上海信品工程科技有限公司 上海 201315
摘要：通风柜是高能耗的产品，实验室使用大量的通风柜用于保障实验人员的健康和安全，但会导致超高的能耗和试验室运行成本，成为制约和影响着企业使用通风柜的重要因素。本文结合上海西郊国际农产品检测中心项目实例，论述了该项目通风柜变风量控制系统及自动门高系统设计应用要点，在确保安全的同时，有效解决了通风柜高能耗的难点。
关键词：实验室；通风柜；VAV变风量控制系统；自动门高系统；上海西郊国际农产品检测中心
引言
伴随中国制造2025的浪潮，越来越多的科学家、研发人员投身于企事业的研发和创新上，努力使得由中国制造转向中国创造。但通风柜是一个高能耗的产品，当在实验室中大量应用通风柜时，超高的能耗和运行成本，成为了制约和影响着企业使用通风柜的重大问题。
1.通风柜概述
通风柜是实验室配置中必不可少的产品，为在实验室中为有较大危险性和污染性的实验提供一个局部安全的实验区域，同时对环境起到排风和换气的作用。
1.1通风柜的组成
通风柜由上下两部分组成，其顶部有排风口，可安装风机也可直接与排风管路连接。通风柜整体由：上柜体、下底柜、防腐内胆、气流导流板、工作台面等几大部件组成。
1.2通风柜的分类
通风柜按照排风方式分类：分为上部排风式、下部排风式和上下同时排风式三类。
通风柜按照排风量又可分定风量型通风柜和变风量型通风柜，定风量型通风柜即通风柜的排风量是一个恒定值，如1.5米定风量通风柜的排风量为1500CMH；变风量型通风柜即通风柜的排风量，是跟随通风柜柜门的开度高低实时变化的，如1.5米变风量通风柜的排风量在150~1500CMH之间，在其正常工作状态操作高度时，排风量为700CMH左右。故采用通风柜VAV变风量控制系统，将对整个系统而言，能够节省将近1/3以上的能耗及对应运行成本，所以通风柜采用VAV变风量控制系统将是未来实验室通风柜配置的时候的一个趋势和标准。
2.通风柜VAV变风量控制系统概述
2.1通风柜面风速设计要求
为降低实验室的能耗和运行成本，国外专家通过实验证明，在确保通风柜柜门面风速在0.5m/s运行时，能确保通风柜腔体内的空气泄漏率在0.1PPM以下，从而确保环境和实验人员的安全。
2.2 VAV控制系统的组成
为确保控制目标的实现，每套通风柜控制单元由：位移传感器、红外区域传感器、面风速传感器、通风柜监控器和VAV变风量阀组成，用以实现通风柜的面风速控制及其它各种参数的处理和显示。
2.3 VAV控制系统设计的意义
通风柜作为实验室的组成部分，为实验提供一个污染可控的操作平台，并不是一台单独运行的设备，需要与整体的排风系统、风量控制系统等结合使用，才能确保通风柜的使用安全，在满足实验要求的同时，降低运行能耗和成本。所以在进行实验室通排风系统设计、通风柜的面风速控制设计中，安全和经济是我们首先要考虑和满足的：
安全性：毋庸置疑，安全性是首要的，通风柜的控制系统必须确保工作人员的安全和健康。
经济性：经济性包括两部分，系统的投资成本和系统的运行费用。投资成本与运行费用有一个合理的组合和选择。
3.通风柜VAV变风量控制原理
为防止通风柜内有害气体逸出，通风柜内腔需要形成负压，操作面需要有一定面风速确保气流的流向。决定通风柜进风的吸入速度的要素有：实验内容产生的热量及与换气次数的关系。为了确保这样的风速及系统运行的稳定，变风量控制系统的选择和控制原理，将显得尤为重要。
下图是通风柜VAV变风量控制原理图：
图1 VAV变风量控制原理图
3.1变风量阀对通风柜的控制原理
变风量阀对通风柜的控制原理为：用通风柜柜门位移传感器检测柜门开度，柜门开度信号传输到监控器后，根据柜门位移及被控通风柜需求控制面风速值，经监控器计算得到通风柜此时所需的实际排风量值，并将此信号传递给变风量阀门，阀门在1秒内快速响应至准确的风量位置，并同时反馈此风量信号至监控器，由监控器实时作出判断，阀门工作是否正常。
3.2通风柜排风控制设备
每台通风柜均需配置一套通风柜排风控制系统，具体包括一套通风柜控制器、一个防腐排风变风量阀、位移传感器、面风速传感器，为使系统更为智能，有需要的可以增加一个人体红外感应传感器和自动门控制系统，能够在不牺牲安全性的前提下为变风量通风柜提供最大限度的节能。下面是对各个部件进行选择时，各部件需要达到的技术指标和要求。
3.2.1通风柜排风变风量阀
