基于PLC的模擬肺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

董方酉，孫青林，郭 林，陳增強

（南開大學(xué) 計算機與控制工程學(xué)院，天津 300350）

模擬肺是一種按照人體呼吸規(guī)律而運動的模擬呼吸裝置。近年來，隨著航空個體防護技術(shù)的發(fā)展，用于供氧系統(tǒng)性能測試的模擬肺裝置成為必需。傳統(tǒng)供氧性能測試中所用模擬肺均為機械式模擬肺，存在體積重量大，噪聲大，切換呼吸頻率需關(guān)閉電源和手動扳動且難以實現(xiàn)連續(xù)切換頻率等缺點。同時，現(xiàn)有的供氧系統(tǒng)測試所用電子式模擬肺，因不滿足正弦的呼吸規(guī)律，流量不可變等缺點而未投入使用。因此，研究設(shè)計一套電子式可控且呼吸頻率連續(xù)可變并滿足正弦運動規(guī)律的模擬肺裝置，對供氧性能測試具有重要作用。

在模擬肺的設(shè)計方面，國內(nèi)外許多學(xué)者提出了許多設(shè)計方案與方法。文獻[1]提出了雙夾板氣囊結(jié)構(gòu)的被動式模擬肺，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但無法模擬主動呼吸過程。文獻[2]設(shè)計了ARM電路和直線電機驅(qū)動的主動式模擬肺。美國Michigan儀器公司生產(chǎn)的TTL型主動模擬肺，采用 2個氣囊模擬雙肺[3]，即氣囊-彈簧結(jié)構(gòu)。文獻[4]設(shè)計了箱-囊式主動模擬肺，用箱內(nèi)氣囊模擬胸腔，采用高壓噴射或者真空泵作為執(zhí)行機構(gòu)。文獻[5-8]介紹了活塞結(jié)構(gòu)的模擬肺，活塞在缸體內(nèi)通過驅(qū)動裝置而運動，使氣缸內(nèi)空間收縮或擴張。

文獻[9]對比了已有的幾種模擬肺。以上模擬肺裝置多用于呼吸機的測試與監(jiān)控，或呼吸生理測試裝置的校準(zhǔn)，均屬于醫(yī)療應(yīng)用范圍，抗噪性較低，改變頻率不連續(xù)，并不適用于工業(yè)上對氧氣面罩的壓力測試。基于此，文中提出一種通過PLC實現(xiàn)的電子式模擬肺，用于工業(yè)生產(chǎn)氧氣面罩的效果測試。

1 原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 模擬肺系統(tǒng)的原理

人體的生理呼吸是通過胸腔的收縮與擴張，改變胸腔體積，向外界呼出或吸入氣體，改變肺部內(nèi)的氣體體積[10]。模擬肺裝置采用呼吸的基本原理，以氣缸來模擬肺，活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運動，實現(xiàn)氣體流動。氣缸出口通過軟管與頭模呼吸道相連，活塞的運動可造成頭模口腔吸氣和呼氣的過程。

在所設(shè)計的模擬肺系統(tǒng)中，計算機通過PLC編譯器編譯程序并通過數(shù)據(jù)線下載至可編程邏輯控制器中。同時，顯示屏中輸入的參數(shù)傳輸給程序中的變量，從而決定呼吸頻率和次數(shù)；氣缸外光電開關(guān)的位置決定活塞的行程，也標(biāo)志著半個周期內(nèi)活塞運動的起始與終止。啟動后，PLC將驅(qū)動伺服電機使氣缸中活塞做正弦運動，電機正轉(zhuǎn)模擬呼氣，反轉(zhuǎn)模擬吸氣，實現(xiàn)氣缸中氣體正弦流動的效果。氣缸通過軟管連接到頭模的仿真呼吸道中，從而實現(xiàn)模擬肺功能。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬肺系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of simulated lung system

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

模擬肺系統(tǒng)的實物如圖2所示。模擬肺系統(tǒng)包括控制模塊和執(zhí)行模塊2部分。其中：控制模塊包括編譯器、LCD手動輸入?yún)?shù)、PLC以及光電開關(guān)；執(zhí)行模塊包括伺服電機、氣缸與活塞、頭模。

圖2 模擬肺實物Fig.2 Physical of simulated lung

1.2.1 LCD液晶顯示屏

LCD顯示屏采用TPC7062KD型號嵌入式一體化觸摸屏，其輸入額定電壓為24 V，運行環(huán)境溫度為 0～45℃，如圖3所示。 圖3（a）中，按鈕 1和 2分別用于控制系統(tǒng)的停止與啟動；顯示燈3，4和5分別指示系統(tǒng)“運行”、“停止”、“原點”3 個狀態(tài)；如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，指示燈6亮起，表示“報警”；旋轉(zhuǎn)按鈕7為“急停”按鈕。圖3（b）中可手動輸入所需的呼吸頻率和運行次數(shù)，系統(tǒng)將會依次執(zhí)行屏幕中所設(shè)定的“一”、“二”、“三”、“四”4 個程序。 通過手動輸入4種不同頻率與次數(shù)，即可實現(xiàn)呼吸頻率連續(xù)可變。

