基于PLC技術(shù)的醫(yī)院電氣設(shè)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(xiàn)階段，我國的發(fā)展進入了數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)、制造等與電氣設(shè)備，電氣裝置相關(guān)的領(lǐng)域，自動化的控制技術(shù)，應(yīng)用非常廣泛。其中，PLC技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)類型，通常應(yīng)用在醫(yī)院、工廠、礦場等工程項目的電氣設(shè)備自動化控制中，可以有效地提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、運行效率，同時，帶來了可觀的經(jīng)濟效益。醫(yī)院，是人類生活中不可缺少的運行項目，因此，醫(yī)院的人員相對較為密集，這就要求醫(yī)院的電氣設(shè)備或其他設(shè)備系統(tǒng)，具有集成性、可控性以及穩(wěn)定性，才能保證醫(yī)院整體運營以及發(fā)展的安全性與可靠性?，F(xiàn)如今，在科技迅速發(fā)展的時代環(huán)境下，醫(yī)院里的相關(guān)設(shè)備的種類與數(shù)量逐漸增加，因此，對大量的電氣設(shè)備的集成化的監(jiān)測與控制，是現(xiàn)階段醫(yī)院運營的基本要求?；谝陨媳尘?，本文基于PLC技術(shù)，研究了一種醫(yī)院電氣設(shè)備的自動化控制方法，希望提高醫(yī)院電氣設(shè)備整體的自動化控制水平與管理水平，實時地完成電氣設(shè)備運行過程中的調(diào)節(jié)與維護措施，提高醫(yī)院的運營效率與運營收益，為我國的自動化控制領(lǐng)域的研究提供參考。

1 設(shè)計電氣設(shè)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(tǒng)中的邏輯掃描技術(shù)、順序控制技術(shù)以及自帶的內(nèi)部存儲技術(shù)等程序結(jié)構(gòu)，廣泛地應(yīng)用在許多產(chǎn)業(yè)的設(shè)備自動化控制中。醫(yī)院，作為基礎(chǔ)的民生機構(gòu)，其自動化水平直接決定了醫(yī)院整體的運行效率。尤其在手術(shù)的過程中，許多設(shè)備的運行不能受到任何的干擾，因此，電氣設(shè)備要具有嚴格的、規(guī)范的控制，才能保證設(shè)備的高效、穩(wěn)定運行。由于醫(yī)院經(jīng)營的特殊性，運行過程中包括多種類，多模塊的電氣設(shè)備，是有一種多樣化、復(fù)雜化的多線路控制的結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)醫(yī)院電氣設(shè)備的一體化、自動化控制，將電氣設(shè)備的運行特征應(yīng)用在PCL系統(tǒng)當中。基于此，設(shè)計醫(yī)院電氣設(shè)備，一體化、自動化控制體系，為電氣設(shè)備的監(jiān)測與控制，奠定了良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，自動化控制的框架體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 PLC系統(tǒng)下的電氣設(shè)備自動化控制體系結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，電氣設(shè)備自動化控制的PCL系統(tǒng)中，主要由3個部分構(gòu)成。上下兩個結(jié)構(gòu)層主要是由I/O模塊的建立，實現(xiàn)了電氣設(shè)備控制信號數(shù)據(jù)的輸入與輸出。自動化控制框架的第一層，是PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入模塊，也是控制方法的最基礎(chǔ)部分，在該部分，利用PLC系統(tǒng)的可編程的，邏輯控制掃描技術(shù)，實時掃描電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，以此采集設(shè)備的控制信號，作為控制方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將采集的設(shè)備的控制信號傳輸?shù)娇蚣荏w系的第二部分，應(yīng)用PCL系統(tǒng)的控制器模塊，與順序控制技術(shù)，結(jié)合人工網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對相應(yīng)的設(shè)備或程序進行分析處理，確定電氣設(shè)備的控制順序、控制邏輯等工作，得到電氣設(shè)備的控制方案。應(yīng)用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將電氣設(shè)備的控制方案，傳輸?shù)絇CL系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行收集與存儲，連接其他的外設(shè)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，發(fā)出電氣設(shè)備的控制指令，實現(xiàn)醫(yī)院電氣設(shè)備的自動化監(jiān)測與控制。PLC系統(tǒng)的構(gòu)成，要結(jié)合計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過對數(shù)據(jù)的分析與處理以及數(shù)據(jù)信息的傳遞，共同實現(xiàn)自動化的控制。根據(jù)上述PCL的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)框架，結(jié)合人工智能技術(shù)，對電氣設(shè)備的開關(guān)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 電氣設(shè)備控制信號的采集與處理

