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摘要：本文介绍了科研建筑中通风系统智能化控制的控制需求与设计方案，提出了适用于新时代下实验室智能化控制系统。文中从功能需求和工作原理出发，重点分析了该系统的技术特点与结构组成，详细介绍了系统架构、硬件选型、数据采集存储方式以及高速算法。在软件界面方面，介绍了人机交互管理模块、日程管理模块、报警模块、事件模块、报表管理模块等，并对其相关功能进行了详细描述。文末阐述了该系统在科研建筑运行管理中的实际作用以及在项目实施中的经济价值。

关键词：科研建筑 实验室通风 智能化 变风量控制 PLC控制

中图分类号：TP302.1文献标识码：A

1.引言

随着我国对食品药品检测、疾病控制、科教等领域的重视，新建或改建的现代化高生物安全等级实验室越来越多，由于实验室致病微生物及化学品对人体具有高度的危险性，实验室通风系统安全可靠尤为重要。现代科研建筑中对实验室换气次数、温湿度控制都有严格的要求，建筑中通风系统需要根据实验室风量的实时变化而快速改变，传统的电气（继电器）集中联锁控制实验室通风设备已经不能满足要求。实验室智能化控制系统对通风系统运行的有效控制可以保障系统可靠运行、有效阻止传染性病原体释放到环境中，为科学研究创造安全舒适的实验环境，保障研究人员的身心健康。

2.应用需求分析

就技术层面而言，实验室通风系统经历了缺乏安全有效的关联性管理的电气集中联锁控制阶段，随着上世纪90年代初期变风量（VAV）创新技术的发展应用和计算机软件技术的蓬勃发展，以新型微处理器和计算机软件技术为核心构成的实验室智能化控制系统的运用，为实验室通风系统运行管理构筑了坚实的基础，实验室通风系统运行管理已经进入智能化控制系统管理的新阶段。

3.工作原理

实验室智能化控制系统是利用目前成熟的工业计算机体系，通过上位机与现场控制硬件通讯连接，进行大数据采集存储、控制运算、输出控制，实现新风机组、排风机、变风量末端设备之间的联动关系。上位机与现场控制硬件进行数据交互，根据软件日程管理、系统安全管理等条件进行运算，将运算结果转换为的控制指令下发至现场控制硬件。现场控制硬件读取现场各类输入测量设备信号和输出控制指令的表示信息，并根据输入输出条件进行控制运算，运算结果与上位机的运算结果复核，将复核后的安全指令输出至现场执行机构，实现多变量输入和多变量输出之间的复杂传递函数变换。

4. 技术特点

以新型微处理器和计算机软件技术为核心构成的实验室智能化控制系统的技术性能和管理水平远远超过电气集中联锁控制的技术性能和控制水平，因此智能化控制系统取代人工管理模式下的电气集中联锁控制是必然的趋势。技术特点上，实验室智能化控制系统的优势主要体现在实时性、先进性、集成性、扩展性、安全性及经济性等方面。

4.1实时性

实验室智能化控制系统上位机和现场控制硬件进行通讯，获取现场控制硬件采集的各类数据。对于涉及安全的故障数据，上位机以具有报警播报的形式输出到管理端，现场控制硬件连续工作、实时采集输入变量的变化趋势，周期性刷新通风系统各类测控设备与电气回路状态的表示信息进行控制运算，当输入条件发生改变时及时输出纠偏控制指令。

4.2先进性

实验室智能化控制系统上位机采用B/S设计架构，软件在本地服务器部署，用户工作界面通过WEB浏览器操作，以实现数据的高效处理。软件具备大容量专用数据库，以实现数据的长期存储和基于安全性的运行分析。现场控制硬件具有模块化结构，采用高波特率和高效传输协议的背板总线技术，以实现通风系统各类测量设备信号、电气回路状态信号、控制指令的快速处理。

4.3集成性

实验室智能化控制系统上位机为开放性网络体系，提供Step7-TCP、Modbus TCP等多种设备通信协议驱动，兼容国内外各类现场控制硬件。现场控制硬件支持接入模拟量/数字量输入、模拟量/数字量输出点位，以实现读取通风系统各测控设备、电气回路状态的表示信息及输出控制对象的控制指令，支持接入基于MODBUS RTU数据协议的485接口，以实现读取变风量阀（VAV）控制器内部数据并进行运算，将运算结果转换为控制指令写入变风量阀控制器，控制其正常运行。

