大型医学装备电源质量实时监控系统研制

季智勇，潘天红，杨智祥

1.上海市第六人民医院 医学装备处，上海 201306；2.江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013；3.南通市肿瘤医院 医疗设备科，江苏 南通226361

大型医学装备电源质量实时监控系统研制

季智勇1,2，潘天红2，杨智祥3

1.上海市第六人民医院 医学装备处，上海 201306；2.江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013；3.南通市肿瘤医院 医疗设备科，江苏 南通226361

本研究意在研制一种可以实时在线监测医学装备供电电源质量的远程监测和异常报警系统，对供电电源端质量进行实时监测。通过局域网汇集到主控计算机以实时图表等方式显示，并利用移动GSM通信平台实现手机短信报警，组成一套完整的故障监测、查询、分析、报警系统。该系统能实时监测电源质量并在出现异常时及时通过GSM网络报警，及早排除故障，从而充分保障医学装备的正常运行。

医学装备；电源质量；实时监测；报警；GSM网络

引言

供电系统的正常与否对于医院来说至关重要，不仅关系到财产安全，更关系到病人生命安全[1]。尤其是大型医学装备，如核磁共振、医用直线加速器等，如果电源质量一旦出现异常，将导致停机或造成重大的安全事故，甚至会给医疗安全带来隐患[2]。“十三五”规划纲要提出，要深化医药卫生体制改革，要求降低运营成本，提高医疗服务质量，保障医疗安全，这些都对大型医学装备的运营保障提出了新的更高要求。

如果能够对医学装备供电电源质量进行实时监测并记录，在故障出现时能够及时发送报警，通知有关人员，则将大大降低故障造成的损失和影响，使故障在最短的时间内得于排除，从而不影响设备的正常运行。实时记录电源质量状况也便于故障分析，从而为提高供电电源的可靠性、及时发现问题，迅速处理故障提供了可靠的技术保障。

对电源质量实施监测，需要具体到所研究的对象指标，建立评估模型和监测目标之间的对应关系。电源质量的评价指标主要有电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、谐波以及三相电压不平衡度5个方面。电压允许偏差和频率允许偏差主要取决于电力的供需之间的平衡关系，后面的3项指标不仅仅和供电系统相关，还受到用电负荷性质的影响[3]。

目前国内外对电源质量的监测通常会采用专项监测、定时巡回监测和连续监测等方法，相应研制和开发了许多种可供用户选择的、具有优秀性能的电能质量监测分析仪器[4-5]。

综合国内外电源质量监测技术的发展情况来看[6-7]，一般采用传统意义上的仪器仪表或者采用嵌入式设计或者采用计算机进行数据处理，这几种方案或多或少的存在设备配置的灵活性、通用性相对比较差，适用场合小、实时的分析能力较差，数据处理算法的落后，得到的数据缺乏有效的判断依据，很难用来深入的分析影响电源质量的根源；实时性能较差，且监测点分散等缺点。

在这种情况下，我们开发了大型医学装备电源质量实时监测系统，对电源质量进行实时监测[8]，并可以在出现异常时利用 GSM网络对相关人员手机发送报警短息，提醒及时进行处理。

1 系统组成

本系统利用单片机和模拟采集系统组成电源质量监测仪，对医学装备供电端系统的电压实时进行采集并存储，利用院内局域网通信方式远程汇总到主控台计算机端[9]，主控台可以随时查询各采集设备的数据，以供故障的查询和分析判断,采集设备和主控台均有故障报警功能，系统也留有多种接口，以便日后升级。监控报警主机通过医院内部局域网向电源质量监测仪请求传送数据并进行处理，同时能够实现对电源质量相关指标进行监测，且可以利用移动GSM通信平台实现手机短信报警及语音报警[10]，从而和相关部门的技术系统一起组成一整套完整的故障检测、查询、分析、排除系统。系统组成框图，见图1。

