摘要：針對傳統(tǒng)醫(yī)院空氣凈化系統(tǒng)能耗大的問題，結合變頻技術提出基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術和觸摸屏的節(jié)能控制系統(tǒng)，設計了由PLC、變頻器、溫度傳感器等器件構成的溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動調節(jié)變頻器的工作頻率，實現(xiàn)了對空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)自動調速，達到了節(jié)能目的。相信基于PLC的醫(yī)院空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)將在未來的醫(yī)療環(huán)境中發(fā)揮重要作用，為醫(yī)院的空氣凈化工作提供更加可靠和高效的解決方案。

關鍵詞：醫(yī)院；空氣凈化；PLC

一、前言

醫(yī)院作為一個重要的公共場所，需要提供干凈、健康的空氣環(huán)境以保障患者和醫(yī)護人員的健康與安全。然而，傳統(tǒng)的醫(yī)院空氣凈化系統(tǒng)存在一些問題，例如能耗較高、操作復雜、維護困難等。為了解決這些問題，PLC技術成為一種理想的解決方案。PLC技術具有可編程性、可靠性和高效性等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)對空氣凈化設備的精確控制和監(jiān)測，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

二、相關技術綜述

（一）醫(yī)院空氣凈化技術概述

醫(yī)院空氣凈化技術主要包括空氣過濾、空氣消毒和空氣負壓控制。其中，空氣過濾是最基礎的環(huán)節(jié)，通過對空氣中的顆粒物進行過濾，可以有效去除塵埃、花粉、細菌等污染物，提供潔凈的空氣環(huán)境?？諝庀緞t是通過殺滅空氣中的細菌、病毒等微生物，減少交叉感染的風險[1]。而空氣負壓控制則是為了防止空氣中的污染物擴散到其他區(qū)域，通過減小壓差，使空氣流動方向從無污染區(qū)域向污染區(qū)域。

（二）PLC技術概述

PLC是一種專門用于工業(yè)自動化控制的電子設備。它具有高度可編程性和可靠性，廣泛應用于各種工業(yè)領域，包括醫(yī)療行業(yè)中的空氣凈化系統(tǒng)[2]。PLC的核心是其控制器，它由處理器、存儲器、輸入/輸出模塊和通信模塊組成。處理器是PLC的大腦，負責執(zhí)行用戶編寫的程序。存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出模塊用于與外部設備進行數(shù)據(jù)交換，如傳感器和執(zhí)行器。通信模塊則實現(xiàn)PLC與其他設備的數(shù)據(jù)傳輸。PLC 編程語言一般以梯形圖和功能塊圖等邏輯圖形為基礎。這些編程語言易于理解和使用，使得工程師能夠快速開發(fā)和調試控制程序。

三、設計背景

由于空氣中的細菌和病毒大多附著在灰塵上，因此空氣凈化系統(tǒng)可以通過減少空氣中灰塵顆粒的數(shù)量來降低感染率，為臨床醫(yī)療環(huán)境提供符合國家相關標準的潔凈空氣，是醫(yī)院安全運行必不可少的重要設施[3]。為此，本文研究的空氣凈化系統(tǒng)采用PLC和變頻器控制，智能調節(jié)各風量閥的大小、開閉和風機轉速，使風機以最佳性能運行，減少多余風量的損失，符合醫(yī)療保健空氣凈化標準。該系統(tǒng)還放棄了以往對加熱電阻的依賴，轉而采用板式傳熱，從而大大降低了能耗。

四、系統(tǒng)設計

（一）PLC控制系統(tǒng)設計

1.硬件選型與配置

（1）PLC主控模塊。根據(jù)PLC主要控制模塊的功能，PLC組件的類型可分為4類。在這 4 種類型中，最重要的組件主要有：中央處理器、存儲器、輸入/輸出系統(tǒng)和其他可擴展系統(tǒng)[4]。存儲器是PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用于存儲邏輯運算數(shù)據(jù)、仿真模塊運行數(shù)據(jù)、監(jiān)控模塊運行數(shù)據(jù)、故障診斷模塊數(shù)據(jù)以及編程器等外部設備產(chǎn)生的運行數(shù)據(jù)。

（2）變頻器模塊。變頻器由顯示單元、制動單元、控制單元、驅動單元、通信單元和檢測單元等多個組件組成，具有很強的安全保護作用，隨著工業(yè)自動化水平的提高，其作用也會越來越大。