4.4扩展性

实验室智能化控制系统上位机IO通信服务支持多线程、多任务处理功能，单台服务器数据支持较多点位冗余，通过点位扩展授权，以实现不影响现有系统运行的项目快速扩容。系统除实现替代电气集中联锁控制功能之外，还具有故障诊断、事件管理、报表管理等其它管理功能。现场控制硬件采用灵活的可组装性以及向上兼容性、支持热插拔，以便于系统实现不影响现有系统运行的项目快速扩展，确保投资的安全性。

4.5安全性

实验室智能化控制系统上位机采用热容错设计，以实现快速消除系统运行中的程序异常，确保系统长期运行的稳定性。软件包含综合系统安全管理程序，防止无授权访问和管理人员误操作导致设备异常运行。软件包含报警播报程序，当实验室事故发生时及时提醒人员撤离。

4.6经济性

实验室智能化控制系统取代电气集中联锁控制的一个重要原因是为了降低系统的建设和运行成本，一般来说系统成本表现在设计、施工、调试及运行过程中，智能化控制系统在设计、施工、调试阶段周期短，为企业节约大量时间成本和人力成本。

5.系统总体方案

实验室智能化控制系统涉及实验室新风机组、排风机、实验室通风橱变风量阀的控制管理，各类机电设备与电子设备众多、功能复杂，智能化控制系统是保证实验室通风系统运行安全性的重要系统。在认真分析智能化控制系统应用需求、工作原理以及技术特点的基础上，笔者设计了适用于科研建筑通风系统使用的智能化控制体系并实际运用于温州药检、烟台万华、浙江农林大学、华友钴业等100多个不同规模的实验室建筑，该系统被命名为实验室LEMS系统。

6.实验室LEMS系统结构组成

实验室LEMS系统采用分布式控制方式，由TCP/IP管理层和UDP控制层二级网络构成，由智能化控制系统中央管理站、现场核心控制设备、测量设备机控制对象三级控制组成（系统结构见图1），该系统具有统一管理、分散控制等优势。统一管理是指中央管理站，包含上位机数据采集存储、人机交互管理、日程管理、报警管理、事件管理及报表管理。分散控制是指现场控制硬件，核心设备采用西门子Step7-1500系列PLC控制器，包含PID运算、逻辑运算、算术运算、接口电路及监控对象等。该结构的优点在于可根据实验室建筑规模、实验室使用需求的不同，在不影响现有系统运行的基础上通过修改系统的静态数据并增设相应的现场控制硬件设备，智能化的控制体系结合实验室工艺设计使得现场施工与调试周期大为缩短，具有重要的实用性和经济性。

6.1数据采集存储

上位机通过计算机网络接口与现场控制核心设备西门子Step7-1500系列PLC控制器的PROFINET接口建立通连接，上位机载入设备通信协议驱动后建立并启动I/O通信服务，通过TCP网络协议和PLC进行数据交互。用于管理运算的数据直接纳入上位机运算内核里进行管理运算，其它数据存入系统专用数据库，便于将来诸如报警管理、事件管理及报表管理等进行数据调用。

6.2人机交互管理

综合系统安全管理程序授权管理人员登录可视化人机界面，实时查看通风系统的运行表示信息。当需要改变通风系统中设备的运行参数时，通过键盘、鼠标等操作输入指令并经二次确认后，由综合系统安全管理程序核定指令故障安全性，通过I/O通信服务和网络端口下发至现场控制硬件，以实现监控对象在工作时间内的安全、节能运行。

6.3日程管理

日程管理程序授权管理人员根据科研需求安排实验室通风系统的年度、月度、周及日工作时间，确保实验室通风系统的安全运行，非作业的实验室及作业时间外，新风机组和排风机转为低频运行、通风橱设置节能模式，满足实验室最小换气次数的要求，在保障实验室安全的情况下实现实验室通风系统的节能运行。

6.4报警管理

基于安全报警管理规范定义报警类别、设立实时报警优先级，在现场设备发生故障的情况时，对数据库采集存储的数据进行统一调度，针对故障分析进行“一键式”数据追踪、快速路径分析、数据随动锁定、报警数据抽取播报，协助管理人员快速排查故障根源，实现实验室通风系统的安全运行。

6.5事件管理

事件管理程序对数据库采集存储的数据进行分项管理，为管理人员记录各种关键信息，通过操作日志查询用户登录信息、用户操作信息及关键数据变化趋势等信息，方便管理人员对系统的历史信息或异常数据的便捷查询。

