胡 邱，张健阳，陈小平，陈 建，高钰琪，徐 刚*

（1.陆军军医大学高原军事医学系高原特需药品与器材研究室，重庆 400038；2.极端环境医学教育部重点实验室，重庆 400038；3.全军高原医学重点实验室，重庆 400038）

0 引言

我国高原地区覆盖面积大，自然气候恶劣，边境线长，军事战略地位非常重要[1]。高原地区以低氧、低气压、寒冷、相对湿度低和太阳辐射强为主要特征，其中对人类活动影响最为显著的主要是低氧因素[2-3]。高原环境模拟舱是在平原模拟高原低气压和低氧环境的大型实验设备，又称为低压舱和高空舱[4-5]，可以在舱内开展高原环境下的人群试验或者复制高原疾病的实验动物模型，是进行高原医学研究不可缺少的实验设备。传统的高原环境模拟舱是通过人工手动控制新风进气口的调节阀来控制舱体内的气压变化，实现模拟高原高度（气压）[6]，因此模拟的高度稳定性不好，上升、下降速度控制不精准，一旦停电，海拔高度至少会波动200~300 m，对舱内的科研人员影响较大，安全性较差。本研究选用一种通用性的可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）（其具有可靠性、灵活性、适应性，适用于自动化工程中的各种场所[7-8]）作为高原环境模拟舱自动化控制系统的核心控制器，来实现高原环境模拟舱的自动化控制，提高高原环境模拟舱运行的安全性和模拟高原环境的准确性及稳定性，简化操作人员的操作流程。

1 高原环境模拟舱组成及原理

如图1所示，高原环境模拟舱主要由舱体（16MnR专用容器钢板）、抽气系统（真空泵机组）、新风系统（新风调节阀）、控制系统（控制台）等组成。海拔高度（气压）的上升和下降是通过控制抽气量与新风量的大小来实现的。上升阶段抽气量大于新风量，平衡阶段抽气量等于新风量，下降阶段抽气量小于新风量[9]，抽气量与新风量差值的绝对值越大，升降的速率越高。

图1 高原环境模拟舱组成

2 高原环境模拟舱自动化控制系统的设计

2.1 自动化控制系统组成

如图2所示，本自动化控制系统以西门子S7-300 PLC作为自动化控制的核心，控制程序使用西门子Step7 V5.3 SP3软件编写，控制界面采用西门子WinCC 6.0软件制作，采用计算机作为上位机及操作界面。PLC采用PROFIBUS总线技术，是目前国际上通用的现场总线标准之一[9]，下设ET-200M子站，4个AI模块、4个DI模块、2个AO模块、2个DO模块。S7-300 PLC和上位机采用工业以太网通信，上位机主要实现模拟舱的操控、参数设定、数据实时显示、报警提示、历史报表的存储等功能。

图2 高原环境模拟舱自动化控制系统简图

系统配置有3个压力变送器、3个孔板流量计、3个温湿度传感器、3个O2传感器、3个CO2传感器来实现舱内数据的采集，主要参数见表1。舱外配置有5台水环式真空泵、2台循环水泵、3个排污罐、若干个电磁阀来实现对舱内模拟高度的控制、污物的储存和排放、舱内供水、舱室之间压力平衡等功能。

表1 高原环境模拟舱自动化控制系统配置主要参数

2.2 自动化控制系统功能

本自动化控制系统通过计算机与PLC的联机，使高原环境模拟舱按照设定的要求来控制海拔高度的上升、平衡、下降，以及对舱内所有环境指标（大气压、氧分压、O2体积分数、CO2体积分数、舱内温湿度等）进行实时监控、记录。本系统可以通过控制台操作界面下达指令，控制变频器驱动真空泵机组运转、控制新风调节阀开度，使模拟舱内形成负压，新风管道吸入新鲜空气，从而模拟出开放式的通风环境[10]。

3 高原环境模拟舱自动化控制系统原理及难点处理

3.1 自动化控制系统原理

如图3所示，本系统主要的控制对象就是舱内的压力，舱内的压力采用绝对压力变送器进行检测，并依据《航空高度-压力对照表》换算出舱内的模拟高度。采用交流变频器对真空泵进行调速控制，使舱内模拟高度与需要的高度保持一致，此控制采用PID（proportion-integration-differentiation）运算实现。高原环境模拟舱的常规操控方式是设定好目标高度和升降速率，系统启动后，PLC会对PV（舱内压力实测值）和SP（压力设定值）进行PID运算，将得出的结果输出到变频器，通过变频器控制真空泵的转速，进而调节舱内压力，实现对舱内模拟高度的控制。

图3 高原环境模拟舱自动化控制系统原理简图

3.2 PID控制难点处理

（1）在升降过程中SP值会不停变化，造成了PID运算过程中微分量的波动，对运算结果造成不利影响，因此在升降高度的过程中将微分运算进行屏蔽，而在恒定高度控制时再开启微分运算。

（2）PID的运算结果输出到变频器，再控制真空泵的转速，使舱内模拟高度发生变化，这一过程变化较快，并无多少滞后，甚至可以说响应快速，因此要求变频器的变化尽量平缓，所以对PID运算的积分部分进行了积分保持处理，减缓积分的变化。

