層流潔凈手術(shù)室凈化空調(diào)控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　摘 要：潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的溫度與濕度控制效果對于手術(shù)有直接的影響。介紹了一種基于西門子S7-200PLC和TD-400C的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)潔凈手術(shù)室對溫濕度的控制。由于溫濕度具有大滯后性,使用傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)方法難以得到滿意效果,通過引入溫度變化率來調(diào)整死區(qū),改善了系統(tǒng)的控制效果,有效避免了過沖。經(jīng)過實際運行,驗證其在潔凈手術(shù)室控制系統(tǒng)中的可行性。 

0 引 言 

　　 
　　潔凈手術(shù)室作為醫(yī)院中控制要求最高的單位之一,其對溫濕度有著恒定的控制要求。但由于手術(shù)室內(nèi)的無影燈、普通照明燈等均會對溫度和濕度產(chǎn)生影響,導致其很難滿足手術(shù)時溫度和濕度需保持恒定的要求,故溫、濕度指標是潔凈手術(shù)室中最重要的控制指標。溫度直接影響病人及醫(yī)護人員的舒適程度,而當房間濕度大于60％時候,細菌繁殖的速度就會大大加快,從控制細菌滋生的角度出發(fā),濕度控制也極為重要。這就要求手術(shù)室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)特定的算法調(diào)節(jié)溫濕度,并根據(jù)相應操作面板上的設定值快速響應實時控制要求。這里采用基于西門子S7-224cn PLC和文本顯示器 TD400C構(gòu)成控制系統(tǒng)。 
　　 
　　1 系統(tǒng)控制要求 
　　 
　　1.1 溫度控制要求 
　　通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風溫度,并將所測得的溫度信號送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的溫度和通過手術(shù)室面板溫度設定值比較并進行PID計算,將結(jié)果輸出到相應模擬量輸出,如冷凍/熱水的電動調(diào)節(jié)閥,通過控制其開度達到溫度控制的目的。 
　　1.2 濕度控制要求 
　　通過設置在風管里的溫濕度一體傳感器檢測回風濕度,并將所測得的溫度信號傳送到PLC的模擬輸入端。PLC將測得的濕度和通過手術(shù)室面板濕度設定值比較并進行PID計算,將結(jié)果輸出到相應模擬量輸出。在冬季模式里通過對加濕器電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)達到濕度控制的目的。而在夏季模式里,濕度的控制并非通過對加濕器開度的單一控制,而是對水閥調(diào)節(jié)器和加熱器的綜合PID控制實現(xiàn)的。 
　　1.3 風道壓力控制 
　　按照工藝要求,風道內(nèi)壓力需保持一定值,以滿足手術(shù)室醫(yī)用要求。系統(tǒng)通過變頻器驅(qū)動送風機,事先將滿足工藝要求時的變頻器頻率值作為設定值,將設置在管道內(nèi)的回風壓力檢測傳感器測得的壓力值作為反饋值,通過PID計算控制變頻器的輸出頻率,以達到風壓控制要求。 
　　1.4 人機界面要求 
　　按照現(xiàn)場工藝要求,在手術(shù)室內(nèi)設有操作面板一塊,可以設定溫度,濕度并控制系統(tǒng)啟停,同時面板上有實時溫度和濕度顯示功能；同樣,在控制柜上安裝了人機界面TD400C,通過TD400C也可設定溫度濕度啟停機組。出于調(diào)試系統(tǒng)的目的,在TD400C上設有強制模式,及人工設定回風溫濕度,屏蔽報警信號。TD400C的控制優(yōu)先權(quán)高于手術(shù)室設定面板,可屏蔽來自手術(shù)室的設定信號。 
　　1.5 安全要求 
　　該系統(tǒng)中故障信號有3種,分別是送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號。這3種信號都是為了保障風道內(nèi)的空氣流通。報警要有聲光顯示,提醒工作人員采取措施。 
　　 
　　2 系統(tǒng)硬件及工藝簡介 
　　 
　　2.1 硬件組成 
　　整個系統(tǒng)硬件由檢測元件,控制元件與執(zhí)行元件組成。 
　　通過設置在風道內(nèi)的溫濕度一體傳感器來檢測回風溫濕度;通過設置在管風道內(nèi)的壓力傳感器檢測回風壓力；通過設置在水管上的溫度傳感器來檢測水溫并以此判斷工作模式；控制元件主要指S7-224 PLC,TD400C及手術(shù)室控制面板；執(zhí)行元件包括水管的電動調(diào)節(jié)閥,加濕器調(diào)節(jié)閥和加熱器調(diào)節(jié)閥等。 
　　2.2 工藝介紹 
　　系統(tǒng)啟動后若無缺風保護等報警信號,則開始通過安裝在送水管上的傳感器檢測水溫工作模式系統(tǒng)。工作模式分為冬夏兩季。若送水管水溫大于30 ℃則為冬季模式,低于30 ℃則為夏季模式。 
　　在冬季模式里,若回風溫度低于設定溫度,則打開水閥執(zhí)行器,流出更多的熱水以提高溫度；若回風濕度低于設定濕度,則打開加濕器開度,以提高濕度。冬季模式里若回風溫度高于設定值,則減小水閥執(zhí)行器的輸出開度；通常情況下冬季模式里回風濕度總是低于設定濕度的,故不考慮回風濕度高于設定濕度的可能。 
　　在夏季模式里,控制要求主要是除溫除濕。該系統(tǒng)要求濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)。所謂濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)是指夏季濕度較高時候,控制器通過計算后調(diào)節(jié)送水管的開度(管內(nèi)是7 ℃左右的冷凍水)達到降溫除濕的目的,而由此造成的溫度差則通過打開電加熱器來補償。當回風濕度達到設定要求時,系統(tǒng)自動進入溫度控制狀態(tài)。 
　　工作模式選擇流程圖如圖1所示。 
　　 
　　3 系統(tǒng)軟件設計 
　　 
　　根據(jù)工藝要求和硬件配置,采用西門子公司的STEP7 MICRO/WIN32軟件進行系統(tǒng)組態(tài)和TD400C人機界面設計。 
　　圖1 工作模式選擇流程框圖 
　　軟件設計主要包括溫濕度控制,強制模式選擇,工作模式選擇和故障報警處理。 
　　3.1 模式選擇 
　　控制模式設置是指系統(tǒng)控制分為TD400C設置(手動)和手術(shù)室控制面板設置(自動)兩種。在手動模式下又有強制和非強制模式。在手動模式下可以屏蔽手術(shù)室面板的設定溫、濕度及系統(tǒng)啟停信號。出于調(diào)試系統(tǒng)的考慮,系統(tǒng)還設置了強制模式。在強制模式下,可以手動設定回風溫度、回風濕度、回風壓力等傳感器信號,并可以手動復位各種故障報警信號,其控制模式選擇流程圖如圖2所示。 
　　圖2 控制模式選擇流程框圖 
　　3.2 故障報警處理 
　　按照設計要求,如果出現(xiàn)送風機故障信號,缺風保護故障信號,中效壓差信號,將有聲光顯示,提醒工作人員采取措施,