基于PLC技術的醫院電氣設備自動化控制研究

張傳雪

（臨沂市婦幼保健院，山東 臨沂 276000）

現階段，我國的發展進入了數字化轉型階段。計算機網絡技術、通信網絡技術、自動化控制技術也在不斷地發展。在工業生產、制造等與電氣設備，電氣裝置相關的領域，自動化的控制技術，應用非常廣泛。其中，PLC技術是應用最廣泛的技術類型，通常應用在醫院、工廠、礦場等工程項目的電氣設備自動化控制中，可以有效地提高相關產業的生產、運行效率，同時，帶來了可觀的經濟效益。醫院，是人類生活中不可缺少的運行項目，因此，醫院的人員相對較為密集，這就要求醫院的電氣設備或其他設備系統，具有集成性、可控性以及穩定性，才能保證醫院整體運營以及發展的安全性與可靠性?，F如今，在科技迅速發展的時代環境下，醫院里的相關設備的種類與數量逐漸增加，因此，對大量的電氣設備的集成化的監測與控制，是現階段醫院運營的基本要求。基于以上背景，本文基于PLC技術，研究了一種醫院電氣設備的自動化控制方法，希望提高醫院電氣設備整體的自動化控制水平與管理水平，實時地完成電氣設備運行過程中的調節與維護措施，提高醫院的運營效率與運營收益，為我國的自動化控制領域的研究提供參考。

1 設計電氣設備自動化控制體系

PCL是一種控制器，具有可編程性、邏輯性與可控制性。憑借其系統中的邏輯掃描技術、順序控制技術以及自帶的內部存儲技術等程序結構，廣泛地應用在許多產業的設備自動化控制中。醫院，作為基礎的民生機構，其自動化水平直接決定了醫院整體的運行效率。尤其在手術的過程中，許多設備的運行不能受到任何的干擾，因此，電氣設備要具有嚴格的、規范的控制，才能保證設備的高效、穩定運行。由于醫院經營的特殊性，運行過程中包括多種類，多模塊的電氣設備，是有一種多樣化、復雜化的多線路控制的結構。為了實現醫院電氣設備的一體化、自動化控制，將電氣設備的運行特征應用在PCL系統當中?；诖?，設計醫院電氣設備，一體化、自動化控制體系，為電氣設備的監測與控制，奠定了良好的結構基礎，自動化控制的框架體系結構，如圖1所示。

圖1 PLC系統下的電氣設備自動化控制體系結構圖

由圖1可知，電氣設備自動化控制的PCL系統中，主要由3個部分構成。上下兩個結構層主要是由I/O模塊的建立，實現了電氣設備控制信號數據的輸入與輸出。自動化控制框架的第一層，是PLC系統的數據輸入模塊，也是控制方法的最基礎部分，在該部分，利用PLC系統的可編程的，邏輯控制掃描技術，實時掃描電氣設備的運行狀態，以此采集設備的控制信號，作為控制方法的基礎數據。將采集的設備的控制信號傳輸到框架體系的第二部分，應用PCL系統的控制器模塊，與順序控制技術，結合人工網絡技術，對相應的設備或程序進行分析處理，確定電氣設備的控制順序、控制邏輯等工作，得到電氣設備的控制方案。應用通信網絡技術，將電氣設備的控制方案，傳輸到PCL系統的輸出模塊，在該模塊進行可編程的、邏輯性的分析，對所有的信號數據進行收集與存儲，連接其他的外設驅動結構，發出電氣設備的控制指令，實現醫院電氣設備的自動化監測與控制。PLC系統的構成，要結合計算機網絡技術，以及通信網絡技術通過對數據的分析與處理以及數據信息的傳遞，共同實現自動化的控制。根據上述PCL的基礎結構框架，結合人工智能技術，對電氣設備的開關量、模擬量等控制信號，進行采集與處理，為自動化控制方法提供數據基礎。

2 電氣設備控制信號的采集與處理

在基于PLC技術的電氣設備控制體系中，最基礎的部分是電氣設備控制信號的輸入階段。在這個階段，PLC技術利用自身的可編程的、邏輯控制的掃描技術，在系統中掃描、讀取電氣設備的運行狀態數據信號。在提取信號的過程中，需要采用霍爾傳感器，采集電氣設備的開關量；利用轉速傳感器，提取電氣設備運行中的高頻脈沖信號，作為電氣設備的控制信號。利用變頻調速技術，優化提取的脈沖信號，保證電氣設備運行過程中，電解電容量，不發生離散性的分解，提高脈沖信號的穩定性。將采集的數據信號，存儲記錄在PLC系統的內存單元，即I/O模塊。由于醫院的電氣設備的規模與種類，都較為復雜，不同的結構，具有不同的信號量，或計量值。因此，需要對采集的電氣設備運行狀態的初始數據信號集合，進行分析與處理，將數據信號量統一化與集成化，便于后續對電氣設備數據信號的識別與檢測。利用高斯白噪聲算法，將提取的數據信號，進行處理分析。設初始的信號數量為C，采集的電氣設備運行狀態的信號為g(e)，可以得到加入白噪聲后的數據信號為提取該信號的上、下包絡線，得到兩值的平均值對于第m個處理后的信號值，當時，若數據滿足下式，可以得到最終的信號值結果該式表示為：

