生物制藥企業(yè)中的空調(diào)自控系統(tǒng)及其相關問題研究進展

1、.生物制藥企業(yè)中的空調(diào)自控系統(tǒng)及其相關問題研究進展高娜(長春生物制品研究所有限責任公司，吉林長春130062)【關鍵詞】GMP; 潔凈; 溫濕度; 空調(diào)自控系統(tǒng); 節(jié)能隨著生物制藥技術的不斷發(fā)展和壯大，我國對生物制藥企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的規(guī)范化要求也逐漸提高。而空調(diào)自控系統(tǒng)不但能夠滿足各制藥企業(yè)對生產(chǎn)車間空氣潔凈度以及溫濕度控制的要求，還具備了合理分配、智能啟停、充分利用系統(tǒng)資源等特點，使整個控制過程更加簡便智能。因此，空調(diào)自控系統(tǒng)已經(jīng)成為生物制藥企業(yè)必不可少的選擇。然而，由于空調(diào)自控系統(tǒng)所連接的前端設備數(shù)量龐大，對應參數(shù)較多且需要長時間運行，所以其耗電量也相對大。目前，無論是在醫(yī)藥企業(yè)還是在智能樓宇

2、自控系統(tǒng)中，空調(diào)自控系統(tǒng)的耗電量都占有很大比重，其系統(tǒng)耗電量通常占總耗電量的35% 甚至45% 以上，因此，空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制是具有巨大經(jīng)濟效益和研究潛力的。在計算機、網(wǎng)絡與控制技術不斷發(fā)展的今天，如何根據(jù)實際情況，開發(fā)設計出高效、節(jié)能的空調(diào)自控系統(tǒng)已成為國內(nèi)外重要的研究課題之一。1 適用于潔凈廠房的空調(diào)自控系統(tǒng)隨著我國對潔凈廠房設計技術的大幅度提升，空調(diào)自控系統(tǒng)已經(jīng)成為生產(chǎn)過程中最基本也是最重要的部分，由高度自動化的綜合管理和龐大的控制系統(tǒng)組成，將廠房內(nèi)各相關設備連接到同一個控制網(wǎng)絡上，并通過網(wǎng)絡對其進行綜合控制，以確保廠房內(nèi)的溫濕度平衡和各空調(diào)設備的實時監(jiān)控和安全?？照{(diào)自控系統(tǒng)將潔凈廠房外

3、的自然風經(jīng)過初、中、高效多級過濾處理，在達到規(guī)定溫濕度的前提下送入生產(chǎn)車間內(nèi)，并合理調(diào)整室內(nèi)的空氣流動速度及壓力，以保證控制的實時性和有效性。1. 1 空調(diào)自控系統(tǒng)1. 1. 1 空調(diào)自控系統(tǒng)的控制機制空調(diào)自控系統(tǒng)是為確保達到一定的環(huán)境標準，對建筑物內(nèi)的大量空調(diào)設備進行全面管理和統(tǒng)一監(jiān)控的系統(tǒng)，主要包括對空調(diào)機組的監(jiān)控、新風機組的監(jiān)控、水系統(tǒng)及其冷熱源的監(jiān)控、變風量系統(tǒng)的監(jiān)控等。而空調(diào)機組的管理調(diào)節(jié)對象就是相應區(qū)域的溫、濕度等變量參數(shù)。其主要控制功能包括: 溫濕度控制、風機控制、安全控制、壓力控制以及報警器控制等。以溫度控制為例: 在夏季，各分站根據(jù)其內(nèi)部時鐘設定夏季標準溫度，然后將此參量與溫

4、度傳感器采集到的回風溫度做比較，并通過PID 和模糊控制算法進行計算，調(diào)節(jié)制冷盤管的三通調(diào)節(jié)閥三通調(diào)節(jié)閥是自動化控制系統(tǒng)中儀表的執(zhí)行單元，以AC 220 V 電源電壓作動力，接受來自DCS、PLC 系統(tǒng)或調(diào)節(jié)儀表、操作器等輸入的( 4 20 mA、0 10mA 或1 5 VDC) 電流信號或電壓信號，即可控制運轉(zhuǎn)，以使回風溫度與設定溫度一致; 在冬季，各分站根據(jù)已確定的冬季溫度設定，與溫度傳感器所采集的回風溫度做比較，并采用同樣的方法來確定溫度調(diào)整。1. 1. 2 空調(diào)自控系統(tǒng)的作用(1) 自動控制: 使用空調(diào)自動控制系統(tǒng)，不但可以對室內(nèi)空氣的溫度、濕度、塵埃粒子等數(shù)值加以自動采集及控制，而且

