质子重离子医院电磁兼容和智能化设计

孙 瑜

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海 200041)

质子重离子医院电磁兼容和智能化设计

孙 瑜

(上海建筑设计研究院有限公司, 上海 200041)

从电磁兼容设计、工艺冷却水控制系统设计及其PID策略、防辐射设计几个方面,介绍了上海市质子重离子医院的智能化设计。指出电缆通过专门设备固定在桥架上,可减少空间的电磁干扰；双重冷源多级控制的方案有效解决了温度响应的滞后,同时也确保了调控的精度；辐射安全联锁系统在开机前执行一套特定的安全搜索程序,从而保障工作人员的人身安全。

电磁兼容; 冷却水控制; PID分析; 人员安全系统

0 引 言

上海市质子重离子医院是一所提供质子重离子放疗的现代化放射肿瘤学治疗和研究机构,除了配备质子及碳离子放疗设备外,还配备了国际先进的直线加速器系统、磁共振、CT及SPECT/CT等大型临床诊断治疗设备。

本文介绍了上海质子重离子医院的电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility,EMC)和智能化方面的设计。

1 EMC分析和设计

根据工艺控制的要求,工艺区域的电气设备需要进行EMC设计。设计包括建筑物基建部分(接地、等电位联结、防雷、布线、供电)和必需的设备/部件(EMC产品标准、试验计划、EMC要求)。

1.1 EMC分析

EMC设计要求、分析由外方工艺设计师和电气设计团队共同协商制定。EMC分析是个迭代过程,随着项目流程可以进行扩展和细化。单个设备/部件、基础设施和整个系统的EMC数据均在EMC分析范围内,通过影响矩阵比较,作相互兼容性分析(抗扰数据/干扰辐射数据)。分析结果可以说明哪些部件已经进行EMC保护,哪些部件仍需加强EMC措施。EMC措施采取附加接地、屏蔽、滤波、布线优化、系统级辅助抗扰措施等形式。

1.2 EMC设计

最重要的措施是将电网与加速器、医疗部件和IT部件分开;采用TN-S系统;电网低阻抗设计;接地和等电位联结;EMC兼容布线(不同类型的电缆分开布线,电缆屏蔽处理等);配电设备的电磁兼容设计等。上述设计原则通过配电设计、弱电设计和现场安装注意事项等方式来达到要求。

1.3 EMC配电设计

采用TN-S接地系统。大型的医疗设备设置单独的工艺变压器,控制设备设置专用配电箱单独配电,并设置不间断电源。主要工艺变压器负载率设计为不大于50%。工艺设备区域设置工艺专业接地,直接引自基础大地,以隔离配电系统的谐波和干扰。主干桥架设置3层,敷设不同类型线缆。电缆通过专门设备固定在桥架上,以便电缆在空间的排布相对固定和平衡,减少空间的电磁干扰。

2 工艺冷却水控制系统设计和PID策略分析

2.1 需求分析

工艺冷却水装置运行时,各设备消耗的电能大多转化为热能,有的设备必须在严格的温度条件下才能正常工作,这需要调节和控制冷却水温度。对冷却水的高精度调温(±0.5℃,±0.1℃)提出了多种方案,并进行了分析研究,确认该系统属于大滞后、非线性系统,设备运作中不确定的热能导致系统是一个强干扰系统(时变性强和变量多),必须通过反馈进行校正。经考虑,最后选择了双重冷源、多级控制的方案,通过温度超前校正,有效地解决了温度响应的滞后,加快了阶跃的响应速度,同时也确保了调控的精度,并减少了振荡幅度。

2.2 系统设计

冷却水控制系统是一个一次、二次冷却水温度控制系统,具有时变性强和变量多的特点。目前的控制方式多采用多路PID控制,当系统处于长时间运行时,模型参数变化较大,难以保证动态精度;同时力求降低系统的能耗,减少水泵与阀门的机械磨损。工艺冷却水控制流程如图1所示。

图1 工艺冷却水控制流程

本文采用经典控制理论与智能控制方法(模糊控制、神经元网络模型学习)相结合控制方法:

(1) 将模糊推理转换成温度响应函数,改造并克服模糊推理的缺点,构造高级智能控制算法。

(2) 研究构造系统模型构架,根据实际情况设计神经元网络的学习模型,逐步求精,建立符合实际工况的系统物理模型。

(3) 在对系统物理模型进行研究的基础上,采用模糊控制、预测控制以及模糊PID混合控制进行系统仿真,摸索最佳控制方案。

3 防辐射设计

3.1 需求分析

PT装置运行时会在辐射区域产生高辐射,即使停机后瞬时辐射消失,局部区域仍可能存在剩余辐射,因此需设置辐射安全联锁系统来防止加速器工作人员误入高辐射区而受到伤害,以及限制辐射对人的伤害。

辐射安全联锁系统要求在开机前执行一套特定的安全搜索程序完成清场和建立联锁,联锁完成信号作为加速器开机的必要安全前提条件,从而保障工作人员的人身安全。加速器运行时,任何一个潜在的可引起事故辐射的行为将违反安全联锁系统,产生一个终止加速器运行的联锁信号,其结果将中断加速器运行以及剔除储存的束流。