圖3 LCD顯示屏Fig.3 LCD screen

1.2.2 伺服電機

該系統(tǒng)采用了臺達公司的ECMA-C10401GS型伺服電機，其輸入為110 V交流電壓，輸出轉(zhuǎn)速為3000 r/min。該伺服電機具有精度高、轉(zhuǎn)速快、適用性強、反應(yīng)速度快、低發(fā)熱、低噪聲和運行平穩(wěn)等優(yōu)點，適用于模擬肺的活塞驅(qū)動。

1.2.3 氣缸機構(gòu)

選用SMC公司的CDA2B80-200Z型氣缸，最大壓強為1MPa，其實物如圖4所示。圖中基座上布有伺服電機、活塞、氣缸、光電開關(guān)（限位開關(guān)）等。活塞在電機驅(qū)動下運動，使氣缸內(nèi)產(chǎn)生正弦變化的氣體流量。

圖4 電機與氣缸Fig.4 Motor and cylinder

1.2.4 面罩及頭模

頭模用于仿真人體，通過軟管將模擬呼吸道與氣缸連接。頭模上帶有面罩，以模擬真實氧氣面罩的運行場景。

2 PLC控制設(shè)計

2.1 呼吸參數(shù)

呼吸次數(shù)每個頻率下模擬呼吸的次數(shù)，范圍為 0～50000。

呼吸頻率每分鐘呼吸的次數(shù)，在LCD顯示屏中可手動設(shè)定。常用次數(shù)為10次/min，20次/min，30次/min，44 次/min。

潮氣量人體平靜呼吸時每次吸入或呼出的氣量，通常為1 L。在此裝置加工時按照氣缸完成1個沖程的出氣量為1L來設(shè)定。活塞位移=脈沖數(shù)×單個脈沖對應(yīng)的距離。設(shè)計中，活塞位移為180 mm對應(yīng)潮氣量為1 L；相應(yīng)脈沖數(shù)為64000個/cm×18 cm。

呼吸比每次呼吸中吸氣與呼氣所占總呼吸時間的比。在此，呼吸比設(shè)定為1∶1，便于供氧系統(tǒng)測試應(yīng)用。

2.2 模擬肺模型

人體呼吸近似呈正弦規(guī)律[11]，如圖5所示。

圖5 呼吸規(guī)律示意Fig.5 Schematic of breathing patterns

圖5 為1個呼吸周期中吸氣和呼氣過程，其中規(guī)定吸氣時流量值為正，呼氣時流量值為負。設(shè)模擬肺呼吸流量為 Q（t）=A（t）sin（w（t），t），式中：n（t）為每分鐘內(nèi)的呼吸次數(shù)；vi（t）為潮氣量，即每次呼吸中吸入或呼出的氣量。則頻率w（t）為

則模擬肺的呼吸數(shù)學(xué)模型可描述為

2.3 脈沖控制設(shè)計

在PLC中，采用設(shè)置脈沖串輸出PTO（pulse train output）脈沖的方式來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，帶動絲杠與活塞移動。相同個數(shù)的PTO脈沖下，伺服電機轉(zhuǎn)數(shù)相同，因而驅(qū)動活塞所移動的距離相同。而活塞的行程直接決定模擬肺的輸出流量。所以，可通過設(shè)置固定時間內(nèi)的不同PTO脈沖數(shù)，實現(xiàn)不同呼吸頻率下的不同速度。如圖6所示，若某一單個脈沖始于 t1時刻，終于t2時刻，令Δt=t2-t1，則該時間內(nèi)輸出1個脈沖，對應(yīng)伺服電機所運動形成的位移一定。單位時間內(nèi)脈沖數(shù)不同，則單位時間內(nèi)伺服電機所行距離不同，即脈沖的頻率變化對應(yīng)電機所運行的速度變化。由（3）所示的模擬肺模型可知，A（t）為活塞運動中的最大流量，相應(yīng)可求出所對應(yīng)的最大脈沖頻率，從而根據(jù)正弦規(guī)律依次分配正弦運動過程中的不同脈沖頻率。即：通過程序控制脈沖頻率變化，進而控制活塞運動速度變化。

圖6 脈沖設(shè)置示意Fig.6 Schematic of pulse setting

根據(jù)以上原理可得程序流程，如圖7所示。程序編譯后通過西門子PPI-RS485下載線下載至西門子S7-200 224 CN型CPU中。根據(jù)式（3）所示模擬肺規(guī)律結(jié)合PLC脈沖驅(qū)動原理，實現(xiàn)PLC控制。

圖7 PLC控制流程Fig.7 PLC control flow chart

3 試驗驗證

3.1 試驗驗證工具

（1）測試所用硬件設(shè)備

氣體流量計矽翔微機電系統(tǒng)公司MF5612-N 200 ABD-D-A型氣體質(zhì)量流量計，可測流量范圍0～200 L/min，精確度 1.5級，介質(zhì)溫度-10～55℃，最大工作壓力1.0 MPa。該流量計為單向流量計，可測單一方向的流量值。

