自动化控制在高压氧舱上的应用
2021-06-16林颖嫔殷释然
林颖嫔 殷释然
（上海打捞局芜湖潜水装备厂 安徽省芜湖市 241060）
1 项目背景
高压氧舱是进行高压氧疗法的专用医疗设备，按加压的介质不同，分为空气加压舱和纯氧加压舱两种。高压氧舱的适用范围很广，临床主要用于厌氧菌感染、CO 中毒、H2S 中毒、减压病、缺血缺氧性脑病等疾病的治疗；对于去年出现的新型冠状病毒的治疗也有很好的辅助作用。近几年来各医疗机构对氧舱的需求也大大增加，而且对于氧舱的操作也提出了自动化的要求。
氧舱及操作台总图如图1 所示。医用高压氧舱的分类按外形尺寸可从直径2.2 米到4.0 米；按舱体数量可分为单舱、双舱和舱群；也可按同时进舱人数来划分。其自动化操舱系统需要与不同的舱体以及客户独特的要求相适应。本文以直径3.2 米的双舱计算机控制系统为例进行说明。
图1：氧舱及操作台总图
2 系统硬件
本台医用高压氧舱直径3.2 米，分为治疗舱和过渡舱两个舱室，也称为主舱和副舱，每个舱室分别设有加压阀、减压阀、排氧阀、压力传感器、测氧仪、温湿度仪，在控制台上配置一台工控主机和一套PLC 系统，可独立加、减压，或通过排氧阀调节氧含量。这也是该氧舱自动化控制的主要硬件。
对比早期计算机操舱系统中采用的数据采集板卡与工控机相结合的方案，我选择了从硬件连接到编程语言应都更简单的西门子S7 200 PLC 和华研IPC-610L 工控机。其中PLC 的I/O 模块配置了20 路4-20mA 模拟量输入，分别为总供气压力，两个舱室内的气压、含氧量、温度、湿度以及加压阀、减压阀、排氧阀的开度反馈，并预留多路备用；8 路4-20mA 模拟量输出，分别为过渡舱和治疗舱的加压阀、减压阀和排氧阀的给定，并预留2 路备用。PLC 硬件配置表如表1 所示。
另外，根据医用高压氧舱的标准，为计算机操作系统配置了在线式UPS，确保正常电源故障时备用电池不低于30 分钟的供电。整套自动化系统的硬件连接如图2 所示。
图2：系统硬件连接图
3 软件系统
计算机操作界面的制作也有众多软件可以选择，传统的程序语言编程环境都可以实现，如Visual C++、Borland C++、Visual Basic 和NI 公司的Lab Windows/CVI 等，本台3.2 氧舱的计算机操作系统是采用NI 公司的图形化编程软件LabVIEW 制作的。与其他计算机语言的显著区别在于：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW 使用的是图形化编辑语言，用图标代替文本创建应用程序。PLC 程序则是采用西门子S7 200 专用软件STEP 7-MicroWIN, 并用OPC 软件实现LabVIEW 操作系统与PLC 程序之间的数据交换。
表1：PLC 硬件配置表
图3：系统登录及用户管理界面
3.1 LabVIEW软件操作界面
如图3 所示，操作系统启动后首先进入登录界面，由操舱人员在输入正确的用户名和密码，进行身份验证后方可进入系统操作。管理员身份可以进入用户管理系统，对系统进行用户管理和维护。
舱室加、减压治疗方案的自动执行是建立在医护人员提前制定好程序的前提下的，在“操舱方案设计”界面下，按照治疗方案的不同，设定不同的加/减压阀门开度大小、保压/换气的时间和舱室内的控制压力并保存为固定治疗方案。如图4 所示。
主舱和过渡舱的自动操作是独立的两个界面，在各自舱室执行自动治疗方案的同时，可以对另一个舱室进行手动操作。中间的图表直接呈现的是当前自动执行治疗方案的舱室压力、氧含量的实时曲线图，右边表格对应该舱室的环境相关参数和报警信号；左边则是针对另一舱室的手动操作，加、减压各分为五档快速调整室内压力。如图5 所示。
操作系统还设置有报警记录和历史记录页面，分别记录系统的各类报警信息和舱室治疗操作信息，可创建医护人员数据库，建立用户档案，做到操作可查证、数据可追溯、故障有记录。如图6 所示。
氧舱的操作中，无论是手动模式还是自动模式下对加压阀、减压阀和排氧阀的控制都是由PLC 程序实现。整个系统的工作流程如图7。
图4：操舱方案设计界面
图5：治疗舱自动操舱（过渡舱手动操作）界面
图6：报警记录及历史记录
3.2 OPC软件数据
OPC 软件扩展了设备的概念，提供了一套OPC 服务规范，无论是上位机、PLC 或是智能仪表，应用程序开发者只需编写一个接口程序便可以连接不同的设备。此处OPC 作为上位机LABVIEW操作系统与S7-200 PLC 的接口，实现PLC 与上位机操作程序的数据交换。如图8 和图9 所示。
3.3 PLC程序设计
图7：计算机系统流程图
图8：软件数据交换结构
图9：OPC 数据接口表
PLC 程序分为主程序和多个子程序块，程序结构如图10 所示。
图10
在对舱室加减压控制上采用了双闭环控制，以保证舱室加压速率和压力控制的精确。双闭环控制分别为阀体开度闭环控制和舱室压力闭环控制。阀体本身的电动执行器接收从PLC 输出发出的4-20mA 模拟信号后，阀体执行相应的开度，并有反馈信号输入到PLC 进行对比进行调节；自动操舱时在治疗程序中通过提前设置好的舱室压力和加、减压时间，确定相应的加、减压速率，再由压力变送器将舱室内的实际压力转换为4-20mA 的模拟信号反馈至PLC，输出和反馈数据进行比较和调节，以实现压力闭环控制。另外在舱室刚开始加压时设置了关门检测，以防止启始加压时由于舱门未紧闭，加压曲线过软，达不到所需的加压速率。
4 小结
近年来，高压氧舱在全球各类医疗机构中的应用越来越广泛，院方对氧舱的要求也越来越高，追求外形美观、结构合理、操作便捷，对于计算机操作系统则需要界面友好、功能强大、维护方便，这就需要我们更好地将先进的自动化技术应用到实际生产中去。可能在不久的将来，会出现更舒适、更智能的医用高压氧舱为患者带来福音。
