分體式醫(yī)用懸浮床設(shè)計(jì)

張明旭

解放軍第174醫(yī)院廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院 器材科，福建 廈門(mén) 361003

分體式醫(yī)用懸浮床設(shè)計(jì)

張明旭

解放軍第174醫(yī)院廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院 器材科，福建 廈門(mén) 361003

本文設(shè)計(jì)了一套分體式醫(yī)用懸浮床，其將傳統(tǒng)的整體式懸浮床的控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)與懸浮床體相剝離。同時(shí)設(shè)立新的控制柜，從而能夠容納控制系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)，并且能利用空氣管道與懸浮床體相連接進(jìn)行氣體傳輸。分體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)⒖刂乒衽c懸浮床體獨(dú)立于兩個(gè)空間，避免動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的較大噪音對(duì)使用病人的影響，降低了床體高度以便護(hù)理工作、以及便于日常維修等。加入PID控制溫度，使懸浮床溫度更加穩(wěn)定可控。

醫(yī)用床；懸浮床；可編程控制器；PID控制

引言

目前，國(guó)內(nèi)外醫(yī)用懸浮床基本采用整體式構(gòu)造，我院燒傷整形科共有Hill-Rom公司生產(chǎn)的CLINITRON Ⅱ型和寧波登煌公司生產(chǎn)的YCFCH系列懸浮床共8臺(tái)，其設(shè)計(jì)都為整體式構(gòu)造。由于使用年限長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)噪聲大，特別是在重癥病房中，常有幾臺(tái)懸浮床同時(shí)運(yùn)作，噪音污染較嚴(yán)重。整體式懸浮床將控制系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)置放于床體下方，導(dǎo)致懸浮床整體高度偏高，增加了日常護(hù)理難度。當(dāng)整體式懸浮床控制系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)出故障時(shí)，需將患者移走后才能維修，不僅給患者增加了許多痛苦、容易對(duì)患者照成二次傷害[1-2]，并給日常維修造成極大的不便。此外，環(huán)境氣溫較高時(shí)，整體式床體的風(fēng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，不易于床體的溫度控制。

而分體式懸浮床將控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)與懸浮床體相剝離，設(shè)定獨(dú)立的控制柜，將控制柜與病房相隔離能夠極大程度上的減少噪音污染、有利于溫度控制，方便護(hù)士日常護(hù)理與技術(shù)人員故障維修[3]。

1 結(jié)構(gòu)與材料

分體式醫(yī)用懸浮床主要分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)，一是懸浮床體，包括上床體的濾單、復(fù)合顆粒、溫度傳感器，以及下床體的散熱器、壓力（稱(chēng)重）傳感器、氣路通道等[4]；二是控制柜，控制柜主要包含控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及溫控系統(tǒng)[5]。分體式懸浮床整體示意圖，見(jiàn)圖1。

控制系統(tǒng)主要包括觸摸屏、可編程控制器、變頻器等；動(dòng)力系統(tǒng)主要包括由空氣過(guò)濾器、三相異步電動(dòng)機(jī)、隔音海綿等；溫控系統(tǒng)主要包括水冷交換器、電磁閥、加熱器等；將水冷系統(tǒng)置于最下方避免了因漏水等引起的電氣損毀。

使用可伸縮的耐高溫硅膠管將懸浮床體與控制柜相連接，配合卡扣固定，避免漏氣，能在維修和日常使用時(shí)方便地將控制柜與床體相剝離與替換。

1.1 硬件選用

本設(shè)計(jì)可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）采用西門(mén)子S7-200，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并且適應(yīng)醫(yī)療行業(yè)的電磁兼容要求，可在比較惡劣的環(huán)境下工作[6]。

圖1 分體式懸浮床整體圖

配備EM231CN和EM232CN兩個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊。模擬量擴(kuò)展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，能直接與傳感器和執(zhí)行器相連，12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍能夠不用外加放大器而與傳感器和執(zhí)行器直接相連。

