第四章 控制應用

  各種控制方法比較  

確定如何對實驗動物設施實現最佳控制與很多因素有關，穩定性、適應性、安全性、能耗、安裝成本和運行費用都是必須考慮的問題。本節對各種控制應用的優勢、弱點進行了探討，并對 Phoenix 的控制方法的益處作了介紹。本節中討論的控制方法有：

·  定風量控制

·  切換定風量控制

·  帶溫濕度控制的變風量控制

· 嚙齒類動物飼養室的變風量控制

圖 4－1 動物實驗室控制策略

通風控制系統的目標是使大環境、小環境穩定。這需要清潔的得到調節的空氣進入空間，污濁的濕熱空氣被排出，還要有適當的房間壓力。

定風量控制

定風量控制是動物房間最普遍的控制方式。這是因為有持續的高熱負荷和設備晝夜連續運行的要求。雖然定風量控制是一個簡單直接的方法，大多數設施都出現過定風量控制問題，這是因為設備及建筑的狀況是隨時間而變化的，這會引起通風系統運行上的差異。即使是很小的變化，如風機皮帶磨損，過濾器部分阻塞或流量測量裝置上的灰塵都會在建筑內產生重大的流量及壓力問題。除非采用高性能的、壓力無關的氣流控制設備。

普通的定風量控制

普通的定風量控制采用可由人工調整的固定的葉片風閥來設定動物房的補風和一般排風量。它們都是壓力相關設備，并且它們不會補償系統壓力的變化。通過設定補風風閥提供預期的房間每小時換氣次數，同時全面排風被調整到稍微低（或高）于補風量的流量以造成室內正壓（或負壓）。溫度控制一般可通過再加熱調節過的空氣來完成。這是一個過時的、不理想的方法，因為壓力相關的風閥不能主動控制房間流量。通風系統內的壓力波動會使整個系統的流量及氣候產生變化，并且不能維持設施內正確的壓力。

圖 4－2a 普通定風量動物房間 這種方法采用不會自動補償系統壓力波動的單葉片風閥。 優點： 1. 設計直接、簡單； 2. 控制成本低。 缺點： 1. 因為系統壓力相關，所以要犧牲穩定性、安全性及舒適性。變化和波動產生不當的流量和壓力問題。系統發生變化或者風機系統性能變差時，在風閥每一個位置上都要重新平衡； 2. 系統必需作頻繁的重新平衡； 3. 適應性差。未來的擴展和飼養動物的數量受限； 4. 不帶監控或報警； 5. 由于持續的全流量運行能量消耗高。

Phoenix 的定風量房間控制

對于每個房間，壓力無關閥門維持固定送風量與排風量。結果，保證了房間余風量恒定。排風設備通過定風量閥門與房間排風相連。溫度及相對濕度由建筑管理系統控制。

圖 4－2b Phoenix 定風量閥門操作 系統靜壓波動時，每個閥門都可以調整其壓力無關錐體組件以保持設定氣流 益處： 1. 流量控制準確穩定； 2. 在失電狀態下不需用昂貴的應急電源維持正確的流量； 3. 不需預防性維護； 4.  不需作重新平衡－－系統是壓力無關的，并且在系統變化、過濾器阻塞及 HVAC 系統性能變壞時維持穩定的流量。

定風量箱與 Phoenix 定風量閥門的比較

研究動物的價值是巨大的。例如，轉基因小鼠群落的基礎鼠群價值上萬美元，甚至更多。它們的后代可能飼養在有四個或更多通風籠架的小飼養室里，每個籠架可飼養 700 只小鼠。雖然飼養房里的動物總價值可能以百萬美元計1 ，但是有時通風控制方面的決定只能節省幾百美元。通常，這些提前的“節省”成為嘗試控制穩定環境的長期負擔。

控制動物房間的一種通用的方法是使用與末端控制模塊連線的單葉風閥和皮托管、孔板或其它流量或壓力測量裝置。這就是眾所周知的定風量箱或末端箱，可能選用它的原因是它的初投資小。不幸的是，定風量箱缺少其他流量控制設備具有的優點，如不需要重新平衡、重新校準、清洗和應急電源及保證正常運行的直管段。 值得為解決了以上問題的通風控制部件額外投資，特別是當研究費用及未來運行費用計算在系統價值之中時更是如此。

