基于PLC的医用中心负压控制系统的设计与开发

徐勇

内蒙古林业总医院 医学工程科，内蒙古 牙克石 022150

基于PLC的医用中心负压控制系统的设计与开发

徐勇

内蒙古林业总医院 医学工程科，内蒙古 牙克石 022150

目的 研究并开发一套基于可编程逻辑控制器（PLC）的医用中心负压控制系统，为医院临床提供可靠、持续稳定的负压气体。方法 依据国家相关规范，采用工业级PLC，根据负压系统的工作流程，进行系统的设计与开发。结果 开发出一套完善、可靠的医用中心负压控制系统。结论该控制系统各项指标能够满足医院的负压使用要求。

可编程逻辑控制器；中心负压控制系统；真空泵；RS485串行总线

负压吸引设备用于医院手术室、抢救室、治疗室和各个病房终端的负压吸引，是治疗和抢救患者不可或缺的重要设备。实践证明，中心负压系统具有安全可靠、无噪声、使用便捷和便于维修与管理等优点，是医院医用气体的重要组成部分[1-3]。随着当今医院现代化、自动化发展需求的不断提升，引入先进的医用中心负压吸引系统尤为重要。在医用中心负压吸引系统中，控制系统的质量直接影响着整个系统的可靠性与稳定性，本文将重点阐述中心负压吸引系统的自动控制系统的设计与开发。

1 系统概述

1.1 中心负压吸引系统的工作原理

中心负压吸引系统通过控制真空泵机组的抽吸，使吸引管路达到所需负压值。工作时，终端吸引装置吸入的气体经进气管进入真空罐，之后经真空泵排到气水分离器中，然后经气水分离器排气管，最后经过消毒灭菌装置排到大气中[4-6]。

1.2 系统设计思想

系统设有两台水环真空泵，可手动或自动切换。手动控制可以直接控制一号泵和二号泵的启停。当转换为自动控制时，分3种工况：正常工作时，两台泵自动交替运行；当一台出现故障时，另一台自动投入工作；当高峰期主泵不能满足用气量时，系统将自动启动副泵，保证系统可靠、稳定地运行。系统采用远程监控系统，可在计算机上进行远程操作，实时显示各设备的运行情况，可以显示高、低压及真空泵故障等信息，以便操作人员快速作出相应处理；并能够根据真空泵运行次数，给出检修提示，保证设备安全、稳定地运行，且具有设备运行及报警记录的存储功能，便于以后查阅。

2 基于PLC的负压控制系统的组成及软件组态

2.1 PLC简介

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要由电源模块、中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出接口模块、功能模块、通信模块等组成。编程语言包括梯形图、功能块图、结构文本等。PLC具有运算快、功能强大、易于扩展、可靠性高、维修方便等优点，已广泛应用于金属、化工、电力、机械制造、交通运输等领域，根据应用情况大致可分为开关量控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理等；根据复杂程度可分为小型、中型、大型等。

经过简单的PLC编程和硬件组态，用户可以完成以前由成百上千的继电器以及计数器才能实现的复杂自动化系统。用户还可以根据现场实际需求，编写相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。此外，通过PLC与计算机之间的通信，应用组态软件可以制作模拟实际控制系统的画面，实时查看控制系统的各种参数，并对控制系统进行操作[7-8]。

2.2 中心负压控制系统的组成

中心负压控制系统主要由控制站、操作站和通信网络3部分组成。

中心负压控制系统共有7路I/O控制点，其中1路模拟量输入、4路开关量输入和2路开关量输出。由于控制站输入/输出点数少，因此，采用小型PLC完全可以满足需求。

操作站选用性能可靠的计算机，通过安装组态软件进行组态设计，对现场进行实时监测和操作；操作站可同时安装PLC编程软件，作为上位机进行PLC编程。

RS485串行总线标准具有传输距离远、可靠性高、安装简易等优点，因此本系统采用RS485进行通信，通过RS232-RS485转换模块连接PLC和计算机，保证监控和组态功能；此外，为了加强通信传输的抗干扰能力，通信线采用双绞线，并安装终端电阻。