EM231CN和EM232CN是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模擬量模塊，EM231CN具有4路模擬量輸入，能將連續(xù)變化的值經(jīng)A-D轉(zhuǎn)換后送CPU處理。EM232CN具有2路模擬量輸出，能將PLC處理完的數(shù)字結(jié)果經(jīng)D-A轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備。本控制系統(tǒng)采用EM231CN模塊接收4個(gè)稱(chēng)重傳感器數(shù)據(jù)，EM232CN模塊輸出對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)的變頻控制以及輸出對(duì)水路系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的控制。

控制柜人機(jī)交互通過(guò)嵌入式一體化觸摸屏實(shí)現(xiàn)，其采用臺(tái)達(dá)DOP-W系列觸摸屏，具有較大的觸摸顯示屏幕，并且能通過(guò)RS485通訊協(xié)議與PLC進(jìn)行輸入信號(hào)傳輸。

溫度傳感器采用PT100鉑電阻傳感器，其能將0℃～60℃輸出的微弱信號(hào)經(jīng)XTR105放大變換成4～20 mA的電流信號(hào)進(jìn)而輸入PLC。

變頻器采用四方電氣E550系列小型變頻器，其能夠利用RS485協(xié)議接收上位機(jī)PLC的指令數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟啟動(dòng)，節(jié)能降噪，并能延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的使用壽命。

三相異步電動(dòng)機(jī)是懸浮床動(dòng)力系統(tǒng)核心，采用西門(mén)子通用型自扇冷卻式1LE0001系列，此系列電機(jī)能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)徑流式風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，能長(zhǎng)時(shí)間工作，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

水冷系統(tǒng)通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)閥控制水路流量大小，調(diào)節(jié)閥是溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其執(zhí)行器選用鑄鋁支架及塑料外殼，體積小、重量輕，適合放入控制柜。選用永磁同步電機(jī)，并帶有磁滯離合機(jī)構(gòu)，具有可靠的自我保護(hù)功能，能支持電流（4～20 mA）控制與反饋信號(hào)。傳動(dòng)齒輪采用金屬齒輪，大大提高了驅(qū)動(dòng)器的使用壽命，功耗低、輸出力大、噪音小。閥體結(jié)構(gòu)形式選用兩通閥，銅材質(zhì)，經(jīng)久耐用。

1.2 系統(tǒng)連接

控制系統(tǒng)是懸浮床的核心，包含用于儀表與控制系統(tǒng)通訊的現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線處于懸浮床系統(tǒng)底層，其連接線簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖2。

采用鑰匙開(kāi)關(guān)通斷電源，以避免非專(zhuān)業(yè)人員的誤觸。PLC的輸入端連接用于緊急停止的腳踏開(kāi)關(guān)、變頻器故障輸入與復(fù)位的信號(hào)端以及加熱器超溫報(bào)警信號(hào)輸出端。

4個(gè)壓力傳感器位于懸浮床下床體的4個(gè)角，能夠結(jié)合4個(gè)數(shù)值得出懸浮床體的總重量，以得出病人實(shí)際重量，用于指導(dǎo)臨床參數(shù)的設(shè)定。

圖2 控制系統(tǒng)接線簡(jiǎn)圖

PLC的輸出端連接風(fēng)機(jī)啟動(dòng)線圈、加熱器線圈，并且設(shè)有3個(gè)信號(hào)燈，分別指示風(fēng)機(jī)、加熱器、冷卻水路的工作狀態(tài)。此外還連接一個(gè)報(bào)警器輸出，能夠在機(jī)器故障以及其他緊急情況時(shí)蜂鳴報(bào)警。

EM232CN輸出兩個(gè)模擬量，分別為風(fēng)機(jī)的變頻控制和水冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥。

除圖上所示外，變頻器仍串聯(lián)AC電抗器以及制動(dòng)電阻。AC電抗器可提高功率因素、降低變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波輸入。制動(dòng)電阻能一定程度上實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)，并且能避免在直流回路中產(chǎn)生過(guò)高的泵升電壓[7]。

