徐勇

內(nèi)蒙古林業(yè)總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，內(nèi)蒙古 牙克石 022150

基于PLC的醫(yī)用中心負(fù)壓控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

徐勇

內(nèi)蒙古林業(yè)總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，內(nèi)蒙古 牙克石 022150

目的 研究并開發(fā)一套基于可編程邏輯控制器（PLC）的醫(yī)用中心負(fù)壓控制系統(tǒng)，為醫(yī)院臨床提供可靠、持續(xù)穩(wěn)定的負(fù)壓氣體。方法 依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，采用工業(yè)級PLC，根據(jù)負(fù)壓系統(tǒng)的工作流程，進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。結(jié)果 開發(fā)出一套完善、可靠的醫(yī)用中心負(fù)壓控制系統(tǒng)。結(jié)論該控制系統(tǒng)各項指標(biāo)能夠滿足醫(yī)院的負(fù)壓使用要求。

可編程邏輯控制器；中心負(fù)壓控制系統(tǒng)；真空泵；RS485串行總線

負(fù)壓吸引設(shè)備用于醫(yī)院手術(shù)室、搶救室、治療室和各個病房終端的負(fù)壓吸引，是治療和搶救患者不可或缺的重要設(shè)備。實踐證明，中心負(fù)壓系統(tǒng)具有安全可靠、無噪聲、使用便捷和便于維修與管理等優(yōu)點，是醫(yī)院醫(yī)用氣體的重要組成部分[1-3]。隨著當(dāng)今醫(yī)院現(xiàn)代化、自動化發(fā)展需求的不斷提升，引入先進(jìn)的醫(yī)用中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)尤為重要。在醫(yī)用中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響著整個系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，本文將重點闡述中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)的工作原理

中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)通過控制真空泵機(jī)組的抽吸，使吸引管路達(dá)到所需負(fù)壓值。工作時，終端吸引裝置吸入的氣體經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入真空罐，之后經(jīng)真空泵排到氣水分離器中，然后經(jīng)氣水分離器排氣管，最后經(jīng)過消毒滅菌裝置排到大氣中[4-6]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計思想

系統(tǒng)設(shè)有兩臺水環(huán)真空泵，可手動或自動切換。手動控制可以直接控制一號泵和二號泵的啟停。當(dāng)轉(zhuǎn)換為自動控制時，分3種工況：正常工作時，兩臺泵自動交替運(yùn)行；當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，另一臺自動投入工作；當(dāng)高峰期主泵不能滿足用氣量時，系統(tǒng)將自動啟動副泵，保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可在計算機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實時顯示各設(shè)備的運(yùn)行情況，可以顯示高、低壓及真空泵故障等信息，以便操作人員快速作出相應(yīng)處理；并能夠根據(jù)真空泵運(yùn)行次數(shù)，給出檢修提示，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，且具有設(shè)備運(yùn)行及報警記錄的存儲功能，便于以后查閱。

2 基于PLC的負(fù)壓控制系統(tǒng)的組成及軟件組態(tài)

2.1 PLC簡介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實質(zhì)上是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同，主要由電源模塊、中央處理單元（CPU）、存儲器、輸入輸出接口模塊、功能模塊、通信模塊等組成。編程語言包括梯形圖、功能塊圖、結(jié)構(gòu)文本等。PLC具有運(yùn)算快、功能強(qiáng)大、易于擴(kuò)展、可靠性高、維修方便等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于金屬、化工、電力、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，根據(jù)應(yīng)用情況大致可分為開關(guān)量控制、模擬量控制、運(yùn)動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等；根據(jù)復(fù)雜程度可分為小型、中型、大型等。

經(jīng)過簡單的PLC編程和硬件組態(tài)，用戶可以完成以前由成百上千的繼電器以及計數(shù)器才能實現(xiàn)的復(fù)雜自動化系統(tǒng)。用戶還可以根據(jù)現(xiàn)場實際需求，編寫相應(yīng)的用戶程序來滿足不同的自動化生產(chǎn)要求。此外，通過PLC與計算機(jī)之間的通信，應(yīng)用組態(tài)軟件可以制作模擬實際控制系統(tǒng)的畫面，實時查看控制系統(tǒng)的各種參數(shù)，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行操作[7-8]。

2.2 中心負(fù)壓控制系統(tǒng)的組成

中心負(fù)壓控制系統(tǒng)主要由控制站、操作站和通信網(wǎng)絡(luò)3部分組成。

中心負(fù)壓控制系統(tǒng)共有7路I/O控制點，其中1路模擬量輸入、4路開關(guān)量輸入和2路開關(guān)量輸出。由于控制站輸入/輸出點數(shù)少，因此，采用小型PLC完全可以滿足需求。

操作站選用性能可靠的計算機(jī)，通過安裝組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，對現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)測和操作；操作站可同時安裝PLC編程軟件，作為上位機(jī)進(jìn)行PLC編程。

RS485串行總線標(biāo)準(zhǔn)具有傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、安裝簡易等優(yōu)點，因此本系統(tǒng)采用RS485進(jìn)行通信，通過RS232-RS485轉(zhuǎn)換模塊連接PLC和計算機(jī)，保證監(jiān)控和組態(tài)功能；此外，為了加強(qiáng)通信傳輸?shù)目垢蓴_能力，通信線采用雙絞線，并安裝終端電阻。

2.3 硬件安裝和網(wǎng)絡(luò)連接

壓力檢測采用模擬量的壓力傳感器進(jìn)行，為了增加系統(tǒng)的可靠性，采用電接點壓力表進(jìn)行壓力的上限和下限控制。依據(jù)實際控制點數(shù)和系統(tǒng)設(shè)備的控制要求，具體I/O硬件配置及原理圖，見圖1。