辐射安全联锁系统在总控制系统中处于设备控制层,具有极高的优先权和地位,不同于其他设备控制器,属于总体级联锁。加速器需要在辐射安全联锁系统正常联锁完毕后才能开机,辐射安全联锁系统的正常运行是加速器开机的必要条件。

放射区域不可有含氯和溴的材料,所有电缆的绝缘材料不得含有聚氯乙烯,含有PVC材料的电气部件将被禁止。

3.2 系统设计原则

辐射安全联锁系统遵循失效安全、多样性、硬件最可靠、最优切断原则,重要部件采用冗余技术,具有不受其他系统限制、具备自检功能等特性。遵照系统安全可靠、经济合理、技术可行的原则,采用在工业控制系统中被证明是可靠的产品,同时与完善的管理制度、规章制度等软件措施相结合,以达到人机合一,更加安全可靠。防辐射系统如图2所示。

系统采用故障安全的电路和组件。安全设备或设备电源所产生的任何类型故障都必须停止加速器,以确保安全。为了加强可靠性,关键设备须采用冗余技术。

在高辐射区域,安装有急停按钮和搜索按钮,这些按钮应清楚可见、容易识别、标记清晰、容易触及。联锁区域入口处的门设置紧急出口机制,对于联锁上的门也有紧急进入机制。当某个联锁被触发后,系统不能自动复位。只有在触发联锁的现场通过手工复位,然后通过中控平台,方能重新起动加速器。在通往辐射区的出入口和控制台上,安装标记清晰的状态指示灯和警灯,用于显示系统的实际工作状态。

摄像监视系统作为辐射安全联锁系统的辅助系统,其实时视频信号应接入中控室,以确保人员的人身安全。

3.3 人身安全联锁系统

(1) 放射性工作区域划分。根据剂量水平的差别以及工作人员出入需要,将控制区细分为禁止进入区域和限制进入区域。当装置运行时,加速器隧道(包括注入器、加速器和波荡器区)为禁止进入区域,通过人身安全联锁系统禁止任何人员进入;光束线区为限制进入区域,通过门禁控制来实现工作人员刷门禁卡进出。当装置停机时,加速器隧道分区状态由禁止进入转为限制进入。在紧急情况下,所有进出加速器隧道的通道门都可以从里面打开。

(2) 人身安全联锁系统设备。人身安全联锁系统的核心控制器以及输入/输出扩展模块安装于位于速调管长廊的控制柜中。在加速器隧道区域,平均每30 m设置1套搜索按钮、急停按钮和警铃警灯,在每个通道入口处设置1套LED显示屏、警铃警灯和门禁装置。

(3) 清场搜索逻辑。加速器运行期间会有人员在光束线区中进行试验操作,故对加速器隧道和光束线区建立独立的人身安全联锁系统。辐射区内刷卡确认清场搜索,辐射区门外刷卡确认搜索完毕。

3.4 安全联锁逻辑图

安全联锁逻辑如图3所示。允许开机需要满足的前提条件包括整个搜索过程已完成;所有的通道门都处于关闭状态;所有急停按钮均未被按下;光束线前端区的安全光闸处于关闭状态;联锁系统已起动。

图2 防辐射系统

图3 安全联锁逻辑图

3.5 门禁控制系统框架

门禁控制系统主要由门禁控制器、门内/门外读卡器、紧急进门/出门按钮、门磁开关和电锁组成。门禁控制器是核心,连接门禁各输入/输出设备,负责核对门禁卡身份权限、检测门和紧急按钮状态,驱动电锁动作,生成各种进出记录。门禁控制单元示意图如图4所示。

4 结 语

上海质子重离子医院的电气设计除了医疗建筑的电气设计内容,还有很多特殊的设计内容。近几年以质子或重离子的作为治疗手段的医院或科研项目在国内陆续出现,本文重点对EMC工艺冷却水控制系统设计和PID策略、防辐射设计的要点进行分析,可为类似的工程提供参考。

图4 门禁控制单元示意图

[1] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[2] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

[3] DG/TJ 08-115—2008 分布式供能系统工程技术规程[S].

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Electro Magnetic Compatibility and Proton & Heavy Ion Hospital

SUNYu

(Shanghai Institute of Architectural Design & Research Co., Ltd., Shanghai 200041, China)

This paper introduced the intelligent design of Shanghai proton & heavy ion hospital in aspects of electro magnetic compatibility (EMC),cooling water control system design and PID analysis,and radiation protection design ,etc.It is pointed out that the cable is fixed on the bridge frame through specialized equipment to reduce the space electromagnetic interference.The double cold source multilevel control scheme effectively solves the temperature response llagging and ensures the precision of control.The radiation safety interlock system executes a set of specific and safe searching process before starting the machine to guarantee the personal safety of staff.

electro magnetic compatibility(EMC); cooling water system; PID analysis; personnel security system(PSS)

《现代建筑电气》杂志订单(回执) 120元/年

孙 瑜(1980—),男,工程师,从事建筑电气方面的研究。

TU 852

B

1674-8417(2015)07-0009-05

2015-04-24