1.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

觸摸屏是人機(jī)交互的重要構(gòu)成部分，其能根據(jù)內(nèi)部軟件制作圖形用戶(hù)界面（Graphical User Interface，GUI），能夠直觀的將設(shè)定參數(shù)輸入進(jìn)控制系統(tǒng)。

觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示：溫度設(shè)定值、實(shí)際溫度值、風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率、病人實(shí)時(shí)重量、工作方式顯示、故障提示以及病人信息等。

在觸摸屏上可通過(guò)點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置，進(jìn)入設(shè)置菜單，包含：溫度設(shè)置、風(fēng)機(jī)設(shè)置、連續(xù)方式或間斷方式選擇、病人信息錄入。此外也可進(jìn)入維修模式，校正溫度、壓力值等操作。其人機(jī)界面主菜單界面顯示，見(jiàn)圖3。

圖3 人機(jī)界面簡(jiǎn)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)與控制

原有整體式兩組溫度輸入控制利用選擇開(kāi)關(guān)CD4051，輪流分時(shí)選擇其中一路，經(jīng)直流運(yùn)放OP07，放大1.56倍，再送AD轉(zhuǎn)換器TLC7135把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）單片機(jī)Atmega64A控制。多路開(kāi)關(guān)的選擇時(shí)序也由單片機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)。利用設(shè)定的上下溫度偏差閾值進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。這導(dǎo)致溫度精度要求高時(shí)，冷卻系統(tǒng)動(dòng)作頻繁，影響壽命；溫度精度要求低時(shí)，不利于臨床治療[7]。其溫度變化圖，見(jiàn)圖4。

分體式懸浮床系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，而PLC內(nèi)部本身帶有比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）指令算法控制，這使得溫度控制能夠更加平緩。

圖4 單片機(jī)控制溫度變化圖

置于懸浮床底的溫度傳感器是問(wèn)題系統(tǒng)的反饋元件。開(kāi)度連續(xù)可調(diào)的調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)器是調(diào)節(jié)閥的重要組成結(jié)構(gòu)，由可逆同步馬達(dá)驅(qū)動(dòng),并帶磁性離合器，通過(guò)馬達(dá)轉(zhuǎn)子與離合器所產(chǎn)生的磁性作用，能在停頓的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的扭力。所以當(dāng)馬達(dá)沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，能穩(wěn)定地停頓在任何一點(diǎn)，當(dāng)閥門(mén)全開(kāi)或全關(guān)時(shí)磁離合器分離，停止調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器的遞增式或比例式控制器所發(fā)訊號(hào)能使馬達(dá)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

本控制系統(tǒng)采用PLC內(nèi)部PID指令算法與拓展輸入輸出模塊相結(jié)合的方式，得到類(lèi)似于過(guò)程PID控制的效果[8]。PID控制圖，見(jiàn)圖5。

圖5 PID控制圖

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)溫度設(shè)定值和溫度檢測(cè)反饋值比較得出被控量和期望值的偏差，繼而通過(guò)PID調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)閥的控制電流大小，通過(guò)調(diào)節(jié)控制電流的大小，改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的流量，最終調(diào)節(jié)懸浮床溫度至臨床設(shè)定值[9]。通過(guò)PID調(diào)節(jié)，能夠?qū)囟戎捣€(wěn)定在設(shè)定值[10]。其PID控制溫度變化圖，見(jiàn)圖6。

圖6 PID控制溫度變化圖

2.2 PLC程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序通過(guò)SETP 7 Micro WIN V4.0 SP3軟件進(jìn)行編程與燒錄。STEP7 Micro可以使用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為圖形編輯器，用于聯(lián)機(jī)或脫機(jī)開(kāi)發(fā)用戶(hù)程序，并可在線實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶(hù)程序的執(zhí)行狀態(tài)。