PLC控制系統(tǒng)的通信構(gòu)架，見圖2。

2.4 控制系統(tǒng)的組態(tài)和關(guān)鍵控制程序的實現(xiàn)

根據(jù)中心負(fù)壓系統(tǒng)工藝流程的控制要求和控制策略編寫PLC程序，用于控制所有設(shè)備的啟停和聯(lián)鎖，編寫語言采用梯形圖。

圖1 PLC I/O硬件配置及原理圖

圖2 PLC控制系統(tǒng)通信電纜連接圖

2.4.1 真空泵的啟動位和停止位

當(dāng)壓力傳感器檢測壓力值達(dá)到高壓設(shè)定值時，M1.4置位，啟泵標(biāo)志位M0.1接通；當(dāng)壓力值達(dá)到低壓設(shè)定值時，M1.5置位，停泵標(biāo)志位M0.2接通（圖3）。

圖3 啟動位和停止位梯形圖程序

內(nèi)部變量M1.4和M1.5為壓力傳感器換算后的高、低壓標(biāo)志位，壓力值設(shè)定為-0.03~-0.06 Mpa；I0.0和I0.1為電接點壓力表設(shè)定值，設(shè)定為-0.026~-0.066 MPa作為控制壓力的極限值。

2.4.2 真空泵的故障位

通過對I0.2和I0.3的端子信號進(jìn)行采集，同時結(jié)合Q0.0和Q0.1的輸出情況，即如果Q0.0已置位而I0.2無輸入信號，則M0.4置位，可判斷一號泵出現(xiàn)故障；同理可判斷二號泵的故障情況。延時功能塊是為了響應(yīng)程序讀取輸入量的時間，防止誤動作（圖4）。

圖4 真空泵故障位梯形圖程序

2.4.3 真空泵連幫和交替程序

連幫運(yùn)行：在自動控制時，當(dāng)高壓啟動信號M0.1保持接通10 s，則認(rèn)為一臺真空泵不能滿足當(dāng)前壓力要求，M0.6置位，同時啟動另一臺

真空泵（圖5）。

交替運(yùn)行：在自動運(yùn)行狀態(tài)正常時，兩臺真空泵交替運(yùn)行，標(biāo)志位為M0.3（圖5）。

Q0.0置位時一號泵運(yùn)行，Q0.1置位時二號泵運(yùn)行（圖6）。

圖5 真空泵運(yùn)行梯形圖程序

圖6 真空泵運(yùn)行梯形圖程序

3 組態(tài)人機(jī)界面

操作站采用組態(tài)王進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，操作界面包括主監(jiān)控窗口、實時趨勢曲線窗口、歷史趨勢曲線窗口和報警窗口，可通過下拉菜單進(jìn)行選擇。主界面可以實時查看系統(tǒng)的運(yùn)行情況，分為操作區(qū)和顯示區(qū)，便于工藝操作和監(jiān)視、判斷生產(chǎn)故障等。組態(tài)人機(jī)界面圖，見圖7。

圖7 中心負(fù)壓吸引系統(tǒng)組態(tài)界面圖

4 中心負(fù)壓控制系統(tǒng)調(diào)試

中心負(fù)壓控制系統(tǒng)調(diào)試過程如下：①檢查硬件組態(tài)，確保外部線路連接正常，準(zhǔn)備送電試車；②通過編程軟件強(qiáng)制PLC內(nèi)部輸出點置位，觀察現(xiàn)場對應(yīng)設(shè)備是否動作正常；③檢查并調(diào)試程序和系統(tǒng)連鎖，通過程序強(qiáng)制置位，模擬系統(tǒng)實際運(yùn)行情況，觀察系統(tǒng)運(yùn)行是否正常；④通過監(jiān)控畫面進(jìn)入手動操作，觀察現(xiàn)場各個設(shè)備的動作情況，之后選擇自動運(yùn)行，觀察設(shè)備的整體運(yùn)行情況；⑤根據(jù)現(xiàn)場和實際使用情況進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整；⑥調(diào)試完畢，投入使用。

5 結(jié)語

針對醫(yī)用負(fù)壓的生產(chǎn)工藝參數(shù)要求，筆者設(shè)計了一套由PLC、變頻器、壓力變送器等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動壓力控制系統(tǒng)，該自動控制系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了真空泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以為臨床提供穩(wěn)定、持續(xù)可靠的負(fù)壓吸力，適應(yīng)醫(yī)院數(shù)字化、自動化的發(fā)展趨勢，具有一定的推廣價值。

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Design and Development of a M edical Center Vacuum Control System based on Programmable Logic Controller

XU Yong
Department of M edical Engineering, Inner Mongolia Forestry General Hospital, Yakeshi Inner Mongolia Autonomous Region 022150, China

Objective To investigate and develop a programmable logic controller (PLC）- based medical center vacuum system so as to provide a reliable and steady negative pressure for the hospital. Methods According to the relevant national standards, the industrial grade PLC was applied in line w ith the work fl ow of vacuum systems in order to design and development the system. Results A reliable and steady medical center vacuum control system had been successfully designed. Conclusion The control system could meet the requirements of the hospital.

programmable logic controller；central vacuum control systems；vacuum pump；RS485 serial bus

TP273

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.09.031

1674-1633(2015）09-0101-03

2015-04-09

2015-05-19

作者郵箱：xuyong19820810@163.com