壓差傳感器Setra傳感器公司的壓差傳感器239110KLB1F2TY19NN型，可測壓力范圍為-10～10 kPa，精度10 Pa。激勵電壓22～30 V，輸出信號為0～5 V 電壓。

高速攝像機日本Photron高速攝像機，可拍攝瞬時圖片600張/s。

（2）測試所用軟件平臺

Matlab R2014a；攝像機配套的Photron FASTCAM Viewer（PFV）軟件；Photon FASTCAM Analysis（PFA）動態(tài)分析軟件。

3.2 測試試驗

為測試模擬肺的仿真程度與有效性，采用單向氣體流量計，測量模擬肺在不同呼吸頻率下的流量變化，如圖8所示。

由圖8可見，（由于流量計為單向流量計，故吸氣時計數(shù)為0）模擬肺的輸出流量滿足人體正常潮氣量范圍要求；呼吸頻率為10次/min時呼吸周期約為6 s；呼吸頻率為20次/min時呼吸周期約為3 s；不同的呼吸頻率有著對應(yīng)的呼吸周期和瞬時流量峰值，符合預(yù)設(shè)。

為驗證模擬肺中活塞的運動是否滿足正弦規(guī)律，采用高速攝像機拍攝模擬肺活塞的運動過程，使用PFV軟件記錄，并用PFA軟件選取其中某一點做標(biāo)記，記錄該點在每一幀的位移和速度，得到的位移和速度如圖9所示。最后，使用壓差傳感器測量面罩腔內(nèi)與外界的壓強差，見表1。由圖9可見，其活塞運動無論位移還是速度，均滿足正弦規(guī)律。由表1可知，該模擬肺在面罩內(nèi)產(chǎn)生了適當(dāng)壓差，滿足氧氣面罩的測試要求[12]。

圖8 不同呼吸頻率下的流量變化Fig.8 Flow changes at different respiratory rates

圖9 呼吸頻率20次/min時活塞的位移和速度Fig.9 Displacement and velocity of the piston when the respiratory frequency is 20 times/min

表1 不同頻率下的壓差Tab.1 Pressure difference at different frequencies

4 結(jié)語

針對供氧系統(tǒng)性能測試，設(shè)計了電子式主動模擬肺。該模擬肺采用氣缸-活塞結(jié)構(gòu)模擬肺部呼吸。文中給出了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)模型設(shè)計PLC控制程序。模擬肺系統(tǒng)以LCD顯示屏、限位開關(guān)分別設(shè)定呼吸頻率與次數(shù)、活塞行程，并通過PLC控制程序驅(qū)動伺服電機來實現(xiàn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，易于操作。通過流量測試、位移速度測試以及壓差測試，驗證了所設(shè)計模擬肺系統(tǒng)的合理性和可行性，實現(xiàn)了呼吸頻率連續(xù)可變的模擬肺。目前該模擬肺系統(tǒng)已在企業(yè)供氧系統(tǒng)性能測試中投入使用。

參考文獻：

[1]徐梁，羅哲.可調(diào)節(jié)模擬肺的設(shè)計[J].中國醫(yī)療器械雜志，2011，35（2）：108-109.

[2]劉曉梅，許琳媛，魏立峰，等.主動模擬肺平臺的設(shè)計和研究[J].自動化儀表，2013，34（2）：34-37.

[3]Aslanian P，El A S，Isabey D，et al.Effects of flow triggering on breathing effort during partial ventilatory support[J].Am J Respir Crit Care Med，1998，157（1）：135-143.

[4]BunburaphongT，ImanakaH，NishimuraM，etal.Performance characteristics ofbilevelpressure ventilators：a lung model study[J].Chest，1997，111（4）：1050.

[5]Mesic S，Babuska R，Hoogsteden H C，et al.Computer-controlled mechanical simulation of the artificially ventilated human respiratory system[J].IEEE transactions on bio-medical engineering，2003，50（6）：731-43.

[6]Verbraak A F，Rijnbeek P R，Beneken J E，et al.A new approach to mechanical simulation of lung behaviour：pressurecontrolled and time-related piston movement.[J].Medical&Biological Engineering&Computing，2001，39（1）：82.

[7]張坤，徐新民，徐海琴，等.主動模擬肺的運動及控制部分仿真研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32（8）：1-3.

[8]王偉，葛斌.基于活塞運動的主動模擬肺的研究與設(shè)計[J].中國醫(yī)療器械雜志，2012，36（3）：199-201.

[9]王海濤，闕呈立，張廣，等.主動模擬肺的類型和應(yīng)用研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（4）：106-108.

[10]張從華，龔嵐，宿紅，等.精確控制的模擬肺裝置用于肺功能測量校準(zhǔn)的實驗研究[J].四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版，2008，40（5）：188-192.

[11]Beaumont M，Lejeune D，Isabey D，et al.Positive pressure generation by pneumatic and electronic O2regulators：a bench experimental evaluation[J].Aviation Space&Environmental Medicine，1999，70（8）：812.

[12]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB 867—90航空加壓供氧生理要求[s].北京：國防科工委軍標(biāo)發(fā)行部，1990.