实验动物屏障设施系统自动化控制技术体系应用探索

李可欣，张凤梅，杨根岭，徐 磊，高 杰，杨 青，潘永全，潘 劼

(1.重庆医科大学实验动物中心，重庆 400016；2.遵义医学院实验动物中心，贵州 遵义 563000；3.重庆展业空调净化工程有限公司，重庆 400050；4.重庆医科大学基本建设指挥部，重庆 400016)

实验动物是生命科学研究中的重要科技资源，直接关系到科研成果的完成与评价[1]。随着生命科学的发展，对实验动物的质量及动物实验环境的要求也越来越严格[2-3]。标准化的实验动物是医学和生命科学发展的重要基础和支撑条件，而屏障设施作为目前国内外最常用的实验动物饲育和动物实验设施，是实现实验动物质量标准化的重要保障[4-5]。

目前，国内许多实验动物屏障设施通过集成软硬件技术，涵盖变频传动技术、传感技术、计算机技术、通讯技术等，尽管这种自动化控制系统一定程度上能够提高设施运行的稳定性和可靠性并且节约了人力，但是使用过程中也常出现参数达不到预定目标，甚至会出现因为自动化控制系统失效而采用手动控制的现象[6-7]。

本文基于“互联网+”技术建成实验动物屏障设施远程监控与报警纠错系统，实现了对动物屏障设施的恒温恒湿控制系统、压差控制系统、空调主机及送排风等系统的实时监控和移动终端远程有效控制。探讨远程监控与报警纠错模式在实验动物屏障设施中的运用规范和运用模式。便于管理者对相关知识的理解。是对管理者理论知识的有益补充和拓展，便于提高管理效率。

1 系统简介

实验动物屏障设施远程监控与报警纠错模式由DCS/PLC信息采集系统、仪表检测系统、计算机控制管理系统、通讯系统组成，主要功能包括设备运行管理，环境安全监督，实验过程状态监控，应急突发事件实时记录及信息远程发布四大模块[8]。其中，信息采集系统、仪表检测系统、计算机控制管理系统构成见图1。

通过安装在系统各个部位的各种传感器、检测仪表，将实验人员所需要的各种数据传送到控制系统，经过控制系统对各种数据的比对、运算，将指令发送到各个部位的执行机构，确保整个系统稳定运行。整个控制过程中的各种运行数据、报警信号等均存储在上位机中供查询(见图2～5)。系统运行状况的查询、输入指令等，在授权后，除了在现场触摸屏管理办公室的上位机可以操作外，通过实验动物屏障设施远程监控与报警纠错系统，也可通过笔记本电脑、智能手机、平板电脑等移动智能终端进行操作(见图6)。

图1 屏障设施远程监控与报警纠错模式系统构成Figure 1 Schematic diagram of the remote monitoring and alarm system of barrier facilities

图2 空调主机、冷水系统、纯水机、实验动物专用灭菌器控制及查询界面Figure 2 The air conditioner, cold water system, water purifier, and sterilizer for the laboratory animal control and query interface of the monitoring and alarm system

图3 屏障设施参数控制及状态查询界面Figure 3 The barrier facility parameter control and status query interface

图4 空调机组、排风机组、温湿度、压差等操作及查询界面Figure 4 The operation and query interface of the air conditioning unit, exhaust fan unit, temperature and humidity, and pressure difference.

图5 独立通风笼盒(IVC)运行状态查询界面Figure 5 The independent ventilation cage(IVC) operation status query interface

图6 远程监控参数及通讯设置查询界面Figure 6 The remote monitoring parameter and communication setting query interface

2 探索研究对象

探索研究对象1为某医学院实验动物中心的新建实验动物大楼，是标准的屏障设施。参照国家标准《实验动物环境及设施》(GB 14925-2010)、《实验动物设施建筑技术规范》(GB 50447-2008)。该设施分为动物实验区和动物生产区两个区域，总面积1110 m2。该设施共3套洁净空调机组，其中动物实验区2套，动物生产区1套。每个区域分别拥有一套独立的实验动物屏障设施专用控制系统，该系统集成了实验动物屏障设施远程监控与报警纠错系统。其中温、湿度的控制方式采用在空调系统排风管上设置温湿度传感器，夏季通过调节表冷器的冷水量和再热水阀来达到室内温度和湿度的控制要求，冬季则是通过调节热水阀和加湿器的加湿量以满足要求。净化送排风机组装有联动风阀，实现主、备用机组的自动切换；为了控制洁净度，确保系统洁净风的送风量，系统设有风机变频装置，通过调整风机供电频率，改变风机输出压力来适应系统因过滤器阻尼变化带来的风量变化，保持洁净风的送风量恒定。在此基础上，每个受控功能房间的排风上均装有比例调节风阀，根据房间压差的波动进行调节，精确控制各受控功能房间的压差。每个区域有各自独立的视频监控系统、照明系统、门禁系统及脉动真空灭菌器，此外动物实验区含有独立通风笼盒(independent ventilation cage, IVC)系统。