5、在保持最佳室內(nèi)狀態(tài)的同時，還大幅提高了工作效率。尤其針對工藝性較強的醫(yī)藥企業(yè)而言，為保持室內(nèi)參數(shù)穩(wěn)定，其溫度波動范圍不宜大于± 1，相對濕度不宜大于± 5%; 并且當遇到只允許指定操作人員進入的潔凈房間時，空調(diào)系統(tǒng)管理人員想要進出空調(diào)機房就會非常不方便，而在這里使用空調(diào)自控系統(tǒng)就尤為適合。( 2) 節(jié)約能源: 現(xiàn)階段，大部分中央空調(diào)自控系統(tǒng)都已經(jīng)從個別控制進入到了綜合能量控制，形成了基于微機控制的能量管理系統(tǒng)，能夠達到最優(yōu)化控制，其節(jié)能效果非常明顯。例如對于大面積空調(diào)，采用自動控制防止過熱、過冷，最大限度地利用新風和一、二次回風防止冷熱抵消，尤其對室內(nèi)溫濕度要求不嚴的系統(tǒng)，

6、其節(jié)能的效果是顯著的。而對于未能進行系統(tǒng)升級更新或要求標準較為嚴格的制藥企業(yè)，則需要根據(jù)各地氣候特點及其實際工作需求和系統(tǒng)功能等因素自行調(diào)整及管理，以達到有效節(jié)能的目的。( 3) 實時監(jiān)測和警報: 自控系統(tǒng)的實時監(jiān)測，在保證空調(diào)系統(tǒng)正常工作的前提下，還保證了故障的及時發(fā)現(xiàn)與處理，能夠有效防止事故的發(fā)生和系統(tǒng)設備的安全運。該功能會將錯誤報警信息儲存起來，并提供給管理人員進行診斷分析。目前大部分空調(diào)自控系統(tǒng)已具備了遇到火災時，空調(diào)風機自動停止、無風斷電保護以及制冷壓縮機的高壓、低風、油壓保護等等。1. 2 空調(diào)自控系統(tǒng)參數(shù)設置參照標準隨著生命科學與生物制藥技術的研究與發(fā)展，我國已對生物制藥企業(yè)的生

7、產(chǎn)環(huán)境提出了更高的要求，而藥品生產(chǎn)質(zhì)量規(guī)范( GMP 認證) 的實施已成為目前各制藥企業(yè)需要解決的首要問題。GMP 認證是指由省食品藥品監(jiān)督管理局組織GMP 評審專家對企業(yè)人員、培訓、廠房設施、生產(chǎn)環(huán)境、衛(wèi)生狀況、物料管理、生產(chǎn)管理、質(zhì)量管理、銷售管理等企業(yè)涉及的所有環(huán)節(jié)進行檢查，評定是否達到規(guī)范要求的過程，也是我國藥品生產(chǎn)企業(yè)管理的基本法則。通過GMP 認證，可以有效防止醫(yī)藥生產(chǎn)過程中因污染或交叉污染等任何危及藥品質(zhì)量的情況發(fā)生，保證生產(chǎn)過程和藥品質(zhì)量的高精度、高純度及高成品率。根據(jù)對2010 版廠房設備GMP 實施指南以及潔凈廠房設計規(guī)范中的內(nèi)容，可以將空調(diào)自控系統(tǒng)參數(shù)設置規(guī)則總結(jié)如下。生

8、產(chǎn)工藝對溫度和濕度無特殊要求時，空氣潔凈度A 級、B 級的醫(yī)藥潔凈室( 區(qū)) 溫度應為20 24，相對濕度應為45% 60%; 空氣潔凈度D 級的醫(yī)藥潔凈室( 區(qū)) 溫度應為18 26，相對濕度應為45% 65%。人員凈化及生活用室的溫度，冬季應為16 20，夏季為26 30。按潔凈等級劃分可得: 100 級35 * 100;1 000 級35 * 1 000 250; 10 000 級35 *10 0002 500; 100 000 級 35 * 100 000 25 0008。潔凈區(qū)需保持一定正壓，潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間、不同潔凈區(qū)之間的壓差應不低于10 Pa7。必要時，相同潔凈區(qū)內(nèi)不同功能

