基于PLC技术的医院电气设备自动化控制研究

张传雪

（临沂市妇幼保健院，山东 临沂 276000）

现阶段，我国的发展进入了数字化转型阶段。计算机网络技术、通信网络技术、自动化控制技术也在不断地发展。在工业生产、制造等与电气设备，电气装置相关的领域，自动化的控制技术，应用非常广泛。其中，PLC技术是应用最广泛的技术类型，通常应用在医院、工厂、矿场等工程项目的电气设备自动化控制中，可以有效地提高相关产业的生产、运行效率，同时，带来了可观的经济效益。医院，是人类生活中不可缺少的运行项目，因此，医院的人员相对较为密集，这就要求医院的电气设备或其他设备系统，具有集成性、可控性以及稳定性，才能保证医院整体运营以及发展的安全性与可靠性。现如今，在科技迅速发展的时代环境下，医院里的相关设备的种类与数量逐渐增加，因此，对大量的电气设备的集成化的监测与控制，是现阶段医院运营的基本要求。基于以上背景，本文基于PLC技术，研究了一种医院电气设备的自动化控制方法，希望提高医院电气设备整体的自动化控制水平与管理水平，实时地完成电气设备运行过程中的调节与维护措施，提高医院的运营效率与运营收益，为我国的自动化控制领域的研究提供参考。

1 设计电气设备自动化控制体系

PCL是一种控制器，具有可编程性、逻辑性与可控制性。凭借其系统中的逻辑扫描技术、顺序控制技术以及自带的内部存储技术等程序结构，广泛地应用在许多产业的设备自动化控制中。医院，作为基础的民生机构，其自动化水平直接决定了医院整体的运行效率。尤其在手术的过程中，许多设备的运行不能受到任何的干扰，因此，电气设备要具有严格的、规范的控制，才能保证设备的高效、稳定运行。由于医院经营的特殊性，运行过程中包括多种类，多模块的电气设备，是有一种多样化、复杂化的多线路控制的结构。为了实现医院电气设备的一体化、自动化控制，将电气设备的运行特征应用在PCL系统当中。基于此，设计医院电气设备，一体化、自动化控制体系，为电气设备的监测与控制，奠定了良好的结构基础，自动化控制的框架体系结构，如图1所示。

图1 PLC系统下的电气设备自动化控制体系结构图

由图1可知，电气设备自动化控制的PCL系统中，主要由3个部分构成。上下两个结构层主要是由I/O模块的建立，实现了电气设备控制信号数据的输入与输出。自动化控制框架的第一层，是PLC系统的数据输入模块，也是控制方法的最基础部分，在该部分，利用PLC系统的可编程的，逻辑控制扫描技术，实时扫描电气设备的运行状态，以此采集设备的控制信号，作为控制方法的基础数据。将采集的设备的控制信号传输到框架体系的第二部分，应用PCL系统的控制器模块，与顺序控制技术，结合人工网络技术，对相应的设备或程序进行分析处理，确定电气设备的控制顺序、控制逻辑等工作，得到电气设备的控制方案。应用通信网络技术，将电气设备的控制方案，传输到PCL系统的输出模块，在该模块进行可编程的、逻辑性的分析，对所有的信号数据进行收集与存储，连接其他的外设驱动结构，发出电气设备的控制指令，实现医院电气设备的自动化监测与控制。PLC系统的构成，要结合计算机网络技术，以及通信网络技术通过对数据的分析与处理以及数据信息的传递，共同实现自动化的控制。根据上述PCL的基础结构框架，结合人工智能技术，对电气设备的开关量、模拟量等控制信号，进行采集与处理，为自动化控制方法提供数据基础。

2 电气设备控制信号的采集与处理

在基于PLC技术的电气设备控制体系中，最基础的部分是电气设备控制信号的输入阶段。在这个阶段，PLC技术利用自身的可编程的、逻辑控制的扫描技术，在系统中扫描、读取电气设备的运行状态数据信号。在提取信号的过程中，需要采用霍尔传感器，采集电气设备的开关量；利用转速传感器，提取电气设备运行中的高频脉冲信号，作为电气设备的控制信号。利用变频调速技术，优化提取的脉冲信号，保证电气设备运行过程中，电解电容量，不发生离散性的分解，提高脉冲信号的稳定性。将采集的数据信号，存储记录在PLC系统的内存单元，即I/O模块。由于医院的电气设备的规模与种类，都较为复杂，不同的结构，具有不同的信号量，或计量值。因此，需要对采集的电气设备运行状态的初始数据信号集合，进行分析与处理，将数据信号量统一化与集成化，便于后续对电气设备数据信号的识别与检测。利用高斯白噪声算法，将提取的数据信号，进行处理分析。设初始的信号数量为C，采集的电气设备运行状态的信号为g(e)，可以得到加入白噪声后的数据信号为提取该信号的上、下包络线，得到两值的平均值对于第m个处理后的信号值，当时，若数据满足下式，可以得到最终的信号值结果该式表示为：

