季智勇，潘天紅，楊智祥

1.上海市第六人民醫(yī)院 醫(yī)學裝備處，上海 201306；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.南通市腫瘤醫(yī)院 醫(yī)療設備科，江蘇 南通226361

大型醫(yī)學裝備電源質量實時監(jiān)控系統(tǒng)研制

季智勇1,2，潘天紅2，楊智祥3

1.上海市第六人民醫(yī)院 醫(yī)學裝備處，上海 201306；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.南通市腫瘤醫(yī)院 醫(yī)療設備科，江蘇 南通226361

本研究意在研制一種可以實時在線監(jiān)測醫(yī)學裝備供電電源質量的遠程監(jiān)測和異常報警系統(tǒng)，對供電電源端質量進行實時監(jiān)測。通過局域網(wǎng)匯集到主控計算機以實時圖表等方式顯示，并利用移動GSM通信平臺實現(xiàn)手機短信報警，組成一套完整的故障監(jiān)測、查詢、分析、報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測電源質量并在出現(xiàn)異常時及時通過GSM網(wǎng)絡報警，及早排除故障，從而充分保障醫(yī)學裝備的正常運行。

醫(yī)學裝備；電源質量；實時監(jiān)測；報警；GSM網(wǎng)絡

引言

供電系統(tǒng)的正常與否對于醫(yī)院來說至關重要，不僅關系到財產(chǎn)安全，更關系到病人生命安全[1]。尤其是大型醫(yī)學裝備，如核磁共振、醫(yī)用直線加速器等，如果電源質量一旦出現(xiàn)異常，將導致停機或造成重大的安全事故，甚至會給醫(yī)療安全帶來隱患[2]。“十三五”規(guī)劃綱要提出，要深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革，要求降低運營成本，提高醫(yī)療服務質量，保障醫(yī)療安全，這些都對大型醫(yī)學裝備的運營保障提出了新的更高要求。

如果能夠對醫(yī)學裝備供電電源質量進行實時監(jiān)測并記錄，在故障出現(xiàn)時能夠及時發(fā)送報警，通知有關人員，則將大大降低故障造成的損失和影響，使故障在最短的時間內得于排除，從而不影響設備的正常運行。實時記錄電源質量狀況也便于故障分析，從而為提高供電電源的可靠性、及時發(fā)現(xiàn)問題，迅速處理故障提供了可靠的技術保障。

對電源質量實施監(jiān)測，需要具體到所研究的對象指標，建立評估模型和監(jiān)測目標之間的對應關系。電源質量的評價指標主要有電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、諧波以及三相電壓不平衡度5個方面。電壓允許偏差和頻率允許偏差主要取決于電力的供需之間的平衡關系，后面的3項指標不僅僅和供電系統(tǒng)相關，還受到用電負荷性質的影響[3]。

目前國內外對電源質量的監(jiān)測通常會采用專項監(jiān)測、定時巡回監(jiān)測和連續(xù)監(jiān)測等方法，相應研制和開發(fā)了許多種可供用戶選擇的、具有優(yōu)秀性能的電能質量監(jiān)測分析儀器[4-5]。

綜合國內外電源質量監(jiān)測技術的發(fā)展情況來看[6-7]，一般采用傳統(tǒng)意義上的儀器儀表或者采用嵌入式設計或者采用計算機進行數(shù)據(jù)處理，這幾種方案或多或少的存在設備配置的靈活性、通用性相對比較差，適用場合小、實時的分析能力較差，數(shù)據(jù)處理算法的落后，得到的數(shù)據(jù)缺乏有效的判斷依據(jù)，很難用來深入的分析影響電源質量的根源；實時性能較差，且監(jiān)測點分散等缺點。