1）风阀类型：采用数字型变风量控制阀，受控于通风柜控制器，实现通风柜变风量控制，通过RS485通讯接口与子系统内其它变风量阀相连，交换数据，实现相关控制功能。
2）安装位置：每个通风柜排风口上。
3）防腐：具有防腐蚀能力，阀体、锥体和阀杆都经防腐处理，即：阀体和锥体涂覆酚醛，316不锈钢阀杆涂覆PFA。
4）正常工作压力范围：阀门前后压差范围在150Pa到750Pa之间风量与压力无关。
5）风量控制精度：控制风量的±5%。
6）风量调节比：最大风量：最小风量16：1以上。
7）变风量响应速度：调节时间<1秒。
8）风量控制稳定性：平衡风管内压力波动时间<1秒。
9）现场安装：阀门安装前后无需直管段。
10）阀门驱动方式：电动。
11）反馈信号：提供实时风量反馈信号，反馈风量控制精度：当前风量的±5%。
12）安全措施：当断电或故障时，风阀应处于最大排风状态（常开状态）。
3.2.2通风柜控制器
1）安装位置：每个通风柜侧旁表面，位置便于操作和观察。
2）功能：接收通风柜调节门位移传感器开度信号，计算并控制通风柜排风变风量阀至对应的排风量。
3）显示：LED显示屏显示通风柜实时面风速。
4）报警：在面风速超出控制范围或设备故障时，发出声光报警。
5）参数设定：计算机编程修改全部设定参数，包括面风速设定、控制参数设定等。
6）紧急排风模式：通过按键操作，通风柜排风瞬间调节到最大风量，紧急排风结束后再按此按钮，则回到常规排风模式。
7）静音模式：当通风柜报警时，通过此按钮，可以消除报警音。
3.2.3通风柜调节门位移传感器
1）由高精度电位器带一条钢丝组成。
2）安装位置：每个通风柜顶部。
3）功能：测量通风柜柜门开度，将信号传递到通风柜控制器。
4）标准的：钢丝最大缩进长度为1041mm。
5）长型的：钢丝最大缩进长度为2540mm。
6）工作原理：0~10000Ω的电阻输出，输出值与调节门位置成正比。
3.2.4通风专用面风速传感器：
1）用于测量通风柜操作面的面风速。安装于通风柜侧面上。
2）高测量精度，0-200FPM±2FPM（即0-1m/s±0.01m/s）；
3）热敏原理测量，可屏蔽气流干扰；
4）内部含比对热敏模块可定期自动校核；
5）无需定期维护无精度漂移；
6）采用UPVC结构及内部防腐处理避免化学腐蚀影响。
4.通风柜VAV变风量控制使用优缺点
4.1 VAV变风量控制系统使用现状
根据通风柜使用的场所，所做实验的类型和性质，通风柜的面风速控制的数据将有所差异，目前绝大部分的通风柜面风速控制在0.5m/s±20%的范围之内，从而确保通风柜的使用安全。
4.2自动门高系统设计的意义
基于以上的特点，如何让通风柜的玻璃视窗，仅在设备的移进移出的时候升至最高位置（一般台式通风柜的门的最大开度为1米，设计最大排风量为1500CMH），在正常使用和操作时在操作高度（通风柜一般的操作高度为30cm），而当人不在通风柜面前时，通风柜的玻璃视窗将关至最低，此时通风柜的排风量仅为200~300CMH。如此一来，通风柜的整体节能将高达60~70%，有效的降低了实验室的运行成本。
5.通风柜自动门高控制系统说明
系统包括主控模块、红外异物探测开关、视窗驱动电机；可配套位移传感器，红外区域传感器。
控制原理图见下图：
图2 自动门高系统控制原理图
5.1功能说明
1）可负载1.2米、1.5米、1.8米宽的标准通风柜。
2）支持Modbus RS485通信，可远程监控视窗高度。
3）视窗速度可设置、电机静音运行。
4）红外异物探测开关安装于视窗把手下。
5）可通过RS485接口连接图像传感器取代位移传感器、红外区域传感器、红外异物探测开关，而且可以支持手势控制、人脸识别等其它功能。
5.2功能描述
1）自动开启视窗：用户轻抬通风柜视窗，即可自动升起视窗到安全操作高度。
2）自动降下视窗：用户只需向下轻拉通风柜视窗，即可自动降下视窗。或者当红外区域传感器探测到无人状态并持续超过预设时间，则自动降下视窗。
3）视窗位置调节：用户按下监控面板上“+”或者是“-”键，调节窗会相应升高或降低，放开则立即停止。注意当上升至最大高度后不再响应“+”键，下降至最低高度后不再响应“-”键。
4）防止异物：在视窗自动下降过程中，当有异物、实验仪器、人手等出现在视窗下时，红外异物探测开关探测到，则立即停止电机防止造成损失。