（3）新风量的调节其实是一个定值PID运算，可以通过调整PID参数获得较理想的效果。

4 高原环境模拟舱自动化控制系统控制界面及控制方式

高原环境模拟舱自动化控制系统控制界面如图4所示。该控制界面采用SIMATAC WinCC软件制作，具有良好的开放性、灵活性、易行性、高效性和可靠性[11-12]。从控制界面可以看到舱内的模拟高度（气压）、O2体积分数、CO2体积分数、温度、湿度等参数的显示，这些参数是通过传感器和变送器采集取样，经系统计算得到。模拟舱的控制方式可以分为全自动控制和手动（给定）控制，且在运行过程中全自动控制和手动控制方式可以互相切换。全自动控制方式只需输入相应的参数，点击“模拟开始”，系统自动运行达到所需的模拟条件。手动控制方式一般情况下不使用，当在全自动控制方式运行下舱内模拟高度、升降速度、新风量波动较大且不能自动平衡时，将控制方式从全自动控制切换到手动控制方式。当使用手动控制方式把各项参数调整平衡并且稳定后，可以把控制方式从手动控制切换回全自动控制，直到模拟结束。这样的控制运行方式大大简化了操作人员的操作流程，降低了工作强度，在应用中有较好的效果。

图4 高原环境模拟舱自动化控制系统控制界面

5 高原环境模拟舱自动化控制系统的安全性设计

高原环境模拟舱具备连续运行180 d以上的能力，为保证在长时间运行过程中舱内科研人员的安全，对自动化控制系统进行了以下安全性设计。

（1）模拟舱安全启动保护：高原环境模拟舱的核心设备之一就是水环式真空泵，因此系统水压非常重要，当系统检测不到水压时模拟舱无法启动，同时在控制界面上出现报警提示。

（2）停电保护：采用不间断电源（uninterrupted power supply，UPS）供电设备，在停电时能保证对自动化控制系统持续供电30 min，并能保持系统中的各项参数不变，当供电恢复时自动化控制系统自动模拟到停电前的实验条件，保证停电前后的实验条件一致。

（3）参数设定保护：控制界面各项参数的设定都设有再次确认窗口，当参数发生改变时会弹出新窗口进行再次确认，防止误操作造成模拟条件发生改变或停机。

（4）安全参数监控保护：在控制界面上设定海拔高度（气压）、升降速度、氧分压、O2体积分数、CO2体积分数、温度、湿度等参数的安全范围，当相应的参数超出设定范围以外时，控制界面上出现报警提示。

（5）新风量超调保护：新风量调节过多时，新风调节阀会上下振荡，稳定性差，使舱内模拟高度发生相应的波动变化。新风量的给定原则是以在不同高度下30 m3/（人·h）的原则给定，新风超调保护在满足新风量给定的原则上限制了每一次新风量的调节都在0~50 m3/h范围以内，这样新风调节阀的每次调节开度相对较小，使新风调节阀稳定性增强，从而保证了舱内模拟高度的稳定性。

（6）紧急停止功能：操作台上安装有“紧急停止”按钮，一旦遇到不可控的情况发生，可立即按下“紧急停止”按钮，停止水环式真空泵、关闭抽气端电磁阀和新风进气口电磁阀，确保抽气口和进气口无泄漏，海拔高度不会有较大的波动，保证舱内科研人员的生命安全，再通过人工手动调节旁通阀实现高度的下降。

6 高原环境模拟舱自动化控制系统主要性能测试

6.1 模拟高度1～10 000 m性能测试

设定海拔高度1 000~10 000 m、上升速率5 m/s、新风量60 m3/h，每隔1 000 m并稳定30 min后，对舱内的实测速率（上升过程中波动范围）、实测新风量（稳定后新风量波动范围）、舱内压力、氧分压和CO2体积分数进行测试，结果见表2。各个阶段高度的波动范围稳定在±10 m范围内、上升速率波动稳定在±1 m/s范围内、新风量波动稳定在±3 m3/h范围内，高原环境模拟舱能够达到模拟1000~10000m各个海拔高度的要求。

表2 高原环境模拟舱自动化控制系统性能测试数据

6.2 连续30 d运行测试

设定海拔高度为5 000 m，连续运行30 d，每天在 7：00、13：00、23：00 这 3 个固定时间点取高度值，30 d共得到90个高度值，利用这90个高度值绘制成曲线图，如图5所示。30 d实测海拔高度的均值为（5 000.27±2.16）m，高原环境模拟舱自动化控制系统调节的高度非常平稳，达到了设计要求。

图5 连续30 d运行海拔高度曲线图

7 结语

本文设计的高原环境模拟舱自动化控制系统在短期和长期运行中安全可靠，自动控制各项设定参数的准确性高、稳定性好，能有效简化操作人员的操作流程，达到预期的要求与目的。但每次调节新风量大于50 m3/h时，自动化控制系统不能自动平衡新风调节阀上下振荡的现象，造成舱内模拟高度（气压）波动较大。如何在每次调节新风量大于50 m3/h时，使舱内模拟高度保持稳定是下一步研究的方向。