基于PLC 的潔凈手術室凈化空調 自動控制系統設計

時間:2021-05-02 09:01:44 來源:藍天音樂廳點擊:

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引言

當前,隨著醫療水平的提高,手術室環境成為展現醫院硬件環境的重要組成部分。而為減少手術室的環境污染,保持一定的溫度和濕度顯得非常重要。但醫院手術室每天都有大量的手術,其中的無影燈、照明燈等對室內的溫度和濕度產生很大的影響,很難保持恒定的溫度和濕度。而溫度和濕度通常被認為是評價潔凈手術的重要指標,如手術室中房間溫度超過60%,細菌會在手術室內大量繁殖,從而嚴重影響到手術的安全。因此,如何借助手術室內的空調系統實現對溫度和濕度的調節,成為當前思考的重點。但通過對相關的文獻總結發現,當前針對手術室潔凈空調控制設計中,除從硬件和軟件的角度入手之外,還主要對溫濕度控制存在的不確定性進行了研究,如通過PID算法對溫濕度進行控制。本文則在傳統設計角度基礎上,著重對傳統的PID算法在控制精度方面存在的問題進行改進,從而提高手術室溫濕度控制精度。

系統功能需求

結合手術室溫濕度控制需求,筆者認為該系統主要包括以下幾點需求:

(1)溫度控制要求

借助手術室風管里安裝的溫度傳感器對數據的采集,將信號直接傳送給PLC 處理器。PLC 根據測定的溫度與標準溫度比較,并結合PID 算法進行計算,得到輸出信號。將結果信號傳遞給誒模擬輸出量,執行相應的命令操作,如打開冷凍/ 熱水調節閥,達到對溫度的控制。

(2)濕度控制

對手術室來講,不同的氣候條件下對濕度的要求不同。如在冬季條件下,通常通過加濕器的方式實現對室內濕度控制的目的,而在夏季條件下,除采用加濕器進行加濕外,還會采用水閥調節器進行調節。對此,同樣利用風管里安放的溫濕度傳感器對數據進行采集,最后通過PLC輸出相應的數據模擬量,達到最不同閥門控制的目的。

(3)壓力控制需求

根據手術室通風工藝要求,其風道的壓力必須保持在一定范圍之內,最終達到滿足醫用的要求。因此,系統會以管道內的回風壓力檢測傳感器檢測到的壓力作為依據,通過PID對輸出頻率的控制,達到對送風系統的驅動,達到對整個室內壓力控制的需求。

(4)人機操作界面需求

在對溫濕度進行控制中,可通過直觀的人機操作界面對不同的功能進行控制,并實時的將監測到的溫度和濕度顯示出來,從而更好實現控制。

(5)安全需求

在該系統中,可能會存在送風機故障、加濕器故障、水閥調節故障,對此,針對這些故障,需要通過聲光報警的方式提醒系統管理人員,從而保障整個系統運行的安全。

系統運行設計

結合上述需求,本文將醫院手術室凈化空調控制系統的整體架構設計為如圖1 所示。

圖1. 系統整體運行架構

通過圖1 看出,系統整體主要分為新風系統和潔凈室兩個重要部分。其中新風部分主要通過導入口和過濾系統,從而實現對新鮮空氣的輸入。而通過圖1 可知道該系統運行的流程為:通過新風系統將新鮮的空氣輸送到各個醫院的手術室;其次,各個手術室的風道入口會安裝量風閥,根據手術室內的壓力、溫度和濕度等數據,會打開煩悶直接引入新風,而不需要手術室工作人員手動操作,以此保證手術室都處在正壓的狀態之下;而手術室產生的回風,則經過空調控制系統和新風系統再循環,實現對能源的節約,減少不必要的氣流波動。

PID 算法改進

3. 1 傳統PID 調節原理

PID 調節通常對三個參數進行調節,包括比例(Proportional)、積分( Integral) 和微分( Differential) ,其具體的控制原理則如圖2 所示。

圖2 傳統PID 調節原理

通過圖2 看出,其輸入量e(t) 和輸出量u(t) 之間的關

系可以用公式( 1) 來表示。

其傳遞函數則為:

3. 2 PID 控制數學模型———手術室內溫度模型

對潔凈手術室的構建中,包含多個不同的指標,如溫度、濕度等。本文則以溫度為例,結合能量守恒定律,則有如下表達式:

其中,Cf 為房間容量系數(KJ/oC) ;Tn 表示房間內空氣的溫度(oC) ;Ms 為送風量(kg /h) ;Ck 為空氣比熱KJ/kgoC ;Ts 為送風溫度( oC) ;qf 為散熱比;Tw 為室外溫度變化量( oC),r 為室內圍護結構的熱阻。因此,通過公式( 3) 可以推導出溫度傳遞函數:

而如果考慮到數據在傳輸中的命令執行滯后問題,其傳遞函數則為:

而從實際角度來看,對溫濕度的調節還與流動人員、室內電氣設備散熱等因素還有關,屬于一個多容對象對此,公式( 5) 通常是近似運算。

3. 3 仿真結果分析

通過利用MATLAB 對上述模型進行仿真,可以得到如圖3 所示的仿真波形。

圖3 PID 仿真波形

通過上述圖可以看出,無論是P、PI、PD 還是PID控制,都存在很大的時延問題,因此,可能會在下一個時刻對溫度和濕度進行超調,影響控制精度。

3. 4 模糊PID 控制

根據溫度控制功能,并結合模糊規則,引入溫度溫差e,溫差變化率△ e 分別作為輸入變量E、EC,以輸出電流作為輸出變量ΔU,由此可以得到如圖4 所示的調節原理。

圖4 模糊控制原理

同時結合模糊規則制定語言值模糊表,具體如表1。

表1 溫度控制模糊規則表

3. 5 仿真結果

同樣應用MATLAB 軟件對模糊規則的控制算法進行仿真,可以得到如圖5 所示結果。

圖5 模糊規則仿真結果

結論

通過運用模糊規則仿真,并最終通過圖5 驗證,證明模糊規則在解決溫度控制的時滯方面具有非常重要的作用,對提高手術室控制的精度也起到了很好的作用。

本文網址:http://www.biparsciences.com//news/2853.html

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