基于S7-224cn PLC和TD400C實(shí)現(xiàn)潔凈手術(shù)室溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

潔凈手術(shù)室作為醫(yī)院中控制要求最高的單位之一，其對(duì)溫濕度有著恒定的控制要求。但由于手術(shù)室內(nèi)的無影燈、普通照明燈等均會(huì)對(duì)溫度和濕度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其很難滿足手術(shù)時(shí)溫度和濕度需保持恒定的要求，故溫、濕度指標(biāo)是潔凈手術(shù)室中最重要的控制指標(biāo)。溫度直接影響病人及醫(yī)護(hù)人員的舒適程度，而當(dāng)房間濕度大于60％時(shí)候，細(xì)菌繁殖的速度就會(huì)大大加快，從控制細(xì)菌滋生的角度出發(fā)，濕度控制也極為重要。這就要求手術(shù)室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)能夠根據(jù)特定的算法調(diào)節(jié)溫濕度，并根據(jù)相應(yīng)操作面板上的設(shè)定值快速響應(yīng)實(shí)時(shí)控制要求。這里采用基于西門子S7—224cn PLC和文本顯示器TD400C構(gòu)成控制系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)控制要求

1．1 溫度控制要求

通過設(shè)置在風(fēng)管里的溫濕度一體傳感器檢測(cè)回風(fēng)溫度，并將所測(cè)得的溫度信號(hào)送到PLC的模擬輸入端。PLC將測(cè)得的溫度和通過手術(shù)室面板溫度設(shè)定值比較并進(jìn)行PID計(jì)算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)模擬量輸出，如冷凍／熱水的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過控制其開度達(dá)到溫度控制的目的。

1．2 濕度控制要求

通過設(shè)置在風(fēng)管里的溫濕度一體傳感器檢測(cè)回風(fēng)濕度，并將所測(cè)得的溫度信號(hào)傳送到PLC的模擬輸入端。PLC將測(cè)得的濕度和通過手術(shù)室面板濕度設(shè)定值比較并進(jìn)行PID計(jì)算，將結(jié)果輸出到相應(yīng)模擬量輸出。在冬季模式里通過對(duì)加濕器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)達(dá)到濕度控制的目的。而在夏季模式里，濕度的控制并非通過對(duì)加濕器開度的單一控制，而是對(duì)水閥調(diào)節(jié)器和加熱器的綜合PID控制實(shí)現(xiàn)的。

1．3 風(fēng)道壓力控制

按照工藝要求，風(fēng)道內(nèi)壓力需保持一定值，以滿足手術(shù)室醫(yī)用要求。系統(tǒng)通過變頻器驅(qū)動(dòng)送風(fēng)機(jī)，事先將滿足工藝要求時(shí)的變頻器頻率值作為設(shè)定值，將設(shè)置在管道內(nèi)的回風(fēng)壓力檢測(cè)傳感器測(cè)得的壓力值作為反饋值，通過PID計(jì)算控制變頻器的輸出頻率，以達(dá)到風(fēng)壓控制要求。

1．4 人機(jī)界面要求

按照現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，在手術(shù)室內(nèi)設(shè)有操作面板一塊，可以設(shè)定溫度，濕度并控制系統(tǒng)啟停，同時(shí)面板上有實(shí)時(shí)溫度和濕度顯示功能；同樣，在控制柜上安裝了人機(jī)界面TD400C，通過TD400C也可設(shè)定溫度濕度啟停機(jī)組。出于調(diào)試系統(tǒng)的目的，在TD400C上設(shè)有強(qiáng)制模式，及人工設(shè)定回風(fēng)溫濕度，屏蔽報(bào)警信號(hào)。

TD400C的控制優(yōu)先權(quán)高于手術(shù)室設(shè)定面板，可屏蔽來自手術(shù)室的設(shè)定信號(hào)。

1．5 安全要求

該系統(tǒng)中故障信號(hào)有3種，分別是送風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，缺風(fēng)保護(hù)故障信號(hào)，中效壓差信號(hào)。這3種信號(hào)都是為了保障風(fēng)道內(nèi)的空氣流通。報(bào)警要有聲光顯示，提醒工作人員采取措施。

