大型醫學裝備電源質量實時監控系統研制

季智勇，潘天紅，楊智祥

1.上海市第六人民醫院 醫學裝備處，上海 201306；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.南通市腫瘤醫院 醫療設備科，江蘇 南通226361

大型醫學裝備電源質量實時監控系統研制

季智勇1,2，潘天紅2，楊智祥3

1.上海市第六人民醫院 醫學裝備處，上海 201306；2.江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.南通市腫瘤醫院 醫療設備科，江蘇 南通226361

本研究意在研制一種可以實時在線監測醫學裝備供電電源質量的遠程監測和異常報警系統，對供電電源端質量進行實時監測。通過局域網匯集到主控計算機以實時圖表等方式顯示，并利用移動GSM通信平臺實現手機短信報警，組成一套完整的故障監測、查詢、分析、報警系統。該系統能實時監測電源質量并在出現異常時及時通過GSM網絡報警，及早排除故障，從而充分保障醫學裝備的正常運行。

醫學裝備；電源質量；實時監測；報警；GSM網絡

引言

供電系統的正常與否對于醫院來說至關重要，不僅關系到財產安全，更關系到病人生命安全[1]。尤其是大型醫學裝備，如核磁共振、醫用直線加速器等，如果電源質量一旦出現異常，將導致停機或造成重大的安全事故，甚至會給醫療安全帶來隱患[2]。“十三五”規劃綱要提出，要深化醫藥衛生體制改革，要求降低運營成本，提高醫療服務質量，保障醫療安全，這些都對大型醫學裝備的運營保障提出了新的更高要求。

如果能夠對醫學裝備供電電源質量進行實時監測并記錄，在故障出現時能夠及時發送報警，通知有關人員，則將大大降低故障造成的損失和影響，使故障在最短的時間內得于排除，從而不影響設備的正常運行。實時記錄電源質量狀況也便于故障分析，從而為提高供電電源的可靠性、及時發現問題，迅速處理故障提供了可靠的技術保障。

對電源質量實施監測，需要具體到所研究的對象指標，建立評估模型和監測目標之間的對應關系。電源質量的評價指標主要有電壓偏差、頻率偏差、電壓波動和閃變、諧波以及三相電壓不平衡度5個方面。電壓允許偏差和頻率允許偏差主要取決于電力的供需之間的平衡關系，后面的3項指標不僅僅和供電系統相關，還受到用電負荷性質的影響[3]。

目前國內外對電源質量的監測通常會采用專項監測、定時巡回監測和連續監測等方法，相應研制和開發了許多種可供用戶選擇的、具有優秀性能的電能質量監測分析儀器[4-5]。

綜合國內外電源質量監測技術的發展情況來看[6-7]，一般采用傳統意義上的儀器儀表或者采用嵌入式設計或者采用計算機進行數據處理，這幾種方案或多或少的存在設備配置的靈活性、通用性相對比較差，適用場合小、實時的分析能力較差，數據處理算法的落后，得到的數據缺乏有效的判斷依據，很難用來深入的分析影響電源質量的根源；實時性能較差，且監測點分散等缺點。

在這種情況下，我們開發了大型醫學裝備電源質量實時監測系統，對電源質量進行實時監測[8]，并可以在出現異常時利用 GSM網絡對相關人員手機發送報警短息，提醒及時進行處理。

1 系統組成

本系統利用單片機和模擬采集系統組成電源質量監測儀，對醫學裝備供電端系統的電壓實時進行采集并存儲，利用院內局域網通信方式遠程匯總到主控臺計算機端[9]，主控臺可以隨時查詢各采集設備的數據，以供故障的查詢和分析判斷,采集設備和主控臺均有故障報警功能，系統也留有多種接口，以便日后升級。監控報警主機通過醫院內部局域網向電源質量監測儀請求傳送數據并進行處理，同時能夠實現對電源質量相關指標進行監測，且可以利用移動GSM通信平臺實現手機短信報警及語音報警[10]，從而和相關部門的技術系統一起組成一整套完整的故障檢測、查詢、分析、排除系統。系統組成框圖，見圖1。