探索研究对象2为某医科大学实验动物中心在使用中的实验动物屏障设施，该设施于2010年建成投入使用，设施面积750 m2，为SPF实验级动物科研提供专业实验平台的设施，目前系统设施运行正常[9]。该动物设施采用独立洁净空调系统，系统的温度、湿度、压差、照明系统等均在自动控制系统的控制下运行。2017年经过技术升级，对自动控制系统进行改造升级，采用了实验动物屏障设施远程监控与报警纠错系统。

3 系统构成

实验动物屏障设施远程监控和报警纠错系统是由物联网管理系统与移动通讯控制平台两部分组成。

3.1 物联网管理系统

本系统利用现代化的计算机技术和网络系统，实现对所有仪器设备的集中管理和自动监测，确保所有仪器设备的安全运行[10]。

3.1.1 物联网管理系统的监控范围

监控范围包括恒温恒湿系统、压差控制系统、空调主机和送、排风控制系统、照明控制系统、门禁控制系统、脉动真空灭菌器和传递控制系统、IVC系统、节能措施系统、环保措施系统以及动物实验所应用的仪器和设备等。

3.1.2 物联网管理系统的监控形式

监控形式是通过安装于机房服务器与监控主机，公共区域的壁挂式触控电脑，或者笔记本电脑、智能手机、平板电脑等移动智能终端设备，来实现监控形式。

3.1.3 物联网管理系统的监控内容

监控内容主要包括：空调主机的通信及控制、电预热的控制与通讯、加湿器的控制与通讯、表冷器与再热量的控制与通讯、送/排风机变频控制及空调机组的联动控制、环境参数监测面板的控制与通讯；送风(新风)多位定风量阀、排风比例调节变风量阀等控制设备的信息收集、处理与控制；初、中、高效和活性炭过滤器失效报警，电加热高温报警和断电保护控制，加湿缺水故障报警与保护控制、空调风机故障报警、空调主机故障报警、排风机故障报警、系统压力梯度故障报警、洁净室高温与低温报警；管道压力、洁净室压差、洁净室温湿度、新风温湿度的数据收集、识别、显示、处理、调节、控制；纯水系统、脉动真空灭菌器及IVC系统设备、节能系统设备、环保系统设备等智能仪器设备的数据采集和控制管理[11-13]。

3.2 移动通讯平台

移动通讯平台就是将物联网管理系统的模拟有线控制模式转换为数字化程控模式，并通过通讯接口将物联网管理信息以通讯形式进行远程发布。该系统以安全性为设计核心，以节能效果为目标，以先进性、前瞻性为标准。具备开放性通讯端口，兼容标准通讯数据上传，具有无限扩展性，可承载多系统、多专业、多画面，同时可提供系统不断地升级、软件更新、系统等优化服务。

4 实验动物屏障设施远程监控与报警纠错系统运行模式

物联网管理系统是在建立移动通讯平台的基础上运行，所使用的系统软件基于WEB的数据采集与监控系统，保证利用已有的各种网络设备和资源(3G/4G/WIFI)，从而高效的组建一个数据共享网络。移动通讯平台能保证移动终端可以在任何场地任何时间快速稳定的访问控制项目并得到想要的任何数据，移动设备和远端站点设备之间能直接建立通信连接。在任何有移动数字信号与移动网络(3G/4G/WIFI)的地方，都可通过移动终端设置设备(如笔记本电脑、智能手机、平板电脑等)，实现对实验动物屏障设施系统的直观浏览、了解与控制。

移动通讯平台支持无限的可扩展性，后期扩容可添加更多变量。移动通讯平台支持无限的移动客户端，目前主流的IOS、Android系统移动终端APP应用程序，该APP支持Modbus Top/Profinet/Ethernet IP等标准通讯协议，可有效的与各监控设备集成，其中Android系统 APP采用Native Development Kit开发工具，IOS 系统APP采用 Xcode开发工具，最终确保移动终端在物联网管理系统服务器连接不良情况下，依然可能获得稳定的监控信息。

5 结语

实验动物屏障设施远程监控与报警纠错系统运行，具有自动发现故障并自动采取安全措施、自动修复、自动报告、监控设备的监控信息跨平台无障碍数据链接与分享、远程预警与报告、智能化系统运行数据分析等优点。对受控房间的洁净风送风系统、排风系统、空调系统等进行24小时全程实时监控及移动终端远程控制。在设备隐患升级为故障之前提供解决方案和突发事件及时记录并实时发送信息。实验动物屏障设施远程监控与报警纠错系统模式是移动通讯控制-网络信息平台和自动化控制模式有机的结合，使得各项环境指标均在国标要求的范围内。系统具有安全可靠、稳定、节能等优点，最大限度的延长了设备的寿命，同时节省了人力成本。为实验动物屏障设备安全运行提供了可靠保障，为实验动物的繁育生产和动物实验的饲养管理提供基础条件保障[14-15]。