基于增量式PID控制的医院中心负压系统设计

张明旭，黎良林，许海树，江满发，毛坤剑

解放军第174医院（厦门大学附属成功医院）器材科，福建 厦门 361003

基于增量式PID控制的医院中心负压系统设计

张明旭，黎良林，许海树，江满发，毛坤剑

解放军第174医院（厦门大学附属成功医院）器材科，福建 厦门 361003

目的 设计一套编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制的医院负压中心系统，将负压压力值稳定在-0.06 Mpa。方法 采用三菱FX2N系列可编程控制器，利用PLC内部烧录的程序和增量式PID指令模块对储气罐负压压力值进行自动调控，并加入ABB ACS 510系列变频器进行真空泵的软启动与变频调速。结果 建设的负压系统能自动调控压力值，具有故障报警功能，能够切换手控与自控，其真空泵能进行软启动、节能降噪。结论 基于增量式PID控制的医院中心负压具有强抗干扰性，系统精简，能够确保负压系统稳定运行，为临床提供强有力的保障。

中心负压；可编程控制器；增量式PID；变频器；自动调控

引言

我院原有中心负压供应系统，采用电接点压力表作为压力检测传感器与控制信号输出元件，由于电接点压力表控制精度低，触头在通电状态下，动静触头脱离接触时易产生电弧，出现打火现象，使得信号输出及控制系统稳定性变差。并且中心负压系统空压机电气控制采用Y-△，无法实现软启动，机械冲击与噪声耗能大、功率因素低[1]。如若遇到电接点压力表损坏，将导致负压系统压力失控，对临床负压使用造成较大的不良影响[2]。

原负压系统通过设定负压-0.04～-0.06 MPa的上、下阈值，利用真空泵的频繁启动控制负压值，容易损坏真空泵，且管道压力波动较大，不利于临床使用[3-4]。

现采用发展成熟的可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）进行中央控制，并引入变频器对空压机的进行变频启停，能够提升负压系统控制精度以及稳定性，实现自动控制。加入PID控制环节，能够将负压值稳定在-0.06 MPa，减小压力波动。此外PLC具有实时监控功能，能够在系统故障时报警，实现快速响应。

1 系统主要硬件设计

中心负压系统主要包括：中央负压真空站、吸引管道、终端吸引器[5]。其中中央负压真空站主要由真空泵、真空罐、气水分离器、PLC、电控柜、电磁阀、管道及附件等组成[6]。中央负压真空站简单气路原理图，见图1。

1.1 主要硬件的选用

PLC是以微处理器为基础的一种通用工业自动控制装置[7]。其通用性强、可靠性高、抗干扰能力强，在硬件上采用电磁滤波、光电隔离等一系列抗干扰措施。在软件上采用故障检测、信息保护等，提高可靠性和抗干扰性。而我院负压系统之前采用的继电器逻辑控制系统由于使用了大量的机械触点，连线多，触点开、闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此医院负压系统采用PLC为控制器，能显著提高可靠性和维护性。

PLC还提供了模拟量输入/输出模块，能将负压系统中连续变化的负压量经A-D转换后送CPU处理，而处理的数字结果经D-A转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。

压力变送器是负压系统的检测元件，其能将负压压力值转变为模拟量，并传送至PLC。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转换为其他频率的电能控制装置[8]，能实现对交流异步电机的软启动，具有节能降噪的特点，并能延长真空泵的使用寿命。

水环式真空泵是负压系统的执行机构，是整个系统的动力中心。选用纳西姆水环式真空泵，型号为2BV5121，极限真空值为0.097 MPa，最大气量达4.66 m3/min，功率为7.5 kW。噪声值≤68 dB(A)。终端吸引流量为30 L/min，负压值为0.07 MPa时，单台真空泵在工频条件下最多可满足约220个终端吸引同时使用[9-11]。

图1 真空站气路原理图

本次设计PLC硬件采用三菱FX2n-32MR，具有32位输入输出，拓展模块采用FXon-3A两通道模拟量输入。压力传感变送器采用GEMS 1200系列，其量程为-0.1～0 MPa，输出为4～20 mA，能够满足本系统设计要求。

