基于PLC的模擬肺系統的設計與實現

董方酉，孫青林，郭 林，陳增強

（南開大學 計算機與控制工程學院，天津 300350）

模擬肺是一種按照人體呼吸規律而運動的模擬呼吸裝置。近年來，隨著航空個體防護技術的發展，用于供氧系統性能測試的模擬肺裝置成為必需。傳統供氧性能測試中所用模擬肺均為機械式模擬肺，存在體積重量大，噪聲大，切換呼吸頻率需關閉電源和手動扳動且難以實現連續切換頻率等缺點。同時，現有的供氧系統測試所用電子式模擬肺，因不滿足正弦的呼吸規律，流量不可變等缺點而未投入使用。因此，研究設計一套電子式可控且呼吸頻率連續可變并滿足正弦運動規律的模擬肺裝置，對供氧性能測試具有重要作用。

在模擬肺的設計方面，國內外許多學者提出了許多設計方案與方法。文獻[1]提出了雙夾板氣囊結構的被動式模擬肺，其結構簡單，成本較低，但無法模擬主動呼吸過程。文獻[2]設計了ARM電路和直線電機驅動的主動式模擬肺。美國Michigan儀器公司生產的TTL型主動模擬肺，采用 2個氣囊模擬雙肺[3]，即氣囊-彈簧結構。文獻[4]設計了箱-囊式主動模擬肺，用箱內氣囊模擬胸腔，采用高壓噴射或者真空泵作為執行機構。文獻[5-8]介紹了活塞結構的模擬肺，活塞在缸體內通過驅動裝置而運動，使氣缸內空間收縮或擴張。

文獻[9]對比了已有的幾種模擬肺。以上模擬肺裝置多用于呼吸機的測試與監控，或呼吸生理測試裝置的校準，均屬于醫療應用范圍，抗噪性較低，改變頻率不連續，并不適用于工業上對氧氣面罩的壓力測試。基于此，文中提出一種通過PLC實現的電子式模擬肺，用于工業生產氧氣面罩的效果測試。

1 原理及結構設計

1.1 模擬肺系統的原理

人體的生理呼吸是通過胸腔的收縮與擴張，改變胸腔體積，向外界呼出或吸入氣體，改變肺部內的氣體體積[10]。模擬肺裝置采用呼吸的基本原理，以氣缸來模擬肺，活塞在氣缸內往復運動，實現氣體流動。氣缸出口通過軟管與頭模呼吸道相連，活塞的運動可造成頭模口腔吸氣和呼氣的過程。

在所設計的模擬肺系統中，計算機通過PLC編譯器編譯程序并通過數據線下載至可編程邏輯控制器中。同時，顯示屏中輸入的參數傳輸給程序中的變量，從而決定呼吸頻率和次數；氣缸外光電開關的位置決定活塞的行程，也標志著半個周期內活塞運動的起始與終止。啟動后，PLC將驅動伺服電機使氣缸中活塞做正弦運動，電機正轉模擬呼氣，反轉模擬吸氣，實現氣缸中氣體正弦流動的效果。氣缸通過軟管連接到頭模的仿真呼吸道中，從而實現模擬肺功能。其總體結構如圖1所示。

圖1 模擬肺系統的總體結構Fig.1 Overall structure of simulated lung system

1.2 結構設計

模擬肺系統的實物如圖2所示。模擬肺系統包括控制模塊和執行模塊2部分。其中：控制模塊包括編譯器、LCD手動輸入參數、PLC以及光電開關；執行模塊包括伺服電機、氣缸與活塞、頭模。

圖2 模擬肺實物Fig.2 Physical of simulated lung

1.2.1 LCD液晶顯示屏

LCD顯示屏采用TPC7062KD型號嵌入式一體化觸摸屏，其輸入額定電壓為24 V，運行環境溫度為 0～45℃，如圖3所示。 圖3（a）中，按鈕 1和 2分別用于控制系統的停止與啟動；顯示燈3，4和5分別指示系統“運行”、“停止”、“原點”3 個狀態；如果系統出現故障，指示燈6亮起，表示“報警”；旋轉按鈕7為“急停”按鈕。圖3（b）中可手動輸入所需的呼吸頻率和運行次數，系統將會依次執行屏幕中所設定的“一”、“二”、“三”、“四”4 個程序。 通過手動輸入4種不同頻率與次數，即可實現呼吸頻率連續可變。

圖3 LCD顯示屏Fig.3 LCD screen

1.2.2 伺服電機

該系統采用了臺達公司的ECMA-C10401GS型伺服電機，其輸入為110 V交流電壓，輸出轉速為3000 r/min。該伺服電機具有精度高、轉速快、適用性強、反應速度快、低發熱、低噪聲和運行平穩等優點，適用于模擬肺的活塞驅動。

1.2.3 氣缸機構

選用SMC公司的CDA2B80-200Z型氣缸，最大壓強為1MPa，其實物如圖4所示。圖中基座上布有伺服電機、活塞、氣缸、光電開關（限位開關）等。活塞在電機驅動下運動，使氣缸內產生正弦變化的氣體流量。

圖4 電機與氣缸Fig.4 Motor and cylinder

1.2.4 面罩及頭模

頭模用于仿真人體，通過軟管將模擬呼吸道與氣缸連接。頭模上帶有面罩，以模擬真實氧氣面罩的運行場景。

2 PLC控制設計

2.1 呼吸參數

呼吸次數每個頻率下模擬呼吸的次數，范圍為 0～50000。

呼吸頻率每分鐘呼吸的次數，在LCD顯示屏中可手動設定。常用次數為10次/min，20次/min，30次/min，44 次/min。

潮氣量人體平靜呼吸時每次吸入或呼出的氣量，通常為1 L。在此裝置加工時按照氣缸完成1個沖程的出氣量為1L來設定。活塞位移=脈沖數×單個脈沖對應的距離。設計中，活塞位移為180 mm對應潮氣量為1 L；相應脈沖數為64000個/cm×18 cm。

