基于PLC的醫用中心負壓控制系統的設計與開發

徐勇

內蒙古林業總醫院 醫學工程科，內蒙古 牙克石 022150

基于PLC的醫用中心負壓控制系統的設計與開發

徐勇

內蒙古林業總醫院 醫學工程科，內蒙古 牙克石 022150

目的 研究并開發一套基于可編程邏輯控制器（PLC）的醫用中心負壓控制系統，為醫院臨床提供可靠、持續穩定的負壓氣體。方法 依據國家相關規范，采用工業級PLC，根據負壓系統的工作流程，進行系統的設計與開發。結果 開發出一套完善、可靠的醫用中心負壓控制系統。結論該控制系統各項指標能夠滿足醫院的負壓使用要求。

可編程邏輯控制器；中心負壓控制系統；真空泵；RS485串行總線

負壓吸引設備用于醫院手術室、搶救室、治療室和各個病房終端的負壓吸引，是治療和搶救患者不可或缺的重要設備。實踐證明，中心負壓系統具有安全可靠、無噪聲、使用便捷和便于維修與管理等優點，是醫院醫用氣體的重要組成部分[1-3]。隨著當今醫院現代化、自動化發展需求的不斷提升，引入先進的醫用中心負壓吸引系統尤為重要。在醫用中心負壓吸引系統中，控制系統的質量直接影響著整個系統的可靠性與穩定性，本文將重點闡述中心負壓吸引系統的自動控制系統的設計與開發。

1 系統概述

1.1 中心負壓吸引系統的工作原理

中心負壓吸引系統通過控制真空泵機組的抽吸，使吸引管路達到所需負壓值。工作時，終端吸引裝置吸入的氣體經進氣管進入真空罐，之后經真空泵排到氣水分離器中，然后經氣水分離器排氣管，最后經過消毒滅菌裝置排到大氣中[4-6]。

1.2 系統設計思想

系統設有兩臺水環真空泵，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。當轉換為自動控制時，分3種工況：正常工作時，兩臺泵自動交替運行；當一臺出現故障時，另一臺自動投入工作；當高峰期主泵不能滿足用氣量時，系統將自動啟動副泵，保證系統可靠、穩定地運行。系統采用遠程監控系統，可在計算機上進行遠程操作，實時顯示各設備的運行情況，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處理；并能夠根據真空泵運行次數，給出檢修提示，保證設備安全、穩定地運行，且具有設備運行及報警記錄的存儲功能，便于以后查閱。

2 基于PLC的負壓控制系統的組成及軟件組態

2.1 PLC簡介

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實質上是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，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、結構文本等。PLC具有運算快、功能強大、易于擴展、可靠性高、維修方便等優點，已廣泛應用于金屬、化工、電力、機械制造、交通運輸等領域，根據應用情況大致可分為開關量控制、模擬量控制、運動控制、過程控制、數據處理等；根據復雜程度可分為小型、中型、大型等。

經過簡單的PLC編程和硬件組態，用戶可以完成以前由成百上千的繼電器以及計數器才能實現的復雜自動化系統。用戶還可以根據現場實際需求，編寫相應的用戶程序來滿足不同的自動化生產要求。此外，通過PLC與計算機之間的通信，應用組態軟件可以制作模擬實際控制系統的畫面，實時查看控制系統的各種參數，并對控制系統進行操作[7-8]。

2.2 中心負壓控制系統的組成

中心負壓控制系統主要由控制站、操作站和通信網絡3部分組成。

中心負壓控制系統共有7路I/O控制點，其中1路模擬量輸入、4路開關量輸入和2路開關量輸出。由于控制站輸入/輸出點數少，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，通過安裝組態軟件進行組態設計，對現場進行實時監測和操作；操作站可同時安裝PLC編程軟件，作為上位機進行PLC編程。

