基于變頻控制的醫用懸浮床改造設計

張明旭，江滿發，許海樹，盧北眾，俞斌，肖龍坤

1.解放軍第174醫院廈門大學附屬成功醫院 器材科，福建 廈門 361003；2.寧波翼龍醫療設備有限公司 技術部，浙江 寧波 315000

基于變頻控制的醫用懸浮床改造設計

張明旭1，江滿發1，許海樹1，盧北眾2，俞斌2，肖龍坤1

1.解放軍第174醫院廈門大學附屬成功醫院 器材科，福建 廈門 361003；2.寧波翼龍醫療設備有限公司 技術部，浙江 寧波 315000

目的利用醫院原有懸浮床設備，在其基礎上設計一種變頻控制系統，實現降低能耗與噪聲的功能，并且能夠根據臨床需求設置不同的電機功率，從而設定合適的懸浮力。方法采用變頻器控制電機工作頻率實現節能降噪、設定合適懸浮力，并使用基于RS485傳輸協議的串口控制屏對其進行人機交互。結果實現節能降噪，可根據臨床治療方案設定床體懸浮力。結論基于變頻控制的醫用懸浮床能夠顯著提高輔助治療效果，實現節能降噪。此設計具有較強的柔性，能夠應用在大部分型號的懸浮床上，成本低廉，安全穩定。

懸浮床；變頻控制；串口傳輸；變頻器；風機

引言

我院燒傷整形科共有HiLL-Rom公司生產的CLINITRON Ⅱ型和寧波登煌公司生產的YCFCH系列懸浮床共8臺，其動力系統自動化控制程度低，噪聲大、能耗高，且無法實現根據病人實際情況設置懸浮力大小的功能[1]。在臨床使用上常需根據患者治療階段與體重等調節懸浮力大小。比如，一個伴有大量體液滲出的早期病人與處在后期康復的病人，或者一個體重較輕的兒童與一個體重較大的成人，其對懸浮力大小的需求是截然不同的。在醫用懸浮床上引入發展成熟的變頻控制技術不僅能滿足不同病情、不同階段病人對懸浮力大小的要求，更貼和臨床需求，亦起到節能降噪的目的，省去不必要的能源損耗，營造一個安靜舒適的治療環境。

1 材料和方法

1.1 變頻調速的原理

異步電動機調速可以通過變壓變頻調速的方法實現，在極對數np一定時，同步轉速n1隨頻率變化。式中n為實際轉速，s為轉差率，f為電源頻率。如下公式所示：

轉差率s恒定時，轉速n與頻率f成正比，此時通過改變電源頻率f就能控制電機轉速。調速所用的變頻器即是基于上述原理采用交～直～交電源變化技術改變輸入交流電源的頻率[2]。

1.2 變頻器選用與實現

懸浮床的變頻控制核心器件就是變頻器，變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源轉換為其他頻率的電能控制裝置[3]，即能實現對交流異步電機的軟啟動，也能通過改變電機轉速控制懸浮床懸浮力的大小。懸浮床下床體空間有限，可選擇小型變頻器。本設計采用四方電氣E310系列通用型變頻器。

1.3 風機的選用與實現

傳統的風機采用單相電動機，電氣控制采用直接或Y-△，無法實現軟啟動，機械沖擊大、運行噪聲過大、功率因素低。本設計風機采用變頻技術控制，能夠根據臨床使用條件及需求改變轉速，從而實現降低能耗、減小噪聲、貼合臨床需求。風機的效能關鍵在于電機的選用，本設計采用西門子1LE0001系列通用型自扇冷卻式三相異步電動機。此系列電機能夠獨立驅動徑流式風扇強制冷卻，維持懸浮床下床體溫度在較低水平。

1.4 控制系統的選用與實現

控制屏是懸浮床人機交互的核心，選用能夠進行RS485串口通信的串口屏進行控制。串口屏指的是一套由單片機帶控制器的顯示方案，由顯示驅動板、外殼、LCD液晶屏等組成。串口屏能夠實現顯示系統運行狀態及發送操作指令，系統精簡穩定，成本低廉，適合懸浮床這類小型自動化控制系統[4]。本設計采用大彩DS80600系列串口屏。