2、系統(tǒng)硬件及工藝簡(jiǎn)介

2．1 硬件組成

整個(gè)系統(tǒng)硬件由檢測(cè)元件，控制元件與執(zhí)行元件組成。

通過設(shè)置在風(fēng)道內(nèi)的溫濕度一體傳感器來檢測(cè)回風(fēng)溫濕度；通過設(shè)置在管風(fēng)道內(nèi)的壓力傳感器檢測(cè)回風(fēng)壓力；通過設(shè)置在水管上的溫度傳感器來檢測(cè)水溫并以此判斷工作模式；控制元件主要指S7—224 PLC，TD400C及手術(shù)室控制面板；執(zhí)行元件包括水管的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，加濕器調(diào)節(jié)閥和加熱器調(diào)節(jié)閥等。

2．2 工藝介紹

系統(tǒng)啟動(dòng)后若無缺風(fēng)保護(hù)等報(bào)警信號(hào)，則開始通過安裝在送水管上的傳感器檢測(cè)水溫工作模式系統(tǒng)。工作模式分為冬夏兩季。若送水管水溫大于30℃則為冬季模式，低于30℃則為夏季模式。

在冬季模式里，若回風(fēng)溫度低于設(shè)定溫度，則打開水閥執(zhí)行器，流出更多的熱水以提高溫度；若回風(fēng)濕度低于設(shè)定濕度，則打開加濕器開度，以提高濕度。冬季模式里若回風(fēng)溫度高于設(shè)定值，則減小水閥執(zhí)行器的輸出開度；通常情況下冬季模式里回風(fēng)濕度總是低于設(shè)定濕度的，故不考慮回風(fēng)濕度高于設(shè)定濕度的可能。在夏季模式里，控制要求主要是除溫除濕。該系統(tǒng)要求濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)。所謂濕度優(yōu)先調(diào)節(jié)是指夏季濕度較高時(shí)候，控制器通過計(jì)算后調(diào)節(jié)送水管的開度（管內(nèi)是7℃左右的冷凍水）達(dá)到降溫除濕的目的，而由此造成的溫度差則通過打開電加熱器來補(bǔ)償。當(dāng)回風(fēng)濕度達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入溫度控制狀態(tài)。工作模式選擇流程圖如圖1所示。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝要求和硬件配置，采用西門子公司的STEP7 MICRO／WIN32軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)和TD400C人機(jī)界面設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度控制，強(qiáng)制模式選擇，工作模式選擇和故障報(bào)警處理。

3．1 模式選擇

控制模式設(shè)置是指系統(tǒng)控制分為TD400C設(shè)置（手動(dòng)）和手術(shù)室控制面板設(shè)置（自動(dòng)）兩種。在手動(dòng)模式下又有強(qiáng)制和非強(qiáng)制模式。在手動(dòng)模式下可以屏蔽手術(shù)室面板的設(shè)定溫、濕度及系統(tǒng)啟停信號(hào)。出于調(diào)試系統(tǒng)的考慮，系統(tǒng)還設(shè)置了強(qiáng)制模式。在強(qiáng)制模式下，可以手動(dòng)設(shè)定回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度、回風(fēng)壓力等傳感器信號(hào)，并可以手動(dòng)復(fù)位各種故障報(bào)警信號(hào)，其控制模式選擇流程圖如圖2所示。

3．2 故障報(bào)警處理

按照設(shè)計(jì)要求，如果出現(xiàn)送風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，缺風(fēng)保護(hù)故障信號(hào)，中效壓差信號(hào)，將有聲光顯示，提醒工作人員采取措施，其流程圖如圖3所示。

3．3 溫濕度控制

軟件設(shè)計(jì)的核心部分是溫濕度控制，采用PID控制來調(diào)節(jié)溫濕度。PID控制指的是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例積分微分控制。

常規(guī)PID控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）和實(shí)際輸出值y（t）構(gòu)成控制偏差：

e（t）=r（t）一y（t）

將偏差比例（P），積分（I）和微分（D）通過一定線性組合構(gòu)成控制量u（t）對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。它的控制規(guī)律為：

