生物制药企业中的空调自控系统及其相关问题研究进展.doc

生物制药企业中的空调自控系统及其相关问题研究进展高娜(长春生物制品研究所有限责任公司，吉林长春130062)【关键词】GMP; 洁净; 温湿度; 空调自控系统; 节能随着生物制药技术的不断发展和壮大，我国对生物制药企业生产环境的规范化要求也逐渐提高。而空调自控系统不但能够满足各制药企业对生产车间空气洁净度以及温湿度控制的要求，还具备了合理分配、智能启停、充分利用系统资源等特点，使整个控制过程更加简便智能。因此，空调自控系统已经成为生物制药企业必不可少的选择。然而，由于空调自控系统所连接的前端设备数量庞大，对应参数较多且需要长时间运行，所以其耗电量也相对大。目前，无论是在医药企业还是在智能楼宇自控系统中，空调自控系统的耗电量都占有很大比重，其系统耗电量通常占总耗电量的35% 甚至45% 以上，因此，空调系统的节能控制是具有巨大经济效益和研究潜力的。在计算机、网络与控制技术不断发展的今天，如何根据实际情况，开发设计出高效、节能的空调自控系统已成为国内外重要的研究课题之一。1 适用于洁净厂房的空调自控系统随着我国对洁净厂房设计技术的大幅度提升，空调自控系统已经成为生产过程中最基本也是最重要的部分，由高度自动化的综合管理和庞大的控制系统组成，将厂房内各相关设备连接到同一个控制网络上，并通过网络对其进行综合控制，以确保厂房内的温湿度平衡和各空调设备的实时监控和安全。空调自控系统将洁净厂房外的自然风经过初、中、高效多级过滤处理，在达到规定温湿度的前提下送入生产车间内，并合理调整室内的空气流动速度及压力，以保证控制的实时性和有效性。1. 1 空调自控系统1. 1. 1 空调自控系统的控制机制空调自控系统是为确保达到一定的环境标准，对建筑物内的大量空调设备进行全面管理和统一监控的系统，主要包括对空调机组的监控、新风机组的监控、水系统及其冷热源的监控、变风量系统的监控等。而空调机组的管理调节对象就是相应区域的温、湿度等变量参数。其主要控制功能包括: 温湿度控制、风机控制、安全控制、压力控制以及报警器控制等。以温度控制为例: 在夏季，各分站根据其内部时钟设定夏季标准温度，然后将此参量与温度传感器采集到的回风温度做比较，并通过PID 和模糊控制算法进行计算，调节制冷盘管的三通调节阀三通调节阀是自动化控制系统中仪表的执行单元，以AC 220 V 电源电压作动力，接受来自DCS、PLC 系统或调节仪表、操作器等输入的( 4 20 mA、0 10mA 或1 5 VDC) 电流信号或电压信号，即可控制运转，以使回风温度与设定温度一致; 在冬季，各分站根据已确定的冬季温度设定，与温度传感器所采集的回风温度做比较，并采用同样的方法来确定温度调整。1. 1. 2 空调自控系统的作用(1) 自动控制: 使用空调自动控制系统，不但可以对室内空气的温度、湿度、尘埃粒子等数值加以自动采集及控制，而且在保持最佳室内状态的同时，还大幅提高了工作效率。尤其针对工艺性较强的医药企业而言，为保持室内参数稳定，其温度波动范围不宜大于 1，相对湿度不宜大于 5%; 并且当遇到只允许指定操作人员进入的洁净房间时，空调系统管理人员想要进出空调机房就会非常不方便，而在这里使用空调自控系统就尤为适合。( 2) 节约能源: 现阶段，大部分中央空调自控系统都已经从个别控制进入到了综合能量控制，形成了基于微机控制的能量管理系统，能够达到最优化控制，其节能效果非常明显。例如对于大面积空调，采用自动控制防止过热、过冷，最大限度地利用新风和一、二次回风防止冷热抵消，尤其对室内温湿度要求不严的系统，其节能的效果是显著的。而对于未能进行系统升级更新或要求标准较为严格的制药企业，则需要根据各地气候特点及其实际工作需求和系统功能等因素自行调整及管理，以达到有效节能的目的。