質(zhì)子重離子醫(yī)院電磁兼容和智能化設(shè)計

孫 瑜

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司, 上海 200041)

質(zhì)子重離子醫(yī)院電磁兼容和智能化設(shè)計

孫 瑜

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司, 上海 200041)

從電磁兼容設(shè)計、工藝冷卻水控制系統(tǒng)設(shè)計及其PID策略、防輻射設(shè)計幾個方面,介紹了上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院的智能化設(shè)計。指出電纜通過專門設(shè)備固定在橋架上,可減少空間的電磁干擾；雙重冷源多級控制的方案有效解決了溫度響應(yīng)的滯后,同時也確保了調(diào)控的精度；輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)在開機前執(zhí)行一套特定的安全搜索程序,從而保障工作人員的人身安全。

電磁兼容; 冷卻水控制; PID分析; 人員安全系統(tǒng)

0 引 言

上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院是一所提供質(zhì)子重離子放療的現(xiàn)代化放射腫瘤學(xué)治療和研究機構(gòu),除了配備質(zhì)子及碳離子放療設(shè)備外,還配備了國際先進的直線加速器系統(tǒng)、磁共振、CT及SPECT/CT等大型臨床診斷治療設(shè)備。

本文介紹了上海質(zhì)子重離子醫(yī)院的電磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)和智能化方面的設(shè)計。

1 EMC分析和設(shè)計

根據(jù)工藝控制的要求,工藝區(qū)域的電氣設(shè)備需要進行EMC設(shè)計。設(shè)計包括建筑物基建部分(接地、等電位聯(lián)結(jié)、防雷、布線、供電)和必需的設(shè)備/部件(EMC產(chǎn)品標準、試驗計劃、EMC要求)。

1.1 EMC分析

EMC設(shè)計要求、分析由外方工藝設(shè)計師和電氣設(shè)計團隊共同協(xié)商制定。EMC分析是個迭代過程,隨著項目流程可以進行擴展和細化。單個設(shè)備/部件、基礎(chǔ)設(shè)施和整個系統(tǒng)的EMC數(shù)據(jù)均在EMC分析范圍內(nèi),通過影響矩陣比較,作相互兼容性分析(抗擾數(shù)據(jù)/干擾輻射數(shù)據(jù))。分析結(jié)果可以說明哪些部件已經(jīng)進行EMC保護,哪些部件仍需加強EMC措施。EMC措施采取附加接地、屏蔽、濾波、布線優(yōu)化、系統(tǒng)級輔助抗擾措施等形式。

1.2 EMC設(shè)計

最重要的措施是將電網(wǎng)與加速器、醫(yī)療部件和IT部件分開;采用TN-S系統(tǒng);電網(wǎng)低阻抗設(shè)計;接地和等電位聯(lián)結(jié);EMC兼容布線(不同類型的電纜分開布線,電纜屏蔽處理等);配電設(shè)備的電磁兼容設(shè)計等。上述設(shè)計原則通過配電設(shè)計、弱電設(shè)計和現(xiàn)場安裝注意事項等方式來達到要求。

1.3 EMC配電設(shè)計

采用TN-S接地系統(tǒng)。大型的醫(yī)療設(shè)備設(shè)置單獨的工藝變壓器,控制設(shè)備設(shè)置專用配電箱單獨配電,并設(shè)置不間斷電源。主要工藝變壓器負載率設(shè)計為不大于50%。工藝設(shè)備區(qū)域設(shè)置工藝專業(yè)接地,直接引自基礎(chǔ)大地,以隔離配電系統(tǒng)的諧波和干擾。主干橋架設(shè)置3層,敷設(shè)不同類型線纜。電纜通過專門設(shè)備固定在橋架上,以便電纜在空間的排布相對固定和平衡,減少空間的電磁干擾。

2 工藝冷卻水控制系統(tǒng)設(shè)計和PID策略分析

2.1 需求分析

工藝冷卻水裝置運行時,各設(shè)備消耗的電能大多轉(zhuǎn)化為熱能,有的設(shè)備必須在嚴格的溫度條件下才能正常工作,這需要調(diào)節(jié)和控制冷卻水溫度。對冷卻水的高精度調(diào)溫(±0.5℃,±0.1℃)提出了多種方案,并進行了分析研究,確認該系統(tǒng)屬于大滯后、非線性系統(tǒng),設(shè)備運作中不確定的熱能導(dǎo)致系統(tǒng)是一個強干擾系統(tǒng)(時變性強和變量多),必須通過反饋進行校正。經(jīng)考慮,最后選擇了雙重冷源、多級控制的方案,通過溫度超前校正,有效地解決了溫度響應(yīng)的滯后,加快了階躍的響應(yīng)速度,同時也確保了調(diào)控的精度,并減少了振蕩幅度。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

