基于可编程逻辑控制器和分布式控制系统的医用电子直线加速器控制系统设计**基金项目：广东省引进创新科研团队计划(201001D0104732255)“电子加速器关键核心技术研发及产业化”

杜锡九　刘德康　沈立人　陈建锋



基于可编程逻辑控制器和分布式控制系统的医用电子直线加速器控制系统设计**基金项目：广东省引进创新科研团队计划(201001D0104732255)“电子加速器关键核心技术研发及产业化”

杜锡九①广东中能加速器科技有限公司 广东 东莞 523808刘德康①沈立人①陈建锋①

[摘要]目的：设计医用电子直线加速器核心控制系统，用来严密控制协调各子系统的运行，以确保对治疗对象进行准确可靠的放射治疗。方法：采用基于可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)架构的技术方案，根据医用电子直线加速器的控制系统需求特点和系统规模进行设计。结果：控制系统不仅可完成所承担的照射控制、安全联锁控制、运动控制、人机操作界面以及数据记录与校验等控制任务，并能够确保系统能稳定可靠运行。PLC控制器具备可靠性高、结构紧凑及组态方便的诸多优势，而分布式控制系统使计算机控制系统架构更为先进。结论：该解决方案不仅很好地满足了医用电子直线加速器的控制系统需求，并且具备研制周期短、修改与调试方便等优势。

[关键词]加速器；分布式控制系统；可编程逻辑控制器

[First-author’s address] Mintech, Guang Dong Sino Power Accelerator Technology Co. Ltd, Dong Guan Guang Dong 523808, China.

医用电子直线加速器是用于放射治疗的医疗设备，其生产的X射线电子束能量约为6～18 MeV。医用电子直线加速器由电子枪、加速管、高频系统、真空系统及冷却系统等组成，其安全和精确的操作是由医用电子加速器控制和联锁系统实现[1]。控制系统能够将操作人员下达的指令传输至设备各部件，从而控制整个加速器按照治疗参数的要求，准确无误地完成电子束的产生、加速及输出全过程，并且设置安全联锁系统，在检测到异常信号时能够及时阻止可能出现的损害事故。

现代医用电子直线加速器的控制系统，均采用全数字化技术、以电子计算机为控制核心实现的控制系统，其中可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)、分布式控制系统架构在加速器的控制系统设计中得到广泛应用[2-3]。控制系统自20世纪30年代以来，经历数十年的发展、演变及全面整合，已成为全数字化的先进技术，而分布式控制系统(distributed control system，DCS)是当代主流的控制系统架构之一[4]。DCS初期的主要目标是降低大规模控制系统的复杂性和多点数据复制问题，最终成熟的DCS已形成完整的以分层设计、接口标准化及客户机和(或)服务(Client/Server)结构等为特点的成熟软件、硬件系列产品。为此，本研究将PLC和DCS应用于医用电子加速器控制系统的设计方案中，以确保放射治疗的准确性和可靠性。

1　医用电子加速器控制系统总体结构

DCS的核心思想是将底层控制信号进行全数字化处理，建立统一、规范的中间层控制信号数据库，这些控制信号数据可以分布在多个地点，但对于上层控制软件，只需按照网络协议接口与控制数据进行交互。因此，DCS软件的架构是一种Client/Server软件架构。著名的控制系统专业厂商均拥有完整的DCS品牌产品体系，其中包括FOXBORO、HONEYWEL和YOKOGAWA等[5-7]。此外，OPC[8]、EPICS[9]等是一种公开的软件协议体系，采用公开通用协议的DCS更具备可选择范围广、成本低的优势。

控制系统的设计采用Client/Server网络结构的分布式控制系统，其硬件结构如图1所示。

图1　控制系统硬件结构图

在控制系统硬件结构中，输入输出控制(input output controller，IOC)服务器和控制台计算机构成上层控制系统，其结构为Client/Server结构。PLC、运动控制器以及图像获取设备等控制设备均可接入网络交换机，且可接入设备的数量不受限制，只需采用具备足够网络接口的交换机即可。系统通过网络和控制系统软件，将所有的控制设备和信号集成到一个平台中，系统结构适合医用电子加速器控制的多样化控制功能需求。