2.3 硬件安装和网络连接

压力检测采用模拟量的压力传感器进行，为了增加系统的可靠性，采用电接点压力表进行压力的上限和下限控制。依据实际控制点数和系统设备的控制要求，具体I/O硬件配置及原理图，见图1。

PLC控制系统的通信构架，见图2。

2.4 控制系统的组态和关键控制程序的实现

根据中心负压系统工艺流程的控制要求和控制策略编写PLC程序，用于控制所有设备的启停和联锁，编写语言采用梯形图。

图1 PLC I/O硬件配置及原理图

图2 PLC控制系统通信电缆连接图

2.4.1 真空泵的启动位和停止位

当压力传感器检测压力值达到高压设定值时，M1.4置位，启泵标志位M0.1接通；当压力值达到低压设定值时，M1.5置位，停泵标志位M0.2接通（图3）。

图3 启动位和停止位梯形图程序

内部变量M1.4和M1.5为压力传感器换算后的高、低压标志位，压力值设定为-0.03~-0.06 Mpa；I0.0和I0.1为电接点压力表设定值，设定为-0.026~-0.066 MPa作为控制压力的极限值。

2.4.2 真空泵的故障位

通过对I0.2和I0.3的端子信号进行采集，同时结合Q0.0和Q0.1的输出情况，即如果Q0.0已置位而I0.2无输入信号，则M0.4置位，可判断一号泵出现故障；同理可判断二号泵的故障情况。延时功能块是为了响应程序读取输入量的时间，防止误动作（图4）。

图4 真空泵故障位梯形图程序

2.4.3 真空泵连帮和交替程序

连帮运行：在自动控制时，当高压启动信号M0.1保持接通10 s，则认为一台真空泵不能满足当前压力要求，M0.6置位，同时启动另一台

真空泵（图5）。

交替运行：在自动运行状态正常时，两台真空泵交替运行，标志位为M0.3（图5）。

Q0.0置位时一号泵运行，Q0.1置位时二号泵运行（图6）。

图5 真空泵运行梯形图程序

图6 真空泵运行梯形图程序

3 组态人机界面

操作站采用组态王进行组态设计，操作界面包括主监控窗口、实时趋势曲线窗口、历史趋势曲线窗口和报警窗口，可通过下拉菜单进行选择。主界面可以实时查看系统的运行情况，分为操作区和显示区，便于工艺操作和监视、判断生产故障等。组态人机界面图，见图7。

图7 中心负压吸引系统组态界面图

4 中心负压控制系统调试

中心负压控制系统调试过程如下：①检查硬件组态，确保外部线路连接正常，准备送电试车；②通过编程软件强制PLC内部输出点置位，观察现场对应设备是否动作正常；③检查并调试程序和系统连锁，通过程序强制置位，模拟系统实际运行情况，观察系统运行是否正常；④通过监控画面进入手动操作，观察现场各个设备的动作情况，之后选择自动运行，观察设备的整体运行情况；⑤根据现场和实际使用情况进行相应的参数调整；⑥调试完毕，投入使用。

5 结语

针对医用负压的生产工艺参数要求，笔者设计了一套由PLC、变频器、压力变送器等主要设备构成的全自动压力控制系统，该自动控制系统成功地实现了真空泵的安全稳定运行，可以为临床提供稳定、持续可靠的负压吸力，适应医院数字化、自动化的发展趋势，具有一定的推广价值。

[1]刘士龙,李晓梅,李鹃.医院负压吸引系统的构建与维护[J].中国医学装备,2015,1(44）：131-132.

[2]姜宗义,赵文干,潘兆岳,等.医院中心负压系统设计[J].医疗卫生装备,1994,(6）：4-6.

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[5]李小渝.8051与C语言在医院中心负压吸引中的应用[J].医疗装备,2014,27(12）：35-36.

[6]罗峥.医院气体支援系统的智能化监控和管理具体实现[J].世界最新医学信息文摘,2015,(14）：190-191.

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[8]周俊彦.洁净手术部负压吸引系统设计探讨[J].洁净与空调技术,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

作者邮箱：xuyong19820810@163.com