系統(tǒng)大致控制流程為：鑰匙開(kāi)關(guān)開(kāi)啟后，由觸摸屏輸入臨床設(shè)置參數(shù)，PLC通過(guò)模擬輸出模塊改變變頻器的輸入量，而后變頻器通過(guò)改變電機(jī)電源頻率進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制懸浮床懸浮力的大小。結(jié)合溫度傳感器的輸入量，PLC模擬輸出模塊對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)以穩(wěn)定溫度至設(shè)定值。系統(tǒng)啟動(dòng)與停止時(shí)，通過(guò)遞增、遞減輸出頻率以平緩啟動(dòng)與停止。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)定工作方式，通過(guò)PLC內(nèi)部時(shí)間繼電器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行周期性的啟停，以滿(mǎn)足連續(xù)模式或間隔模式的需求。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，如溫度超溫或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，PLC輸出故障報(bào)警。

3 調(diào)試與檢測(cè)

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

（1）將PLC程序軟件燒錄，并依據(jù)接線圖將各個(gè)部件連接完畢。

（2）進(jìn)行保護(hù)接地電阻測(cè)量、耐電壓測(cè)試、漏電流測(cè)試。正常使用狀態(tài)下：對(duì)地漏電流≤0.5 mA，外殼漏電流≤0.1 mA,患者漏電流≤0.1 mA（交流），患者漏電流≤0.01 mA（直流）。測(cè)試是管路連接處是否存在漏氣現(xiàn)象。

（3）開(kāi)機(jī)：切換連續(xù)模式與間斷模式，觀察風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)是否符合；設(shè)置不同頻率，變頻器輸出是否平穩(wěn)；觀察懸浮床在工作狀態(tài)下，微顆粒流化狀態(tài)是否正常；

（4）在床體放入120 kg模擬人，測(cè)試懸浮力是否達(dá)標(biāo)。

（5）測(cè)試其他功能，是否跟控制要求相符。

3.2 噪聲測(cè)試

使用聲級(jí)計(jì)對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)的噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每小時(shí)記錄一次數(shù)值，取一周內(nèi)的平均值。整體式與分體式懸浮床工作時(shí)噪聲測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)圖7。

圖7 整體式與分體式懸浮床工作時(shí)噪聲測(cè)量結(jié)果

如圖7所示，整體式懸浮床由于將控制柜外置于病房外，使得在病房?jī)?nèi)的噪聲值維持在環(huán)境噪聲水準(zhǔn)，極大程度上的控制了懸浮床的工作噪聲，晝間低于50 dB,夜間低于40 dB，滿(mǎn)足國(guó)家關(guān)于病房噪聲值的要求[11-12]。

3.3 溫度控制測(cè)試

使用溫度計(jì)對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每小時(shí)記錄一次數(shù)值。整體式與分體式懸浮床工作時(shí)溫度測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)圖8。

圖8 體式與分體式懸浮床工作時(shí)溫度測(cè)量結(jié)果

如圖8所示，采用PID控制的懸浮床溫控系統(tǒng)相比于設(shè)定上下閾值的溫度控制更加平緩，其超調(diào)量小，響應(yīng)時(shí)間快，能較好的維持床溫在設(shè)定水平[13]。

4 小結(jié)

分體式懸浮床豐富了醫(yī)用懸浮床的種類(lèi)，拓寬了其發(fā)展方向，相比整體式構(gòu)造，分體式懸浮床獨(dú)立出控制柜，可將控制柜和床體獨(dú)立于兩個(gè)空間，能較大程度的減小病房?jī)?nèi)工作噪聲，有益于病人的休養(yǎng)，特別適用于懸浮床相對(duì)集中的重癥護(hù)理單元；減低床體高度易于臨床護(hù)理與病人的上下床以及日常設(shè)備維護(hù)維修；添加大屏幕觸控屏，方便臨床參數(shù)的輸入與設(shè)備工作狀態(tài)的查詢(xún)。使用PLC可編程控制器，抗干擾性強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定、控制精度高、加入PID控制環(huán)節(jié)比傳統(tǒng)系統(tǒng)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間上具有顯著的優(yōu)勢(shì)，較好的將溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，有益于臨床治療[14-16]。但其占地面積較整體式懸浮床多，適合運(yùn)用在對(duì)空間要求不高的病房。

[1] 王磊,魯正鮮,賈俊,等.長(zhǎng)期臥床的大面積燒傷病人的護(hù)理體會(huì)[J].中國(guó)冶金工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志,2016,(2):161.

