基于可編程邏輯控制器和分布式控制系統的醫用電子直線加速器控制系統設計**基金項目：廣東省引進創新科研團隊計劃(201001D0104732255)“電子加速器關鍵核心技術研發及產業化”

杜錫九　劉德康　沈立人　陳建鋒

?

基于可編程邏輯控制器和分布式控制系統的醫用電子直線加速器控制系統設計**基金項目：廣東省引進創新科研團隊計劃(201001D0104732255)“電子加速器關鍵核心技術研發及產業化”

杜錫九①廣東中能加速器科技有限公司 廣東 東莞 523808劉德康①沈立人①陳建鋒①

[摘要]目的：設計醫用電子直線加速器核心控制系統，用來嚴密控制協調各子系統的運行，以確保對治療對象進行準確可靠的放射治療。方法：采用基于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(DCS)架構的技術方案，根據醫用電子直線加速器的控制系統需求特點和系統規模進行設計。結果：控制系統不僅可完成所承擔的照射控制、安全聯鎖控制、運動控制、人機操作界面以及數據記錄與校驗等控制任務，并能夠確保系統能穩定可靠運行。PLC控制器具備可靠性高、結構緊湊及組態方便的諸多優勢，而分布式控制系統使計算機控制系統架構更為先進。結論：該解決方案不僅很好地滿足了醫用電子直線加速器的控制系統需求，并且具備研制周期短、修改與調試方便等優勢。

[關鍵詞]加速器；分布式控制系統；可編程邏輯控制器

[First-author’s address] Mintech, Guang Dong Sino Power Accelerator Technology Co. Ltd, Dong Guan Guang Dong 523808, China.

醫用電子直線加速器是用于放射治療的醫療設備，其生產的X射線電子束能量約為6～18 MeV。醫用電子直線加速器由電子槍、加速管、高頻系統、真空系統及冷卻系統等組成，其安全和精確的操作是由醫用電子加速器控制和聯鎖系統實現[1]?？刂葡到y能夠將操作人員下達的指令傳輸至設備各部件，從而控制整個加速器按照治療參數的要求，準確無誤地完成電子束的產生、加速及輸出全過程，并且設置安全聯鎖系統，在檢測到異常信號時能夠及時阻止可能出現的損害事故。

現代醫用電子直線加速器的控制系統，均采用全數字化技術、以電子計算機為控制核心實現的控制系統，其中可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、分布式控制系統架構在加速器的控制系統設計中得到廣泛應用[2-3]?？刂葡到y自20世紀30年代以來，經歷數十年的發展、演變及全面整合，已成為全數字化的先進技術，而分布式控制系統(distributed control system，DCS)是當代主流的控制系統架構之一[4]。DCS初期的主要目標是降低大規?？刂葡到y的復雜性和多點數據復制問題，最終成熟的DCS已形成完整的以分層設計、接口標準化及客戶機和(或)服務(Client/Server)結構等為特點的成熟軟件、硬件系列產品。為此，本研究將PLC和DCS應用于醫用電子加速器控制系統的設計方案中，以確保放射治療的準確性和可靠性。

1　醫用電子加速器控制系統總體結構

DCS的核心思想是將底層控制信號進行全數字化處理，建立統一、規范的中間層控制信號數據庫，這些控制信號數據可以分布在多個地點，但對于上層控制軟件，只需按照網絡協議接口與控制數據進行交互。因此，DCS軟件的架構是一種Client/Server軟件架構。著名的控制系統專業廠商均擁有完整的DCS品牌產品體系，其中包括FOXBORO、HONEYWEL和YOKOGAWA等[5-7]。此外，OPC[8]、EPICS[9]等是一種公開的軟件協議體系，采用公開通用協議的DCS更具備可選擇范圍廣、成本低的優勢。

控制系統的設計采用Client/Server網絡結構的分布式控制系統，其硬件結構如圖1所示。

圖1　控制系統硬件結構圖

在控制系統硬件結構中，輸入輸出控制(input output controller，IOC)服務器和控制臺計算機構成上層控制系統，其結構為Client/Server結構。PLC、運動控制器以及圖像獲取設備等控制設備均可接入網絡交換機，且可接入設備的數量不受限制，只需采用具備足夠網絡接口的交換機即可。系統通過網絡和控制系統軟件，將所有的控制設備和信號集成到一個平臺中，系統結構適合醫用電子加速器控制的多樣化控制功能需求。

