基于PLC 的高壓氧艙氣源自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

林 鑫，時(shí) 光，張敦曉

（1.興安盟人民醫(yī)院，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137400；2.解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心，北京 100048）

0 引言

隨著醫(yī)學(xué)事業(yè)的發(fā)展，高壓氧治療的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，在突發(fā)性耳聾、一氧化碳中毒、腦外傷、擠壓傷、放射性損傷、氣栓癥、減壓病、糖尿病足潰瘍、多發(fā)傷等疾病的治療中，具有療效顯著、安全性高、副作用小等特點(diǎn)。高壓氧治療是指在高壓的環(huán)境下吸高濃度氧氣的治療，高壓氧艙是進(jìn)行高壓氧治療的唯一醫(yī)療設(shè)備，按照加壓介質(zhì)分為氧氣加壓艙、空氣加壓艙兩種。氧氣加壓艙，采用純氧進(jìn)行升壓，由于氧氣的易助燃性，為保障高壓氧治療的安全，現(xiàn)階段各大中型醫(yī)院已逐漸淘汰。空氣加壓艙，是指以空氣為介質(zhì)進(jìn)行升壓的高壓氧艙，GB/T 12130—2005 中規(guī)定，艙內(nèi)氧濃度不得超過(guò)23%，其具有安全性高、治療人數(shù)多等特點(diǎn)，符合目前高壓氧治療的應(yīng)用越來(lái)越廣泛的需求。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介與構(gòu)成

氣源共有3 組制氣機(jī)組、2 組儲(chǔ)氣罐，每組制氣機(jī)組均包含空壓機(jī)、冷干機(jī)、散熱風(fēng)機(jī)等，每組儲(chǔ)氣罐均包含4 個(gè)并聯(lián)儲(chǔ)氣罐（表1）。

表1 氣源各設(shè)備參數(shù)

空壓機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉各由其面板上的兩個(gè)自動(dòng)復(fù)位觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)PB 控制。冷干機(jī)的啟動(dòng)由1 個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)SB 控制主電路繼電器構(gòu)成自鎖啟動(dòng)，其關(guān)閉由主電路串聯(lián)的1 個(gè)常閉開(kāi)關(guān)SB 控制。散熱風(fēng)機(jī)、電磁閥啟動(dòng)和關(guān)閉的控制原理與冷干機(jī)啟閉原理相同，即1 個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)SB 控制啟動(dòng)，1 個(gè)常閉開(kāi)關(guān)SB 控制關(guān)閉。

本研究所述的基于PLC 的高壓氧艙氣源自控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包含上位機(jī)、PLC、參數(shù)采樣模塊、接觸器控制輸出模塊、組態(tài)軟件等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

上位機(jī)通過(guò)串行總線訪問(wèn)PLC 的A/D數(shù)據(jù)采集模塊，獲取3組空壓機(jī)溫度值T1、T2、T3，2 組儲(chǔ)氣罐氣壓值P1、P2，以及3 臺(tái)空壓機(jī)工作電流A1、A2、A3。上位機(jī)的組態(tài)與控制軟件通過(guò)P1、P2值進(jìn)行空壓機(jī)啟閉和儲(chǔ)氣罐電磁閥啟閉的判斷，通過(guò)T1、T2、T3進(jìn)行散熱風(fēng)機(jī)啟閉的判斷，通過(guò)系統(tǒng)日期進(jìn)行冷干機(jī)啟閉邏輯的判斷。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)采用研華IPC-810E，通過(guò)串行總線與PLC 進(jìn)行通信，訪問(wèn)PLC 的參數(shù)采樣模塊和接觸器控制輸出模塊（圖2）。

圖2 研華IPC-810E 結(jié)構(gòu)組成

IPC-810E 可在Windows XP 操作系統(tǒng)下完成系統(tǒng)組態(tài)及監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)。上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口或串口連接PLC的以太網(wǎng)接口或信號(hào)板RS232 接口，向其發(fā)送參數(shù)采集指令，PLC 返回系統(tǒng)所需的儲(chǔ)氣罐壓力值、空壓機(jī)溫度值、空壓機(jī)電流值等采樣數(shù)據(jù)，對(duì)氣源各設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣源各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，以及可查詢各設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 PLC、參數(shù)采樣模塊、輸出擴(kuò)展模塊選型