冷卻水控制系統(tǒng)是一個一次、二次冷卻水溫度控制系統(tǒng),具有時變性強和變量多的特點。目前的控制方式多采用多路PID控制,當系統(tǒng)處于長時間運行時,模型參數(shù)變化較大,難以保證動態(tài)精度;同時力求降低系統(tǒng)的能耗,減少水泵與閥門的機械磨損。工藝冷卻水控制流程如圖1所示。

圖1 工藝冷卻水控制流程

本文采用經(jīng)典控制理論與智能控制方法(模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí))相結(jié)合控制方法:

(1) 將模糊推理轉(zhuǎn)換成溫度響應(yīng)函數(shù),改造并克服模糊推理的缺點,構(gòu)造高級智能控制算法。

(2) 研究構(gòu)造系統(tǒng)模型構(gòu)架,根據(jù)實際情況設(shè)計神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)模型,逐步求精,建立符合實際工況的系統(tǒng)物理模型。

(3) 在對系統(tǒng)物理模型進行研究的基礎(chǔ)上,采用模糊控制、預(yù)測控制以及模糊PID混合控制進行系統(tǒng)仿真,摸索最佳控制方案。

3 防輻射設(shè)計

3.1 需求分析

PT裝置運行時會在輻射區(qū)域產(chǎn)生高輻射,即使停機后瞬時輻射消失,局部區(qū)域仍可能存在剩余輻射,因此需設(shè)置輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)來防止加速器工作人員誤入高輻射區(qū)而受到傷害,以及限制輻射對人的傷害。

輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)要求在開機前執(zhí)行一套特定的安全搜索程序完成清場和建立聯(lián)鎖,聯(lián)鎖完成信號作為加速器開機的必要安全前提條件,從而保障工作人員的人身安全。加速器運行時,任何一個潛在的可引起事故輻射的行為將違反安全聯(lián)鎖系統(tǒng),產(chǎn)生一個終止加速器運行的聯(lián)鎖信號,其結(jié)果將中斷加速器運行以及剔除儲存的束流。

輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)在總控制系統(tǒng)中處于設(shè)備控制層,具有極高的優(yōu)先權(quán)和地位,不同于其他設(shè)備控制器,屬于總體級聯(lián)鎖。加速器需要在輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)正常聯(lián)鎖完畢后才能開機,輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的正常運行是加速器開機的必要條件。

放射區(qū)域不可有含氯和溴的材料,所有電纜的絕緣材料不得含有聚氯乙烯,含有PVC材料的電氣部件將被禁止。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)遵循失效安全、多樣性、硬件最可靠、最優(yōu)切斷原則,重要部件采用冗余技術(shù),具有不受其他系統(tǒng)限制、具備自檢功能等特性。遵照系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的原則,采用在工業(yè)控制系統(tǒng)中被證明是可靠的產(chǎn)品,同時與完善的管理制度、規(guī)章制度等軟件措施相結(jié)合,以達到人機合一,更加安全可靠。防輻射系統(tǒng)如圖2所示。

系統(tǒng)采用故障安全的電路和組件。安全設(shè)備或設(shè)備電源所產(chǎn)生的任何類型故障都必須停止加速器,以確保安全。為了加強可靠性,關(guān)鍵設(shè)備須采用冗余技術(shù)。

在高輻射區(qū)域,安裝有急停按鈕和搜索按鈕,這些按鈕應(yīng)清楚可見、容易識別、標記清晰、容易觸及。聯(lián)鎖區(qū)域入口處的門設(shè)置緊急出口機制,對于聯(lián)鎖上的門也有緊急進入機制。當某個聯(lián)鎖被觸發(fā)后,系統(tǒng)不能自動復(fù)位。只有在觸發(fā)聯(lián)鎖的現(xiàn)場通過手工復(fù)位,然后通過中控平臺,方能重新起動加速器。在通往輻射區(qū)的出入口和控制臺上,安裝標記清晰的狀態(tài)指示燈和警燈,用于顯示系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)。

攝像監(jiān)視系統(tǒng)作為輻射安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的輔助系統(tǒng),其實時視頻信號應(yīng)接入中控室,以確保人員的人身安全。

