基于PLC 的高壓氧艙氣源自控系統的設計與應用

林 鑫，時 光，張敦曉

（1.興安盟人民醫院，內蒙古烏蘭浩特 137400；2.解放軍總醫院第六醫學中心，北京 100048）

0 引言

隨著醫學事業的發展，高壓氧治療的應用也越來越廣泛，在突發性耳聾、一氧化碳中毒、腦外傷、擠壓傷、放射性損傷、氣栓癥、減壓病、糖尿病足潰瘍、多發傷等疾病的治療中，具有療效顯著、安全性高、副作用小等特點。高壓氧治療是指在高壓的環境下吸高濃度氧氣的治療，高壓氧艙是進行高壓氧治療的唯一醫療設備，按照加壓介質分為氧氣加壓艙、空氣加壓艙兩種。氧氣加壓艙，采用純氧進行升壓，由于氧氣的易助燃性，為保障高壓氧治療的安全，現階段各大中型醫院已逐漸淘汰。空氣加壓艙，是指以空氣為介質進行升壓的高壓氧艙，GB/T 12130—2005 中規定，艙內氧濃度不得超過23%，其具有安全性高、治療人數多等特點，符合目前高壓氧治療的應用越來越廣泛的需求。

1 系統簡介與構成

氣源共有3 組制氣機組、2 組儲氣罐，每組制氣機組均包含空壓機、冷干機、散熱風機等，每組儲氣罐均包含4 個并聯儲氣罐（表1）。

表1 氣源各設備參數

空壓機啟動和關閉各由其面板上的兩個自動復位觸點開關PB 控制。冷干機的啟動由1 個常開開關SB 控制主電路繼電器構成自鎖啟動，其關閉由主電路串聯的1 個常閉開關SB 控制。散熱風機、電磁閥啟動和關閉的控制原理與冷干機啟閉原理相同，即1 個常開開關SB 控制啟動，1 個常閉開關SB 控制關閉。

本研究所述的基于PLC 的高壓氧艙氣源自控系統總體結構包含上位機、PLC、參數采樣模塊、接觸器控制輸出模塊、組態軟件等，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構組成

上位機通過串行總線訪問PLC 的A/D數據采集模塊，獲取3組空壓機溫度值T1、T2、T3，2 組儲氣罐氣壓值P1、P2，以及3 臺空壓機工作電流A1、A2、A3。上位機的組態與控制軟件通過P1、P2值進行空壓機啟閉和儲氣罐電磁閥啟閉的判斷，通過T1、T2、T3進行散熱風機啟閉的判斷，通過系統日期進行冷干機啟閉邏輯的判斷。

2 硬件設計

2.1 上位機

上位機采用研華IPC-810E，通過串行總線與PLC 進行通信，訪問PLC 的參數采樣模塊和接觸器控制輸出模塊（圖2）。

圖2 研華IPC-810E 結構組成

IPC-810E 可在Windows XP 操作系統下完成系統組態及監控軟件的設計、開發。上位機通過網絡接口或串口連接PLC的以太網接口或信號板RS232 接口，向其發送參數采集指令，PLC 返回系統所需的儲氣罐壓力值、空壓機溫度值、空壓機電流值等采樣數據，對氣源各設備參數進行監控，同時可實現對氣源各設備運行狀態的遠程手動控制，以及可查詢各設備歷史運行狀態。

2.2 PLC、參數采樣模塊、輸出擴展模塊選型

分析氣源各設備參數，得出電路多為感性負載，且控制頻率低、控制回路電流相對較大，因此PLC 選型為繼電器輸出型，型號為西門子S7-200 SMART SR40。S7-200 SMART SR30 為標準型CPU 模塊，繼電器輸出，220 VAC 供電，具有18 個輸入點，12 個輸出點，具有可靠性高、編程容易、組態靈活、輸入/輸出模塊功能齊全、安裝方便、運行速度快、模塊化結構、易于實現分布式的配置、性價比高、電磁兼容性強等特點。

2.3 控制電路

空壓機的溫度傳感器輸出為4～20 mA，無電流傳感器，需在空壓機配電柜供電主線路上添加電流傳感器、變送器輸出為4～20 mA。儲氣罐壓力傳感器輸出為4～20 mA。

S7-200 SMART SR30 為繼電器型輸出，每路最大為2 A，但因輸出設備較多、PLC 功率無法滿足極特殊情形下的滿負荷控制，因此為提高系統的穩定性，S7-200 SMART SR30、EM DR08 輸出端在控制空壓機、冷干機、散熱風機、儲氣罐組電磁閥啟閉時需添加中間繼電器，中間繼電器采用SSR（Solid State Relay，固體繼電器）。