1.2 控制系统软件结构

控制系统软件结构采用3层结构设计，即操作员接口层、IOC服务器层和设备控制层，如图2所示。

图2　控制系统软件结构图

硬件接口和通讯接口与具体的控制器硬件相关，通讯接口按IOC接口协议设计，通讯接口驱动软件通常由厂商或第三方提供。在控制系统的设计开发中，应用软件的开发分为PLC控制程序和上层控制程序两部分。PLC控制程序通常采用梯形图编程等软件进行，上层控制程序采用分布式控制系统的编程工具软件进行，充分利用成熟的系统软件和工具软件将应用软件的开发工作量降至最低，而使其可靠性得到保证。

2　医用电子加速器控制系统设计

控制系统的设计原则为分层设计、规范接口和高可靠性。

2.1 PLC控制系统硬件设计

要切实提升对纪检监察工作的认识。从工作实践来看，认识上的误区主要有两种：一种认为纪委的监督阻碍了工作效率的提升，片面地把监督与发展对立起来，因而存在应付监督、不愿监督的现象，甚至表现为一定形式或程度的抵触情绪，不利于监督工作的正常化、规范化、常态化；另一种是把纪委的监督当“挡箭牌”，有的部门自己不履行检查与监督职能，而是把纪委推到一线，甚至事事都要有纪检部门人员参加，并为其决策“签字背书”，这种“越位”“错位”现象把纪检部门推向了“监督不是、不监督也不是”的两难境地。

PLC适用于常规硬件信号、高可靠性要求的控制场合，不适用于图像采集处理。控制系统的常规硬件信号为数字量输入和(或)输出(digital input/digital output，DI/DO)和模拟量输入和(或)输出(analog input/analog output，AI/AO)，在加速器控制系统中，除常规的硬件信号外还包括脉冲计数信号、温度测量信号及运动控制信号等，其信号可采用专用PLC模块，或转换为常规的硬件信号接入常规硬件信号模块。

2.2 硬件信号接口设计

DI/DO信号统一采用隔离的接口设计；AI/AO信号采用电压信号形式。在信号接口实施中，部件的输入、输出信号要按照接口规范设计，对于不符合规范的信号可经过信号调理接口，转换为符合规范的信号然后连接到PLC模块。同时，对于大量的模拟量输入信号，因模块配置限制而不采用全部独立接入PLC模拟量输入模块的方式，其信号中大量属于实时性要求不高的信号，可在信号调理接口中设计多路切换电路转接，将其接入PLC模块。

2.3 PLC控制软件设计

PLC控制软件以梯形图的方式编程。加速器控制中PLC的控制程序要求较为简单，梯形图编程可很好地满足需求，且易于理解和调试。对于简单的控制过程，PLC软件只需采用单线程的程序流程；而对于需要同时并行执行多个线程的控制过程，可采用中断的方式实现。因此，PLC软件也可工作在多线程方式中，以满足不同优先级、时间精度要求高的控制流程需求。

2.4 IOC控制层软件设计

IOC控制层软件运行于服务器，通常服务器采用LINUX操作系统，并将DCS的系统软件包安装运行于LINUX操作系统。控制系统的IOC软件包分别为基本软件包和控制器通讯驱动程序，基本软件包对所有控制器均为通用，而控制器通讯驱动程序则与具体的控制器相关，多数常用的控制器的驱动程序均已具备，不需进行驱动程序的开发。IOC控制层软件的用户程序设计，主要工作是IOC服务器的配置和通道动态数据库的设计。

2.5 上层控制软件设计

在分布式控制系统中，上层控制系统软件为client结构，每个运行的上层控制软件实例均为IOC服务器的客户端。上层控制软件通过网络通讯与IOC服务器的IOC控制层软件接口获取或下达控制参数与命令。

上层控制软件采用QT数据库和QT设计开发工具进行开发[10]。上层控制软件的可用开发工具包括用户界面、顺序控制、报警管理及数据记录等，其中核心为用户界面。QT开发结构大量利用现有的软件库和软件工具，可极大减轻实际开发编程的工作负担。上层控制软件的开发与运行结构如图3所示。