2 結果

2.1 變頻器的設計結果

變頻器的外圍元器件配線圖，見圖1。該變頻器能夠實現設定上、下限頻率設定，頻率遞增、遞減控制，低噪音運行等功能，亦能對輸出頻率，電機轉速，設定頻率，模塊溫度等運行狀態進行監控。

圖1 變頻器外圍元器件的配線

變頻器采用AC電源供電，串聯空氣開關、接觸器、AC電抗器。AC電源采用220 V單相交流電；空氣開關可在變頻器輸入側有短路或電源電壓過低等故障時進行保護；接觸器可以方便地控制變頻器、負載電機的通斷；AC電抗器可提高功率因素、降低變頻器對電網的諧波輸入。制動電阻能一定程度上實現電動機的制動，并且能避免在直流回路中產生過高的泵升電壓。

變頻器運行頻率的設定有兩種方式：① 直接采用面板電位器手動設置；② 采用串型通信端口，通過串行RS485接口接收上位機的頻率設定指令。

串行RS485傳輸方式采用異步串行、半雙工傳輸方式[5]。即在同一時刻主機和從機只能有一個發送數據，而另一個只能接收數據。數據在串行異步通信過程中，以報文的形式按幀發送。每個報文幀長在11～18字節之間，字符類型可以是ASCII碼、16進制數[6]。數據傳輸方式，見圖2。

圖2 數據傳輸方式

變頻器的基本配線，見圖3。其中AI、CM.模擬輸入，AI是電壓（電流）信號輸入端，限值為0～10 V（0～20 mA），CM是輸入（輸出）信號的公共端；X1～X6、FWD為外部控制端子，端子與CM端閉合有效。FWD為正轉命令輸入端；TA、TC為可編程故障報警輸出。

圖3 變頻器配線

風機啟動時，懸浮床下床體電機需帶動其上方懸浮物運行，屬于大慣量、重負載、起動力矩要求高的系統，需設定一定的啟動頻率。風機停機時，又需一定的延遲，將工作頻率緩慢降低，以保證嚴重燒傷病患或其他有特殊要求的病患免受二次傷害[7-8]。變頻器在啟動與停機頻率輸出曲線，見圖4。當需要停機時變頻器按設定的減速時間逐步減小其輸出頻率至零后停機。

變頻器采用PID控制通過對被控系統的反饋值與目標值的差進行比例、積分、微分計算，來調整變頻器的輸出頻率，使被控系統在目標信號穩定[9]。PID作用原理示意圖，見圖5。

圖4 啟動與停機頻率輸出曲線

圖5 PID作用原理示意圖

2.2 風機的設計結果

本設計采用西門子1LE0001系列通用型自扇冷卻式三相異步電動機。此系列電機能夠獨立驅動徑流式風扇強制冷卻，維持懸浮床下床體溫度在較低水平。其噪聲值測試數據，見表1。

將電機放置在密閉的并帶有隔音海綿的下床體中，在50 Hz電源負載下，測得晝間噪聲值平均值為44.2 dB，夜間平均值為32.8 dB。降低頻率運行后，其噪聲值隨之下降。滿足《中華人民共和國國家標準聲環境質量標準》規定醫療衛生功能區環境噪聲等效聲級限值[10-11]。

表1 西門子1LE0001系列通用型自扇冷卻式三相異步電動機噪聲值測試數據（dB）

其中晝間為6:00～18:00，每小時測量平均值，夜間為18:00～次日6:00，每小時測量平均值。參照組為未使用變頻器工作在50 Hz電源下的舊風機噪聲值數據。