在這種情況下，我們開發(fā)了大型醫(yī)學裝備電源質量實時監(jiān)測系統(tǒng)，對電源質量進行實時監(jiān)測[8]，并可以在出現(xiàn)異常時利用 GSM網(wǎng)絡對相關人員手機發(fā)送報警短息，提醒及時進行處理。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)利用單片機和模擬采集系統(tǒng)組成電源質量監(jiān)測儀，對醫(yī)學裝備供電端系統(tǒng)的電壓實時進行采集并存儲，利用院內局域網(wǎng)通信方式遠程匯總到主控臺計算機端[9]，主控臺可以隨時查詢各采集設備的數(shù)據(jù)，以供故障的查詢和分析判斷,采集設備和主控臺均有故障報警功能，系統(tǒng)也留有多種接口，以便日后升級。監(jiān)控報警主機通過醫(yī)院內部局域網(wǎng)向電源質量監(jiān)測儀請求傳送數(shù)據(jù)并進行處理，同時能夠實現(xiàn)對電源質量相關指標進行監(jiān)測，且可以利用移動GSM通信平臺實現(xiàn)手機短信報警及語音報警[10]，從而和相關部門的技術系統(tǒng)一起組成一整套完整的故障檢測、查詢、分析、排除系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)測儀硬件設計

由于監(jiān)測的對象是三相市電，因此對單片機的要求很高，本系統(tǒng)采用高效高速高穩(wěn)定的單片機處理系統(tǒng)，并配置高性能看門狗電路。由于系統(tǒng)監(jiān)測的是三相動力電源，所以監(jiān)控系統(tǒng)供電采用獨立的蓄電池供電，這樣在動力電源出現(xiàn)故障時不至于使系統(tǒng)停止工作。

因此，本文設計了監(jiān)測儀硬件系統(tǒng)，其組成框圖，見圖2。

圖2 監(jiān)測儀硬件系統(tǒng)組成框圖

2.1.1 高電壓變壓模塊

監(jiān)測儀采樣部分電路圖，見圖3。醫(yī)學裝備供電端電壓采樣必須要經(jīng)過降壓整流濾波后才能輸出符合單片機采樣需求的小電壓送到AD采樣端。為了保護電壓互感器和減小功率損耗，還要在互感器的輸入端串入合適的電阻，互感出來的是小信號交流電壓，為了得到真有效值，必須把小信號交流電壓再經(jīng)過整流濾波處理[11]，這樣才能得到AD芯片所需要的直流電壓，這時的電壓就是正比于輸入端的交流電壓，為了處理精度及穩(wěn)定性要求采用真有效值專用測量芯片AD637。

圖3 監(jiān)測儀采樣部分電路圖

2.1.2 通道切換模塊

由于是測量多路電壓信號，所以必須要進行通道切換，硬件中使用HC4052來進行切換，HC4052是雙路4通道模擬電子開關，導通后的電阻只有100 Ω左右，滿足大多數(shù)的信號傳輸要求。

每次切換可以實現(xiàn)兩路同時轉換，這樣可以考慮一路用于電壓，另一路作備用方便以后升級為電壓電流共同測量。當使能端ENABLE為低電平時，芯片處于使能狀態(tài)，這時A、B端用來選擇切換一組中4個通道中的哪一個通道。

2.1.3 LED數(shù)字顯示模塊

采用LED顯示模塊3組四位一體數(shù)碼管分別顯示三相電壓值。

2.1.4 蓄電池供電電路

在實際使用中，發(fā)現(xiàn)在醫(yī)院突然停電時，串口服務器也會同時停止工作，不能夠及時將采集的數(shù)據(jù)傳到主控計算機。因此，采用12 V蓄電池供電，并在輸出端加上LM 2576組成的穩(wěn)壓電路，以保證蓄電池輸出的直流電壓符合系統(tǒng)接口直流5 V的輸入要求。為了避免蓄電池在電量使用將盡時無法供電，采用12 V充電器給其充電，并設置充飽門限，在蓄電池電壓達到13.8 V時斷開充電，在低于10.8 V時自動接通電源充電，有效避免了因停電引起的數(shù)據(jù)傳輸失敗。

2.2 監(jiān)控報警主機硬件系統(tǒng)