9、房間之間應保持適當?shù)膲翰钐荻?。醫(yī)藥潔凈室( 區(qū)) 應根據(jù)生產(chǎn)要求提供足夠的照度。主要工作室一般照明的照度值不宜低于300lx; 輔助工作室、走廊、氣閘室、人員凈化和物料凈化用室( 區(qū)) 不宜低于150 lx。對照度有特殊要求的生產(chǎn)部位可設置局部照明。非單向流的醫(yī)藥潔凈室( 區(qū)) 噪聲級( 空態(tài)) 應不大于60 dB( A) 。單向流和混合流的醫(yī)藥潔凈室( 區(qū)) 噪聲級( 空態(tài)) 應不大于65 dB( A)。2 空調(diào)自控系統(tǒng)的節(jié)能問題空調(diào)自控系統(tǒng)在生物制藥企業(yè)潔凈廠房建設中雖然非常重要，但其消耗的能源也是全部能源消耗比例中最大的，所以若能通過良好的調(diào)節(jié)和控制，做到有效利用、合理安排及管理，才能真

10、正發(fā)揮其作用優(yōu)勢，使節(jié)能效果更加顯著。在GMP 認證體系不斷完善的今天，各醫(yī)藥企業(yè)對藥品生產(chǎn)車間的空氣質(zhì)量要求也不斷增高，然而考慮到企業(yè)效益，又需要在保持標準潔凈度的同時最大限度地降低空調(diào)能耗。因此，應當在對廠房設備GMP 實施指南進行深入的總結(jié)及分析的同時，結(jié)合當?shù)貧夂蛱攸c以及實際要求等因素來制定合理有效的實施方案。2. 1 自然環(huán)境對空調(diào)機組的影響首先，整個空調(diào)系統(tǒng)在運行中存在著極其復雜的動態(tài)性。1 年之中自然氣候變化莫測，空調(diào)的冷熱量并不是均勻分布的，即使1 d 之中的量也是隨時間的變化而變化。由于空調(diào)系統(tǒng)末端的數(shù)值變化時，勢必造成系統(tǒng)的水壓、水量、風壓、冷量等的波動，導致相關設備如水泵

11、、風機、調(diào)節(jié)閥、風閥等前端設備的狀態(tài)變化。其次，空調(diào)運行中能量交換的動態(tài)性。在巡回采樣周期為1 min 的運行趨勢圖中，可以清楚地看到，空氣處理單元運行過程中自控系統(tǒng)是按照回風、新風的溫、濕度與設定參數(shù)的差值來改變各臺空調(diào)機電磁調(diào)節(jié)閥的開啟度，而最終形成了冷( 熱) 水管的總流量值不停頓變化。從以上可以看出，空調(diào)系統(tǒng)是一個相干性強、且具有強烈動態(tài)特點的非線性系統(tǒng)，其系統(tǒng)始終處于隨動調(diào)節(jié)狀態(tài)，為了節(jié)約能源，確保設備安全運行，使用自控系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)進行操作、監(jiān)控與管理是必然的。3. 2 溫度控制通常，建筑物內(nèi)不需要的熱量是靠空調(diào)處理單元冷卻盤管中的冷凍水帶走的。建筑物內(nèi)的熱量越多，冷凍水流量需求也

12、就越大。因此，如果想要精確控制空調(diào)系統(tǒng)的運行，就必須以空調(diào)供水及回水系統(tǒng)的流量和溫度作為調(diào)整依據(jù)，來實現(xiàn)對具有動態(tài)非線性特征的空調(diào)系統(tǒng)的合理控制。保證供水溫度和壓力穩(wěn)定在一個最佳狀態(tài)，并且最大程度地改善空調(diào)末端裝置的自動調(diào)節(jié)機制。為了應對不同季節(jié)條件下的量值變動，一般空調(diào)系統(tǒng)會使用多臺制冷機組來應對制冷量上的需求。在這里，可以根據(jù)冷凍水供水和回水溫度的差值及其流量來計算出空調(diào)系統(tǒng)實際需要的冷量，并把所需冷量與制冷機組的產(chǎn)冷量的差值作為開啟制冷機組數(shù)量的參考值，在保證需求的同時，實現(xiàn)能源節(jié)約。但是大部分制冷機水流量與所需制冷量并非線性關系而多為對數(shù)關系，所以單考慮該差值來進行判斷時，可能會因極值