電動機帶有特定的負載時能夠使用變頻器驅動，其特定的負載扭矩，見圖6。

圖6 不同頻率電動機負載轉矩圖

電動機額定頻率為50 Hz。當負載轉矩在允許的轉矩范圍內時，電動機能夠自扇冷卻；當負載轉矩超過所允許的轉矩時，電動機需要強制冷卻。

在懸浮床上床體上加入一定的復合顆粒以及模擬人，改變其電機工作頻率，電機工作在50 Hz電源頻率下有最大懸浮力，適合體重較大或其他需懸浮力大的病人使用。工作在35 Hz時懸浮力較小，適合在恢復較好的病人靜養或體重較小的幼兒使用[12-13]。在30～50 Hz頻率下其懸浮力與電源頻率成線性關系，調節效果較好。

從流體力學原理可知：風機風量與電機轉速功率相關[14-15]。風機的風量與電機的轉速成正比，風機的風壓與電機的轉速的平方成正比，風機的軸功率等于風量與風壓的乘積，故風機的軸功率與電機的轉速的立方成正比，即風機的軸功率與供電頻率的立方成正比。

在室溫為28℃時，設置懸浮床目標溫度為37℃[16-17]，保持其他設定一致，采用計量插座，根據不同的運行頻率其能耗實測試值，見表2。

表2 不同的運行頻率其能耗實測試值（kW/h）

參照組為未進行動力系統改造且工作在50 Hz電源頻率的4臺不同的懸浮床，一號到四號機為改造后的4臺懸浮床。由實測值可以得知，工作頻率為50 Hz時，進行變頻控制改造后平均能耗為0.9 kW/h，較改造前能耗減少23.7%。改造后的懸浮床，隨著工作頻率的降低，其能耗也顯著減少，其中，工作頻率在30 Hz較工作頻率50 Hz時能耗減少70%。

2.3 控制系統的設計結果

控制系統的結構框圖，見圖7。串口屏可直接發送用戶設定的風機設定頻率到變頻器，也可檢測變頻器的各項數據。此外串口屏能根據懸浮床上床體溫度傳感器所反饋的信號進行動作冷卻系統或者加溫系統。

圖7 控制系統結構款圖

懸浮床溫控系統包括冷卻系統、加熱系統、報警系統，這3部分系統控制可集成在串口屏控制。其設計電路圖，見圖8。

圖8 懸浮床溫控系統設計電路圖

3 結論

基于變頻控制的懸浮床改造主要分為變頻器的選用、電機的選用及控制系統的構建3部分，其中控制部分包含對變頻器、水冷及加熱系統的控制。本次設計能夠有效的節能降噪，根據不同病人的臨床治療需求，設置床體懸浮力的大小，更貼合臨床使用，起到較好的輔助治療作用[18]。該變頻控制技術具有較強的柔性，能夠應用在大部分現有型號懸浮床上。臨床科室對舊懸浮床進行升級改造，能顯著提高懸浮床操作性能，降低科室成本。

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Medical Suspension Bed Transformation Design Based on Variable Frequency Control

ZHANG Ming-xu1, JIANG Man-fa1, XU Hai-shu1, LU Bei-zhong2, YU Bin2, XIAO Long-kun1
1.Deaprtment of Equipments, Chenggong Hospital Affiliated to Xiamen University and the 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China; 2.Ningbo Yilong Medical Equipment Co. Ltd., Ningbo, Zhejiang 315000, China

ObjectiveTo create a good environment of treatment, this study designed a variable frequency control system based on the existing suspension bed, which was also energy consumption and noise reduction, and was capable of setting different motor power to set appropriate levitation force in accordance with the clinical needs.MethodsFrequency converter was adopted to control motor operating frequency so as to achieve energy saving, noise reduction and appropriate levitation force setting. Serial port control panel based on RS485 transmission protocol was used to carry out human computer interaction.ResultsEnergy saving and noise reduction were achieved and levitation force could be adjusted according to the clinical treatment plan.ConclusionMedical suspension bed based on frequency conversion control can significantly improve the effect of adjuvant therapy as well as realize energy-saving and noise reduction. This design is low cost, safe and stable with strong flexibility, which makes it applicable to most models of suspended bed.

suspended bed; variable frequency control; serial transmission; frequency converter; draught fan

TH777

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.010

1674-1633(2017)03-0035-04

2016-07-26

2016-08-04

作者郵箱：395165579@qq.com