6.6报表管理

数据报表程序对数据库内数据进行分类管理，为管理人员记录设备状态信息和设备运行数据。通过数据查询复合窗口及图形显示技术查询模拟量及数字量表示信息的历史趋势曲线，通过数据运算分析及数据报表功能为实验室运维提供数据依据。

6.7 PID控制运算

PLC控制器的PID控制运算实现了传统的电气集中联锁控制不能完成的对实验室通风系统的新风机组（MAU）送风温湿度控制、排风机（EAF）排风静压控制及通风橱面风速控制等运行参数的运算，笔者以不承担实验室内温湿度负荷的MAU送风温湿度PID控制运行流程为例（MAU送风温湿度PID控制运算流程见图2）阐述现场PID控制运算的工作原理和实现功能。

6.8逻辑运算

PLC控制器的逻辑运算替代了传统的电气集中联锁控制由人工判断、手动操作的实验室通风系统的新风机组、新风阀、实验室送/排风阀、排风机（及排风阀等设备联锁运行，采用变风量阀替代传统的手动风阀，PLC控制器通过485接口采集其数据并进行高速逻辑运算，笔者分别以实验室补风和通风橱变风量阀连锁、新风机组和排风机连锁逻辑流程为例（连锁控制逻辑运算流程图见图3）阐述现场逻辑运算的工作原理和实现功能。

6.9高速算法

PLC控制器的算术运算实现了传统的电气集中联锁控制不能完成的对实验室换气次数及变风量实验室余风量等运行参数的运算，PLC控制器通过485接口采集变风量阀数据并进行算术运算，笔者以变风量实验室余风量计算为例阐述现场算术控制运算的工作原理和实现功能。

实验室余风量控制算术运算：75%×∑_Qp1^Qpn▒Qpi≤∑_Qs1^Qsn▒Qsi≤85%×∑_Qp1^Qpn▒Qpi;

其中，Qp为通风橱变风量排风量，Qs为变风量补风量。

6.10现场控制接口电路

现场控制接口电路采用专用电路规范监控设备的测控过程，其主要功能是实现现场监控设备表示信息与PLC控制器输出的控制指令的安全逻辑转换，保障PLC控制器的输入输出信息具有故障安全性。

6.11现场控制监控对象

现场控制监控对象是指智能化控制系统所包含的现场测控设备与机电设备，包括现场温湿度传感器、压力变送器、风量传感器、阀门执行器、变风量阀控制单元、风机控制电气回路等。

7. 可靠性设计

上位机采用热容错设计，分别设置I/O通信服务、数据库服务及界面运行服务，三种服务相互监控运行状态以快速消除其中某一种服务的异常，确保系统的安全稳定运行。

现场核心控制设备采用高可靠性、高寿命的西门子Step7-1500系列PLC控制器，安全运行寿命可达106h ～107h，是传统电气集中联锁控制设备的10倍以上。

上位机采用基于Windows可视化语言编程，下位机采用step7语言编程，实现了上位机和现场控制程序双校验，确保控制运算结果完全正确后才发出执行指令，避免导致危险输出。

8.LEMS系统在科研建筑通风系统运行管理中的作用

通过实验室LEMS系统的触摸屏、现场服务器和WEB浏览器实现灵活多变的管理控制方式，可以现场分区域管理、集中管理、远程管理。

通过智能化控制系统人机交互界面实时调度实验室画面信息，使得远程一目了然的观看实验室通风系统各项设备的画面和运行数据。

通过智能化控制系统控制运算程序，控制实验室通风系统的温湿度、风管静压、实验室换气次数与实验室余风量。

9.总结

实验室LEMS系统已在国内100多个科研建筑使用并且运行安全稳定，实践证明其具有良好的安全性和可靠性，实现了实验室通风系统运行的智能化和信息化。

目前，新一代的实验室智能化控制系统已经将可燃气体报警系统、空调冷热源系统纳入控制，进一步提升科研实验室运行的安全性，同时，根据实验室末端负荷需求控制冷热源系统的运行，有效降低了科研建筑的运行能耗。

参考资料

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作者简介：姓名 ：张登科

性别 ：男

出生年月：1978.4

籍贯（精确到市）：江苏省徐州市

学历：大学本科

职称：中级-电气设计

研究方向：建筑电气及智能化

单位：上海瀚广实业有限公司

单位邮编 ：200030