[2] 刁永力,陳濛,王書(shū)軍.懸浮床在大面積燒傷患者救治中的應(yīng)用價(jià)值[A].江蘇省第十一次整形燒傷外科學(xué)術(shù)會(huì)議[C].南京:江蘇省醫(yī)學(xué)會(huì),2014.

[3] 姚曉建,王詩(shī)衡.Redactron醫(yī)用氣動(dòng)顆粒懸浮床及檢修一例[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2010,(10):72-73.

[4] 盧北眾,潘麗芳,金昌登,等.一種分體式醫(yī)用顆粒懸浮床:中國(guó):CN201692192U[P].2011-01-05.

[5] 陳躍龍.CLINITRON Ⅱ-氣動(dòng)懸浮燒傷治療床的故障分析與維修[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2000,15(5):65-66.

[6] 劉美俊.電氣控制與PLC工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[7] 陸一飛,方喻.變頻風(fēng)機(jī)節(jié)能測(cè)試分析[J].工業(yè)計(jì)量,2012,(S1): 30-31.

[8] 王耀輝,強(qiáng)天偉.PID控制原理簡(jiǎn)析[J].潔凈與空調(diào)技術(shù), 2013,(3):79-82.

[9] 姚彩婷,陳思雄,董永盛,等.老年燒傷患者臥懸浮床適宜溫度探討[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)創(chuàng)新,2015,12(1):131-133.

[10] 嚴(yán)曉照,張興國(guó).增量式PID控制在溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,(4):48-51.

[11] GB 3096-2008,中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].2008.

[12] GB 22337-2008,中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)社會(huì)生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)[S].2008.

[13] 連晶,魏雪菁.嚴(yán)重?zé)齻喜⒅囟任胄該p傷患兒懸浮床治療的護(hù)理對(duì)策[J].感染、炎癥、修復(fù),2013,14(3):172.

[14] 駱艷杰,王維業(yè).對(duì)懸浮床治療大面積燒傷患者實(shí)施臨床護(hù)理路徑的效果分析[J].西南軍醫(yī),2014,(1):20-22.

[15] 黃敏,黃潤(rùn)文,連貴君,等.重度燒傷患者植皮術(shù)后應(yīng)用燒傷專(zhuān)用翻身床與懸浮床對(duì)比效果分析[J].瀘州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2015,(1): 85-87.

[16] 徐勇.基于PLC的醫(yī)用中心負(fù)壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2015,30(9):101-103.

本文編輯 袁雋玲

Design of Split Medical Suspension Bed

ZHANG Mingxu
Department of Equipment, Chenggong Hospital Af filiated to Xiamen University and the 174thHospital of PLA, Xiamen Fujian 361003

The present research designed a set of split medical suspension bed, which the control system and the power system were all peeled off the suspended bed. A new control cabinet, which could accommodate control system and power system and temperature control system was also established, and the air pipe could be used to connect with the suspended bed body to carry out gas transmission. The structural design could separate the control cabinet from the suspension bed to avoid the impact of the larger noise generated by the power system on patients. The height of the bed body was lower and it was convenient for the nurse to perform nursing service, facilitate daily maintenance and so on. In addition, the adding of the PID control temperature made the suspension bed temperature more stable and controllable.

medical bed; suspension bed; programmable logic controller; PID controller

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.010

1674-1633(2017)09-0044-05

2016-10-17

2016-10-27

作者郵箱：395165579@qq.com