圖1 系統組成框圖

2 系統硬件設計

2.1 監測儀硬件設計

由于監測的對象是三相市電，因此對單片機的要求很高，本系統采用高效高速高穩定的單片機處理系統，并配置高性能看門狗電路。由于系統監測的是三相動力電源，所以監控系統供電采用獨立的蓄電池供電，這樣在動力電源出現故障時不至于使系統停止工作。

因此，本文設計了監測儀硬件系統，其組成框圖，見圖2。

圖2 監測儀硬件系統組成框圖

2.1.1 高電壓變壓模塊

監測儀采樣部分電路圖，見圖3。醫學裝備供電端電壓采樣必須要經過降壓整流濾波后才能輸出符合單片機采樣需求的小電壓送到AD采樣端。為了保護電壓互感器和減小功率損耗，還要在互感器的輸入端串入合適的電阻，互感出來的是小信號交流電壓，為了得到真有效值，必須把小信號交流電壓再經過整流濾波處理[11]，這樣才能得到AD芯片所需要的直流電壓，這時的電壓就是正比于輸入端的交流電壓，為了處理精度及穩定性要求采用真有效值專用測量芯片AD637。

圖3 監測儀采樣部分電路圖

2.1.2 通道切換模塊

由于是測量多路電壓信號，所以必須要進行通道切換，硬件中使用HC4052來進行切換，HC4052是雙路4通道模擬電子開關，導通后的電阻只有100 Ω左右，滿足大多數的信號傳輸要求。

每次切換可以實現兩路同時轉換，這樣可以考慮一路用于電壓，另一路作備用方便以后升級為電壓電流共同測量。當使能端ENABLE為低電平時，芯片處于使能狀態，這時A、B端用來選擇切換一組中4個通道中的哪一個通道。

2.1.3 LED數字顯示模塊

采用LED顯示模塊3組四位一體數碼管分別顯示三相電壓值。

2.1.4 蓄電池供電電路

在實際使用中，發現在醫院突然停電時，串口服務器也會同時停止工作，不能夠及時將采集的數據傳到主控計算機。因此，采用12 V蓄電池供電，并在輸出端加上LM 2576組成的穩壓電路，以保證蓄電池輸出的直流電壓符合系統接口直流5 V的輸入要求。為了避免蓄電池在電量使用將盡時無法供電，采用12 V充電器給其充電，并設置充飽門限，在蓄電池電壓達到13.8 V時斷開充電，在低于10.8 V時自動接通電源充電，有效避免了因停電引起的數據傳輸失敗。

2.2 監控報警主機硬件系統

監控報警主機要實現的功能主要有實時顯示各工作站的工作電壓數據，并存儲，供后期查詢、分析；采用業界通用的RS485再結合以太網方式，確保采集和傳送的穩定可靠；系統將接收到的數據分析判斷，把異常數據作報警顯示，并以GSM短信方式通知相關人員。

2.2.1 基于以太網的多機遠程通信模塊

本系統選用了RS-485總線接口，MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式，它完成將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。在串口服務器中完成數據的轉換，輸出通過以太網接口和計算機進行數據通訊。

2.2.2 GSM模塊

GSM模塊是傳統天線解調器與GSM無線移動通信系統相結合的一種數據終端設備，打開了GSM網絡數據通信及應用的大門。

軟件在檢測到電源異常時，將通過GSM模塊來給預設號碼發送報警短信。

3 系統軟件設計

3.1 監測儀軟件設計

監測儀主要執行實時采集各工作點電壓數據，并在高亮數碼管上作顯示；可以通過面板按鍵設置工作參數，并保存在掉電保存存儲器中；通過RS485和以太網遠程通信方式與主控臺聯系，把數據實時發送到監測軟件系統。監測儀采用國內技術成熟的基于51內核的STC12系列帶有AD轉換的單片機，開發環境采用國際流行通用的KEILC。