1轉基因或者分離品系基礎動物群用于在一段時間內維持品系基因的完整性和穩定性。建立小鼠轉基因/分離品系可能是昂貴的，有時需要多次嘗試以成功嵌入或者分離想要的基因，有時需要某些交叉和反交叉交配以形成一個穩定的能可靠表達預期基因特征的品系。有些分離品系可能是獨特的，以至于一旦形成，他們就不可能再被精確復制，這使得這些動物變得非常珍貴，它們的損失可能會超過十萬美元。

降低風量的定風量控制 － 應急電源控制的低成本選擇方案

圖 4－2c Phoenix 降低風量的定風量控制 Phoenix的PEV及PSV型閥門在失電期間自動將流量調整到預置的正確數值。不需要昂貴的應急電源。非關鍵性房間（儲藏室、辦公室、某些操作間）減少風量運行，而飼養室及其它關鍵房間維持不變風量運行。 益處： 1. Phoenix 閥門不需要昂貴的應急電源； 2. 自動失效保護,降低氣流運行； 3. 維持適當的房間壓力； 4. 自動補償風道中壓力的波動。

正常模式 ： 空氣處理機（AHU），排風機和房間的空氣閥門在設計的全風量下定風量運行。

應急電源模式 ： AHU 和排風機在應急電源下運行以維持降低后的流量。雙穩態的 Phoenix 控制閥門（型號 PEV，PSV）用來提供自動失效保護

流量控制。

Phoenix 控制優點 ：不需要應急電源連接就可自動改變到減小的流量位置并可精確地維持降低后的流量。

定風量箱的缺點 ： 每個箱子都需要昂貴的應急電源以保證在電源失效時功能正常。

圖 4－2d 增加定風量設備的需要 定風量閥門維持精確的流量,每個設備不再需要未來的重新平衡

  切換定風量控制  

房間控制

飼養室可通過房間監控器切換送風（或排風）流量使房間在正負壓力間切換。內部走廊通過調整排風量（或送風量）補償余風量變化。操作間維持負壓。氣閘間維持正壓。

圖 4－3 Phoenix 可切換壓力的空氣閥操作 系統靜壓波動時，每個閥門調整其壓力無關錐體組件以維持設定的氣流量。定風量閥維持一個設定流量，而切換閥門作為雙穩態控制器操作。 益處： 1. Phoenix 閥門的重復性同時顧及可靠流量及余風量控制； 2. 壓力控制穩定； 3. 簡單、直接及方便的解決方案； 4.  無需預防性維護。 用于可切換壓力： 1. 飼養室可逆，可處理突發事件； 2. 房間轉換用于檢疫； 3. 動物物種的變化（由無特定病原體菌嚙齒動物換成非人靈長類動物，需要房間由正壓轉變為負壓）。

  帶溫濕度控制的變風量控制  

房間控制

溫度和濕度傳感器給樓宇管理系統控制器提供反饋信號進行模擬量集成，或為 Phoenix Controls 公司的控制器提供反饋信號用于數字集成，這兩種形式將在本章后面加以描述。通過調節送風量、再加熱閥門、加濕器和其它調整設備使房間保持設定溫度和相對濕度設定點。房間壓力也得到維持。

正如第二章中討論的，許多實驗動物空間是變負荷的，例如：改變動物數量、操作間的使用/閑置、動物籠清洗操作周期。這些空間都需要正確的壓力、通風、溫濕度控制。Phoenix Control Accel II 閥為這些應用提供了高級的控制。

圖 4 －4  變風量閥操作 對于系統中的壓力波動，壓力無關的閥門錐體組件自動調節，在整個指令范圍內保持正確的流量。熱或通風需求指令送風閥控制需要的送風量，而房間全面排風閥調節維持房間壓力 益處： 1. 高級流量控制，調節快速、穩定； 2. 流量變化范圍大，可調比可達 20 ：1； 3. 大的流量變化范圍內維持房間壓力穩定； 4. 不需重新平衡。壓力無關的系統在系統變化、過濾器阻塞、HVAC 性能變壞時維持穩定的流量； 5. 不用預防性維護； 6. 低噪聲。

