浅议药厂洁净室压差及送风量的自动化控制
李 松
上海朗脉洁净技术股份有限公司
上海 201100
摘 要：介绍了洁净室压差及送风量控制的原理，具体阐述了自动化控制系统中压差及送风量控制的设计与实施，为药厂洁净室的空调系统设计提供参考。
关键词：压差；送风量；药厂洁净室；PID；定风量阀
0 引言
药厂洁净室的压差及送风量作为空调自控系统中自动化控制的关键参数，在《药品生产质量管理规范（2010年修订版）》（以下简称新版GMP）及GB 50073—2013《洁净厂房设计规范》中对其作了明确规定。新版GMP规定：洁净区与非洁净区之间、不同级别洁净区之间的压差应当不低于10 Pa。必要时，相同洁净度级别的不同功能区域（操作间）之间也应当保持适当的压差梯度[1]。可以说，保持不同级别区域间的压差或者同级房间的适当压差梯度符合要求是减少外部污染、防止交叉污染的重要手段。《洁净厂房设计规范》规定：不同空气洁净度等级需要的换气次数不同，即对送风量有不同要求。合理的换气次数是保持洁净室等级符合要求的重要参数[2]。
本文以某药厂的洁净室压差和送风量的自动化控制为例，阐述自动化控制系统中压差及送风量控制的具体设计与实施。
1 洁净室压差及送风量控制的原理
1.1 房间送风量条件
为了保证房间具有一定的压力（正压或者负压），可以通过调节房间的送风量、回风量或者排风量来控制房间压力。
房间的送风量需要达到下列条件中的最大值：
（1）空气洁净等级要求的送风量；
（2）根据热、湿负荷计算确定的送风量；
（3）补偿室内排风量和保持室内正压所需的送风量之和；（4）保证供给洁净室内每人每小时的新鲜空气量不小于40 m3。
由于对送风量有上述要求，所以一般不对房间的送风量进行调整，而是结合洁净室的实际情况对房间的回风量或者排风量进行调整。通过在回风管或者排风管上安装电动调节阀，根据需要控制的房间压力进行自动控制，保证房间压力维持在所需范围内，从而保证相邻房间或者不同级别洁净区之间的压差满足要求。
1.2 送风量控制方法
在系统送风量控制中，为了保证系统中各个房间的送风量恒定，通过以下方法实现：
（1）在每个房间的送风管上加装手动调节阀，通过调节手动调节阀使各个房间的风量达到平衡和恒定。以这种方式运行的系统，由于各房间高效过滤器阻力不一定是成比例地增加，在系统运行一段时间后，各房间的风量平衡将被破坏，这需要重新调整手动调节阀，使风量重新平衡。风量平衡的调整是一个多次重复的过程，在多次重复的调整过程中找到一个最优的平衡状态。对风量平衡的调节需要由有一定专业知识和实际工程经验的人员操作。
（2）在每个房间的送风管上加装定风量阀，当房间高效过滤器阻力发生变化时，定风量阀会自动调整开度，使通过定风量阀的风量恒定，从而保证房间的送风量恒定。在目前的空调系统设计过程中，只保证生产过程中的送风量满足要求是远远不够的，在消毒或者其他非生产过程中，对送风量也是有要求的。
1.3 特殊需求
在消毒过程中，为了使消毒剂的浓度达到一定要求，系统的送风量不能太高，否则对消毒剂的需求量将变大。在非生产过程中，由于没有人员活动及设备运行，洁净室的环境处于相对静止状态，此时适当地降低送风量也能保证环境的洁净等级符合要求。在这些新的需求下，手动调节阀或者定风量阀已经不能满足要求。因此，可在房间的送风管上设置变风量阀，当洁净室处于不同的状态，通过自控系统给变风量阀设定不同的风量值，使其满足不同要求的送风量。我们将变风量阀的这种工作模式称为多稳态变风量阀工作模式。
2 压差控制和送风量控制的自动化设计
2.1 压差控制
为了控制房间压力，需要在各房间中安装压力传感器，在房间的回风管或者排风管上安装电动调节阀，并在洁净室的房间门上安装门限位开关。