5）异物报警确认：当系统探测到异物时，根据用户设置，当开启报警手动解除时，需按监控面板“Enter”键2秒确认报警，系统恢复运行状态。当开启报警自动解除时，遇异物后橱窗自动停止。
6）上位机视窗开度控制：支持RS485 Modbus RTU协议与上位机通信；用户需要通过上位机远程调节视窗开度时，只需要给出视窗开度百分比即可，100%对应安全操作高度，0%对应最低高度。
5.3系统规格
1）电源：24VDC，<60W（必须使用专用开关电源）。
2）上位机通信：RS485 Modbus RTU。
3）视窗驱动电机：24VDC，<30W，转速56RPM。
4）电磁离合器：24VDC，<10W。
5）红外异物探测开关：24VD，NPN输出，探测长度<5米。
6）位移传感器输入FCS2接口：电位计输入（12VDC参考电压）。
7）红外区域传感器FCS10接口：24VDC电源输出，干接点开关输入。
8）变风量监控面板HSIV3000接口：专用RJ45接口。
9）面风速传感器FCS6接口：专用RJ11接口。
10）操作储存环境：0～50C，无结露。
5.4控制器说明
5.4.1接线说明
图3 自动门高主控模块接线图
5.4.2各传感器接线方法
1）位移传感器的红、黄、黑三色线分别接入主控模块的“SASH IN”口的“12v”、“AIN4”和“GND”；拧紧端子，确保接线牢靠。
2）红外区域传感器共有5根线，分别是2根灰色线（电源线），1根白色线（输出公共端），1根黄色线（输出常开端）和1根绿色线（输出常闭端）；将两根灰线的其中一根接入“24V”，另一根灰线与白线一同接入“CND”，将黄色线接入“DIN4”；将绿色线头减除或包扎好，以免引起电路安全问题，同时注意接口处线头的安全距离。
3）红外异物开关（红外对射头）分两部分，第一部分只有两根线（1蓝1棕）；第二部分共有4根线（1蓝1棕色1白1黑）。将第一部分的棕色线和第二部分的棕色线一并接入“24V”，将第一部分的蓝色线和第二部分的蓝色线一并接入“GND”，将第二部分的黑线接入“DIN2”；将白色线头减除或包扎好，以免引起电路安全问题，同时注意接口处线头的安全距离。
5.4.3电机驱动模块与主控模块间接线方法
1）电机驱动模块从主控模块取电，将电机驱动板的24V接入到主控板的“Power In 1”的“24V”，将电机驱动模块的“GND”接入到主控的“Power In 1”的“GND”。
2）控制信号线共三根，如上图将电机驱动模块的“正转”接入到主控模块的“NPN-OUT1”的“OUT”；“反转”接到“NPN-OUT2”的“OUT”；“刹车”接到“NPN-OUT4”的“OUT”；
5.4.4电机驱动模块与电机执行模块间的接线方法：
电机执行模块上的两个机构（电机、离合器）需要与电机驱动模块连接；将电机线接到电机驱动模块的“电机”接口（正反可在调试过程中调整）；将离合器的线接到电机驱动模块的“离合”接口（不分正反）。
5.5安装说明
1）红外异物探测开关的安装，需根据通风柜把手结构制作适应性的安装配件并需现场调节。
2）视窗驱动模块需要根据通风柜视窗的拖动方式（传动链、同步带、传动钢索）以及通风柜的结构制作适应性安装配件并需现场调节。
6.结论与建议
当通风柜在配置了VAV变风量控制系统，确保面风速的恒定后，很大程度上起到了确保安全的同时，又能节能的效果。但要让通风柜VAV控制系统做到真正的节能，需要在现有面风速控制系统的基础之上，增加红外区域传感器和自动门高系统。因为只有这样，才能确保通风柜面风速恒定的系统下安全运行的同时，通风柜的玻璃门在任何时间，所在的位置，是满足需求情况下最适合的位置，在无人操作时，可以自动将门降之最低，从而确保系统的真正节能。
参考文献：
[1]JG/T 222-2007.实验室变风量排风柜[S].
[2]JGJ 91-93.科学实验建筑设计规范[S].
[3]丹尼尔·D·沃奇.研究实验室建筑[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.
论文作者:陈阳君
论文发表刊物:《防护工程》2019年11期
论文发表时间:2019/9/20
标签：通风柜论文; 风速论文; 风量论文; 视窗论文; 自动门论文; 变风量论文; 控制系统论文; 《防护工程》2019年11期论文;