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)控制量的目標(biāo)值與檢測(cè)值之間存在誤差（或稱為控制偏差）時(shí)，誤差小，操作量就小，誤差越大，操作量就越大，故控制算法中含有偏差比例項(xiàng)，簡(jiǎn)稱P動(dòng)作。對(duì)具有自平衡性的控制對(duì)象施行比例控制，最后其步階變化會(huì)留下一定的誤差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差或偏移。使控制算法中含有誤差積分比例項(xiàng)，可消除穩(wěn)態(tài)誤差，簡(jiǎn)稱I動(dòng)作。偏差的增減反映在操作量上，為了改善控制特性，所以使控制算法中含有偏差微分比例項(xiàng)，簡(jiǎn)稱D動(dòng)作，為一種預(yù)先動(dòng)作。包含以上三種動(dòng)作的控制算法即為PID控制。

式（1）也可以寫成：

式中：KI=KP／TI為積分系數(shù)；KD=KP·TD為微分系數(shù)。

考慮到被控對(duì)象具有大滯后性，且PLC處理的是數(shù)字量，將式（2）離散化得：

式中：θ代表采樣周期，e（k）代表此刻的誤差，e（k一1）代表上次采樣周期的誤差。如果θ足夠小，這種逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制過程十分接近。這種算法稱為位置式算法。位置式算法由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e（k）進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u（k）對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，u（k）的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的。考慮到本系統(tǒng)控制對(duì)象均為閥門，故采用增量式PID控制算法為宜。

將式（3）按遞推原理推得：

式（5）稱為增量式PID算法。

由于控制增量△u（k）的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制要求，被控過程不能有過沖現(xiàn)象即超調(diào)出現(xiàn)。然而結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況且溫度、濕度具有大滯后特性，不可避免地具有超調(diào)。

溫度控制質(zhì)量的決定性環(huán)節(jié)在于溫度的PID控制參數(shù)的整定調(diào)節(jié)，PID參數(shù)整定質(zhì)量決定了溫度控制質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，院方希望手術(shù)室的溫度調(diào)節(jié)時(shí)間盡可能的快。然而溫度的快速響應(yīng)，會(huì)造成超調(diào)，并很可能形成長(zhǎng)時(shí)間的溫度震蕩。溫度調(diào)節(jié)速度和溫度控制精度往往不可調(diào)和，如果在精度允許的前提下加快調(diào)節(jié)速度就意味著盡可能地減少震蕩。通常的做法是在PID調(diào)節(jié)過程中引入死區(qū)來調(diào)節(jié)控制效果。然而，即使加了死區(qū)保護(hù)，但受制于現(xiàn)場(chǎng)條件，其效果不具備普遍性。

若設(shè)定Er為溫度誤差值，Es為溫度設(shè)定值，Eb為溫度實(shí)際值，Et為溫度的死區(qū)，則：

這樣帶來的后果就是即使引入了死區(qū)，對(duì)PID調(diào)節(jié)效果的改善也是有限的。為此，引入溫度變化率，通過溫度變化率的變化來人為地改變死區(qū)，這樣PID計(jì)算的誤差值就會(huì)改變，調(diào)節(jié)速度也會(huì)隨之改變。

設(shè)T1為一分鐘之前的溫度，T2為此刻的溫度，Tc為溫度的變化率，則Tc=T2一T1。通過Tc不僅能夠判斷溫度的升降變化，亦能知道溫度變化的快慢。

由此，利用Tc和當(dāng)前的溫度實(shí)際誤差Es一Eb來設(shè)定溫度死區(qū)。

若Es—Eb》0即溫度沒有達(dá)到設(shè)定值，且Tc》1，則令Et=|Es—Eb|，即對(duì)溫度PID調(diào)節(jié)來說，誤差Er輸入為零，這時(shí)溫度PID則停止調(diào)節(jié)，讓溫度自動(dòng)上升，達(dá)到設(shè)定值。反之亦然。

4、 結(jié) 語

針對(duì)潔凈手術(shù)室的控制要求，建立了以S7—224PLC作為控制核心和TD400C作為人機(jī)界面的控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)滿足了手術(shù)室對(duì)溫濕度控制要求，最大程度地避免了過沖現(xiàn)象，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性。

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