手術(shù)室空調(diào)溫濕度自控系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)

許春香，時(shí) 偉，宋海軍

（中州大學(xué)，鄭州 450044）

0 引言

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，醫(yī)院信息化和自動(dòng)化管理水平迅速提升，許多先進(jìn)、成熟、實(shí)用的新技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生環(huán)境建設(shè)中。潔凈手術(shù)室空調(diào)控制系統(tǒng)作為醫(yī)院樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分在醫(yī)療系統(tǒng)中正被逐漸使用。本項(xiàng)目依托河北某附屬醫(yī)院手術(shù)室空調(diào)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)工程，采用Honeywell公司的工業(yè)自動(dòng)化數(shù)字控制系統(tǒng)，基于EBI系統(tǒng)工程組態(tài)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)室空調(diào)溫濕度控制及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理,使之滿足手術(shù)室對(duì)空氣環(huán)境的要求。

EBI（Enterprise Buildings Integrator） 是Honeywell公司推出的企業(yè)樓宇集成系統(tǒng)軟件，它是一個(gè)包含了從底層設(shè)備到中央監(jiān)控平臺(tái)的完整的自動(dòng)化解決方案，提供的子系統(tǒng)有樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)字影像管理系統(tǒng)和資產(chǎn)/人員管理系統(tǒng)。作為世界領(lǐng)先的開(kāi)放式樓宇監(jiān)控系統(tǒng)，EBI能夠最大限度地滿足用戶的需求，遵循現(xiàn)有各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，集成開(kāi)放性能，支持BACnet、LonWorks、OPC、Modbus和C-Bus等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集成[1]。

1 手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)控制功能

1）手術(shù)室空氣被控參數(shù)有：溫度、相對(duì)濕度、壓力（風(fēng)量）、潔凈度、新鮮度；

2）空調(diào)系統(tǒng)的基本任務(wù)：通風(fēng)、過(guò)濾、冷卻、除濕、加熱、加濕。

1.1 手術(shù)室溫濕度自動(dòng)控制原理

潔凈手術(shù)室要求對(duì)溫度和濕度有著恒定的控制要求。因此，溫濕度指標(biāo)是潔凈手術(shù)室中最重要的控制指標(biāo)。圖1是手術(shù)室溫度控制示意圖，采用DDC（直接數(shù)字控制）控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

圖1 手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)溫度控制示意圖

室外較熱的新風(fēng)與部分回風(fēng)相混合，由風(fēng)機(jī)送經(jīng)表冷器，使空氣降溫，然后送至房間，使室內(nèi)溫度保持夏季降溫工況的要求。在這個(gè)系統(tǒng)中，DDC控制器通過(guò)溫度傳感器采集室內(nèi)溫度，根據(jù)控制器預(yù)設(shè)的控制規(guī)律，操縱冷凍水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，改變冷凍水的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凍水冷量與房間里的熱量隨時(shí)相平衡，以得到穩(wěn)定的室溫。

1.2 系統(tǒng)工藝要求[2]

1）系統(tǒng)工作模式上分為冬夏兩季。在冬季模式里，回風(fēng)溫濕度低于設(shè)定值，控制要求主要是升溫加濕。一般通過(guò)打開(kāi)（熱）水閥執(zhí)行器以提高溫度，打開(kāi)加濕器開(kāi)度以提高濕度。在夏季模式里，控制要求主要是降溫除濕。系統(tǒng)要求濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)，即夏季濕度較高時(shí)候，控制器通過(guò)計(jì)算后調(diào)節(jié)送水管(≤8℃左右的冷凍水)的開(kāi)度達(dá)到降溫除濕的目的，而由此造成的溫差通過(guò)電加熱來(lái)補(bǔ)償。當(dāng)回風(fēng)濕度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入溫度控制狀態(tài)。

2）空調(diào)系統(tǒng)工藝上，循環(huán)機(jī)組要全年恒溫恒濕；對(duì)于新風(fēng)機(jī)組，夏季送風(fēng)露點(diǎn)溫度在12℃以下，冬季送風(fēng)溫度18℃，濕度45%。