式中，c=c+1。当计算的数据不满足上式，重新进行迭代计算，将所有的信号进行分析处理后，构成新的电气设备运行状态的数据信号，为自动化控制方法，提供数据基础。

3 建立电气设备的逻辑控制模型

根据电气设备自动化控制的框架体系，以电气设备的控制信号作为数据训练集，利用PCL系统中的顺序控制技术，建立电气设备的逻辑控制模型，实现医院电气设备自动化的监测与控制。在医院的电气设备中，往往由一个大型设备连接许多小型的设备，共同运行将大型电气设备设为母设备，小型的电气设备设为子设备。设医院的电气设备的控制顺序为a1,a2,...,ar，其中，r表示所有电气设备需要进行控制的节点数量。根据设定的控制顺Ba1序，将所有的电气母设备设为Ba1,Ba2,...Bar，所有电气设备中的母设备的启动时间设为t a1,ta2,...,tar，子设备的启动时间设为sa1,sa2,...,sar，且sar先于tar。根据医院电气设备的逻辑控制，计算电气设备的总控制量θ，表示为：

式中，ua表示第u个电气设备的控制顺序。计算电气设备中子设备完成调控的运行时间uω，表示为：

根据上述计算，可以得到医院里所有的电气设备的控制顺序，计算表示为：

式中，v表示逻辑控制计算中，与u为一组的相对应的自然数，其中，1≤v≤r-1；wa表示控制过程中，母设备的控制时间。由于医院的电气设备的控制，需要进行一定程度的自动调控，为了保证控制过程中不发生过量，或错误地控制，需要在控制过程中，进行控制任务的合理度的检查，保证自动控制的精准性。基于此，计算医院电气设备自动化控制过程的适应度κ(b)，表示为：

式中，b表示电气设备自动化控制过程中，最合理的控制时间；B表示电气设备自动化控制的总时间。

由上述计算可知，当电气设备的自动化控制的适应度越小，表明控制的精准度越高。反之，当电气设备的自动化控制的适应度越高，或者与其他的设备与节点的控制结果的适应度相差较大，则该设备或节点，无法精准地对设备进行控制。当这种情况出现的时候，重新进行逻辑控制计算，直到该设备或节点，对应的适应度合格，才能进行控制。根据上述计算，基于控制信号数据集，完成了对电气设备的逻辑控制结果，此时，需要应用到PLC系统中，通过将输出的控制结果，传输到系统的上位侧，得到对应了控制方案，将方案通过总线控制，传送到对应的设备或节点，以此实现医院电气设备的自动化监测与控制。

4 试验与检测

4.1 试验准备

为检测本文设计控制方法的可行性与稳定性，设计了仿真模拟试验。采用Windows系统，搭建本次试验的试验平台。系统需要支持工业以太网络，便于PLC技术的运行。仿真试验的基础程序为Matlab软件。

4.2 试验结果与分析

由于医院属于大型的、多样化的电气设备系统，对控制效率以及抗干扰能力，有极高的要求。现通过对电气设备的仿真模拟控制过程中，加入网络入侵信号，观测控制过程中的传输速率，检测电气设备控制方法的稳定性与高效性。在试验系统中，随机的提取一组网络入侵信号，加入电气设备的控制过程中。应用Matlab程序，分别运行本文设计控制方法（试验组），与传统控制方法（对照组），记录入侵信号输入前后，两种控制方法下系统在10h内的传输速率，进行自动化控制方法的抗干扰能力检测，结果如图2所示。

图2 网络入侵前后控制过程的传输速率变化对比图

由图2可知，在网络入侵前后，试验组控制方法的传输速率，均高于对照组，表明设计控制方法具有高效性。在网络入侵后，试验组控制方法在网络入侵下的传输速率，与入侵前几乎一致，对照组入侵前后的传输速率变化较大，表明本文设计的控制方法具有稳定性、高效性以及强大的抗干扰能力。

在本文设计的电气设备的自动化控制方法具有高效性与稳定性的基础上，检测方法的控制效果。将医院里某一组电梯运行状态与效率，作为试验对象。随机选取一组电梯的运行参数，以及电梯运行的干扰信号，输入Matlab程序中，进行电梯运行状态，以及运行效率的模拟控制，记录两种控制方法下，5h内，电梯的运行效率，结果如图3所示。

图3 两种控制方法下电梯的运行效率对比图

由图3可知，在医院电梯运行的干扰作用下，试验组电气设备控制方法的电梯的运行效率，均高于对照组，试验组运行效率的平均值为86.74%，比对照组运行效率的平均值76.63%高10.11%，表明本文设计的基于PLC技术的医院电气设备自动化控制方法，具有优良的控制效果，可以有效地提升医院电气设备的运行效率以及抗干扰能力，为我国的自动化领域，提供了一种控制技术支持，通过提高医院的自动化发展程度，以此来实现医院经济效益的最大化。

5 结语

在数字化的转型阶段，实现自动化程度的最大化，是所有产业或领域的核心竞争力。自动化程度的提升，可以显著地提高产业的生产转化效率，从而实现产业经济效益的最大化。加强研究电气设备的自动化控制方法，为医院的电气设备的管理提供一种有效的技术支持，为我国成为世界大国的发展目标，奠定医疗基础。