式中，c=c+1。當計算的數據不滿足上式，重新進行迭代計算，將所有的信號進行分析處理后，構成新的電氣設備運行狀態的數據信號，為自動化控制方法，提供數據基礎。

3 建立電氣設備的邏輯控制模型

根據電氣設備自動化控制的框架體系，以電氣設備的控制信號作為數據訓練集，利用PCL系統中的順序控制技術，建立電氣設備的邏輯控制模型，實現醫院電氣設備自動化的監測與控制。在醫院的電氣設備中，往往由一個大型設備連接許多小型的設備，共同運行將大型電氣設備設為母設備，小型的電氣設備設為子設備。設醫院的電氣設備的控制順序為a1,a2,...,ar，其中，r表示所有電氣設備需要進行控制的節點數量。根據設定的控制順Ba1序，將所有的電氣母設備設為Ba1,Ba2,...Bar，所有電氣設備中的母設備的啟動時間設為t a1,ta2,...,tar，子設備的啟動時間設為sa1,sa2,...,sar，且sar先于tar。根據醫院電氣設備的邏輯控制，計算電氣設備的總控制量θ，表示為：

式中，ua表示第u個電氣設備的控制順序。計算電氣設備中子設備完成調控的運行時間uω，表示為：

根據上述計算，可以得到醫院里所有的電氣設備的控制順序，計算表示為：

式中，v表示邏輯控制計算中，與u為一組的相對應的自然數，其中，1≤v≤r-1；wa表示控制過程中，母設備的控制時間。由于醫院的電氣設備的控制，需要進行一定程度的自動調控，為了保證控制過程中不發生過量，或錯誤地控制，需要在控制過程中，進行控制任務的合理度的檢查，保證自動控制的精準性?；诖?，計算醫院電氣設備自動化控制過程的適應度κ(b)，表示為：

式中，b表示電氣設備自動化控制過程中，最合理的控制時間；B表示電氣設備自動化控制的總時間。

由上述計算可知，當電氣設備的自動化控制的適應度越小，表明控制的精準度越高。反之，當電氣設備的自動化控制的適應度越高，或者與其他的設備與節點的控制結果的適應度相差較大，則該設備或節點，無法精準地對設備進行控制。當這種情況出現的時候，重新進行邏輯控制計算，直到該設備或節點，對應的適應度合格，才能進行控制。根據上述計算，基于控制信號數據集，完成了對電氣設備的邏輯控制結果，此時，需要應用到PLC系統中，通過將輸出的控制結果，傳輸到系統的上位側，得到對應了控制方案，將方案通過總線控制，傳送到對應的設備或節點，以此實現醫院電氣設備的自動化監測與控制。

4 試驗與檢測

4.1 試驗準備

為檢測本文設計控制方法的可行性與穩定性，設計了仿真模擬試驗。采用Windows系統，搭建本次試驗的試驗平臺。系統需要支持工業以太網絡，便于PLC技術的運行。仿真試驗的基礎程序為Matlab軟件。

4.2 試驗結果與分析

由于醫院屬于大型的、多樣化的電氣設備系統，對控制效率以及抗干擾能力，有極高的要求。現通過對電氣設備的仿真模擬控制過程中，加入網絡入侵信號，觀測控制過程中的傳輸速率，檢測電氣設備控制方法的穩定性與高效性。在試驗系統中，隨機的提取一組網絡入侵信號，加入電氣設備的控制過程中。應用Matlab程序，分別運行本文設計控制方法（試驗組），與傳統控制方法（對照組），記錄入侵信號輸入前后，兩種控制方法下系統在10h內的傳輸速率，進行自動化控制方法的抗干擾能力檢測，結果如圖2所示。

圖2 網絡入侵前后控制過程的傳輸速率變化對比圖

由圖2可知，在網絡入侵前后，試驗組控制方法的傳輸速率，均高于對照組，表明設計控制方法具有高效性。在網絡入侵后，試驗組控制方法在網絡入侵下的傳輸速率，與入侵前幾乎一致，對照組入侵前后的傳輸速率變化較大，表明本文設計的控制方法具有穩定性、高效性以及強大的抗干擾能力。

在本文設計的電氣設備的自動化控制方法具有高效性與穩定性的基礎上，檢測方法的控制效果。將醫院里某一組電梯運行狀態與效率，作為試驗對象。隨機選取一組電梯的運行參數，以及電梯運行的干擾信號，輸入Matlab程序中，進行電梯運行狀態，以及運行效率的模擬控制，記錄兩種控制方法下，5h內，電梯的運行效率，結果如圖3所示。

圖3 兩種控制方法下電梯的運行效率對比圖

由圖3可知，在醫院電梯運行的干擾作用下，試驗組電氣設備控制方法的電梯的運行效率，均高于對照組，試驗組運行效率的平均值為86.74%，比對照組運行效率的平均值76.63%高10.11%，表明本文設計的基于PLC技術的醫院電氣設備自動化控制方法，具有優良的控制效果，可以有效地提升醫院電氣設備的運行效率以及抗干擾能力，為我國的自動化領域，提供了一種控制技術支持，通過提高醫院的自動化發展程度，以此來實現醫院經濟效益的最大化。

5 結語

在數字化的轉型階段，實現自動化程度的最大化，是所有產業或領域的核心競爭力。自動化程度的提升，可以顯著地提高產業的生產轉化效率，從而實現產業經濟效益的最大化。加強研究電氣設備的自動化控制方法，為醫院的電氣設備的管理提供一種有效的技術支持，為我國成為世界大國的發展目標，奠定醫療基礎。