在控制精度上，溫度≤±1℃，相對(duì)濕度≤±5%RH。

3）按照現(xiàn)場(chǎng)工藝要求：（1）手術(shù)室內(nèi)設(shè)有多功能控制面板，實(shí)現(xiàn)本地溫濕度及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)控制。（2）樓層控制室設(shè)有EBI服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程，除實(shí)現(xiàn)手術(shù)室控制面板的功能外，還增加如下功能：圖形界面動(dòng)態(tài)顯示各檢測(cè)數(shù)據(jù)、控制參數(shù)與設(shè)備狀態(tài)；可定時(shí)啟動(dòng)所需手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)；機(jī)組各種故障自診斷，發(fā)出維修提示并予以報(bào)警和即時(shí)打印；根據(jù)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間及設(shè)定的維護(hù)計(jì)劃發(fā)出保養(yǎng)提示；數(shù)據(jù)管理與分析，歷史資料查詢，報(bào)警與事故存檔追憶；每天的運(yùn)行狀態(tài)記錄或打印；系統(tǒng)操作界面和系統(tǒng)維護(hù)界面等。（3）室外設(shè)有機(jī)組控制柜，便于系統(tǒng)維護(hù)和調(diào)試，可以手工控制系統(tǒng)啟停、通過(guò)DDC控制面板直接進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)顯示。

1.3 空調(diào)系統(tǒng)組成[3]

整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)由新風(fēng)機(jī)組、循環(huán)機(jī)組和送風(fēng)管道組成。新風(fēng)機(jī)組主要為手術(shù)室提供一定的新鮮空氣，滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求,將室外新風(fēng)進(jìn)行初步凈化及熱濕處理后送入循環(huán)機(jī)組。循環(huán)機(jī)組負(fù)責(zé)對(duì)新風(fēng)機(jī)組處理的新風(fēng)和手術(shù)室回風(fēng)再進(jìn)行過(guò)濾及熱濕處理，將手術(shù)室、潔凈走廊的溫度、濕度、壓力控制在一定的允許范圍之內(nèi)。在本項(xiàng)目中系統(tǒng)由4組循環(huán)機(jī)組和1組新風(fēng)機(jī)組構(gòu)成，新風(fēng)機(jī)組共用。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于EBI平臺(tái)的手術(shù)室溫濕度控制系統(tǒng)分為上下兩級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由基層的現(xiàn)場(chǎng)控制站、中央管理工作站[4,5]。

圖2 手術(shù)室溫濕度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）基層的現(xiàn)場(chǎng)控制站：每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與調(diào)控，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)DDC控制器，以空調(diào)機(jī)組控制柜的形式實(shí)行一對(duì)一的控制。

由現(xiàn)場(chǎng)各類儀表設(shè)備和DDC控制器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其主要功能是把各種傳感器和檢測(cè)器傳送的數(shù)據(jù)，按照DDC控制器內(nèi)部預(yù)先設(shè)置的參數(shù)和預(yù)先編制的控制程序來(lái)進(jìn)行比較和相應(yīng)的運(yùn)算，輸出各種信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行控制，并接收上層中央管理工作站、現(xiàn)場(chǎng)控制柜面板和手術(shù)室面板發(fā)出的各種指令操作。

2）中央管理工作站集中監(jiān)控：由EBI組態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)全部空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)控與管理。在現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Honeywell公司的C-Bus網(wǎng)絡(luò)線把全部控制器聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)RS485/232轉(zhuǎn)換器與EBI服務(wù)器連接，只需對(duì)EBI服務(wù)器進(jìn)行操作，就能對(duì)所有的機(jī)組進(jìn)行集中監(jiān)控和在線管理。

利用計(jì)算機(jī)調(diào)控程序，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集信息對(duì)系統(tǒng)做最優(yōu)化控制等，以及對(duì)以往的系統(tǒng)設(shè)備/人員監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行專門(mén)備份保存以及管理的功能。

本項(xiàng)目預(yù)留100Mb/s以太網(wǎng)接口（TCP/IP），可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與EBI服務(wù)器計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制（客戶機(jī)/服務(wù)器模式）。當(dāng)條件具備時(shí)，系統(tǒng)納入整個(gè)醫(yī)院樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備