監(jiān)控報警主機要實現(xiàn)的功能主要有實時顯示各工作站的工作電壓數(shù)據(jù)，并存儲，供后期查詢、分析；采用業(yè)界通用的RS485再結合以太網(wǎng)方式，確保采集和傳送的穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)將接收到的數(shù)據(jù)分析判斷，把異常數(shù)據(jù)作報警顯示，并以GSM短信方式通知相關人員。

2.2.1 基于以太網(wǎng)的多機遠程通信模塊

本系統(tǒng)選用了RS-485總線接口，MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，它完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。在串口服務器中完成數(shù)據(jù)的轉換，輸出通過以太網(wǎng)接口和計算機進行數(shù)據(jù)通訊。

2.2.2 GSM模塊

GSM模塊是傳統(tǒng)天線解調器與GSM無線移動通信系統(tǒng)相結合的一種數(shù)據(jù)終端設備，打開了GSM網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信及應用的大門。

軟件在檢測到電源異常時，將通過GSM模塊來給預設號碼發(fā)送報警短信。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 監(jiān)測儀軟件設計

監(jiān)測儀主要執(zhí)行實時采集各工作點電壓數(shù)據(jù)，并在高亮數(shù)碼管上作顯示；可以通過面板按鍵設置工作參數(shù)，并保存在掉電保存存儲器中；通過RS485和以太網(wǎng)遠程通信方式與主控臺聯(lián)系，把數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)測軟件系統(tǒng)。監(jiān)測儀采用國內技術成熟的基于51內核的STC12系列帶有AD轉換的單片機，開發(fā)環(huán)境采用國際流行通用的KEILC。

3.1.1 高速高精度采樣模塊

醫(yī)學裝備前端電壓經(jīng)真有效值轉換電路處理后送到監(jiān)測儀單片機的AD轉換采樣端，單片機的P1是復用功能口，通過相關寄存器的設置可以啟用IO功能或AD功能。

3.1.2 掉電自動保存/上電自動載入模塊

所有需要保存的參數(shù)均存儲在單片機內的EEPROM中，這樣處理既節(jié)省了資源，又保證了數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定，同時也簡化了硬件。

3.1.3 LED數(shù)碼管顯示

顯示部份采用LS 164串行輸出靜態(tài)顯示，這樣一方面數(shù)碼管不用定時刷新，另一方面簡化了編程,可以把運行時間留給其它功能部份。

3.1.4 通訊程序設計

監(jiān)測儀監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過RS485通信送到串口服務器，再通過以太網(wǎng)模塊連接到局網(wǎng)內的主控計算機上。為了使通信命令得到及時響應，可采用中斷的方式。

3.2 監(jiān)控報警主機軟件設計

監(jiān)控報警軟件主要功能是在主計算機上實現(xiàn)對各端節(jié)點設備上的采集的數(shù)據(jù)進行處理、顯示、存儲及進行質量監(jiān)控，可以進行單機多參數(shù)顯示，對采集到的相關電源質量評價指標數(shù)據(jù)進行直觀顯示，且能夠實現(xiàn)在電源質量出現(xiàn)異常時通過GSM網(wǎng)絡進行短信報警功能。主要采用Delphi 7.0設計。

3.2.1 配置連接串口服務器

串口服務器的RS485接到電壓表的RS485接口端，串口服務器的以太網(wǎng)接口連接到醫(yī)院內部的局域網(wǎng)，進行通訊。為了簡化配置，需要把IP地址改成和電源質量監(jiān)測報警主機同一網(wǎng)段內，這樣才正常通信。在監(jiān)測儀中設定好各RS485通信地址，通過電壓表的面板按鈕進入到相應的菜單設定好電壓表的通信地址。

由于在節(jié)點的配置中我們把它設為服務器模式，所以監(jiān)控軟件就配置為客戶端模式。

3.2.2 實時遠程數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)采集。軟件在初始化時創(chuàng)建配置文件：

fn.WriteString('串 口 ','COM','COM1'); self.ComPort1. Port:='COM1';

fn.WriteInteger('波特率,'Baud', integer(br9600));

self.ComPort1.BaudRate:=br9600;

frmset.iIntegerSample.Value:=10;