3.3 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

(1) 放射性工作區(qū)域劃分。根據(jù)劑量水平的差別以及工作人員出入需要,將控制區(qū)細分為禁止進入?yún)^(qū)域和限制進入?yún)^(qū)域。當裝置運行時,加速器隧道(包括注入器、加速器和波蕩器區(qū))為禁止進入?yún)^(qū)域,通過人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)禁止任何人員進入;光束線區(qū)為限制進入?yún)^(qū)域,通過門禁控制來實現(xiàn)工作人員刷門禁卡進出。當裝置停機時,加速器隧道分區(qū)狀態(tài)由禁止進入轉(zhuǎn)為限制進入。在緊急情況下,所有進出加速器隧道的通道門都可以從里面打開。

(2) 人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備。人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心控制器以及輸入/輸出擴展模塊安裝于位于速調(diào)管長廊的控制柜中。在加速器隧道區(qū)域,平均每30 m設(shè)置1套搜索按鈕、急停按鈕和警鈴警燈,在每個通道入口處設(shè)置1套LED顯示屏、警鈴警燈和門禁裝置。

(3) 清場搜索邏輯。加速器運行期間會有人員在光束線區(qū)中進行試驗操作,故對加速器隧道和光束線區(qū)建立獨立的人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。輻射區(qū)內(nèi)刷卡確認清場搜索,輻射區(qū)門外刷卡確認搜索完畢。

3.4 安全聯(lián)鎖邏輯圖

安全聯(lián)鎖邏輯如圖3所示。允許開機需要滿足的前提條件包括整個搜索過程已完成;所有的通道門都處于關(guān)閉狀態(tài);所有急停按鈕均未被按下;光束線前端區(qū)的安全光閘處于關(guān)閉狀態(tài);聯(lián)鎖系統(tǒng)已起動。

圖2 防輻射系統(tǒng)

圖3 安全聯(lián)鎖邏輯圖

3.5 門禁控制系統(tǒng)框架

門禁控制系統(tǒng)主要由門禁控制器、門內(nèi)/門外讀卡器、緊急進門/出門按鈕、門磁開關(guān)和電鎖組成。門禁控制器是核心,連接門禁各輸入/輸出設(shè)備,負責核對門禁卡身份權(quán)限、檢測門和緊急按鈕狀態(tài),驅(qū)動電鎖動作,生成各種進出記錄。門禁控制單元示意圖如圖4所示。

4 結(jié) 語

上海質(zhì)子重離子醫(yī)院的電氣設(shè)計除了醫(yī)療建筑的電氣設(shè)計內(nèi)容,還有很多特殊的設(shè)計內(nèi)容。近幾年以質(zhì)子或重離子的作為治療手段的醫(yī)院或科研項目在國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn),本文重點對EMC工藝冷卻水控制系統(tǒng)設(shè)計和PID策略、防輻射設(shè)計的要點進行分析,可為類似的工程提供參考。

圖4 門禁控制單元示意圖

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

[2] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

[3] DG/TJ 08-115—2008 分布式供能系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].

2015《現(xiàn)代建筑電氣》雜志征訂單

郵局匯款 銀行匯款

郵 編：200063 收款單位：上海電器科學(xué)研究院

地 址：上海武寧路505號3號樓4樓 開戶銀行：招商銀行上海分行曹家渡支行

單 位：《現(xiàn)代建筑電氣》編輯部 賬 號：1219 0973 3310 301

聯(lián)系電話：021-62574990-272(俞小姐) 傳 真：021-62576377

Electro Magnetic Compatibility and Proton & Heavy Ion Hospital

SUNYu

(Shanghai Institute of Architectural Design & Research Co., Ltd., Shanghai 200041, China)

This paper introduced the intelligent design of Shanghai proton & heavy ion hospital in aspects of electro magnetic compatibility (EMC),cooling water control system design and PID analysis,and radiation protection design ,etc.It is pointed out that the cable is fixed on the bridge frame through specialized equipment to reduce the space electromagnetic interference.The double cold source multilevel control scheme effectively solves the temperature response llagging and ensures the precision of control.The radiation safety interlock system executes a set of specific and safe searching process before starting the machine to guarantee the personal safety of staff.

electro magnetic compatibility(EMC); cooling water system; PID analysis; personnel security system(PSS)

《現(xiàn)代建筑電氣》雜志訂單(回執(zhí)) 120元/年

孫 瑜(1980—),男,工程師,從事建筑電氣方面的研究。

TU 852

B

1674-8417(2015)07-0009-05

2015-04-24