确的对照表，如通风柜开门时，通过测量计算通风柜门开启的面积、通风柜柜面风速的国标要求、通风柜缝隙渗漏风量等要素，可通过排风阀开度与柜门面积的对应关系迅速做出调整，基本满足通风柜排风量要求，再根据整体房间内送排风量与压力梯度的对应关系迅速对房间内其他风量做出调整，可基本解决通风柜开关柜门产生的扰动。在此基础上，再通过PID调节，将开环调节的部分误差修正，最后满足控制需求（风阀执行器调节速度需足够快，目前西门子快速风阀执行器全行程只需2s，可满足控制需求）。

式中：Q1为区域送风量，n为换气次数，V为区域容积，Qd1为区域送风扰动；

Q2为区域排风量，Qc为定排风装置排风量，Qv为变排风装置排风量，Qd2为区域排风扰动；

k1为送风量与区域压力的相关因数，k2为排风量与区域压力的相关因数。

根据Matlab拟合曲线，送排风量与压力呈线性关系。

在标准的大气参考系建立的前提下，只需要对单一实验室内的以上要素做模型，进行协同控制即可。模型可做粗调，再通过PID做精调。

图3 化学实验室压力控制的典型应用场景

3 结论

采用室外标准大气压作为压差的标准参考系，在满足压力梯度的前提下，发生扰动时，可以使实验室间控制相对独立。只需要解决发生扰动的区域送排风量的修正符合控制要求即可，其他未受到扰动的区域保持原有运行规则。

预设完备的扰动模型，即将所有影响实验室送排风设备的限定值作为第一优先级，标定出实验室送排风量的范围。在此基础上，再根据预设的扰动因素模型，在发生扰动时迅速作出相应的调整，使扰动发生前后，实验室区域之间的压差变化值控制在一定范围内，不至于发生高级别实验室被低级别实验室产生气体渗漏，造成高级别区域被污染。在扰动基本稳定以后，再通过PID调节，将可能存在的微小偏差值修正。

以上两种方法，先简化了实验室间协同控制的复杂关联，而后再通过对单个区域独立做参数和扰动因素模型，能在短时间内迅速作出应对扰动的送排风量调节，从而实现对实验室压力梯度的迅速精确调节，防止实验室因长时间调节不稳定而导致被污染。

西门子根据实验室压力梯度的复杂控制需求，研发出专门的实验室控制器并预制了多个针对扰动因素、气体渗漏的程序功能块。参照AIHA/ASSE Z9.5、SEFA、OSHA标准以满足实验室的安全需求，参照ASHRAE 110、ASHRAE 170、CEN EN 14175 Part6标准以满足房间及房间内通风柜的控制需求，通过简单的程序功能块组合，就能实现上述的控制需求。