1）空氣處理設(shè)備：組合在空氣處理機(jī)內(nèi)的冷/熱水盤(pán)管、電加熱器、加濕器、除濕機(jī)、表冷器、過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)、電機(jī)。設(shè)在一個(gè)集中的空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，經(jīng)過(guò)集中處理的空氣，通過(guò)分道送到各個(gè)手術(shù)室。

2）自控設(shè)備：使用DDC控制器、電動(dòng)風(fēng)閥、電動(dòng)水閥、加濕驅(qū)動(dòng)器、電力開(kāi)關(guān)等設(shè)備，對(duì)冷/熱水盤(pán)管、電加熱器、加濕器、除濕機(jī)等進(jìn)行有效的控制，使之達(dá)到空氣處理對(duì)溫濕度的工藝要求。

控制器采用Honeywell公司Excel 50控制器[3]，具有4路數(shù)字輸入、6路數(shù)字輸出、8路模擬輸入、4路模擬輸出，具有4路PID控制回路，支持C-Bus、LonWorks網(wǎng)絡(luò)通訊接口，方便與EBI服務(wù)器連接。

傳感器有風(fēng)道式溫濕度傳感器、空氣壓差開(kāi)關(guān)、空氣壓差傳感器、溫度開(kāi)關(guān)等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工藝要求和硬件配置，采用EBI平臺(tái)軟件進(jìn)行上位機(jī)工程組態(tài)設(shè)計(jì)和Excel CARE軟件對(duì)下位機(jī)DDC編程。

3.1 DDC下位機(jī)軟件的功能及編程[1,7,8]

Excel CARE是Honeywell系統(tǒng)工程集成及調(diào)試工具，以直觀的圖形化方式為DDC控制器編制控制流程和時(shí)序控制策略。程序設(shè)計(jì)包括DDC控制設(shè)備的創(chuàng)建、原理圖設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)點(diǎn)的定義、開(kāi)關(guān)邏輯、控制策略等。工程開(kāi)發(fā)一般過(guò)程如圖3所示。

圖3 CARE工程開(kāi)發(fā)過(guò)程

1）CARE的所有功能都基于設(shè)備，一個(gè)控制器可控制一個(gè)或多個(gè)設(shè)備,取決于控制器容量,但不同控制器不能包含相同的設(shè)備。一個(gè)設(shè)備是一個(gè)被控系統(tǒng)，如空氣處理器,鍋爐或是冷卻設(shè)備。

2）一個(gè)設(shè)備原理圖由若干段順序組合而成,表示出設(shè)備中各組件以及它們是如何安排的。段是一個(gè)控制系統(tǒng),如鍋爐、冷卻及其它設(shè)備的組成元件,元件包括傳感器、閥門(mén)、狀態(tài)點(diǎn)等。

3）數(shù)據(jù)點(diǎn)有硬件點(diǎn)和軟件點(diǎn)，硬件點(diǎn)是傳感器和執(zhí)行器發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，軟件點(diǎn)是軟件程序的計(jì)算結(jié)果；其次又分為模擬點(diǎn)和數(shù)字點(diǎn)，以及輸出和輸入。

4）開(kāi)關(guān)邏輯通過(guò)DDC建立信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的聯(lián)系。如表1所示（第3臺(tái)空調(diào)機(jī)組），對(duì)于冷水閥開(kāi)閥信號(hào)邏輯，當(dāng)風(fēng)機(jī)處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)并且系統(tǒng)無(wú)故障報(bào)警，冬夏轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于夏天模式時(shí)，發(fā)出可以打開(kāi)冷水閥的信號(hào)，否則發(fā)出關(guān)閥信號(hào)。

表1 冷水閥開(kāi)閥信號(hào)

5）軟件控制策略：采用PID控制來(lái)調(diào)節(jié)溫濕度。PID是在控制中最為廣泛的一種控制方式，它具有簡(jiǎn)單可靠、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。在PID控制中，將系統(tǒng)的設(shè)定值與系統(tǒng)的輸出比較得到偏差，并根據(jù)偏差情況給出控制量。增量式PID的一般表達(dá)式如下：