图1 系统组成框图

2 系统硬件设计

2.1 监测仪硬件设计

由于监测的对象是三相市电，因此对单片机的要求很高，本系统采用高效高速高稳定的单片机处理系统，并配置高性能看门狗电路。由于系统监测的是三相动力电源，所以监控系统供电采用独立的蓄电池供电，这样在动力电源出现故障时不至于使系统停止工作。

因此，本文设计了监测仪硬件系统，其组成框图，见图2。

图2 监测仪硬件系统组成框图

2.1.1 高电压变压模块

监测仪采样部分电路图，见图3。医学装备供电端电压采样必须要经过降压整流滤波后才能输出符合单片机采样需求的小电压送到AD采样端。为了保护电压互感器和减小功率损耗，还要在互感器的输入端串入合适的电阻，互感出来的是小信号交流电压，为了得到真有效值，必须把小信号交流电压再经过整流滤波处理[11]，这样才能得到AD芯片所需要的直流电压，这时的电压就是正比于输入端的交流电压，为了处理精度及稳定性要求采用真有效值专用测量芯片AD637。

图3 监测仪采样部分电路图

2.1.2 通道切换模块

由于是测量多路电压信号，所以必须要进行通道切换，硬件中使用HC4052来进行切换，HC4052是双路4通道模拟电子开关，导通后的电阻只有100 Ω左右，满足大多数的信号传输要求。

每次切换可以实现两路同时转换，这样可以考虑一路用于电压，另一路作备用方便以后升级为电压电流共同测量。当使能端ENABLE为低电平时，芯片处于使能状态，这时A、B端用来选择切换一组中4个通道中的哪一个通道。

2.1.3 LED数字显示模块

采用LED显示模块3组四位一体数码管分别显示三相电压值。

2.1.4 蓄电池供电电路

在实际使用中，发现在医院突然停电时，串口服务器也会同时停止工作，不能够及时将采集的数据传到主控计算机。因此，采用12 V蓄电池供电，并在输出端加上LM 2576组成的稳压电路，以保证蓄电池输出的直流电压符合系统接口直流5 V的输入要求。为了避免蓄电池在电量使用将尽时无法供电，采用12 V充电器给其充电，并设置充饱门限，在蓄电池电压达到13.8 V时断开充电，在低于10.8 V时自动接通电源充电，有效避免了因停电引起的数据传输失败。

2.2 监控报警主机硬件系统

监控报警主机要实现的功能主要有实时显示各工作站的工作电压数据，并存储，供后期查询、分析；采用业界通用的RS485再结合以太网方式，确保采集和传送的稳定可靠；系统将接收到的数据分析判断，把异常数据作报警显示，并以GSM短信方式通知相关人员。

2.2.1 基于以太网的多机远程通信模块

本系统选用了RS-485总线接口，MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式，它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。在串口服务器中完成数据的转换，输出通过以太网接口和计算机进行数据通讯。

2.2.2 GSM模块

GSM模块是传统天线解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备，打开了GSM网络数据通信及应用的大门。

软件在检测到电源异常时，将通过GSM模块来给预设号码发送报警短信。

3 系统软件设计

3.1 监测仪软件设计

监测仪主要执行实时采集各工作点电压数据，并在高亮数码管上作显示；可以通过面板按键设置工作参数，并保存在掉电保存存储器中；通过RS485和以太网远程通信方式与主控台联系，把数据实时发送到监测软件系统。监测仪采用国内技术成熟的基于51内核的STC12系列带有AD转换的单片机，开发环境采用国际流行通用的KEILC。