在基于PLC技術(shù)的電氣設(shè)備控制體系中，最基礎(chǔ)的部分是電氣設(shè)備控制信號的輸入階段。在這個階段，PLC技術(shù)利用自身的可編程的、邏輯控制的掃描技術(shù)，在系統(tǒng)中掃描、讀取電氣設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)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(shè)備的開關(guān)量；利用轉(zhuǎn)速傳感器，提取電氣設(shè)備運行中的高頻脈沖信號，作為電氣設(shè)備的控制信號。利用變頻調(diào)速技術(shù)，優(yōu)化提取的脈沖信號，保證電氣設(shè)備運行過程中，電解電容量，不發(fā)生離散性的分解，提高脈沖信號的穩(wěn)定性。將采集的數(shù)據(jù)信號，存儲記錄在PLC系統(tǒng)的內(nèi)存單元，即I/O模塊。由于醫(yī)院的電氣設(shè)備的規(guī)模與種類，都較為復(fù)雜，不同的結(jié)構(gòu)，具有不同的信號量，或計量值。因此，需要對采集的電氣設(shè)備運行狀態(tài)的初始數(shù)據(jù)信號集合，進行分析與處理，將數(shù)據(jù)信號量統(tǒng)一化與集成化，便于后續(xù)對電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信號的識別與檢測。利用高斯白噪聲算法，將提取的數(shù)據(jù)信號，進行處理分析。設(shè)初始的信號數(shù)量為C，采集的電氣設(shè)備運行狀態(tài)的信號為g(e)，可以得到加入白噪聲后的數(shù)據(jù)信號為提取該信號的上、下包絡(luò)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(shù)據(jù)滿足下式，可以得到最終的信號值結(jié)果該式表示為：

式中，c=c+1。當計算的數(shù)據(jù)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(gòu)成新的電氣設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信號，為自動化控制方法，提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 建立電氣設(shè)備的邏輯控制模型

根據(jù)電氣設(shè)備自動化控制的框架體系，以電氣設(shè)備的控制信號作為數(shù)據(jù)訓(xùn)練集，利用PCL系統(tǒng)中的順序控制技術(shù)，建立電氣設(shè)備的邏輯控制模型，實現(xiàn)醫(yī)院電氣設(shè)備自動化的監(jiān)測與控制。在醫(yī)院的電氣設(shè)備中，往往由一個大型設(shè)備連接許多小型的設(shè)備，共同運行將大型電氣設(shè)備設(shè)為母設(shè)備，小型的電氣設(shè)備設(shè)為子設(shè)備。設(shè)醫(yī)院的電氣設(shè)備的控制順序為a1,a2,...,ar，其中，r表示所有電氣設(shè)備需要進行控制的節(jié)點數(shù)量。根據(jù)設(shè)定的控制順Ba1序，將所有的電氣母設(shè)備設(shè)為Ba1,Ba2,...Bar，所有電氣設(shè)備中的母設(shè)備的啟動時間設(shè)為t a1,ta2,...,tar，子設(shè)備的啟動時間設(shè)為sa1,sa2,...,sar，且sar先于tar。根據(jù)醫(yī)院電氣設(shè)備的邏輯控制，計算電氣設(shè)備的總控制量θ，表示為：

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

根據(jù)上述計算，可以得到醫(yī)院里所有的電氣設(shè)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(yīng)的自然數(shù)，其中，1≤v≤r-1；wa表示控制過程中，母設(shè)備的控制時間。由于醫(yī)院的電氣設(shè)備的控制，需要進行一定程度的自動調(diào)控，為了保證控制過程中不發(fā)生過量，或錯誤地控制，需要在控制過程中，進行控制任務(wù)的合理度的檢查，保證自動控制的精準性?；诖耍嬎汜t(yī)院電氣設(shè)備自動化控制過程的適應(yīng)度κ(b)，表示為：