  嚙齒類動物飼養室的變風量控制  

房間控制

房間空氣換氣次數可以采用這種風量控制方式降低，因為房間內的熱負荷、氣味和其它氣體排放物被排出了房間而不是返回到房間。這種方法更加靈活并且節能。

圖 4－5 嚙齒類動物飼養室的變風量控制－－空氣閥操作

溫度或通風需求命令送風閥調整到需要的流量，房間全面排風閥自動調整以維持房間壓力。通風籠架風量維持恒定。

益處：

1. Phoenix 閥門維持大、小環境的穩定，同時將房間空氣換氣次數盡可能減少到最低；

2. 通過快速、穩定的調節獲得優良的流量控制；

3. 流量變化范圍非常大，可調比可達 20 ：1；

4. 大的流量變化范圍內維持房間壓力穩定；

5. 不需重新平衡。壓力無關的系統在系統變化、過濾器阻塞、HVAC 性能變壞時維持穩定的流量；

6. 無需預防性維護；

7. 低噪聲。

  動物設施的監控  

監控要求

“對 HVAC 系統進行正規的監控是十分重要的，并且最好是作用到單獨房間”（ILAR， 第 75 頁）國際實驗動物管理評估與鑒定委員會的認可一般需要如下記錄:

1. 房間溫度；

2. 房間相對濕度；

3. 房間壓力；

4. 送風系統的流量；

5. 排風系統的流量。

較少情況下，房間空氣換氣次數也要被監控。通常對這些參數還要進行實時記錄儲存，尤其當聯邦法規需要或是設施要得到國際實驗動物管理評估與鑒定委員會的認可時1 。規劃狀況評估（PSE）是規劃評定時的一個文件。

在獲得國際實驗動物管理評估與鑒定委員會認可時，HVAC 系統作為最終打孔列表項目是普遍的。這歸因于系統在評價時要經過嚴格測試，這些評價要證明系統有能力維持所要求的支持可能為期幾年的研究的穩定性。

動物實驗室監控系統

  監測和控制系統的集成  

數據采集及報告可通過以下幾種方法完成：

1．專門的動物實驗室環境監控系統。

例如：Edstrom Industries，Rees Scientific.

這些系統是 BMS 之外的系統，它們為動物設施工作人員提供他們自己的監測系統，該系統將數據報告給工作人員而不是通過 BMS 系統前端。

2．建筑物管理系統（BMS）：

例如：Andover Controls, Automated Logic, Honeywell, Johnson controls,

Siebe, Siemens.

Phoenix 公司在監視和控制的數字集成方面與上述所有 BMS 公司建立了合作伙伴關系。同時提供同上面列舉的公司集成的模擬集成接口。

監視傳感器/設備

溫度：一般設置在風道上并/或設置在房間的墻上。

濕度：通常設置在房間排風道上并/或設置在房間內。

照明：根據需要確定位置。

氣流：風道安裝或采用可靠的氣流閥流量反饋信號。

壓力：壓力監控設備提供報警和顯示實際壓差。這些設備也可能包括切換房間正負壓力的功能。

監視這些參數可以對 HVAC 和照明系統進行正確的報警和控制。

  與建筑管理系統（BMS）集成  

集成的實驗動物設施氣流控制系統為我們提供了所有獨立應用系統所能提供的優點：增強的穩定性、最大的安全性、減小初投資、減少運行費用以及高可靠性和高適應性。這些優點仍然是我們提供的技術的基礎，同時，環境控制與建筑物管理系統的集成使得我們易于集中監控動物實驗室狀態，獲得運行數據。系統集成通過提供以下功能，并增強了系統的主要優點：