分析氣源各設(shè)備參數(shù)，得出電路多為感性負(fù)載，且控制頻率低、控制回路電流相對(duì)較大，因此PLC 選型為繼電器輸出型，型號(hào)為西門(mén)子S7-200 SMART SR40。S7-200 SMART SR30 為標(biāo)準(zhǔn)型CPU 模塊，繼電器輸出，220 VAC 供電，具有18 個(gè)輸入點(diǎn)，12 個(gè)輸出點(diǎn)，具有可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活、輸入/輸出模塊功能齊全、安裝方便、運(yùn)行速度快、模塊化結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置、性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.3 控制電路

空壓機(jī)的溫度傳感器輸出為4～20 mA，無(wú)電流傳感器，需在空壓機(jī)配電柜供電主線路上添加電流傳感器、變送器輸出為4～20 mA。儲(chǔ)氣罐壓力傳感器輸出為4～20 mA。

S7-200 SMART SR30 為繼電器型輸出，每路最大為2 A，但因輸出設(shè)備較多、PLC 功率無(wú)法滿足極特殊情形下的滿負(fù)荷控制，因此為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，S7-200 SMART SR30、EM DR08 輸出端在控制空壓機(jī)、冷干機(jī)、散熱風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐組電磁閥啟閉時(shí)需添加中間繼電器，中間繼電器采用SSR（Solid State Relay，固體繼電器）。

S7-200 SMART SR30 控制常開(kāi)SSR1 延時(shí)通路時(shí)，主電路繼電器KM1 控制線圈得電，主電路通路，形成互鎖，1#空壓機(jī)啟動(dòng)，延時(shí)結(jié)束SSR1 恢復(fù)常開(kāi)；控制常閉SSR2 延時(shí)斷路時(shí)，主電路繼電器KM1 控制線圈失電，主電路斷路，1#空壓機(jī)關(guān)閉，延時(shí)結(jié)束SSR2 恢復(fù)常閉。控制原理類似，2#空壓機(jī)由SSR3 控制啟動(dòng)，由SSR4 控制關(guān)閉；3#空壓機(jī)由SSR5 控制啟動(dòng)，由SSR6 控制關(guān)閉；1#冷干機(jī)由SSR7 控制啟動(dòng)，由SSR8 控制關(guān)閉；2#冷干機(jī)由SSR9 控制啟動(dòng)，由SSR10 控制關(guān)閉；3#冷干機(jī)由SSR11 控制啟動(dòng)，由SSR12 控制關(guān)閉。

散熱風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐組電磁閥的工作電流較空壓機(jī)、冷干機(jī)小，因此無(wú)需采用交流接觸器，SSR 即可滿足電流需求。1#散熱風(fēng)機(jī)由常開(kāi)SSR13 控制啟動(dòng)和關(guān)閉，2#散熱風(fēng)機(jī)由常開(kāi)SSR14控制啟動(dòng)和關(guān)閉，3#散熱風(fēng)機(jī)由常開(kāi)SSR15 控制啟動(dòng)和關(guān)閉，1#儲(chǔ)氣罐組電磁閥由常開(kāi)SSR16 控制啟動(dòng)和關(guān)閉，2#儲(chǔ)氣罐組電磁閥由常開(kāi)SSR17 控制啟動(dòng)和關(guān)閉。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)研華IPC-810E 安裝、運(yùn)行由Delphi7.0 開(kāi)發(fā)環(huán)境編譯、調(diào)試的監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件包含運(yùn)行組態(tài)模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)查詢模塊等。

系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行組態(tài)模塊用于直觀顯示氣源控制系統(tǒng)中各設(shè)備、傳感器的運(yùn)行狀態(tài)或參數(shù)采樣值。

