層流潔凈手術室凈化空調控制系統的設計與實現

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

0 引 言 

　　 
　　潔凈手術室作為醫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。但由于手術室內的無影燈、普通照明燈等均會對溫度和濕度產生影響,導致其很難滿足手術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室中最重要的控制指標。溫度直接影響病人及醫護人員的舒適程度,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,濕度控制也極為重要。這就要求手術室內的空調系統能夠根據特定的算法調節溫濕度,并根據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構成控制系統。 
　　 
　　1 系統控制要求 
　　 
　　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室面板溫度設定值比較并進行PID計算,將結果輸出到相應模擬量輸出,如冷凍/熱水的電動調節閥,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室面板濕度設定值比較并進行PID計算,將結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節閥的開度調節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,而是對水閥調節器和加熱器的綜合PID控制實現的。 
　　1.3 風道壓力控制 
　　按照工藝要求,風道內壓力需保持一定值,以滿足手術室醫用要求。系統通過變頻器驅動送風機,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 
　　按照現場工藝要求,在手術室內設有操作面板一塊,可以設定溫度,濕度并控制系統啟停,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。出于調試系統的目的,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的控制優先權高于手術室設定面板,可屏蔽來自手術室的設定信號。 
　　1.5 安全要求 
　　該系統中故障信號有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 系統硬件及工藝簡介 
　　 
　　2.1 硬件組成 
　　整個系統硬件由檢測元件,控制元件與執行元件組成。 
　　通過設置在風道內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及手術室控制面板；執行元件包括水管的電動調節閥,加濕器調節閥和加熱器調節閥等。 
　　2.2 工藝介紹 
　　系統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。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。該系統要求濕度優先調節。所謂濕度優先調節是指夏季濕度較高時候,控制器通過計算后調節送水管的開度(管內是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,系統自動進入溫度控制狀態。 
　　工作模式選擇流程圖如圖1所示。 
　　 
　　3 系統軟件設計 
　　 
　　根據工藝要求和硬件配置,采用西門子公司的STEP7 MICRO/WIN32軟件進行系統組態和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控制分為TD400C設置(手動)和手術室控制面板設置(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室面板的設定溫、濕度及系統啟停信號。出于調試系統的考慮,系統還設置了強制模式。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,