( 3) 实时监测和警报: 自控系统的实时监测，在保证空调系统正常工作的前提下，还保证了故障的及时发现与处理，能够有效防止事故的发生和系统设备的安全运。该功能会将错误报警信息储存起来，并提供给管理人员进行诊断分析。目前大部分空调自控系统已具备了遇到火灾时，空调风机自动停止、无风断电保护以及制冷压缩机的高压、低风、油压保护等等。1. 2 空调自控系统参数设置参照标准随着生命科学与生物制药技术的研究与发展，我国已对生物制药企业的生产环境提出了更高的要求，而药品生产质量规范( GMP 认证) 的实施已成为目前各制药企业需要解决的首要问题。GMP 认证是指由省食品药品监督管理局组织GMP 评审专家对企业人员、培训、厂房设施、生产环境、卫生状况、物料管理、生产管理、质量管理、销售管理等企业涉及的所有环节进行检查，评定是否达到规范要求的过程，也是我国药品生产企业管理的基本法则。通过GMP 认证，可以有效防止医药生产过程中因污染或交叉污染等任何危及药品质量的情况发生，保证生产过程和药品质量的高精度、高纯度及高成品率。根据对2010 版厂房设备GMP 实施指南以及洁净厂房设计规范中的内容，可以将空调自控系统参数设置规则总结如下。生产工艺对温度和湿度无特殊要求时，空气洁净度A 级、B 级的医药洁净室( 区) 温度应为20 24，相对湿度应为45% 60%; 空气洁净度D 级的医药洁净室( 区) 温度应为18 26，相对湿度应为45% 65%。人员净化及生活用室的温度，冬季应为16 20，夏季为26 30。按洁净等级划分可得: 100 级35 * 100;1 000 级35 * 1 000 250; 10 000 级35 *10 0002 500; 100 000 级 35 * 100 000 25 0008。洁净区需保持一定正压，洁净区与非洁净区之间、不同洁净区之间的压差应不低于10 Pa7。必要时，相同洁净区内不同功能房间之间应保持适当的压差梯度。医药洁净室( 区) 应根据生产要求提供足够的照度。主要工作室一般照明的照度值不宜低于300lx; 辅助工作室、走廊、气闸室、人员净化和物料净化用室( 区) 不宜低于150 lx。对照度有特殊要求的生产部位可设置局部照明。非单向流的医药洁净室( 区) 噪声级( 空态) 应不大于60 dB( A) 。单向流和混合流的医药洁净室( 区) 噪声级( 空态) 应不大于65 dB( A)。2 空调自控系统的节能问题空调自控系统在生物制药企业洁净厂房建设中虽然非常重要，但其消耗的能源也是全部能源消耗比例中最大的，所以若能通过良好的调节和控制，做到有效利用、合理安排及管理，才能真正发挥其作用优势，使节能效果更加显著。在GMP 认证体系不断完善的今天，各医药企业对药品生产车间的空气质量要求也不断增高，然而考虑到企业效益，又需要在保持标准洁净度的同时最大限度地降低空调能耗。因此，应当在对厂房设备GMP 实施指南进行深入的总结及分析的同时，结合当地气候特点以及实际要求等因素来制定合理有效的实施方案。2. 1 自然环境对空调机组的影响首先，整个空调系统在运行中存在着极其复杂的动态性。1 年之中自然气候变化莫测，空调的冷热量并不是均匀分布的，即使1 d 之中的量也是随时间的变化而变化。由于空调系统末端的数值变化时，势必造成系统的水压、水量、风压、冷量等的波动，导致相关设备如水泵、风机、调节阀、风阀等前端设备的状态变化。其次，空调运行中能量交换的动态性。在巡回采样周期为1 min 的运行趋势图中，可以清楚地看到，空气处理单元运行过程中自控系统是按照回风、新风的温、湿度与设定参数的差值来改变各台空调机电磁调节阀的开启度，而最终形成了冷( 热) 水管的总流量值不停顿变化。