數(shù)據(jù)記錄模塊首先獲取串口返回字符串，字符串為16 進(jìn)制，共24 位，字符串格式為：起始位4 位+1#儲(chǔ)氣罐組壓力傳感器采樣值2 位+2#儲(chǔ)氣罐組壓力傳感器采樣值2 位+1#空壓機(jī)溫度傳感器采樣值2 位+2#空壓機(jī)溫度傳感器采樣值2位+3#空壓機(jī)溫度傳感器采樣值2 位+1#空壓機(jī)電流傳感器采樣值2 位+2#空壓機(jī)電流傳感器采樣值2 位+3#空壓機(jī)電流傳感器采樣值2 位+終止位4 位。然后程序根據(jù)字符串格式解析出各參數(shù)的采樣值，再通過(guò)Chart 進(jìn)行賦值并時(shí)時(shí)畫(huà)出曲線。

3.2 氣源自控流程

氣源的自動(dòng)控制通過(guò)控制系統(tǒng)循環(huán)采集1#、2#儲(chǔ)氣罐組的壓力采樣值與系統(tǒng)設(shè)定的啟動(dòng)壓力Pmin、關(guān)閉壓力Pmax做比較。系統(tǒng)設(shè)定Pmin為0.6 MPa，Pmax為1.3 MPa，在儲(chǔ)氣罐組壓力低于0.6 MPa 時(shí)，改組儲(chǔ)氣罐組的前端電磁閥打開(kāi)，后端電磁閥關(guān)閉，另一組儲(chǔ)氣罐組的前端電磁閥關(guān)閉，后端電磁閥打開(kāi)，同時(shí)1#制氣機(jī)組冷干機(jī)、空壓機(jī)啟動(dòng)，待空壓機(jī)油溫溫度高于85 ℃時(shí)，散熱風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。2 min 后啟動(dòng)2#制氣機(jī)組，4 min 后啟動(dòng)3#制氣機(jī)組。待儲(chǔ)氣罐組壓力高于Pmax時(shí)，依次關(guān)閉1#、2#、3#制氣機(jī)組，然后進(jìn)入下一個(gè)采樣循環(huán)比較過(guò)程。

4 應(yīng)用效果

制氣機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。機(jī)組中空壓機(jī)的啟閉程序較為復(fù)雜，空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)先觸發(fā)三相電動(dòng)機(jī)星形啟動(dòng)，待油壓升高至0.2 MPa后，空壓機(jī)改為角形全負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)啟供氣電磁閥向儲(chǔ)氣罐供氣，其復(fù)雜的啟閉程序受空壓機(jī)內(nèi)置PLC 控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用S7-200 SMART SR30 控制空壓機(jī)操作面板按鈕通斷的方式，在保證空壓機(jī)獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)行的前提下大大簡(jiǎn)化了控制線路及程序。

高壓氧艙的氣源自動(dòng)化的運(yùn)行提高了醫(yī)務(wù)人員工作效率。應(yīng)用PLC 控制氣源自動(dòng)化運(yùn)行后，可根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)切換儲(chǔ)氣罐組供氣，代替了操作人員切換氣源的工作。同時(shí)，機(jī)組制氣過(guò)程中，PLC 可根據(jù)空壓機(jī)油溫自動(dòng)啟閉散熱風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了全程無(wú)人托管式的自動(dòng)化運(yùn)行，大大降低了制氣工序所需額外的人工工作量。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究采用PLC 作為控制器，控制SSR 驅(qū)動(dòng)不同制氣機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的方法，在滿足高穩(wěn)定性的前提下，具有速度快、可靠性高、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，尤其在發(fā)生故障時(shí)，醫(yī)務(wù)人員可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障機(jī)組進(jìn)行快速隔離，使得制氣工序不受影響，高壓氧治療不因制氣設(shè)備故障而間斷。臨床應(yīng)用表明，氣源采用PLC 控制自動(dòng)化運(yùn)行后，在大大提高醫(yī)務(wù)人員工作效率前提下，其故障率是極低的，值得應(yīng)用于各大高壓氧氣源中心。PLC 作為高壓氧艙及其附屬設(shè)備將來(lái)的主要控制方法，其自動(dòng)化的應(yīng)用是大勢(shì)所趨，新建或翻修高壓氧艙氣源時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮采用空壓機(jī)組原廠PLC 集成控制的方法策略。