3.1.1 高速高精度采样模块

医学装备前端电压经真有效值转换电路处理后送到监测仪单片机的AD转换采样端，单片机的P1是复用功能口，通过相关寄存器的设置可以启用IO功能或AD功能。

3.1.2 掉电自动保存/上电自动载入模块

所有需要保存的参数均存储在单片机内的EEPROM中，这样处理既节省了资源，又保证了数据的安全稳定，同时也简化了硬件。

3.1.3 LED数码管显示

显示部份采用LS 164串行输出静态显示，这样一方面数码管不用定时刷新，另一方面简化了编程,可以把运行时间留给其它功能部份。

3.1.4 通讯程序设计

监测仪监测到的数据通过RS485通信送到串口服务器，再通过以太网模块连接到局网内的主控计算机上。为了使通信命令得到及时响应，可采用中断的方式。

3.2 监控报警主机软件设计

监控报警软件主要功能是在主计算机上实现对各端节点设备上的采集的数据进行处理、显示、存储及进行质量监控，可以进行单机多参数显示，对采集到的相关电源质量评价指标数据进行直观显示，且能够实现在电源质量出现异常时通过GSM网络进行短信报警功能。主要采用Delphi 7.0设计。

3.2.1 配置连接串口服务器

串口服务器的RS485接到电压表的RS485接口端，串口服务器的以太网接口连接到医院内部的局域网，进行通讯。为了简化配置，需要把IP地址改成和电源质量监测报警主机同一网段内，这样才正常通信。在监测仪中设定好各RS485通信地址，通过电压表的面板按钮进入到相应的菜单设定好电压表的通信地址。

由于在节点的配置中我们把它设为服务器模式，所以监控软件就配置为客户端模式。

3.2.2 实时远程数据处理

（1）数据采集。软件在初始化时创建配置文件：

fn.WriteString('串 口 ','COM','COM1'); self.ComPort1. Port:='COM1';

fn.WriteInteger('波特率,'Baud', integer(br9600));

self.ComPort1.BaudRate:=br9600;

frmset.iIntegerSample.Value:=10;

//采样间隔时间10秒frmset.ChckBxAutoSav.Checked: =false;

end

（2）数据发送。加入定时器，用来定时发送采样命令，当点击“开始监测”按钮后定时器开始工作，当定时值到达后发送采样命令，发送命令方式如下：

buf[6]:=crc and $ff;

buf[7]:=(crc shr 8) and $ff;

if ckbx[i].Checked then

ts[i].Socket.SendBuf(buf[0],8);

sleep(10);

//适当错开时间，防止接收时网络拥堵

end;

（3）数据显示。系统客户端收到数据后根据数据包作进一步解析，把采样到的电压显示在面板上。

（4）单机多参数显示。在单机多参数显示界面中，采用某一时刻的实时采样值与前100个采样值进行比较，取出其中的最大值Umax和最小值Umin，然后进行计算，算出波动值。偏离值是采用实时采样值去和额定值进行比较算出。三相不平衡指标采用解析几何法算出[12]。

3.2.3 异常报警处理

系统客户端会从接收到的数据中判断电压是否在监控的范围，当电压超限时触发报警设置。

通信号一栏是用来设置GSM短信报警功能，当复选框“电话短信报警”被选中时表明启用短信GSM报警，报警的内容为发送相关报警内容到指定的电话。

4 实验结果

4.1 设备端监控显示

在大型医学装备的供电电源端，当在配电车间送电完成后，监测仪上数字电压表即开始监测电压并显示，并将采集到的数据通过RS485端口送给串口服务器，然后通过以太网发送到电源质量监测报警软件端口。

4.2 监测报警软件运行界面

打开软件后自动连接到各监测仪读取数据，当电源供电在许可范围之内，软件显示界面，见图4。

图4 电源正常时软件显示界面

当检测到电源出现异常后，相应指示灯按照设定状态点亮，电压数字的显示颜色同时变化，发出提醒。当电源恢复正常后，指示灯恢复正常显示状态，但电压数字仍为报错时颜色，提醒注意。此时，需要点击“复位”按键，再点击“停止检测”，再点击“开始检测”，才一切恢复正常显示状。

4.3 单机多参数实时显示

单机多参数显示界面，见图5。需要对单台设备供电情况进行查看时，点击页面上“单机多参数显示”选项卡，进入单机多参数监控实时显示界面，分别是“三相平衡”显示、“电压偏差”显示和“电压波动”显示。当三相供电平衡时，指示灯显示为绿色的，当监测到某一相电压不稳定、过低甚至缺相时，指示灯就会显示为红色的，表示不平衡，并触发报警条件，通过GSM模块发送报警信息。电压偏离值和电压波动值通过计算得出。