RS485串行總線標準具有傳輸距離遠、可靠性高、安裝簡易等優點，因此本系統采用RS485進行通信，通過RS232-RS485轉換模塊連接PLC和計算機，保證監控和組態功能；此外，為了加強通信傳輸的抗干擾能力，通信線采用雙絞線，并安裝終端電阻。

2.3 硬件安裝和網絡連接

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

PLC控制系統的通信構架，見圖2。

2.4 控制系統的組態和關鍵控制程序的實現

根據中心負壓系統工藝流程的控制要求和控制策略編寫PLC程序，用于控制所有設備的啟停和聯鎖，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控制系統通信電纜連接圖

2.4.1 真空泵的啟動位和停止位

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

圖3 啟動位和停止位梯形圖程序

內部變量M1.4和M1.5為壓力傳感器換算后的高、低壓標志位，壓力值設定為-0.03~-0.06 Mpa；I0.0和I0.1為電接點壓力表設定值，設定為-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的端子信號進行采集，同時結合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

連幫運行：在自動控制時，當高壓啟動信號M0.1保持接通10 s，則認為一臺真空泵不能滿足當前壓力要求，M0.6置位，同時啟動另一臺

真空泵（圖5）。

交替運行：在自動運行狀態正常時，兩臺真空泵交替運行，標志位為M0.3（圖5）。

Q0.0置位時一號泵運行，Q0.1置位時二號泵運行（圖6）。

圖5 真空泵運行梯形圖程序

圖6 真空泵運行梯形圖程序

3 組態人機界面

操作站采用組態王進行組態設計，操作界面包括主監控窗口、實時趨勢曲線窗口、歷史趨勢曲線窗口和報警窗口，可通過下拉菜單進行選擇。主界面可以實時查看系統的運行情況，分為操作區和顯示區，便于工藝操作和監視、判斷生產故障等。組態人機界面圖，見圖7。

圖7 中心負壓吸引系統組態界面圖

4 中心負壓控制系統調試

中心負壓控制系統調試過程如下：①檢查硬件組態，確保外部線路連接正常，準備送電試車；②通過編程軟件強制PLC內部輸出點置位，觀察現場對應設備是否動作正常；③檢查并調試程序和系統連鎖，通過程序強制置位，模擬系統實際運行情況，觀察系統運行是否正常；④通過監控畫面進入手動操作，觀察現場各個設備的動作情況，之后選擇自動運行，觀察設備的整體運行情況；⑤根據現場和實際使用情況進行相應的參數調整；⑥調試完畢，投入使用。

5 結語

針對醫用負壓的生產工藝參數要求，筆者設計了一套由PLC、變頻器、壓力變送器等主要設備構成的全自動壓力控制系統，該自動控制系統成功地實現了真空泵的安全穩定運行，可以為臨床提供穩定、持續可靠的負壓吸力，適應醫院數字化、自動化的發展趨勢，具有一定的推廣價值。

[1]劉士龍,李曉梅,李鵑.醫院負壓吸引系統的構建與維護[J].中國醫學裝備,2015,1(44）：131-132.

[2]姜宗義,趙文干,潘兆岳,等.醫院中心負壓系統設計[J].醫療衛生裝備,1994,(6）：4-6.

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[4]東躍勝,陳江華,夏崇才.醫療機構中心負壓吸引系統的管理[J].醫學美學美容(中旬刊）, 2014,(10）：764.

[5]李小渝.8051與C語言在醫院中心負壓吸引中的應用[J].醫療裝備,2014,27(12）：35-36.

[6]羅崢.醫院氣體支援系統的智能化監控和管理具體實現[J].世界最新醫學信息文摘,2015,(14）：190-191.

[7]穆世民,杜志軍,蘇攀,等.Redon高負壓引流系統在跟骨骨折術后的應用[J].中外健康文摘,2013,(6）：90-91

[8]周俊彥.潔凈手術部負壓吸引系統設計探討[J].潔凈與空調技術,2013,(2）：5-9.

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