· 綜合的遠程監控和診斷

· 監測溫度、相對濕度、照明和壓力的能力

· 提供監測運行趨勢數據的功能

· 易于識別潛在的運行問題

· 能夠生成報表如：報警監測、安全分析、能源使用情況等

Phoenix 控制公司提供使用其模擬型系列產品或數字型系列產品進行系統集成。

  使用模擬型產品集成  

Phoenix 控制公司可將其產品與所有的能夠監控 0～10Vdc 信號的大樓管理系統或環境監控系統集成。

典型的監控點包括：

· 房間送風量

· 房間余風量

· 全面排風量

此外，我們的控制器能夠接受以下兩種形式中的任一種熱補償信號：

1． 電信號（0－10 VDC）可直接來自電子溫控器或 DDC 模擬輸出。

2． 氣動信號或電動信號，通常來自電子溫控器。

同 Phoenix 控制公司的模擬產品集成方法是點到點的集成。它是通過對一個或多個補風控制器（MAC 系列）提供的模擬信號的采樣完成。每個 BMS 監控點需要一個模擬輸入點。所有 BMS 廠家都可采用這種形式集成。

  使用數字型產品集成  

圖 4-7 Celeris 系統

空間照明、溫度、濕度控制，以及房間壓力報警監控

Celeris?是 Phoenix 控制公司提供的第二代數字控制系統。Celeris?將高性能的 Accel II 文丘里閥門和靈活的多功能控制平臺結合在一起構成了一個完整的環境控制系統。如同其模擬產品，Celeris 實現了實驗室氣流控制的核心目標：

.  通風柜的氣流封鎖

.  房間壓力

.  通風和溫度控制

此外，Celeris?系統還提供濕度控制、占用控制和應急控制等功能，同時提供用于房間檢測和控制的房間級的 I/O 輔助設備。網絡平臺提供就地和遠程訪問系統的方法、調試、測點監控、大樓管理系統（BMS）集成、設備或系統升級。其它特點包括：

.  基于 PC 的調試系統

.  就地或遠程數據庫建立

.  可以進行就地和遠程診斷

.  直接將所有房間級的設備同 BAS 的集成功能

注意：每一個 BAS 的供應商要進行該集成在其產品終端需要獨特的軟件和硬件才能實現。Phoenix 控制公司承擔同 BAS 的供應商共同為業主開發必要接口以完成系統集成的任務。請向 Phoenix 控制公司咨詢最新的系統集成解決方案。

Celeris? 與BACnet的集成于1998年開發成功并一直作為同BAS的供應商集成的首選方法?；ビ眯允且恢痹谶M行中，并且我們一直在為大多數集成伙伴提供精制的接口。目前的集成伙伴包括：

.   Alerton

.   American Aotomatrix

.    Andover Controls

.  Automated Logic

.   Carrier

.  Delta

.  Honeywell

.   Invensys

.  Johnson Controls

.   Siemems

.    Trane

.  Tridium

非常重要的是盡管 Celeris?控制系統是兼容集成系統，但它可以獨立作為一種控制解決方案。所有控制、保險裝置和報警策略可以設置到房間級。所有控制、系統狀態和報警數據可以方便傳輸到 BAS，許多設定點可以方便地在 BAS 工作站上進行設定。

可以進行集成的點包括：

Celeris 系統通過網關完成系統集成。網關完成從房間級設備收集數據，建立 BACnet 設備的虛擬網絡，轉換 Celeris 設備和點作為 BACnet 對象。網關實際為一個工業 PC，在其上裝有所有集成點的數據庫，運行著 BACnet 驅動，運行著多個配置和診斷工具。有關細節參閱下一頁的“Celeris 環境控制系統概述”部分。

Celeris 環境控制系統概述

圖 4-8 房間級和建筑級網絡

Celeris 系統采用 LonWorks 技術建立了一種對等的控制系統?？刂埔巹澮揽炕贚onWorks 的智能閥門控制器（LVC）實現，閥門控制器同時被配置來完成特定的控制功能。Celeris 系統提供靈活的多功能控制平臺來在房間級基礎上完成房間的復雜控制策略。Celeris 系統在房間級的網絡基礎上實現控制目標。建筑級的網絡能夠使房間級的網絡連接在一起集成和進行數據集中采集。