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。

在Honeywell的DDC控制器中通過(guò)內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)增量式PID控制。如圖4所示，描述了CARE軟件中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PID調(diào)節(jié)器模塊的參數(shù)設(shè)置，控制關(guān)系為回風(fēng)溫度與冷水閥。圖中符號(hào)Xp為比例帶寬度，TV為微分時(shí)間常數(shù)，Tn為積分時(shí)間常數(shù)，Minimum output和 Maximum output分別限制了水閥的最小/最大開(kāi)度范圍，系統(tǒng)初始開(kāi)度一般設(shè)為50%。

圖4 冷水閥標(biāo)準(zhǔn)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置

常規(guī)PID控制器對(duì)于非線性、時(shí)變的系統(tǒng)和模型不清楚的系統(tǒng)就不能很好控制，不能得到預(yù)期的控制效果。CARE中還有增強(qiáng)EPID控制器，EPID與傳統(tǒng)PID的區(qū)別在于它能在一定時(shí)間內(nèi)將被控制的參數(shù)保持在設(shè)定值，避免PID在啟動(dòng)時(shí)在設(shè)定值上下抖動(dòng)。其配置比標(biāo)準(zhǔn)PID略復(fù)雜，可參看CARE幫助系統(tǒng)文檔[7]。

3.2 EBI服務(wù)器軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)[1, 5]

EBI軟件平臺(tái)主要包括：Station、Quick Builder和Display Builder。利用EBI監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備監(jiān)控的開(kāi)發(fā)應(yīng)用過(guò)程為：

1）在EBI的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)軟件Quick Builder中創(chuàng)建一個(gè)新工程( Project)，完成對(duì)通道(Channels)、控制器(Controllers)、控制點(diǎn)( Points)、工作站( Stations)、服務(wù)器( Servers)等硬件的定義和組態(tài)配置，并將工程下載到EBI的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。本系統(tǒng)工程組態(tài)情況如圖5所示，共創(chuàng)建了5個(gè)DDC控制器，使用1個(gè)通道，每個(gè)DDC控制器對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。在Quick Builder中組態(tài)是實(shí)現(xiàn)通訊的關(guān)鍵。

圖5 工程組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2）采用EBI的Display Builder軟件為每個(gè)DDC開(kāi)發(fā)圖形化的人機(jī)界面，在圖形界面中連接各個(gè)控制點(diǎn)，圖6是人機(jī)交互界面在station中顯示效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需控制點(diǎn)的直觀監(jiān)控。支持圖形化設(shè)計(jì)和VB腳本語(yǔ)言編程。

圖6 護(hù)士工作站控制界面

3）在Station中，執(zhí)行Display Builder開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)EBI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中控制點(diǎn)的訪問(wèn)和操作，進(jìn)而完成對(duì)于設(shè)備和子系統(tǒng)的監(jiān)控?？刂泣c(diǎn)的各種詳細(xì)數(shù)據(jù)有：報(bào)表顯示、報(bào)警顯示、趨勢(shì)顯示、組群顯示和系統(tǒng)診斷顯示等。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用EBI和CARE組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的的手術(shù)室溫濕度控制系統(tǒng)在精度、實(shí)時(shí)性、可靠性等方面是模擬控制所無(wú)法比擬的。系統(tǒng)已投入正常使用，運(yùn)行穩(wěn)定，最大限度的提高舒適程度和節(jié)能控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和管理的智能性。

[1] NanJing University of Technology IBI.Teaching Material of Honeywell EBI System [EB/OL].2003-10.

[2] 張國(guó)銘, 朱勁.潔凈手術(shù)室空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2009(1): 97-100.

[3] 王用倫.智能樓宇技術(shù)[M].北京: 人民郵電出版社,2008.

[4] 葛鎖良, 麻芳義.基于LonWorks技術(shù)的空調(diào)自控系統(tǒng)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005.28(5): 558-561.

[5] Honeywell Limited Australia.EBI overview[EB/OL].2003-04.http://www.honeywell.com.au.

[6] Honeywell Inc.en1b0101-ge51r0909g.pdf[EB/OL].2009.http://ecc.emea.honeywell.com.

[7] Honeywell Inc.Excel Live CARE USER GUIDE[EB/OL].2004.http://honeywell.com.

[8] 賈雪.應(yīng)用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)樓宇新風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)控[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2008.25(4): 63-65.