13、而影響其準確性。如果能夠引入冷凍水流量信號作為輔助參考，以兩個參數(shù)作為開啟或關停的判斷數(shù)據(jù)就可以大大提升其準確性。還可以采用冷凍水一次泵作為變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，在冷凍水供水及回水總管間設置流量旁通閥，當冷凍水的系統(tǒng)需求量大于一臺制冷機蒸發(fā)器最低許可流量值時，流量旁通閥時關閉的; 只有冷凍水的系統(tǒng)需求流量低于一臺制冷機蒸發(fā)器最低許可流量值時，才需要啟動分、集水器之間流量旁通控制。2. 3 空氣處理目前我國所使用的空調(diào)自控系統(tǒng)，其空氣處理部分所涉及的自控模式仍具有一定的局限性，并沒有真正發(fā)揮出計算機監(jiān)控的優(yōu)勢。隨著電子技術的不斷進步，變頻裝置的發(fā)展也日趨完善，為了能夠在保證現(xiàn)場溫、濕度調(diào)控的基礎上，

14、實現(xiàn)有效節(jié)能，就需要對空氣處理單元進行改進與完善。首先，可以采用變頻控制系統(tǒng)使其成為變風量系統(tǒng)，以房間內(nèi)實時檢測到的溫度、壓力數(shù)值為依據(jù)來控制風機轉(zhuǎn)速，在保證正常使用狀態(tài)的同時節(jié)約能源。其次，采用壓差變送器并取消風機前后的壓差開關，可以通過調(diào)試來了解管路和風機特性，進而通過BAS 系統(tǒng)準確了解風機轉(zhuǎn)速和壓差，控制風機的風量、風壓，確保風機的正常運行。最后，還可以在新風管路上設置過濾器的同時設置壓差變送器。新風閥可以通過房間的空氣質(zhì)量傳感器進行控制，在保證最小新風量的同時保證空氣質(zhì)量。而過濾器則應選擇壓差變送器而非差壓開關，通過阻力的變化趨勢、風量與阻力的對應關系來確定過濾器的清晰更換周期，而不

15、是通過預先規(guī)定的前后壓差值來確定過濾器的更換周期，這樣不但能有效控制室內(nèi)含塵量，還能對初、中、高效過濾器進行有效利用，保證了過濾器的最佳清洗周期。3. 4 風量及壓力控制對于風量，可以將檢測到的實時風量參數(shù)輸送至PLC，并通過PID 算法計算出變頻風機的頻率，根據(jù)GMP 認證中要求的標準換氣次數(shù)，可以使輸出的風量逐漸趨向于設定值并在滿足房間內(nèi)風量需求的基礎上，實現(xiàn)各房間以最小角度開啟電動風閥。這樣空調(diào)系統(tǒng)就可以通過新風閥的開度與變頻風機的聯(lián)動來達到最佳節(jié)能效果。然而為了使房間壓差控制更加穩(wěn)定，就需要選擇定變風量閥來進行控制。PLC 將以采集到的各房間壓差值進行計算，尋找到滿足GMP 要求的輸出給定的變風量閥開度。而期間通過與變頻風機的聯(lián)動組成的回路能最大限度節(jié)約風量輸送。綜上所述，空調(diào)自控系統(tǒng)只有通過對供水、回水以及風量控制等諸多環(huán)節(jié)做到及時調(diào)節(jié)，精確控制，才能在保證室內(nèi)溫濕度、壓力和潔凈度等多方面要求的同時，實現(xiàn)精確化運行及能源的有效節(jié)約。3 總結(jié)綜上可以看出，空調(diào)自控系統(tǒng)雖具有諸多優(yōu)勢，但若不能合理實施則也會產(chǎn)生出許多弊端。例如，系統(tǒng)設計的不完