血液辐照机控制系统设计与开发

马斌仁 范祖清

摘  要：血液辐照机用于对血液或血液制品进行辐照。控制系统通过RS232通讯编写VB控制程序，采用计算机、PLC和交流伺服系统进行闭环控制，提高运动和辐照精度。介绍了控制系统硬件电路、伺服控制系统和PLC控制程序及计算机控制程序的设计与开发，具有较强的实用性。

关键词：硬件电路;伺服控制;PLC;控制程序

中图分类号：R197.39       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）11-0043-03

Abstract： Blood irradiator is used to irradiate blood or blood products. The VB control program is compiled by RS232 communication， and the closed-loop control is carried out by computer， PLC and AC servo system to improve the motion and irradiation accuracy. This paper introduces the design and development of hardware circuit， servo control system， PLC control program and computer control program of the control system， which has strong practicability.

Keywords： hardware circuit; servo control; PLC; control program

1 研究背景

血液辐照机根据输血相关性移植物抗宿主病的预防机理，利用钴-60或铯-137放射源，通过控制其γ射线剂量，对血液或血液制品进行辐照，并有效灭活血液中具有免疫活性的T淋巴细胞，从而消除TA-GVHD的发生，让输血更安全。

它的工作原理为将需要辐照的血液或血液制品放入样品容器内，样品容器作旋转运动。辐照时上位机发出辐照命令，屏蔽鼓旋转机构将样品容器旋转到辐照位置，放射源对血液或血液制品进行照射。在照射过程中，样品容器作旋转运动，放射源作上下运动。主要包括放射源组件上下往复直线运动和屏蔽鼓绕中心轴旋转运动及样品容器绕中心轴旋转运动。

单位原血液辐照机采用计算机、PCI控制卡（I/O控制和

脉冲输出）和步进电机及驱动器进行开环控制，现采用触摸屏、PLC和PCI控制卡（I/O控制）及交流伺服系统进行闭环控制。该控制系统为两级控制，计算机是上位机，既可操作又可显示;PLC作下位机，作信号检测和执行具体操作。交流伺服电机作为运动执行电机，其运行平稳，性能可靠稳定，从而提高血液辐照机运动到位精度和辐照精度。

2 硬件电路设计

控制系统硬件由计算机、触摸屏、逻辑可编程控制器PLC（CPU、脉冲I/O模块和输入输出模块）、自主研发的PCI I/O控制卡及伺服电机驱动器、伺服电机和接近开关、开关等组成。

计算机功能：读取PCI控制卡8255的A和B口输入高低电平;通过RS232通讯对PLC的IR和DM区、计数器等进行读写操作;辐照控制和运动控制;系统参数设置与存储等。

触摸屏功能：系统参数和状态显示;参数设置;发出操作指令。

PLC（含脉冲I/O模块）功能：通过RS232接收计算机的读写指令，并输出伺服驱动器的使能信号（方向、启停、頻

率）;检测运动部件位置;接收增量编码信号;辐照控制和运动控制。

伺服电机及驱动器功能：交流伺服系统采用脉冲与方向控制方式;A/B相差动信号反馈至脉冲I/O模块;根据实际情况设置相关参数，如电子齿轮比等。

3 伺服控制系统设计

3.1 规格型号

根据样品容器旋转、源升降和屏蔽鼓旋转的速度和力矩及转动惯量等，选购台达ASD-B2-0121-B和ASD-B2-0221-B等伺服电机驱动器和相应的交流伺服电机、减速机及相关接插件。

3.2 伺服运动控制

在血液辐照机运动过程中，PLC输出模块输出伺服电机驱动器的方向和启停信号。同时，脉冲I/O模块输出驱动器的脉冲频率信号。伺服电机内的增量编码器输出增量编码信号（OA和/OA、OB和/OB相位差信号）反馈给脉冲I/O模块计

数。PLC程序通过PRV指令获取高速计数器0、1、2的值并保存在DM区。计算机通过串口读取DM区数据，经逻辑处理换算出运动位置并实时显示。

3.3 伺服驱动器设置

交流伺服系统采用位置控制模式（指令来源为外部脉冲输入），即脉冲与方向控制方式。另外，根据需求设定伺服电机驱动器其它参数，如控制模式及电子齿轮比和检出器输出脉冲数等。

3.4 运动精度和理论速度计算

样品容器、源升降和屏蔽鼓的检出器输出脉冲每周均设定为50（最高可达40000），PLC高速计数器接收到的脉冲数为：50×4倍频×机械比×减速机比。按照旋转一圈计算，对应的样品容器旋转理论精度为0.045度/脉冲，源升降为0.0275mm/脉冲（半径以0.035m计算），屏蔽鼓旋转为0.006度/脉冲。

通过PLC的SPED指令发10000个脉冲给伺服电机驱动器，台达伺服电机旋转一圈。针对血液辐照机三种运动，PLC发出20K～50K伺服驱动频率，则旋转速度为：伺服驱动频率/10K×4倍频×电子齿轮比÷（机械比×减速器比）。若伺服驱动频率按20K计算，样品容器理论速度为10.0r/min，源升降为18.3mm/s，屏蔽鼓为2.0r/min。