3.1.1 高速高精度采樣模塊

醫學裝備前端電壓經真有效值轉換電路處理后送到監測儀單片機的AD轉換采樣端，單片機的P1是復用功能口，通過相關寄存器的設置可以啟用IO功能或AD功能。

3.1.2 掉電自動保存/上電自動載入模塊

所有需要保存的參數均存儲在單片機內的EEPROM中，這樣處理既節省了資源，又保證了數據的安全穩定，同時也簡化了硬件。

3.1.3 LED數碼管顯示

顯示部份采用LS 164串行輸出靜態顯示，這樣一方面數碼管不用定時刷新，另一方面簡化了編程,可以把運行時間留給其它功能部份。

3.1.4 通訊程序設計

監測儀監測到的數據通過RS485通信送到串口服務器，再通過以太網模塊連接到局網內的主控計算機上。為了使通信命令得到及時響應，可采用中斷的方式。

3.2 監控報警主機軟件設計

監控報警軟件主要功能是在主計算機上實現對各端節點設備上的采集的數據進行處理、顯示、存儲及進行質量監控，可以進行單機多參數顯示，對采集到的相關電源質量評價指標數據進行直觀顯示，且能夠實現在電源質量出現異常時通過GSM網絡進行短信報警功能。主要采用Delphi 7.0設計。

3.2.1 配置連接串口服務器

串口服務器的RS485接到電壓表的RS485接口端，串口服務器的以太網接口連接到醫院內部的局域網，進行通訊。為了簡化配置，需要把IP地址改成和電源質量監測報警主機同一網段內，這樣才正常通信。在監測儀中設定好各RS485通信地址，通過電壓表的面板按鈕進入到相應的菜單設定好電壓表的通信地址。

由于在節點的配置中我們把它設為服務器模式，所以監控軟件就配置為客戶端模式。

3.2.2 實時遠程數據處理

（1）數據采集。軟件在初始化時創建配置文件：

fn.WriteString('串 口 ','COM','COM1'); self.ComPort1. Port:='COM1';

fn.WriteInteger('波特率,'Baud', integer(br9600));

self.ComPort1.BaudRate:=br9600;

frmset.iIntegerSample.Value:=10;

//采樣間隔時間10秒frmset.ChckBxAutoSav.Checked: =false;

end

（2）數據發送。加入定時器，用來定時發送采樣命令，當點擊“開始監測”按鈕后定時器開始工作，當定時值到達后發送采樣命令，發送命令方式如下：

buf[6]:=crc and $ff;

buf[7]:=(crc shr 8) and $ff;

if ckbx[i].Checked then

ts[i].Socket.SendBuf(buf[0],8);

sleep(10);

//適當錯開時間，防止接收時網絡擁堵

end;

（3）數據顯示。系統客戶端收到數據后根據數據包作進一步解析，把采樣到的電壓顯示在面板上。

（4）單機多參數顯示。在單機多參數顯示界面中，采用某一時刻的實時采樣值與前100個采樣值進行比較，取出其中的最大值Umax和最小值Umin，然后進行計算，算出波動值。偏離值是采用實時采樣值去和額定值進行比較算出。三相不平衡指標采用解析幾何法算出[12]。

3.2.3 異常報警處理

系統客戶端會從接收到的數據中判斷電壓是否在監控的范圍，當電壓超限時觸發報警設置。

通信號一欄是用來設置GSM短信報警功能，當復選框“電話短信報警”被選中時表明啟用短信GSM報警，報警的內容為發送相關報警內容到指定的電話。

4 實驗結果

4.1 設備端監控顯示

在大型醫學裝備的供電電源端，當在配電車間送電完成后，監測儀上數字電壓表即開始監測電壓并顯示，并將采集到的數據通過RS485端口送給串口服務器，然后通過以太網發送到電源質量監測報警軟件端口。

4.2 監測報警軟件運行界面

打開軟件后自動連接到各監測儀讀取數據，當電源供電在許可范圍之內，軟件顯示界面，見圖4。

圖4 電源正常時軟件顯示界面

當檢測到電源出現異常后，相應指示燈按照設定狀態點亮，電壓數字的顯示顏色同時變化，發出提醒。當電源恢復正常后，指示燈恢復正常顯示狀態，但電壓數字仍為報錯時顏色，提醒注意。此時，需要點擊“復位”按鍵，再點擊“停止檢測”，再點擊“開始檢測”，才一切恢復正常顯示狀。

4.3 單機多參數實時顯示

單機多參數顯示界面，見圖5。需要對單臺設備供電情況進行查看時，點擊頁面上“單機多參數顯示”選項卡，進入單機多參數監控實時顯示界面，分別是“三相平衡”顯示、“電壓偏差”顯示和“電壓波動”顯示。當三相供電平衡時，指示燈顯示為綠色的，當監測到某一相電壓不穩定、過低甚至缺相時，指示燈就會顯示為紅色的，表示不平衡，并觸發報警條件，通過GSM模塊發送報警信息。電壓偏離值和電壓波動值通過計算得出。