S7-200 SMART SR30 控制常開SSR1 延時通路時，主電路繼電器KM1 控制線圈得電，主電路通路，形成互鎖，1#空壓機啟動，延時結束SSR1 恢復常開；控制常閉SSR2 延時斷路時，主電路繼電器KM1 控制線圈失電，主電路斷路，1#空壓機關閉，延時結束SSR2 恢復常閉。控制原理類似，2#空壓機由SSR3 控制啟動，由SSR4 控制關閉；3#空壓機由SSR5 控制啟動，由SSR6 控制關閉；1#冷干機由SSR7 控制啟動，由SSR8 控制關閉；2#冷干機由SSR9 控制啟動，由SSR10 控制關閉；3#冷干機由SSR11 控制啟動，由SSR12 控制關閉。

散熱風機、儲氣罐組電磁閥的工作電流較空壓機、冷干機小，因此無需采用交流接觸器，SSR 即可滿足電流需求。1#散熱風機由常開SSR13 控制啟動和關閉，2#散熱風機由常開SSR14控制啟動和關閉，3#散熱風機由常開SSR15 控制啟動和關閉，1#儲氣罐組電磁閥由常開SSR16 控制啟動和關閉，2#儲氣罐組電磁閥由常開SSR17 控制啟動和關閉。

3 軟件設計

3.1 上位機監控軟件

上位機研華IPC-810E 安裝、運行由Delphi7.0 開發環境編譯、調試的監控軟件，監控軟件包含運行組態模塊、數據記錄模塊、歷史運行數據查詢模塊等。

系統設備的運行組態模塊用于直觀顯示氣源控制系統中各設備、傳感器的運行狀態或參數采樣值。

數據記錄模塊首先獲取串口返回字符串，字符串為16 進制，共24 位，字符串格式為：起始位4 位+1#儲氣罐組壓力傳感器采樣值2 位+2#儲氣罐組壓力傳感器采樣值2 位+1#空壓機溫度傳感器采樣值2 位+2#空壓機溫度傳感器采樣值2位+3#空壓機溫度傳感器采樣值2 位+1#空壓機電流傳感器采樣值2 位+2#空壓機電流傳感器采樣值2 位+3#空壓機電流傳感器采樣值2 位+終止位4 位。然后程序根據字符串格式解析出各參數的采樣值，再通過Chart 進行賦值并時時畫出曲線。

3.2 氣源自控流程

氣源的自動控制通過控制系統循環采集1#、2#儲氣罐組的壓力采樣值與系統設定的啟動壓力Pmin、關閉壓力Pmax做比較。系統設定Pmin為0.6 MPa，Pmax為1.3 MPa，在儲氣罐組壓力低于0.6 MPa 時，改組儲氣罐組的前端電磁閥打開，后端電磁閥關閉，另一組儲氣罐組的前端電磁閥關閉，后端電磁閥打開，同時1#制氣機組冷干機、空壓機啟動，待空壓機油溫溫度高于85 ℃時，散熱風機啟動。2 min 后啟動2#制氣機組，4 min 后啟動3#制氣機組。待儲氣罐組壓力高于Pmax時，依次關閉1#、2#、3#制氣機組，然后進入下一個采樣循環比較過程。

4 應用效果

制氣機組運行穩定。機組中空壓機的啟閉程序較為復雜，空壓機啟動時先觸發三相電動機星形啟動，待油壓升高至0.2 MPa后，空壓機改為角形全負載運行，同時開啟供氣電磁閥向儲氣罐供氣，其復雜的啟閉程序受空壓機內置PLC 控制。系統設計采用S7-200 SMART SR30 控制空壓機操作面板按鈕通斷的方式，在保證空壓機獨立穩定運行的前提下大大簡化了控制線路及程序。

高壓氧艙的氣源自動化的運行提高了醫務人員工作效率。應用PLC 控制氣源自動化運行后，可根據壓力信號自動切換儲氣罐組供氣，代替了操作人員切換氣源的工作。同時，機組制氣過程中，PLC 可根據空壓機油溫自動啟閉散熱風機，實現了全程無人托管式的自動化運行，大大降低了制氣工序所需額外的人工工作量。

5 結語

本研究采用PLC 作為控制器，控制SSR 驅動不同制氣機組設備運行的方法，在滿足高穩定性的前提下，具有速度快、可靠性高、電磁干擾小等優點，尤其在發生故障時，醫務人員可在現場對故障機組進行快速隔離，使得制氣工序不受影響，高壓氧治療不因制氣設備故障而間斷。臨床應用表明，氣源采用PLC 控制自動化運行后，在大大提高醫務人員工作效率前提下，其故障率是極低的，值得應用于各大高壓氧氣源中心。PLC 作為高壓氧艙及其附屬設備將來的主要控制方法，其自動化的應用是大勢所趨，新建或翻修高壓氧艙氣源時，應當考慮采用空壓機組原廠PLC 集成控制的方法策略。