基于PLC的模拟肺系统的设计与实现

董方酉，孙青林，郭 林，陈增强

（南开大学 计算机与控制工程学院，天津 300350）

模拟肺是一种按照人体呼吸规律而运动的模拟呼吸装置。近年来，随着航空个体防护技术的发展，用于供氧系统性能测试的模拟肺装置成为必需。传统供氧性能测试中所用模拟肺均为机械式模拟肺，存在体积重量大，噪声大，切换呼吸频率需关闭电源和手动扳动且难以实现连续切换频率等缺点。同时，现有的供氧系统测试所用电子式模拟肺，因不满足正弦的呼吸规律，流量不可变等缺点而未投入使用。因此，研究设计一套电子式可控且呼吸频率连续可变并满足正弦运动规律的模拟肺装置，对供氧性能测试具有重要作用。

在模拟肺的设计方面，国内外许多学者提出了许多设计方案与方法。文献[1]提出了双夹板气囊结构的被动式模拟肺，其结构简单，成本较低，但无法模拟主动呼吸过程。文献[2]设计了ARM电路和直线电机驱动的主动式模拟肺。美国Michigan仪器公司生产的TTL型主动模拟肺，采用 2个气囊模拟双肺[3]，即气囊-弹簧结构。文献[4]设计了箱-囊式主动模拟肺，用箱内气囊模拟胸腔，采用高压喷射或者真空泵作为执行机构。文献[5-8]介绍了活塞结构的模拟肺，活塞在缸体内通过驱动装置而运动，使气缸内空间收缩或扩张。

文献[9]对比了已有的几种模拟肺。以上模拟肺装置多用于呼吸机的测试与监控，或呼吸生理测试装置的校准，均属于医疗应用范围，抗噪性较低，改变频率不连续，并不适用于工业上对氧气面罩的压力测试。基于此，文中提出一种通过PLC实现的电子式模拟肺，用于工业生产氧气面罩的效果测试。

1 原理及结构设计

1.1 模拟肺系统的原理

人体的生理呼吸是通过胸腔的收缩与扩张，改变胸腔体积，向外界呼出或吸入气体，改变肺部内的气体体积[10]。模拟肺装置采用呼吸的基本原理，以气缸来模拟肺，活塞在气缸内往复运动，实现气体流动。气缸出口通过软管与头模呼吸道相连，活塞的运动可造成头模口腔吸气和呼气的过程。

在所设计的模拟肺系统中，计算机通过PLC编译器编译程序并通过数据线下载至可编程逻辑控制器中。同时，显示屏中输入的参数传输给程序中的变量，从而决定呼吸频率和次数；气缸外光电开关的位置决定活塞的行程，也标志着半个周期内活塞运动的起始与终止。启动后，PLC将驱动伺服电机使气缸中活塞做正弦运动，电机正转模拟呼气，反转模拟吸气，实现气缸中气体正弦流动的效果。气缸通过软管连接到头模的仿真呼吸道中，从而实现模拟肺功能。其总体结构如图1所示。

图1 模拟肺系统的总体结构Fig.1 Overall structure of simulated lung system

1.2 结构设计

模拟肺系统的实物如图2所示。模拟肺系统包括控制模块和执行模块2部分。其中：控制模块包括编译器、LCD手动输入参数、PLC以及光电开关；执行模块包括伺服电机、气缸与活塞、头模。

图2 模拟肺实物Fig.2 Physical of simulated lung

1.2.1 LCD液晶显示屏

LCD显示屏采用TPC7062KD型号嵌入式一体化触摸屏，其输入额定电压为24 V，运行环境温度为 0～45℃，如图3所示。 图3（a）中，按钮 1和 2分别用于控制系统的停止与启动；显示灯3，4和5分别指示系统“运行”、“停止”、“原点”3 个状态；如果系统出现故障，指示灯6亮起，表示“报警”；旋转按钮7为“急停”按钮。图3（b）中可手动输入所需的呼吸频率和运行次数，系统将会依次执行屏幕中所设定的“一”、“二”、“三”、“四”4 个程序。 通过手动输入4种不同频率与次数，即可实现呼吸频率连续可变。

图3 LCD显示屏Fig.3 LCD screen

1.2.2 伺服电机

该系统采用了台达公司的ECMA-C10401GS型伺服电机，其输入为110 V交流电压，输出转速为3000 r/min。该伺服电机具有精度高、转速快、适用性强、反应速度快、低发热、低噪声和运行平稳等优点，适用于模拟肺的活塞驱动。

1.2.3 气缸机构

选用SMC公司的CDA2B80-200Z型气缸，最大压强为1MPa，其实物如图4所示。图中基座上布有伺服电机、活塞、气缸、光电开关（限位开关）等。活塞在电机驱动下运动，使气缸内产生正弦变化的气体流量。

图4 电机与气缸Fig.4 Motor and cylinder

1.2.4 面罩及头模

头模用于仿真人体，通过软管将模拟呼吸道与气缸连接。头模上带有面罩，以模拟真实氧气面罩的运行场景。

2 PLC控制设计

2.1 呼吸参数

呼吸次数每个频率下模拟呼吸的次数，范围为 0～50000。

呼吸频率每分钟呼吸的次数，在LCD显示屏中可手动设定。常用次数为10次/min，20次/min，30次/min，44 次/min。

潮气量人体平静呼吸时每次吸入或呼出的气量，通常为1 L。在此装置加工时按照气缸完成1个冲程的出气量为1L来设定。活塞位移=脉冲数×单个脉冲对应的距离。设计中，活塞位移为180 mm对应潮气量为1 L；相应脉冲数为64000个/cm×18 cm。