1.2 系统结构与连接

中心负压真空站储气罐压力通过压力变送器反馈至A/D转换模块，通过PLC程序控制，由继电器输出，动作变频器启动真空泵运行。其控制信号图，见图2。

图2 控制信号原理图

将压力变送器置于储气罐上，其能将-0.1～0 MPa的压力信号转换为4～20 mA的电信号，比如压力值为-0.06 MPa时，则输出电信号为|(20～4)/10×(-6)+4|=13.6 mA，再将电信号通过输入输出模块将信号输送PLC与变频器。以简单的两套真空泵为例，PLC与变频器及电机简单接线图，见图3。

1.3 控制柜设计

外部设定输入通过控制柜按钮实现。当外部设定为手动模式时，真空泵通过手动进行启停控制，此模式能够实现在特殊情况下的应急控制。一般情况下，系统运行设定为自动模式，由PLC进行顺序自动控制。

控制柜上设电流表和电压表能够随时观察电气情况，并有设置钥匙开关，保证其安全性。控制箱外接声光报警装置至值班室，在系统故障或负压压力值偏差过大时能起到警示作用。其控制柜外观，见图4。

图3 控制系统接线简图

图4 控制箱图

2 系统主要软件设计

2.1 PID控制器设定

原负压系统需设定上、下限压力阈值，通过频繁启停真空泵调节压力值，当病房负压使用率过高、或真空泵动作时，负压压力变化率高，不利于临床治疗。其压力变化示意图，见图5。

图5 原负压系统压力变化图

本控制系统采用PLC内部增量式PID指令算法与拓展输入输出模块相结合的方式，得到类似于过程PID控制的效果。PID控制图，见图6[12-13]。

图6 PID控制图

控制器的输出为：

将其离散化后输出方程为：

其中，比例项系数为KP，积分项常数为TI，微分项常数为TD，u0为控制常量。根据式(3)可得其k-1时刻系统输出值为[14]：

由式(5)可知，增量式PID指令算法建立在普通PID基础上，其每次输出只输出控制增量，所以误动作时影响较小，从而降低了由机器故障导致PID误输出给系统的严重后果[15]。增量式PID控制图，见图7。

图7 增量式PID控制图

控制模块PID调节器共有7个参数需设定[16]：[S3]、[S3]+1、[S3]+2、[S3]+3、[S3]+4、[S3]+5和[S3]+6。其中[S3]为采样时间（0～32767 ms），本系统设定为100 ms对压力进行采样分析；[S3]+1为动作方向，bit0为正动作，bit1为逆动作，本系统设定为逆动作，在当前值小于设定值时，加大执行量；[S3]+2为输入滤波常数（0～99%），是对反馈量的一阶惯性环节数字滤波环节；[S3]+3为比例增益（1～32767%），比例增益越大比例调节作用越强，系统稳态精度越高，但过大会导致系统输出量振荡加剧，降低稳定性；[S3]+4为积分时间（0～32767%），0作为∞处理，积分时间增大时，积分作用降低；[S3]+5为微分增益（1～100%），0时无微分增益。微分增益较比例调节更及时，具有超前特点；[S3]+6为微分时间[（3～32767）×10 ms]，0时无微分处理。微分时间常数微分时间增大时，系统超调量减小，动态性能改善，但抑制高频干扰能力下降。

系统通过对压力设定值和压力检测反馈值比较得出被控量和期望值的偏差，继而通过PID调节器对变频器进行控制，得出变频器输出，通过调节输入异步电机的交流电源的幅值与频率，改变其转速，最终调节负压储气管压力至设定值。通过PID调节，能够将负压值稳定在设定值。其PID控制负压压力变化图，见图8。

图8 PID控制负压压力变化图

2.2 变频器设置

① 上限频率pr1=50 Hz；② 下限频率pr2=25 Hz；③ 基底频率pr3=50 Hz；④ 加速时间pr7=3 s；⑤ 减速时间pr8=3 s；⑥ 电子过电流保护pr9=电动机的额定电流；⑦ 起动频率pr13=10 Hz；⑧ 智能模式选择为节能模式pr60=4；⑨ 设定端子2～5间的频率设定为电压信号0～10 v， pr73=0；⑩ 操作模式选择（外部运行）pr79=2；其他设置为默认值。