呼吸比每次呼吸中吸氣與呼氣所占總呼吸時間的比。在此，呼吸比設定為1∶1，便于供氧系統測試應用。

2.2 模擬肺模型

人體呼吸近似呈正弦規律[11]，如圖5所示。

圖5 呼吸規律示意Fig.5 Schematic of breathing patterns

圖5 為1個呼吸周期中吸氣和呼氣過程，其中規定吸氣時流量值為正，呼氣時流量值為負。設模擬肺呼吸流量為 Q（t）=A（t）sin（w（t），t），式中：n（t）為每分鐘內的呼吸次數；vi（t）為潮氣量，即每次呼吸中吸入或呼出的氣量。則頻率w（t）為

則模擬肺的呼吸數學模型可描述為

2.3 脈沖控制設計

在PLC中，采用設置脈沖串輸出PTO（pulse train output）脈沖的方式來驅動電機轉動，帶動絲杠與活塞移動。相同個數的PTO脈沖下，伺服電機轉數相同，因而驅動活塞所移動的距離相同。而活塞的行程直接決定模擬肺的輸出流量。所以，可通過設置固定時間內的不同PTO脈沖數，實現不同呼吸頻率下的不同速度。如圖6所示，若某一單個脈沖始于 t1時刻，終于t2時刻，令Δt=t2-t1，則該時間內輸出1個脈沖，對應伺服電機所運動形成的位移一定。單位時間內脈沖數不同，則單位時間內伺服電機所行距離不同，即脈沖的頻率變化對應電機所運行的速度變化。由（3）所示的模擬肺模型可知，A（t）為活塞運動中的最大流量，相應可求出所對應的最大脈沖頻率，從而根據正弦規律依次分配正弦運動過程中的不同脈沖頻率。即：通過程序控制脈沖頻率變化，進而控制活塞運動速度變化。

圖6 脈沖設置示意Fig.6 Schematic of pulse setting

根據以上原理可得程序流程，如圖7所示。程序編譯后通過西門子PPI-RS485下載線下載至西門子S7-200 224 CN型CPU中。根據式（3）所示模擬肺規律結合PLC脈沖驅動原理，實現PLC控制。

圖7 PLC控制流程Fig.7 PLC control flow chart

3 試驗驗證

3.1 試驗驗證工具

（1）測試所用硬件設備

氣體流量計矽翔微機電系統公司MF5612-N 200 ABD-D-A型氣體質量流量計，可測流量范圍0～200 L/min，精確度 1.5級，介質溫度-10～55℃，最大工作壓力1.0 MPa。該流量計為單向流量計，可測單一方向的流量值。

壓差傳感器Setra傳感器公司的壓差傳感器239110KLB1F2TY19NN型，可測壓力范圍為-10～10 kPa，精度10 Pa。激勵電壓22～30 V，輸出信號為0～5 V 電壓。

高速攝像機日本Photron高速攝像機，可拍攝瞬時圖片600張/s。

（2）測試所用軟件平臺

Matlab R2014a；攝像機配套的Photron FASTCAM Viewer（PFV）軟件；Photon FASTCAM Analysis（PFA）動態分析軟件。

3.2 測試試驗

為測試模擬肺的仿真程度與有效性，采用單向氣體流量計，測量模擬肺在不同呼吸頻率下的流量變化，如圖8所示。

由圖8可見，（由于流量計為單向流量計，故吸氣時計數為0）模擬肺的輸出流量滿足人體正常潮氣量范圍要求；呼吸頻率為10次/min時呼吸周期約為6 s；呼吸頻率為20次/min時呼吸周期約為3 s；不同的呼吸頻率有著對應的呼吸周期和瞬時流量峰值，符合預設。

為驗證模擬肺中活塞的運動是否滿足正弦規律，采用高速攝像機拍攝模擬肺活塞的運動過程，使用PFV軟件記錄，并用PFA軟件選取其中某一點做標記，記錄該點在每一幀的位移和速度，得到的位移和速度如圖9所示。最后，使用壓差傳感器測量面罩腔內與外界的壓強差，見表1。由圖9可見，其活塞運動無論位移還是速度，均滿足正弦規律。由表1可知，該模擬肺在面罩內產生了適當壓差，滿足氧氣面罩的測試要求[12]。

圖8 不同呼吸頻率下的流量變化Fig.8 Flow changes at different respiratory rates

圖9 呼吸頻率20次/min時活塞的位移和速度Fig.9 Displacement and velocity of the piston when the respiratory frequency is 20 times/min

表1 不同頻率下的壓差Tab.1 Pressure difference at different frequencies

4 結語

針對供氧系統性能測試，設計了電子式主動模擬肺。該模擬肺采用氣缸-活塞結構模擬肺部呼吸。文中給出了系統的數學模型，并根據模型設計PLC控制程序。模擬肺系統以LCD顯示屏、限位開關分別設定呼吸頻率與次數、活塞行程，并通過PLC控制程序驅動伺服電機來實現。該系統結構簡單明了，易于操作。通過流量測試、位移速度測試以及壓差測試，驗證了所設計模擬肺系統的合理性和可行性，實現了呼吸頻率連續可變的模擬肺。目前該模擬肺系統已在企業供氧系統性能測試中投入使用。

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