1.2 控制系統軟件結構

控制系統軟件結構采用3層結構設計，即操作員接口層、IOC服務器層和設備控制層，如圖2所示。

圖2　控制系統軟件結構圖

硬件接口和通訊接口與具體的控制器硬件相關，通訊接口按IOC接口協議設計，通訊接口驅動軟件通常由廠商或第三方提供。在控制系統的設計開發中，應用軟件的開發分為PLC控制程序和上層控制程序兩部分。PLC控制程序通常采用梯形圖編程等軟件進行，上層控制程序采用分布式控制系統的編程工具軟件進行，充分利用成熟的系統軟件和工具軟件將應用軟件的開發工作量降至最低，而使其可靠性得到保證。

2　醫用電子加速器控制系統設計

控制系統的設計原則為分層設計、規范接口和高可靠性。

2.1 PLC控制系統硬件設計

要切實提升對紀檢監察工作的認識。從工作實踐來看，認識上的誤區主要有兩種：一種認為紀委的監督阻礙了工作效率的提升，片面地把監督與發展對立起來，因而存在應付監督、不愿監督的現象，甚至表現為一定形式或程度的抵觸情緒，不利于監督工作的正常化、規范化、常態化；另一種是把紀委的監督當“擋箭牌”，有的部門自己不履行檢查與監督職能，而是把紀委推到一線，甚至事事都要有紀檢部門人員參加，并為其決策“簽字背書”，這種“越位”“錯位”現象把紀檢部門推向了“監督不是、不監督也不是”的兩難境地。

PLC適用于常規硬件信號、高可靠性要求的控制場合，不適用于圖像采集處理?？刂葡到y的常規硬件信號為數字量輸入和(或)輸出(digital input/digital output，DI/DO)和模擬量輸入和(或)輸出(analog input/analog output，AI/AO)，在加速器控制系統中，除常規的硬件信號外還包括脈沖計數信號、溫度測量信號及運動控制信號等，其信號可采用專用PLC模塊，或轉換為常規的硬件信號接入常規硬件信號模塊。

2.2 硬件信號接口設計

DI/DO信號統一采用隔離的接口設計；AI/AO信號采用電壓信號形式。在信號接口實施中，部件的輸入、輸出信號要按照接口規范設計，對于不符合規范的信號可經過信號調理接口，轉換為符合規范的信號然后連接到PLC模塊。同時，對于大量的模擬量輸入信號，因模塊配置限制而不采用全部獨立接入PLC模擬量輸入模塊的方式，其信號中大量屬于實時性要求不高的信號，可在信號調理接口中設計多路切換電路轉接，將其接入PLC模塊。

2.3 PLC控制軟件設計

PLC控制軟件以梯形圖的方式編程。加速器控制中PLC的控制程序要求較為簡單，梯形圖編程可很好地滿足需求，且易于理解和調試。對于簡單的控制過程，PLC軟件只需采用單線程的程序流程；而對于需要同時并行執行多個線程的控制過程，可采用中斷的方式實現。因此，PLC軟件也可工作在多線程方式中，以滿足不同優先級、時間精度要求高的控制流程需求。

2.4 IOC控制層軟件設計

IOC控制層軟件運行于服務器，通常服務器采用LINUX操作系統，并將DCS的系統軟件包安裝運行于LINUX操作系統。控制系統的IOC軟件包分別為基本軟件包和控制器通訊驅動程序，基本軟件包對所有控制器均為通用，而控制器通訊驅動程序則與具體的控制器相關，多數常用的控制器的驅動程序均已具備，不需進行驅動程序的開發。IOC控制層軟件的用戶程序設計，主要工作是IOC服務器的配置和通道動態數據庫的設計。

2.5 上層控制軟件設計

在分布式控制系統中，上層控制系統軟件為client結構，每個運行的上層控制軟件實例均為IOC服務器的客戶端。上層控制軟件通過網絡通訊與IOC服務器的IOC控制層軟件接口獲取或下達控制參數與命令。

上層控制軟件采用QT數據庫和QT設計開發工具進行開發[10]。上層控制軟件的可用開發工具包括用戶界面、順序控制、報警管理及數據記錄等，其中核心為用戶界面。QT開發結構大量利用現有的軟件庫和軟件工具，可極大減輕實際開發編程的工作負擔。上層控制軟件的開發與運行結構如圖3所示。