//采樣間隔時間10秒frmset.ChckBxAutoSav.Checked: =false;

end

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送。加入定時器，用來定時發(fā)送采樣命令，當點擊“開始監(jiān)測”按鈕后定時器開始工作，當定時值到達后發(fā)送采樣命令，發(fā)送命令方式如下：

buf[6]:=crc and $ff;

buf[7]:=(crc shr 8) and $ff;

if ckbx[i].Checked then

ts[i].Socket.SendBuf(buf[0],8);

sleep(10);

//適當錯開時間，防止接收時網(wǎng)絡擁堵

end;

（3）數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)客戶端收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)包作進一步解析，把采樣到的電壓顯示在面板上。

（4）單機多參數(shù)顯示。在單機多參數(shù)顯示界面中，采用某一時刻的實時采樣值與前100個采樣值進行比較，取出其中的最大值Umax和最小值Umin，然后進行計算，算出波動值。偏離值是采用實時采樣值去和額定值進行比較算出。三相不平衡指標采用解析幾何法算出[12]。

3.2.3 異常報警處理

系統(tǒng)客戶端會從接收到的數(shù)據(jù)中判斷電壓是否在監(jiān)控的范圍，當電壓超限時觸發(fā)報警設置。

通信號一欄是用來設置GSM短信報警功能，當復選框“電話短信報警”被選中時表明啟用短信GSM報警，報警的內容為發(fā)送相關報警內容到指定的電話。

4 實驗結果

4.1 設備端監(jiān)控顯示

在大型醫(yī)學裝備的供電電源端，當在配電車間送電完成后，監(jiān)測儀上數(shù)字電壓表即開始監(jiān)測電壓并顯示，并將采集到的數(shù)據(jù)通過RS485端口送給串口服務器，然后通過以太網(wǎng)發(fā)送到電源質量監(jiān)測報警軟件端口。

4.2 監(jiān)測報警軟件運行界面

打開軟件后自動連接到各監(jiān)測儀讀取數(shù)據(jù)，當電源供電在許可范圍之內，軟件顯示界面，見圖4。

圖4 電源正常時軟件顯示界面

當檢測到電源出現(xiàn)異常后，相應指示燈按照設定狀態(tài)點亮，電壓數(shù)字的顯示顏色同時變化，發(fā)出提醒。當電源恢復正常后，指示燈恢復正常顯示狀態(tài)，但電壓數(shù)字仍為報錯時顏色，提醒注意。此時，需要點擊“復位”按鍵，再點擊“停止檢測”，再點擊“開始檢測”，才一切恢復正常顯示狀。

4.3 單機多參數(shù)實時顯示

單機多參數(shù)顯示界面，見圖5。需要對單臺設備供電情況進行查看時，點擊頁面上“單機多參數(shù)顯示”選項卡，進入單機多參數(shù)監(jiān)控實時顯示界面，分別是“三相平衡”顯示、“電壓偏差”顯示和“電壓波動”顯示。當三相供電平衡時，指示燈顯示為綠色的，當監(jiān)測到某一相電壓不穩(wěn)定、過低甚至缺相時，指示燈就會顯示為紅色的，表示不平衡，并觸發(fā)報警條件，通過GSM模塊發(fā)送報警信息。電壓偏離值和電壓波動值通過計算得出。

下方左側顯示的是當前監(jiān)測到的電壓數(shù)值顯示，同樣采用數(shù)碼顯示方法，分別用不同顏色表示不同相序，右側是以220 V為基線，分別設定有上限值和下限值，每隔一段設定的采樣時間間隔描一個點，在圖上描繪出來，然后用線連接成一幅電壓波動曲線，這樣，通過這3個參數(shù)的直觀顯示，對當前所需查詢的醫(yī)學裝備端供電質量狀況能夠一目了然，方便監(jiān)督3個曲線分別對應相應坐標，可以進行拖拉、放大等，便于直觀觀察。