（3）溫度傳感模塊。在PLC的自動控制中，溫度傳感器是最重要的控制參數(shù)，也是最重要的控制輸入。其中，溫度檢測模塊主要是對循環(huán)水的入口和出口的溫差進行檢測。

2.軟件開發(fā)

（1） PLC程序設計 。本文介紹了醫(yī)療空氣凈化系統(tǒng)和節(jié)能的軟件設計思路，即通過電壓信號控制速度控制、轉速控制和變頻調速。系統(tǒng)的輸出電壓由 PD 控制算法控制[5]。2 個子程序 SBR0 和 SBRH 分別是 1 號和 2 號變頻器的電壓控制參數(shù)，OBI 通過子程序 SBR0 和 SBR-1 傳輸 PD 控制參數(shù)，中斷交易程序 INT0 接收間隔為 10 毫秒的時間中斷。兩個逆變器由 INT0 獨立控制。PLC 程序被分為多個子程序，按照各自的要求編寫，然后主程序調用每個子程序?？照{控制系統(tǒng)自動控制過程的工作流程圖如圖1所示。

（2）觸摸屏畫面設計。觸摸屏采用的組態(tài)軟件主要有主畫面、系統(tǒng)設置、PD參數(shù)設置、運行模式選擇、溫度顯示、故障報警及復位等界面等。通過PLC的人機界面，用戶可以直觀地了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù)設置。在醫(yī)院空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)中，界面設計可以包括實時溫度、濕度顯示，設定溫度、濕度調節(jié)等功能。通過合理的界面設計，可以提高系統(tǒng)的操作便捷性和用戶體驗。

（二）空氣凈化設備集成設計

選擇適合醫(yī)院空氣凈化需求的設備。首先，根據(jù)醫(yī)院的特殊環(huán)境和需求，可以選擇高效的空氣過濾器、空氣消毒器等設備。這些設備可以有效去除空氣中的細菌、病毒、有害氣體等污染物，提供清潔的空氣環(huán)境[6]。其次，需要將這些設備與PLC控制系統(tǒng)進行連接。通過PLC控制系統(tǒng)，可以對空氣凈化設備進行精確地控制和監(jiān)測。例如，通過PLC控制系統(tǒng)，可以設置空氣凈化設備的運行時間、風速、溫度等參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的空氣凈化效果。

（三）節(jié)能策略設計

通過優(yōu)化空氣凈化設備的工作模式來實現(xiàn)節(jié)能。通過PLC控制系統(tǒng)，可以通過設定過濾器的工作時間，根據(jù)空氣質量的變化來靈活調整過濾器的使用，以減少能耗?？梢岳肞LC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)智能控制，進一步提高節(jié)能效果。通過安裝傳感器，可以實時監(jiān)測醫(yī)院內的空氣質量、人員流量等參數(shù)。PLC控制系統(tǒng)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)來自動調整空氣凈化設備的工作模式，以滿足實際需求。例如，在人員流量較少的時候，可以減少空氣凈化設備的運行時間，以節(jié)省能源。此外，還可以通過優(yōu)化空氣凈化設備的布局和通風系統(tǒng)設計來提高節(jié)能效果。合理布置設備，避免設備之間的相互干擾，減少能耗。同時，合理設計通風系統(tǒng)，優(yōu)化空氣流動路徑，減少能耗和壓力損失。

五、系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

（一）PLC控制系統(tǒng)調試

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，在系統(tǒng)正式調試前，需要對系統(tǒng)進行全面調試。

1.根據(jù)設計圖紙，連接各個硬件組件，確保所有線路連接良好；

2.接通電源后，依次操作各個輸入鍵，檢查相應的 PLC 輸入點是否處于工作狀態(tài)，然后利用編程軟件強制設置 PLC 內部輸出點，并現(xiàn)場檢查相應的硬件設備是否處于工作狀態(tài)；

3.檢查和調試 PLC 程序和上位機程序，通過仿真驗證程序運行邏輯是否正確；

4.測試系統(tǒng)鎖定機構和安全鎖定機構，根據(jù)程序強行設置，模擬系統(tǒng)正常工作狀態(tài)；

5.在上位機狀態(tài)監(jiān)控畫面上，手動控制并檢查現(xiàn)場各設備的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)工作狀態(tài)正常后，再選擇自動工作狀態(tài)，仔細檢查整個設備的工作狀態(tài)；