自控模式下变频器能够采用RS 485通讯协议与PLC进行通讯，设定频率与模式。手控模式下其能通过外部输入端子进行通讯[17]。

2.3 PLC程序设计

系统程序通过GX Developer软件采用梯形图编程调试后烧入PLC内存。其控制流程大致为：当控制箱控制方式选择手动模式时，通过手动进行真空泵启停。当控制箱控制方式选择自动模式时，PLC开始控制。系统共有两套真空泵，正常自动运行时，采取定时轮流启动，时间间隔为1 h。当其中某套真空泵出现故障时，系统声光报警启动，可先进行软件复位，若故障能消除则继续自动运行，若故障未能消除，可将系统切换为手控。当终端负压使用量较大时，系统自动切换为两套真空泵同时运行，以满足临床使用需求。

3 系统调试与节能分析

3.1 系统准备与调试

（1）线路准备。连接PLC的I/O线路和变频器与控制柜以及其他控制电路和主电路。

（2）绝缘性与泄露测试。检查电气绝缘情况，真空泵绝缘电阻>0.5 MΩ，电控箱绝缘电阻值≥2 MΩ。打开进水阀向汽水分离器放水，打开真空泵进水阀，观察除盘根外其余地方应无泄露。

（3）手动模式测试。选择手动模式，分别启动两套真空泵，观察各设备运行是否正常，变频器输出频率是否相对平稳。

（4）参数整定。参数整定是控制系统设计的重要内容，根据被控量被控过程确定PID的比例系数、积分时间、微分时间的大小，以改善系统动态特性与静态特性[18]。选择自动模式，观察实际负压值以及设定值偏差。如果负压值在设定值上下有剧烈的抖动，则应降低PID微分参数，增加积分参数值。若水压的上下偏差很大，则系统比例常数太大，需适当减小。根据现场使用情况进行其他参数的整定。

（5）测试其他功能，是否与控制要求相符。

3.2 节能分析

在昼间6:00～18:00，夜间18:00～次日6:00内每小时分别对系统工作时环境噪声和耗电能进行统计，进行抽样10 d统计。其噪声值与耗电值，见表1。

昼间降噪20%，夜间降噪约18%，日均节能38.67%，即每日约节省60.24 kW的电能损耗。

4 结论

基于增量式PID控制的医院中心负压控制系统主要由控制柜、PLC、压力变送器、真空泵组成。采用变频器启停、运行真空泵，能够节能降噪，延长真空泵使用寿命。不同于传统电接点压力表，压力变送器能构成闭环反馈，增量式PID控制模块能实时进行压力调控，始终将负压中心压力值稳定在-0.06 MPa[19-20]，降低了管路压力波动，为临床提供稳定可靠的负压支持[21]。

表1 系统的噪声值与耗电值

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本文编辑 袁隽玲

Design of the Hospital Central Negative Pressure System Based on Incremental PID Control

ZHANG Ming-xu, LI Liang-lin, XU Hai-shu, JIANG Man-fa, MAO Kun-jian
Department of Equipment, Chenggong Hospital Affiliated to Xiamen University and the 174thHospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

Objective Design a set of programmable controller to control the hospital negative pressure center system, and to keep the negative pressure value stable at -0.06 MPa. Methods MITSUBISHI FX2N series programmable controller was introduced to conduct the research. PLC programming procedures and incremental PID instruction module were used to control the gas tank pressure. The ACS 510 ABB series inverter was jointed to perform the soft starting and regulate the speed of variable frequency. Results The negative pressure system could automatically control the pressure value. Meanwhile, it could give an alarm when there was something wrong, and could switch the manual control and automatic control freely. The vacuum pump could carry out soft starting. In addition, it was energy saving and noise reduction. Conclusion The system of the negative pressure of hospital center based on incremental PID control is simple, which has strong anti-jamming capacity. It can ensure the stable operation of the negative pressure system, and provide a strong guarantee for clinical.

central negative pressure; programmable logic controller; incremental PID; frequency converter; auto-control

TP216

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.009

1674-1633(2017)06-0032-04

2016-09-02

作者邮箱：herehere2012@163.com