从以上可以看出，空调系统是一个相干性强、且具有强烈动态特点的非线性系统，其系统始终处于随动调节状态，为了节约能源，确保设备安全运行，使用自控系统对空调系统进行操作、监控与管理是必然的。3. 2 温度控制通常，建筑物内不需要的热量是靠空调处理单元冷却盘管中的冷冻水带走的。建筑物内的热量越多，冷冻水流量需求也就越大。因此，如果想要精确控制空调系统的运行，就必须以空调供水及回水系统的流量和温度作为调整依据，来实现对具有动态非线性特征的空调系统的合理控制。保证供水温度和压力稳定在一个最佳状态，并且最大程度地改善空调末端装置的自动调节机制。为了应对不同季节条件下的量值变动，一般空调系统会使用多台制冷机组来应对制冷量上的需求。在这里，可以根据冷冻水供水和回水温度的差值及其流量来计算出空调系统实际需要的冷量，并把所需冷量与制冷机组的产冷量的差值作为开启制冷机组数量的参考值，在保证需求的同时，实现能源节约。但是大部分制冷机水流量与所需制冷量并非线性关系而多为对数关系，所以单考虑该差值来进行判断时，可能会因极值而影响其准确性。如果能够引入冷冻水流量信号作为辅助参考，以两个参数作为开启或关停的判断数据就可以大大提升其准确性。还可以采用冷冻水一次泵作为变频调速控制系统，在冷冻水供水及回水总管间设置流量旁通阀，当冷冻水的系统需求量大于一台制冷机蒸发器最低许可流量值时，流量旁通阀时关闭的; 只有冷冻水的系统需求流量低于一台制冷机蒸发器最低许可流量值时，才需要启动分、集水器之间流量旁通控制。2. 3 空气处理目前我国所使用的空调自控系统，其空气处理部分所涉及的自控模式仍具有一定的局限性，并没有真正发挥出计算机监控的优势。随着电子技术的不断进步，变频装置的发展也日趋完善，为了能够在保证现场温、湿度调控的基础上，实现有效节能，就需要对空气处理单元进行改进与完善。首先，可以采用变频控制系统使其成为变风量系统，以房间内实时检测到的温度、压力数值为依据来控制风机转速，在保证正常使用状态的同时节约能源。其次，采用压差变送器并取消风机前后的压差开关，可以通过调试来了解管路和风机特性，进而通过BAS 系统准确了解风机转速和压差，控制风机的风量、风压，确保风机的正常运行。最后，还可以在新风管路上设置过滤器的同时设置压差变送器。新风阀可以通过房间的空气质量传感器进行控制，在保证最小新风量的同时保证空气质量。而过滤器则应选择压差变送器而非差压开关，通过阻力的变化趋势、风量与阻力的对应关系来确定过滤器的清晰更换周期，而不是通过预先规定的前后压差值来确定过滤器的更换周期，这样不但能有效控制室内含尘量，还能对初、中、高效过滤器进行有效利用，保证了过滤器的最佳清洗周期。3. 4 风量及压力控制对于风量，可以将检测到的实时风量参数输送至PLC，并通过PID 算法计算出变频风机的频率，根据GMP 认证中要求的标准换气次数，可以使输出的风量逐渐趋向于设定值并在满足房间内风量需求的基础上，实现各房间以最小角度开启电动风阀。这样空调系统就可以通过新风阀的开度与变频风机的联动来达到最佳节能效果。然而为了使房间压差控制更加稳定，就需要选择定变风量阀来进行控制。PLC 将以采集到的各房间压差值进行计算，寻找到满足GMP 要求的输出给定的变风量阀开度。而期间通过与变频风机的联动组成的回路能最大限度节约风量输送。综上所述，空调自控系统只有通过对供水、回水以及风量控制等诸多环节做到及时调节，精确控制，才能在保证室内温湿度、压力和洁净度等多方面要求的同时，实现精确化运行及能源的有效节约。3 总结综上可以看出，空调自控系统虽具有诸多优势，但若不能合理实施则也会产生出许多弊端。例如，系统设计的不完