呼吸比每次呼吸中吸气与呼气所占总呼吸时间的比。在此，呼吸比设定为1∶1，便于供氧系统测试应用。

2.2 模拟肺模型

人体呼吸近似呈正弦规律[11]，如图5所示。

图5 呼吸规律示意Fig.5 Schematic of breathing patterns

图5 为1个呼吸周期中吸气和呼气过程，其中规定吸气时流量值为正，呼气时流量值为负。设模拟肺呼吸流量为 Q（t）=A（t）sin（w（t），t），式中：n（t）为每分钟内的呼吸次数；vi（t）为潮气量，即每次呼吸中吸入或呼出的气量。则频率w（t）为

则模拟肺的呼吸数学模型可描述为

2.3 脉冲控制设计

在PLC中，采用设置脉冲串输出PTO（pulse train output）脉冲的方式来驱动电机转动，带动丝杠与活塞移动。相同个数的PTO脉冲下，伺服电机转数相同，因而驱动活塞所移动的距离相同。而活塞的行程直接决定模拟肺的输出流量。所以，可通过设置固定时间内的不同PTO脉冲数，实现不同呼吸频率下的不同速度。如图6所示，若某一单个脉冲始于 t1时刻，终于t2时刻，令Δt=t2-t1，则该时间内输出1个脉冲，对应伺服电机所运动形成的位移一定。单位时间内脉冲数不同，则单位时间内伺服电机所行距离不同，即脉冲的频率变化对应电机所运行的速度变化。由（3）所示的模拟肺模型可知，A（t）为活塞运动中的最大流量，相应可求出所对应的最大脉冲频率，从而根据正弦规律依次分配正弦运动过程中的不同脉冲频率。即：通过程序控制脉冲频率变化，进而控制活塞运动速度变化。

图6 脉冲设置示意Fig.6 Schematic of pulse setting

根据以上原理可得程序流程，如图7所示。程序编译后通过西门子PPI-RS485下载线下载至西门子S7-200 224 CN型CPU中。根据式（3）所示模拟肺规律结合PLC脉冲驱动原理，实现PLC控制。

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

3 试验验证

3.1 试验验证工具

（1）测试所用硬件设备

气体流量计矽翔微机电系统公司MF5612-N 200 ABD-D-A型气体质量流量计，可测流量范围0～200 L/min，精确度 1.5级，介质温度-10～55℃，最大工作压力1.0 MPa。该流量计为单向流量计，可测单一方向的流量值。

压差传感器Setra传感器公司的压差传感器239110KLB1F2TY19NN型，可测压力范围为-10～10 kPa，精度10 Pa。激励电压22～30 V，输出信号为0～5 V 电压。

高速摄像机日本Photron高速摄像机，可拍摄瞬时图片600张/s。

（2）测试所用软件平台

Matlab R2014a；摄像机配套的Photron FASTCAM Viewer（PFV）软件；Photon FASTCAM Analysis（PFA）动态分析软件。

3.2 测试试验

为测试模拟肺的仿真程度与有效性，采用单向气体流量计，测量模拟肺在不同呼吸频率下的流量变化，如图8所示。

由图8可见，（由于流量计为单向流量计，故吸气时计数为0）模拟肺的输出流量满足人体正常潮气量范围要求；呼吸频率为10次/min时呼吸周期约为6 s；呼吸频率为20次/min时呼吸周期约为3 s；不同的呼吸频率有着对应的呼吸周期和瞬时流量峰值，符合预设。

为验证模拟肺中活塞的运动是否满足正弦规律，采用高速摄像机拍摄模拟肺活塞的运动过程，使用PFV软件记录，并用PFA软件选取其中某一点做标记，记录该点在每一帧的位移和速度，得到的位移和速度如图9所示。最后，使用压差传感器测量面罩腔内与外界的压强差，见表1。由图9可见，其活塞运动无论位移还是速度，均满足正弦规律。由表1可知，该模拟肺在面罩内产生了适当压差，满足氧气面罩的测试要求[12]。

图8 不同呼吸频率下的流量变化Fig.8 Flow changes at different respiratory rates

图9 呼吸频率20次/min时活塞的位移和速度Fig.9 Displacement and velocity of the piston when the respiratory frequency is 20 times/min

表1 不同频率下的压差Tab.1 Pressure difference at different frequencies

4 结语

针对供氧系统性能测试，设计了电子式主动模拟肺。该模拟肺采用气缸-活塞结构模拟肺部呼吸。文中给出了系统的数学模型，并根据模型设计PLC控制程序。模拟肺系统以LCD显示屏、限位开关分别设定呼吸频率与次数、活塞行程，并通过PLC控制程序驱动伺服电机来实现。该系统结构简单明了，易于操作。通过流量测试、位移速度测试以及压差测试，验证了所设计模拟肺系统的合理性和可行性，实现了呼吸频率连续可变的模拟肺。目前该模拟肺系统已在企业供氧系统性能测试中投入使用。

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