根据压力传感器实时监测房间压力变化，当房间压力发生变化时，调节阀根据压力变化做出调整，以此保证房间压力。门限位开关的作用是当房间门处于打开状态时，PID将停止计算，调节阀将根据门限位开关的信号停止动作；当房间门处于关闭状态时，PID继续计算，控制调节阀根据房间压力的变化动态调整开度，保证房间压力稳定。当房间门处于打开状态时，两个房间处于连通状态，压力低的房间由于受压力高的房间泄压而压力变高，压力高的房间由于泄压使房间压力变低。由于两个房间的压力均偏离设定值，如果阀门继续调整，将导致压力高的房间调节阀一直关小使压力升高，压力低的房间调节阀一直开大使压力降低，由于两个房间处于连通状态，房间压力始终一样，无论怎样调整调节阀，两个房间的压力至少有一个和设定值不一样，或者两个房间的压力都和设定值不一样，在这两种情况下继续调整房间压力将失去意义。在开门过程中，如果房间的调节阀继续调节，将会导致比较严重的后果。如果两个房间的送风量相差较大，若低压侧的房间送风量较小，在长时间的开门过程中，将会导致低压房间的调节阀门全开；若高压侧的房间送风量较小，在长时间的开门过程中，将会导致高压侧房间的调节阀全关。不管调节阀是全开还是全关，都将导致在关闭房门的过程中，两个房间的压差过大，关门变得很困难，甚至房门无法关闭。因此，当门限位开关检查到房间门处于打开状态时，房间的调节阀将停止调节。
为防止调节阀全开或者全关，在调节阀控制中加入了最小开度和最大开度的限制，限制值根据调节阀长时间运行的开度适当加上一个偏差来确定。安装门限位开关还有一个用途，就是在洁净室房门长时间打开过程中产生告警信息，提醒相关人员关闭洁净室房门，以便房间压力尽快恢复正常。
2.2 送风量控制
为了满足不同送风量的需求，在房间送风管上安装了变风量阀，同时该变风量阀具有实时风量检测功能。控制系统会根据空调系统所处的不同运行模式，为变风量阀设定一个需要的风量值。变风量阀根据设定风量和检测到的风量自动进行调整，使通过变风量阀的风量保持在设定风量范围内。由于变风量阀具有风量实时监测功能，控制系统可以通过变风量阀的实时监测风量记录，实时监视各房间的送风量是否满足设计要求。
在送风量控制过程中，由各变风量阀对送入房间的风量进行限制，即通过送风总管的总送风量不会再随送风机频率增加而增大。为了保证有足够的风送入房间，只要根据送风总管末端的压力来控制变频器的频率，使送风机有足够的压力将风送入房间。
3 压差控制和送风量控制的具体实施
3.1 压差控制的具体实施
在压差控制中，使用最常规的PID算法，将房间实际压力作为PID的反馈值，房间需要控制的压力点作为设定值，在PID调节过程中引入门限位开关信号，当门限位开关信号为0时，即房间处于打开状态，停止PID运算，PID运算结果保持当前状态，PID的输出也保持当前值，停止房间的压力控制。当门限位开关信号为1时，即房间门处于关闭状态，PID运算继续，开始根据房间压力实时调整调节阀的开度，保持房间压力稳定。
房间压力控制逻辑图如图1所示。
图1 房间压力控制逻辑图
在实际试运行过程中，房间压力曲线如图2所示。由图2可以看出，采用了该控制方案的房间压力达到了一个比较理想的状态。
图2 房间压力运行曲线
3.2 送风量控制的具体实施
在送风量控制中，选用带有控制器的变风量阀，该变风量阀由阀体、风速测片、带有压力检测的控制器三部分组成。在实际使用中，只需要通过控制系统，为变风量阀设定一个风量，变风量阀便会根据设定风量和实际检测风量自动调整开度，使实际风量达到设定值。由于变风量阀厂家提供的阀门本身带有控制器，能根据实际情况实现自动控制。因此在控制系统中不需要过多的控制，只需要设定风量，检测变风量阀的反馈风量。
在安装变风量阀时，需要注意前后直管段的安装要求，使其可以保证变风量阀工作更加平稳，反馈风量更加准确。在调试变风量阀时，需要注意将变风量阀的最小风量旋钮调整到最小值，最大风量旋钮调整到最大值[3]，使变风量阀能在全量程范围内工作。
4 结语
洁净室的压差控制和送风量控制是减少外部污染、防止交叉污染、保持洁净室等级符合要求的重要手段，其影响药品生产的全过程，压差和送风量的自控化控制在洁净室的正常运行中发挥了关键性作用，更好地保证了药品的生产质量。
[参考文献]
[1]药品生产质量管理规范（2010年修订）：中华人民共和国卫生部令第79号[A].
[2]洁净厂房设计规范：GB50073—2013[S].
[3]妥思变风量阀产品技术样册[Z].
作者简介：
李松（1985—），男，四川德阳人，工程师，从事制药行业自动化控制系统设计和调试工作。