下方左側顯示的是當前監測到的電壓數值顯示，同樣采用數碼顯示方法，分別用不同顏色表示不同相序，右側是以220 V為基線，分別設定有上限值和下限值，每隔一段設定的采樣時間間隔描一個點，在圖上描繪出來，然后用線連接成一幅電壓波動曲線，這樣，通過這3個參數的直觀顯示，對當前所需查詢的醫學裝備端供電質量狀況能夠一目了然，方便監督3個曲線分別對應相應坐標，可以進行拖拉、放大等，便于直觀觀察。

圖5 單機多參數顯示界面

4.4 短信報警顯示

當監測到電源質量異常時，會調用GSM模塊[13]，對所設定的手機號碼發送報警短信，提示相關責任人及時進行處理。

由于本系統是在全天候24 h運轉的，產生大量的數據，工作人員不可能守在設備邊定時去保存采集到的數據，所以系統采用SQL數據庫來管理，數據庫管理和監測同時進行，當監測到數據發生更改時，同步進行更新。本數據庫基于模塊化設計，結構相對獨立，方便相關技術人員可以隨時查閱，分析，以便采取合適的措施，盡可能降低故障帶來的損失。

5 討論

醫學裝備尤其是大型醫學裝備，價格昂貴且維修困難，有的還必須要保證長期通電，如核磁如果斷電導致冷頭停止工作則會造成液氦泄露，造成巨大的經濟損失[14]，加速器如果斷電導致離子泵停止工作則會造成真空度下降，影響正常工作[15]，甚至會造成機器損壞。因此，必須對電能質量進行有效管理才能達到保證醫學裝備正常運行的基本條件。

利用電源質量實時監測與報警系統，對電源供電情況進行實時記錄，并能對電源質量相關參數進行實時監測并以圖表形式進行直觀顯示，在故障出現時及時發送報警，通知有關人員，則能大大降低故障造成的損失和影響，使故障在最短的時間內得于排除，從而不影響設備的正常運行。實時記錄電源質量狀況也便于故障分析，從而為提高供電電源的可靠性、及時發現問題，迅速處理故障提供了可靠支持[16]。

同時，也應看到，本系統中僅能實現對電源質量的三相電壓平衡度、電壓波動、電壓偏離等指標進行實時連續監測，爭取以后能夠實現諧波、頻率、電流等參數指標的監測，進一步對監測到的數據進行智能化分析。嘗試通過Android平臺開發電源監控掌上APP，通過無線網絡實現在手機或者PDA上可以隨時隨地來主動訪問查詢，可以不受時間和空間限制，全面掌握大型醫學裝備供電質量狀況，結合醫院整個配供電系統進行優化[17]，切實做好醫學裝備的管理和維護保障工作，同時也為及時消除醫療安全隱患提供技術保障[18]。

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本文編輯 袁雋玲

Design a Real-Time Monitoring System for the Power Quality of Medical Equipment

JI Zhi-yong1,2, PAN Tian-hong2, YANG Zhi-xiang3

1.Department of Medical Equipment, the Sixth People’s Hospital of Shanghai, Shanghai 201306, China; 2.School of Electrical Information & Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China; 3.Department of Medical Equipment, Nantong Tumor Hospital, Nantong Jiangsu 226361, China

To design a remote alarm system that could monitor the power quality of medical equipment and abnormal alarm system to real-time monitor the power supply quality. A complete system that composed of fault monitoring, query, analysis and alarm system was constructed. The power supply quality connected with the main control computer through the LAN to display in a real-time mode and the alarm system could timely send a SMS alarm when something run wrong. The system could carry out real-time monitoring and recording the power supply quality of medical equipment. In addition, it could send a timely alarm via the GSM network in abnormal condition. Hence, the technicians could timely detection of notify the problem and to deal with the fault in the shortest time and exclude it.

medical equipment; power supply quality; real-time monitoring; alarm; GSM network

TH772

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.05.009

1674-1633(2017)05-0035-05

2016-10-26

2016-12-02

作者郵箱：joyer99@126.com