圖5 單機多參數(shù)顯示界面

4.4 短信報警顯示

當監(jiān)測到電源質量異常時，會調用GSM模塊[13]，對所設定的手機號碼發(fā)送報警短信，提示相關責任人及時進行處理。

由于本系統(tǒng)是在全天候24 h運轉的，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，工作人員不可能守在設備邊定時去保存采集到的數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)采用SQL數(shù)據(jù)庫來管理，數(shù)據(jù)庫管理和監(jiān)測同時進行，當監(jiān)測到數(shù)據(jù)發(fā)生更改時，同步進行更新。本數(shù)據(jù)庫基于模塊化設計，結構相對獨立，方便相關技術人員可以隨時查閱，分析，以便采取合適的措施，盡可能降低故障帶來的損失。

5 討論

醫(yī)學裝備尤其是大型醫(yī)學裝備，價格昂貴且維修困難，有的還必須要保證長期通電，如核磁如果斷電導致冷頭停止工作則會造成液氦泄露，造成巨大的經(jīng)濟損失[14]，加速器如果斷電導致離子泵停止工作則會造成真空度下降，影響正常工作[15]，甚至會造成機器損壞。因此，必須對電能質量進行有效管理才能達到保證醫(yī)學裝備正常運行的基本條件。

利用電源質量實時監(jiān)測與報警系統(tǒng)，對電源供電情況進行實時記錄，并能對電源質量相關參數(shù)進行實時監(jiān)測并以圖表形式進行直觀顯示，在故障出現(xiàn)時及時發(fā)送報警，通知有關人員，則能大大降低故障造成的損失和影響，使故障在最短的時間內得于排除，從而不影響設備的正常運行。實時記錄電源質量狀況也便于故障分析，從而為提高供電電源的可靠性、及時發(fā)現(xiàn)問題，迅速處理故障提供了可靠支持[16]。

同時，也應看到，本系統(tǒng)中僅能實現(xiàn)對電源質量的三相電壓平衡度、電壓波動、電壓偏離等指標進行實時連續(xù)監(jiān)測，爭取以后能夠實現(xiàn)諧波、頻率、電流等參數(shù)指標的監(jiān)測，進一步對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行智能化分析。嘗試通過Android平臺開發(fā)電源監(jiān)控掌上APP，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)在手機或者PDA上可以隨時隨地來主動訪問查詢，可以不受時間和空間限制，全面掌握大型醫(yī)學裝備供電質量狀況，結合醫(yī)院整個配供電系統(tǒng)進行優(yōu)化[17]，切實做好醫(yī)學裝備的管理和維護保障工作，同時也為及時消除醫(yī)療安全隱患提供技術保障[18]。

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本文編輯 袁雋玲

Design a Real-Time Monitoring System for the Power Quality of Medical Equipment

JI Zhi-yong1,2, PAN Tian-hong2, YANG Zhi-xiang3

1.Department of Medical Equipment, the Sixth People’s Hospital of Shanghai, Shanghai 201306, China; 2.School of Electrical Information & Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China; 3.Department of Medical Equipment, Nantong Tumor Hospital, Nantong Jiangsu 226361, China

To design a remote alarm system that could monitor the power quality of medical equipment and abnormal alarm system to real-time monitor the power supply quality. A complete system that composed of fault monitoring, query, analysis and alarm system was constructed. The power supply quality connected with the main control computer through the LAN to display in a real-time mode and the alarm system could timely send a SMS alarm when something run wrong. The system could carry out real-time monitoring and recording the power supply quality of medical equipment. In addition, it could send a timely alarm via the GSM network in abnormal condition. Hence, the technicians could timely detection of notify the problem and to deal with the fault in the shortest time and exclude it.

medical equipment; power supply quality; real-time monitoring; alarm; GSM network

TH772

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.05.009

1674-1633(2017)05-0035-05

2016-10-26

2016-12-02

作者郵箱：joyer99@126.com