互锁控制在医药厂房气闸室的应用

董桂芹

（上海沃立工程技术有限公司，上海 201100）

1 气闸室简介

洁净区的空气又称洁净室的空气，将区域空间空气中的悬浮粒子、微生物数控制在一定范围内。空气的洁净程度可以分成不同等级，各项科研、生产活动对空气的洁净程度要求也是不同的。药品生产对空气的洁净程度要求非常高，该区域叫做GMP洁净区，气闸室是为保证洁净区内的空气洁净度而设置的缓冲室。气闸室通常设置在同一洁净区洁净等级不同的两个区域，或洁净区与非洁净区之间。气闸室一般安装有两扇或多扇不能同时打开的门，目的是阻断洁净要求不同的两个区域的空气流动，如图1所示。为了维持洁净室内的气流方向，防止交叉污染，一般在（人流、物流通道门）洁净区与非洁净区或高洁净区与低洁净区之间，增设电子互锁机构。一般采用双门互锁，也有三门、四门互锁。

图1 气闸室互锁门

2 互锁控制

互锁联动门是指两道或多道门之间具有互锁联动的功能，即当一道门被打开时，其他门将打不开，只有当所有门都关上时，才能打开其中的任一道门。该文将以某新建高致敏固体制剂车间项目为例，详细阐述如何用PLC对气闸室进行互锁控制，保证两扇门不能同时开启，并进行相应的状态和故障指示。

2.1 系统硬件组成

互锁门系统（如图 2 所示）由门体、自动门机、电磁锁（如图 3 所示）、非触式出门感应器（如图 4所示）、紧急按钮及控制柜组成。

图2 互锁门系统组成

图3 电磁锁

图4 非触式开门开关

其中门体为建筑配置范围，在此不做详述，该文重点介绍以下控制部件。

一组互锁门有12个点10个点，其中点包括非触式感应器信号4个，电磁锁反馈信号2个，自动门机报警状态信号2个，紧急按钮信号4个，点包括电磁锁开信号2个，自动门机开信号2个，红绿指示灯及蜂鸣器信号各3个计6个。该项目工艺过程比较固定、环境条件较好且均为开关量控制，无增容需求，因此选用西门子S7-200系列CPU 6ES7216-2AD23-0XB0，其自带24输入16输出，满足存储容量和I/O点数2个方面的要求且相对经济。

自动门是指可以将人靠近门的动作或将某种开门授权（该文中特指非接触式开门开关）识别为开门信号的控制单元，采用驱动装置将门开启，在人离开以后，门可以自动关闭。自动门机自监测全监测机构，在检测到潜在危险如夹人情况时会发出报警信号并提示。自动门机是自动门的动力指挥中心，就像人类的大脑一样，支配动作，发出相应指令。

自动门能有效地防止手直接接触门把手，阻断了交叉污染的途径，这点对洁净室是相当重要的；方便了操作人员及货物的进出，加快了通行速度，降低交叉污染的概率，也起到一定的节能作用；同时也大大减少了由于操作人员关门动作不当造成的互锁门报警的情况。基于以上原因，该项目采用了自动门而非传统的手推门。

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电磁锁也称为磁力锁，是一种电磁铁+铁块组合、利用电流产生磁力的门锁设备，当电流通过电磁锁的硅钢片时，电磁锁会产生强大的磁力紧紧地吸住铁板，然后锁门，当接收到开门信号后即断电，电磁锁失去磁力即可开门，电磁锁是一种断电开门的电锁。2.1.2章节描述的自动门机仅能起到自动开关门的作用，外力可以轻易扒开门片，无法实现强制锁门功能，因此须在每道门上加装电磁锁，电磁锁为实现该文互锁功能的重要元器件。电磁锁带反馈信号，即当电磁锁锁住时锁上指示灯亮起，并同时送出常开或常闭信号，门锁打开时，该信号反向发送。

非触式开门开关即自动门感应器属于感应类的传感器产品，一般通过微波、红外感应等方式实现。

该项目的应用场所为医药洁净厂房，人员流动不密集，同时会有货物运送需求，选用红外感应更为合适。

非触式开门开关的优点如下：1）开门开关更耐磨损，使用寿命更长。2）无须接触，无污染和卫生问题。第二个优点是该项目采用非触式开门开关的原因。

每扇互锁门的两侧都应安装醒目的应急按钮，在突发状况时能保证操作人员安全逃生，该应急按钮直接切断电磁锁的电源，并将状态返回至PLC集中报警，该应急按钮为自保持型，须手动复位。

2.2 系统配置点表

系统配置点表也就是常说的I/O点表，即输入Input和输出Output，具体来说就是将每个检测仪表对应PLC的一个输入通道，每个执行元件对应PLC的一个输出通道，系统的I/O点表数量直接影响PLC的选型，该项目的系统配置点见表1，因该项目I/O数量不多且均为数字量（Digital）输入输出，因此选用了西门子S7-200系列，见2.1.1章节描述。

表1 系统配置点表

2.3 逻辑控制流程图

设计自动控制程序时，一定要充分考虑系统中的各种逻辑互锁关系、顺序控制关系，确保系统按控制要求正常运行，逻辑控制流程图表示程序的执行流程，是描述整个系统控制次序和信息交换的示意图。

逻辑控制流程图使软件的功能更直观，让不懂软件的人也容易看懂，可以说它是用户与软件设计师之间交流、沟通的桥梁。

该系统选用 STEP7 编程软件，采用结构化编程与模块化编程相结合的方式，使各部分互不影响，便于调试，同时提高了CPU 的利用率，其控制流程如下。

以互锁门A为例，系统上电运行后，PLC 采用循环扫描方式，若互锁门B为关闭状态，互锁门A绿灯亮，表示可以开门；若互锁门B为打开状态，互锁门A红灯亮，表示不可以开门；若互锁门A&B均为打开状态，或互锁门A为打开状态且非触式感应器未动作且开门也不在延时状态，或紧急按钮被按下，或自动门机及电磁锁均应关而门磁反馈却为开，即门未按要求关闭情况（如异物卡住），红灯应闪烁且蜂鸣器长鸣。如图5、图6所示。

图5 逻辑控制流程图（一）

图6 逻辑控制流程图（二）

互锁门B的状态及报警逻辑同互锁门A，此处不再详述。

2.4 系统PLC编程代码

STEP7-Micro/WIN32 是西门子专用编程软件，专门为S7-200 系列可编程控制器而设计开发，它是基于 Windows操作系统开发的应用软件。STEP7-Micro/WIN32 允许用户完成逻辑程序的设计开发、编译及管理，参数变量的监视和修改以及下载同步到 PLC 控制器上，同时可以监视整个 PLC运行状态等功能。程序会被保存在控制器内，断电不会丢失程序数据。断电恢复后每个本地独立气闸门互锁控制器能够自启动并且自动回到正常操作模式。

该项目选用的控制器为西门子PLC S7-200，而作为PLC的第一编程语言的梯形图（LAD）具有形象、直观、实用等特点，该项目采用梯形图作为编程语言。

3 结论

该文简要介绍了气闸互锁系统的组成和实现的功能，选用了西门子PLC S7-200，在该基础上配置适当的软硬件，并设置了最优程序，目的是对需要互锁的房间进行门开关状态实时监测和互锁控制，防止气流在有压差的各工艺房间循环污染。验收结果表明该系统具有运行稳定可靠、操作方便、易于维护、实时监控等优点。新增的互锁控制功能大大提升了该厂房的整体自动化水平，提高了该品牌的产品品质。