 . 房間級控制網絡－在房間級，多臺 LVC 共享數據，使用 LonTalk 協議，構造房間級控制網絡。房間級控制網絡可以定義一個壓力區。流量、溫度、濕度和報警數據可以在一個壓力區中的 LVC 間共享，并且完成房間級控制的各種功能。房間級網絡使用 FFT－10，78kbps 的通信發送器。

. 建筑級的網絡－建筑級的網絡將多臺 LVC 在一個通信主干網上進行連接以便于訪問和集成。多個房間級的控制網絡可以連接在一起構成建筑級的網絡。LonTalk 協議使得所有在 LonTalk 網絡上的設備可以從網絡上其它節點發送接收數據。在 Celeris 系統中，路由器用來隔離從一個房間級網絡到另一個房間級網絡的流量。路由器還用來提升房間級網絡速度 78Kbps 到建筑級網絡的 1.25Mbps。

LVC 同現場設備，如傳感器，再加熱器，加濕器和通風柜可以直接連接，數據通過簡單的雙絞線網絡傳輸到控制設置單元。所有閥門控制器和網絡設備采用 24VAC供電。

企業級集成

Celeris 系統提供了簡單有效的集成手段。LonTalk 協議是一個非常優秀的用于分布式控制功能的對等協議，BACnet則是一個更為廣泛接受的BAS集成協議。Celeris系統使用工業 PC（GWY300）從所有房間級設備上采集數據然后將它們轉發給 BAS進行讀寫訪問。GWY300 在建立共同使用網絡方面提供多項主要功能；它是一個集成工具，一個網絡操作工具和一個配置工具。網關是建立 BACnet 設備、對象和服務虛擬網絡的集成工具。

. 網關在 BACnet 網絡上起到服務器功能，允許任何 BACnet 客戶端請求數據/或設置設定點。

. 將集成點從 LonTalk 數據轉換成 BACnet 對象。

. 數據存儲在網關的緩存中，數據將連續被房間級設備更新以備 BAS 取回，典型的更新速率為 300～400 點/秒。

. 網關將從 BAS 來的 BACnet 指令轉換成 LonTalk 信息，發送它們到相應的 LVC 并且響應每一條成功指令。

. 網關處理由房間級設備產生的報警數據保證 BAS 能夠收到每一個報警數據，典型報警處理時間小于 2 秒。

圖 4-9 Celeris 系統和樓宇自動化系統集成的一個例子

網關作為網絡管理工具：

. 網關可以直接連接到建筑的LAN網絡并且可以采用以太網或TCP/IP以10/100mbps速度同其它 BACnet 設備通信。

. 網關作為 BACnet 客戶端的服務器。

. 可以采用所有 Microsoft 網絡配置和服務工具。

. 網關從 BAS“路由”信息到相應的 LVC。

. 網關在BAS和Celeris網絡之間還作為信息過濾來防止企業級網絡通信被房間級通信干擾。

網關作為配置工具：

. 配置、診斷和遠程訪問工具都被儲存在網關中用作調試和故障診斷目的。

. 網關上裝有 Celeris 數據庫，包括所有設定點和配置特性。

. 集成點的“映射”文件是由網關建立和存儲的。

. 房間級設備和點自動映射到網關用作配置和/或集成。

  Celeris 的應用  

控制功能

Celeris 系統建立在一個或多個用作房間級壓力和舒適控制的智能閥門控制器周圍。房間級網絡基本定義為壓力控制區。在每一個壓力控制區內，每一個 LVC 被配置為進行特定的閥門控制功能并且還可能實施多種房間級控制功能。

應用的分類

閥門的應用可以分類為：

. 實驗室應用－需要對兩態和變風量控制的通風柜進行補風控制的場合。

. 追蹤對應用－當通風柜不需要補風并且通風的改變是由溫度和使用需要控制確定的。

實驗室應用

實驗室應用中通風率主要按通風柜需求改變。通風柜閥門還有補風閥和/或全面排風閥必須能夠在一秒之內響應通風柜調節門位置改變，以保證正確的通風柜防護和穩定的房間余風量。在這些應用場合，需要采用高速的執行器和高速的區域平衡算法。因為要求通信帶寬保證在一個實驗室內以一秒的速度響應所有閥門的動作，因此在一個區域內最多可以使用 20 個 LVC。20 個節點可以分配如下：