图3　上层控制软件的开发与运行结构图

3　医用电子加速器安全联锁控制设计

在医用电子直线加速器控制系统设计中，安全联锁控制是重要的组成部分。PLC控制系统非常适合于安全联锁控制，其高可靠性满足安全联锁的要求，同时各部分将硬件信号统一接入PLC，很容易在PLC内实现多个部件之间的联络控制逻辑。

按照医用电子直线加速器的系统规模，安全联锁按照设备级联锁和系统级联锁两层结构进行设计：①调制器、电子枪这类自成一体的设备部件，通常将重要的安全联锁集成在本设备部件的子系统控制电路内，定义为设备级联锁；②设备部件之间的联锁关系在PLC控制器内实现，定义为系统级联锁。

4　结论

经过医用电子直线加速器控制系统的实际开发和现场调试，分布式控制系统可以很好地适用此类小型装置的控制系统。DCS本身为解决大规模实验物理和工业控制系统而设计，其成熟的软件体系、丰富的开发工具、灵活的组态方式以及全面的功能支持，同样可为小型加速器控制系统的开发带来非常便利而可靠的控制系统平台架构。PLC是一种成熟可靠的控制器产品，作为医用电子直线加速器的控制器，PLC的功能和性能非常适合，其配套的软件开发与调试工具对于控制系统的快速开发具有非常有利的优势[11-12]。

参考文献

[1]顾广本.医用加速器[M].北京:科学出版社,2003:469.

[2]仇文君,周大勇,陈建锋,等.基于PLC的直线加速器联锁保护系统[J].核技术,2008,31(7):506-510.

[3]冯立文,林林,王芳,等.基于EPICS的ERL加速器控制系统[J].核电子学与探测技术,2013,33(7):787-790.

[4]王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社,2004:8-21.

[5]李金芳.Honeywell TPS系统应用技术[J].中小企业管理与科技,2011(13):278.

[6]王常力.最新DCS的体系结构和技术特点[J].自动化博览,2004(6):80-81.

[7]李红,刘大飞,徐寿永.横河CS3000与FOXBORO I/ A DCS系统对比分析[J].化工管理,2014(3):14.

[8]季胜鹏,林中达.基于OPC规范的客户/服务器模型设计[J].电力自动化设备,2002,22(11):1-6.

[9]张德敏,金晓,黎明,等.EPICS在加速器控制系统中的应用[J].强激光与粒子束,2008,20(4):597-600.

[10]Jasmin Blanchette,Mark Summerfield.C++ GUI Qt4编程[M].闫锋欣,曾泉人,张志强,译.北京:电子工业出版社,2008:1-492.

[11]管吉,杨树欣,管叶,等.医用电子直线加速器的技术应用与研究[J].中国医学装备,2014,11(7):24-26.

[12]肖振华,王振宇,文碧秀.医用电子直线加速器硬件系统的研究进展和临床应用[J].中国现代医生,2013, 51(27):19-21.

Research on the design of PLC and DCS-based medical linear accelerator system/DU Xi-jiu, LIU De-kang, SHEN Li-ren, et al// China Medical Equipment,2016,13(1):16-18.

[Abstract]Objective: To design medical linear accelerator (Linac) control system which can monitor and control the sub systems to ensure an accurate and reliable radiation therapy. Methods: Using the technical protocol of PLC and DCS-based medical linear accelerator system, combined with requirement and system scale of Linac for the design. Results: The control system can not only complete the tasks of irradiating controlling, safety interlock controlling, motion controlling, human operating interface, and data recording and verification, etc, but also ensure a stable and reliable running of the system. PLC controllers have various advantages of high reliable and compact structure and easy configuration, and DCS technology makes control system architecture more progressive. Conclusion: The solution not only satisfy the control system requirements of medical linear accelerator, but also have advantages in rapid development and convenient modifying and debugging.

[Key words]Accelerator; Distributed control system; Programmable logic controller

收稿日期：2015-03-04

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.01.005

[文章编号]1672-8270(2016)01-0016-03

[中图分类号]R812

[文献标识码]A

作者简介
杜锡九,男,(1943- ),本科学历，研究员。广东中能加速器科技有限公司，从事医用电子直线加速器的研发及产业化工作。