4 PLC控制程序设计

4.1 功能与设置

欧姆龙逻辑可编程控制器PLC由电源模块CJ1W-PA202和CPU模块CJ2M-CPU11、两个脉冲I/O模块CJ2M-MD211、两个输入模块CJ1W-ID211及一个输出模块CJ1W-OC211组成。

脉冲I/O模块功能：采集增量编码信号（A/B相差动信号）和输出伺服驱动频率。

CPU模块功能：与上位机RS232通讯、逻辑处理和计算。

输入模块功能：采集安全联锁信号（网电源中断、急停等）和设备状态（门关、源升降和样品容器零位等）及手动按键（样品容器和屏蔽鼓正反转、源升降）。

输出模块功能：输出使能信号（方向、启停）和控制信号等。

4.2 辐照控制及流程

通过PLC的PRV指令读取高速计数器0、1、2的值，并实时保存在DM区内;样品容器零位，源升降零位及屏蔽鼓装载位对高速计数器（A531.00～A531.02）复位;通过PLC的CPSL指令（有符号长二进制比较）进行比较并形成标志位，控制血液辐照机三种运动的启停和方向;通过PLC的SPED和@INI指令发出脉冲频率至伺服电机驱动器。

源升降在运动行程内，可设置最多六个驻留点（至少两个），且驻留点时间可调。因此，通过PLC的++B（BCD码递增）和--B（BCD码递减）指令，采用BCD间接DM寻址（间址）方式，对放射源升或降进行运动控制。

PLC程序主要完成系统上电初始化和复位、准备辐照及正在辐照等功能。正在辐照控制流程图如下：

图2 辐照控制流程图

5 计算机控制程序设计

计算机控制程序使用Visual Basic 6.0开发，采用模块化设计，主要完成功能如下：

（1）配置文件：对系统和辐照参数进行管理。包括：通讯端口设置、辐照时间设定、运动速度、源升降驻留点位置和驻留时间的设置等。

（2）辐照控制和运动控制。通过系统参数设置对PLC的DM区和IR区写入相应的值;PLC对伺服电机驱动器进行频率输出，对伺服电机的启停、方向进行控制，实现伺服电机的运动控制和辐照启动、停止及初始化等。另外，通过读取PCI I/O控制卡8255的A和B端口高低电平和PLC的IR区标志位，实现运动状态和故障的显示。另外，读取PLC的DM区数值，通过逻辑处理和换算，利用timer显示三种运动的速度和位置。

5.1 PCI卡地址采集

接近开关信号和运动故障信号及开关信号等经光电隔离TLP521-4光耦输入到上位机PCI控制卡8255可编程并行I/O接口芯片的A、B口。控制程序引用dlportio.dll文件和调用DlPortReadPortUchar函数对A和B端口输入的高低电平进行读取，实现系统状态和运动故障采集、显示。

5.2 PCI IR/DM区读写

程序通过api232.dll动态链接库文件sio_open函数，与PLC通讯连接成功后，发至PLC的命令如下：

从指定字开始读IR字中指定数目的内容，读格式为：@00RR+起始字+字数+FCS+结束符，响应格式为：@00RR+结束代码+读出数据（1个字）+…+FCS+结束符;将数据写入IR区，从指定字开始，写是逐字完成的，写格式为：@00WR+起始字+寫入数据（1个字）+…+FCS+结束符。计算机对PLC的IR/DM读写一样，仅标题码为RD或WD。

通过对PLC的IR区16.00～16.08标志位写操作，实现启动辐照和电磁铁控制、手动控制等。同时，对PLC的IR区30.00～30.10读操作，利用timer实现检测辐照状态和手动模式等。

另外，程序通过RS232对PLC DM区的值进行读操作，经过逻辑运算和处理，显示辐照时间、源升降当前驻留点和位置以及样品容器和屏蔽鼓的旋转位置等。同时，按照写DM区的命令格式，结合血液辐照机PLC工作位表，将三种运动的伺服驱动脉冲、源升降驻留点数和驻留时间等辐照参数写入PLC相应的DM区。

6 结束语

血液辐照机控制系统为伺服驱动系统闭环控制，PLC含脉冲I/O模块对编码器反馈信号进行采样，控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证且驱动器采用四倍频技术。较步进电机其控制精度高且PLC控制时间准确。另外，由于机械装配和累积误差等因素，血液辐照机经测试，源升降运动精度为0.2mm，屏蔽鼓旋转到位精度为0.3°，辐照时间与预置值误差0.2s等技术指标满足设计开发要求。

交流伺服电机运行平稳，在额定转速内，均能恒功率输出。较步进电机开环控制，控制性能更稳定可靠，克服步进电机失步和电机启动力矩小等缺点。另外，较步进电机速度响应性能，伺服系统的加速性能较好。因此，血液辐照机控制系统的设计与开发具有较强的实用性。

参考文献：

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[2]曾琦.Visual Basic 6.0编程实例与技巧[M].中国水利水电出版社.

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