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

由上述計算可知，當電氣設(shè)備的自動化控制的適應(yīng)度越小，表明控制的精準度越高。反之，當電氣設(shè)備的自動化控制的適應(yīng)度越高，或者與其他的設(shè)備與節(jié)點的控制結(jié)果的適應(yīng)度相差較大，則該設(shè)備或節(jié)點，無法精準地對設(shè)備進行控制。當這種情況出現(xiàn)的時候，重新進行邏輯控制計算，直到該設(shè)備或節(jié)點，對應(yīng)的適應(yīng)度合格，才能進行控制。根據(jù)上述計算，基于控制信號數(shù)據(jù)集，完成了對電氣設(shè)備的邏輯控制結(jié)果，此時，需要應(yīng)用到PLC系統(tǒng)中，通過將輸出的控制結(jié)果，傳輸?shù)较到y(tǒng)的上位側(cè)，得到對應(yīng)了控制方案，將方案通過總線控制，傳送到對應(yīng)的設(shè)備或節(jié)點，以此實現(xiàn)醫(yī)院電氣設(shè)備的自動化監(jiān)測與控制。

4 試驗與檢測

4.1 試驗準備

為檢測本文設(shè)計控制方法的可行性與穩(wěn)定性，設(shè)計了仿真模擬試驗。采用Windows系統(tǒng)，搭建本次試驗的試驗平臺。系統(tǒng)需要支持工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，便于PLC技術(shù)的運行。仿真試驗的基礎(chǔ)程序為Matlab軟件。

4.2 試驗結(jié)果與分析

由于醫(yī)院屬于大型的、多樣化的電氣設(shè)備系統(tǒng)，對控制效率以及抗干擾能力，有極高的要求。現(xiàn)通過對電氣設(shè)備的仿真模擬控制過程中，加入網(wǎng)絡(luò)入侵信號，觀測控制過程中的傳輸速率，檢測電氣設(shè)備控制方法的穩(wěn)定性與高效性。在試驗系統(tǒng)中，隨機的提取一組網(wǎng)絡(luò)入侵信號，加入電氣設(shè)備的控制過程中。應(yīng)用Matlab程序，分別運行本文設(shè)計控制方法（試驗組），與傳統(tǒng)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(tǒng)在10h內(nèi)的傳輸速率，進行自動化控制方法的抗干擾能力檢測，結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(shè)計控制方法具有高效性。在網(wǎng)絡(luò)入侵后，試驗組控制方法在網(wǎng)絡(luò)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(shè)計的控制方法具有穩(wěn)定性、高效性以及強大的抗干擾能力。

在本文設(shè)計的電氣設(shè)備的自動化控制方法具有高效性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，檢測方法的控制效果。將醫(yī)院里某一組電梯運行狀態(tài)與效率，作為試驗對象。隨機選取一組電梯的運行參數(shù)，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(tài)，以及運行效率的模擬控制，記錄兩種控制方法下，5h內(nèi)，電梯的運行效率，結(jié)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(yī)院電梯運行的干擾作用下，試驗組電氣設(shè)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(shè)計的基于PLC技術(shù)的醫(yī)院電氣設(shè)備自動化控制方法，具有優(yōu)良的控制效果，可以有效地提升醫(yī)院電氣設(shè)備的運行效率以及抗干擾能力，為我國的自動化領(lǐng)域，提供了一種控制技術(shù)支持，通過提高醫(yī)院的自動化發(fā)展程度，以此來實現(xiàn)醫(yī)院經(jīng)濟效益的最大化。

5 結(jié)語

在數(shù)字化的轉(zhuǎn)型階段，實現(xiàn)自動化程度的最大化，是所有產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域的核心競爭力。自動化程度的提升，可以顯著地提高產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益的最大化。加強研究電氣設(shè)備的自動化控制方法，為醫(yī)院的電氣設(shè)備的管理提供一種有效的技術(shù)支持，為我國成為世界大國的發(fā)展目標，奠定醫(yī)療基礎(chǔ)。