圖3　上層控制軟件的開發與運行結構圖

3　醫用電子加速器安全聯鎖控制設計

在醫用電子直線加速器控制系統設計中，安全聯鎖控制是重要的組成部分。PLC控制系統非常適合于安全聯鎖控制，其高可靠性滿足安全聯鎖的要求，同時各部分將硬件信號統一接入PLC，很容易在PLC內實現多個部件之間的聯絡控制邏輯。

按照醫用電子直線加速器的系統規模，安全聯鎖按照設備級聯鎖和系統級聯鎖兩層結構進行設計：①調制器、電子槍這類自成一體的設備部件，通常將重要的安全聯鎖集成在本設備部件的子系統控制電路內，定義為設備級聯鎖；②設備部件之間的聯鎖關系在PLC控制器內實現，定義為系統級聯鎖。

4　結論

經過醫用電子直線加速器控制系統的實際開發和現場調試，分布式控制系統可以很好地適用此類小型裝置的控制系統。DCS本身為解決大規模實驗物理和工業控制系統而設計，其成熟的軟件體系、豐富的開發工具、靈活的組態方式以及全面的功能支持，同樣可為小型加速器控制系統的開發帶來非常便利而可靠的控制系統平臺架構。PLC是一種成熟可靠的控制器產品，作為醫用電子直線加速器的控制器，PLC的功能和性能非常適合，其配套的軟件開發與調試工具對于控制系統的快速開發具有非常有利的優勢[11-12]。

參考文獻

[1]顧廣本.醫用加速器[M].北京:科學出版社,2003:469.

[2]仇文君,周大勇,陳建鋒,等.基于PLC的直線加速器聯鎖保護系統[J].核技術,2008,31(7):506-510.

[3]馮立文,林林,王芳,等.基于EPICS的ERL加速器控制系統[J].核電子學與探測技術,2013,33(7):787-790.

[4]王常力,羅安.分布式控制系統(DCS)設計與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2004:8-21.

[5]李金芳.Honeywell TPS系統應用技術[J].中小企業管理與科技,2011(13):278.

[6]王常力.最新DCS的體系結構和技術特點[J].自動化博覽,2004(6):80-81.

[7]李紅,劉大飛,徐壽永.橫河CS3000與FOXBORO I/ A DCS系統對比分析[J].化工管理,2014(3):14.

[8]季勝鵬,林中達.基于OPC規范的客戶/服務器模型設計[J].電力自動化設備,2002,22(11):1-6.

[9]張德敏,金曉,黎明,等.EPICS在加速器控制系統中的應用[J].強激光與粒子束,2008,20(4):597-600.

[10]Jasmin Blanchette,Mark Summerfield.C++ GUI Qt4編程[M].閆鋒欣,曾泉人,張志強,譯.北京:電子工業出版社,2008:1-492.

[11]管吉,楊樹欣,管葉,等.醫用電子直線加速器的技術應用與研究[J].中國醫學裝備,2014,11(7):24-26.

[12]肖振華,王振宇,文碧秀.醫用電子直線加速器硬件系統的研究進展和臨床應用[J].中國現代醫生,2013, 51(27):19-21.

Research on the design of PLC and DCS-based medical linear accelerator system/DU Xi-jiu, LIU De-kang, SHEN Li-ren, et al// China Medical Equipment,2016,13(1):16-18.

[Abstract]Objective: To design medical linear accelerator (Linac) control system which can monitor and control the sub systems to ensure an accurate and reliable radiation therapy. Methods: Using the technical protocol of PLC and DCS-based medical linear accelerator system, combined with requirement and system scale of Linac for the design. Results: The control system can not only complete the tasks of irradiating controlling, safety interlock controlling, motion controlling, human operating interface, and data recording and verification, etc, but also ensure a stable and reliable running of the system. PLC controllers have various advantages of high reliable and compact structure and easy configuration, and DCS technology makes control system architecture more progressive. Conclusion: The solution not only satisfy the control system requirements of medical linear accelerator, but also have advantages in rapid development and convenient modifying and debugging.

[Key words]Accelerator; Distributed control system; Programmable logic controller

收稿日期：2015-03-04

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.01.005

[文章編號]1672-8270(2016)01-0016-03

[中圖分類號]R812

[文獻標識碼]A

作者簡介
杜錫九,男,(1943- ),本科學歷，研究員。廣東中能加速器科技有限公司，從事醫用電子直線加速器的研發及產業化工作。