下方左侧显示的是当前监测到的电压数值显示，同样采用数码显示方法，分别用不同颜色表示不同相序，右侧是以220 V为基线，分别设定有上限值和下限值，每隔一段设定的采样时间间隔描一个点，在图上描绘出来，然后用线连接成一幅电压波动曲线，这样，通过这3个参数的直观显示，对当前所需查询的医学装备端供电质量状况能够一目了然，方便监督3个曲线分别对应相应坐标，可以进行拖拉、放大等，便于直观观察。

图5 单机多参数显示界面

4.4 短信报警显示

当监测到电源质量异常时，会调用GSM模块[13]，对所设定的手机号码发送报警短信，提示相关责任人及时进行处理。

由于本系统是在全天候24 h运转的，产生大量的数据，工作人员不可能守在设备边定时去保存采集到的数据，所以系统采用SQL数据库来管理，数据库管理和监测同时进行，当监测到数据发生更改时，同步进行更新。本数据库基于模块化设计，结构相对独立，方便相关技术人员可以随时查阅，分析，以便采取合适的措施，尽可能降低故障带来的损失。

5 讨论

医学装备尤其是大型医学装备，价格昂贵且维修困难，有的还必须要保证长期通电，如核磁如果断电导致冷头停止工作则会造成液氦泄露，造成巨大的经济损失[14]，加速器如果断电导致离子泵停止工作则会造成真空度下降，影响正常工作[15]，甚至会造成机器损坏。因此，必须对电能质量进行有效管理才能达到保证医学装备正常运行的基本条件。

利用电源质量实时监测与报警系统，对电源供电情况进行实时记录，并能对电源质量相关参数进行实时监测并以图表形式进行直观显示，在故障出现时及时发送报警，通知有关人员，则能大大降低故障造成的损失和影响，使故障在最短的时间内得于排除，从而不影响设备的正常运行。实时记录电源质量状况也便于故障分析，从而为提高供电电源的可靠性、及时发现问题，迅速处理故障提供了可靠支持[16]。

同时，也应看到，本系统中仅能实现对电源质量的三相电压平衡度、电压波动、电压偏离等指标进行实时连续监测，争取以后能够实现谐波、频率、电流等参数指标的监测，进一步对监测到的数据进行智能化分析。尝试通过Android平台开发电源监控掌上APP，通过无线网络实现在手机或者PDA上可以随时随地来主动访问查询，可以不受时间和空间限制，全面掌握大型医学装备供电质量状况，结合医院整个配供电系统进行优化[17]，切实做好医学装备的管理和维护保障工作，同时也为及时消除医疗安全隐患提供技术保障[18]。

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本文编辑 袁隽玲

Design a Real-Time Monitoring System for the Power Quality of Medical Equipment

JI Zhi-yong1,2, PAN Tian-hong2, YANG Zhi-xiang3

1.Department of Medical Equipment, the Sixth People’s Hospital of Shanghai, Shanghai 201306, China; 2.School of Electrical Information & Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang Jiangsu 212013, China; 3.Department of Medical Equipment, Nantong Tumor Hospital, Nantong Jiangsu 226361, China

To design a remote alarm system that could monitor the power quality of medical equipment and abnormal alarm system to real-time monitor the power supply quality. A complete system that composed of fault monitoring, query, analysis and alarm system was constructed. The power supply quality connected with the main control computer through the LAN to display in a real-time mode and the alarm system could timely send a SMS alarm when something run wrong. The system could carry out real-time monitoring and recording the power supply quality of medical equipment. In addition, it could send a timely alarm via the GSM network in abnormal condition. Hence, the technicians could timely detection of notify the problem and to deal with the fault in the shortest time and exclude it.

medical equipment; power supply quality; real-time monitoring; alarm; GSM network

TH772

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.05.009

1674-1633(2017)05-0035-05

2016-10-26

2016-12-02

作者邮箱：joyer99@126.com