6.在本系統(tǒng)實際運行過程中，使用檢測儀對各關鍵參數(shù)進行測量，并按照國家潔凈空氣標準對運行參數(shù)進行調整；

7.測試完成，開始工作。

（二）傳感器及執(zhí)行器的連接與測試

針對空氣凈化系統(tǒng)的傳感器，選擇了溫度傳感器和濕度傳感器。這些傳感器的連接通常通過模擬輸入模塊來實現(xiàn)。將傳感器的輸出信號連接到PLC的模擬輸入端口上。在連接過程中，需要注意傳感器的電源和接地的連接，確保傳感器能夠正常工作并提供準確的測量值。在連接完成后，需要對傳感器進行測試，以確保其功能正常。

（三）醫(yī)用空氣凈化設備的安裝與測試

1.硬件安裝和網(wǎng)絡連接

風速檢測采用的是模擬量的風速傳感器，以實際控制點數(shù)和系統(tǒng)設備的控制要求為依據(jù)，具體 I/O硬件配置及原理圖如圖2、圖3所示[7]。

2.控制系統(tǒng)的組態(tài)和關鍵控制程序的實現(xiàn)

本文介紹了一種基于 PLC編程的空調機組運行過程，并對空調機組的運行過程進行了詳細分析。一拖多個單元是經(jīng)常使用的和需要重點改進的單元，下面就一拖二型單元的典型操作做一個介紹。啟動后，在使用1個純化室時，設置M0.3。在采用2個凈化間的時候，設置M0.4，按照凈化間的使用情況，對風機的運行頻率進行自動調整，并對閥門的開度進行調整，使之符合規(guī)范的要求，從而達到節(jié)能部的降低能耗的目的，其中的部分流程如圖4。

在測試過程中，還使用了傳感器來監(jiān)測設備的運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)。通過連接傳感器到PLC控制系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測設備的工作狀態(tài)和效果，并根據(jù)實際情況進行調整和優(yōu)化。這種實時監(jiān)測和控制的方式可以提高設備的運行效率和節(jié)能效果。

（四）醫(yī)用空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)改造前后對比

根據(jù)一拖二機組對比分析，假設每天開機時間為10小時，每度電成本為1元。風機調整前，風機功率為7.5千瓦，實際運行功率為 7.5千瓦，每天成本約為75元。調整后，風機功率為55千瓦，一拖二機組風機運行功率為3.85千瓦，一拖三機組風機運行功率為4.62千瓦。按一個沖程30%的運行時間分攤計算，每天的費用約為44元，每天可節(jié)省約31元。供熱改造前，機組輸入功率為66千瓦，每天運行費用約為264元。在此基礎上進行改進，平板換熱功率可達15千瓦，每天消耗約為150元，每天可節(jié)省約114元。如果以北方5個月的供暖周期來看，每臺供暖設備每年可節(jié)約電費28415元，如果以后再提高，還可以節(jié)約大量電費。同時，改造后的系統(tǒng)在空氣質量監(jiān)測和能耗控制方面表現(xiàn)出更好的效果。與改造前相比，改造后的系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需求進行智能調節(jié)，減少了能源的浪費，提高了系統(tǒng)的效率[8]。同時，通過遠程監(jiān)控和控制，也提高了系統(tǒng)的管理和維護效率。

六、結語

綜上所述，基于PLC的醫(yī)院空氣凈化節(jié)能系統(tǒng)的設計與研究為醫(yī)院提供了一種可靠的空氣凈化解決方案。通過智能化控制和節(jié)能優(yōu)化，系統(tǒng)能夠有效提高空氣凈化設備的運行效率，減少能源消耗，為醫(yī)院節(jié)約成本，保障患者健康提供了可靠的保障。然而，本研究仍存在一些局限性，如系統(tǒng)的可擴展性和適應性有待進一步提高。未來的研究可以著重于進一步優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略和節(jié)能效果，以及提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻

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[8]周靖靖.基于PLC的中央空調模糊PID監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工程大學，2012.

作者單位：高安市人民醫(yī)院總務科

■ 責任編輯：尚丹