. 最多達 10 個通風柜時，每一個可以有多達 2 個輔助閥；

. 多達 4 個補風閥時，每一個可以有多達 4 個輔助閥；

. 一個全面排風閥時，可以有多達 8 個輔助閥。

每個區域可以有：

.  每個實驗室空間可以有多達 4 個獨立的溫度控制區。

-  2 個主要的和 1 個輔助的溫度控制回路；

-  多個傳感器溫度平均值將空間作為一個區域進行控制；

-  雙風道溫度控制；

-  多達 100 種的溫度控制策略可供選用。

.  2 套或更多套的追蹤對可以用于在實驗室內的或實驗室周圍的辦公室和其它相關空間。

.  內置的加濕和除濕控制回路。

.  占用、非占用或備用控制指定。

.  4 種應急控制模式。

.  內置多種報警，對應總的排風量的多個報警設定點。

.  提醒操作者注意的就地報警控制功能 。

圖 4－10 Celeris 環境控制系統的實驗室應用

追蹤對應用

在追蹤對應用中通風率的改變僅由溫度或占用控制需要來確定。在這些設施中，對執行器的響應速度要求不是很嚴格?？刂浦饕潜ＷC余風量。在追蹤對應用中壓力區域被規定為由 2 個、3 個或 4 個 LVC 來完成余風量和舒適性控制。多達 32個追蹤對應用的 LVC 可以被組合在一個 78kbps 的子網絡中，以減少系統中所需路由器個數。

.  正如實驗室應用一樣，每一個壓力控制區可以有：

-  每個空間可以有 1 個獨立的溫度控制區域；

-  2 個主要的和 1 個輔助的溫度控制回路；

-  多個傳感器溫度平均值將空間作為一個區域進行控制；

-  雙風道溫度控制；

-  多達 100 種的溫度控制策略可供選用；

.  內置的加濕和除濕控制回路。

圖 4－11 Celeris 環境控制系統的（tracking pair）雙跟蹤應用

.  占用、非占用或備用控制指定。

.  4 種應急控制模式。

.  內置多種報警，對應總的排風量的多個報警設定點。

.  提醒操作者注意的就地報警控制功能。

執行

LVC 被設計來使用任何一種三種不同的閥門執行器來控制閥門閥位。對于不需要兩態或 VAV 補風的壓力區域控制通風柜，可以使用低速的電動執行器。在對需要補風控制的通風柜或需要小于 1 秒的響應速度的應用場合，可以選用氣動或高速電動閥門。希望的執行器必須在定貨時明確說明。下面給出了三種類型執行器的選擇碼。

控制類型：

.  低速（60 秒）電動執行器

.  高速（1 秒）電動執行器

.  高速（1 秒）氣動執行器

電動執行器需要 24V（AC）電源。氣動執行器需要 20psi 的壓縮空氣驅動。對高速執行器可以規定常開或常閉作為其失效保護狀態。低速執行器則提供故障情況下返回到上次動作位置的功能。

適應性

Celeris 系統的設計可以最大限度地適應廣泛的控制策略。例如，溫度控制功能可以被配置實現多達 100 種不同的溫度控制策略。毫不夸張的講有多達千種可能的控制策略配置。

每一個 LVC 有：

.  3 路通用輸入－可以配置為 10～10Vdc、4～20mA、0～65k 歐姆或一個溫度傳感器。

.  1 路數字量輸入－可以配置為干觸點輸入或邏輯電平輸入。

.  2 路模擬量輸出－可以配置為 0～10Vdc 或 4～20mA。

.  1 路數字量輸出－可以配置為 SPDT 繼電器可以用作報警輸出或兩態設備的控制。

LVC 上的輸入/輸出（I/O）可以用于進行房間級的傳感器和控制設備是同房間級控制功能相對應的。另外從非網絡