分体式医用悬浮床设计

张明旭

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

分体式医用悬浮床设计

张明旭

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

本文设计了一套分体式医用悬浮床，其将传统的整体式悬浮床的控制系统、动力系统与悬浮床体相剥离。同时设立新的控制柜，从而能够容纳控制系统与动力系统及温控系统，并且能利用空气管道与悬浮床体相连接进行气体传输。分体式的结构设计能够将控制柜与悬浮床体独立于两个空间，避免动力系统产生的较大噪音对使用病人的影响，降低了床体高度以便护理工作、以及便于日常维修等。加入PID控制温度，使悬浮床温度更加稳定可控。

医用床；悬浮床；可编程控制器；PID控制

引言

目前，国内外医用悬浮床基本采用整体式构造，我院烧伤整形科共有Hill-Rom公司生产的CLINITRON Ⅱ型和宁波登煌公司生产的YCFCH系列悬浮床共8台，其设计都为整体式构造。由于使用年限长，风机噪声大，特别是在重症病房中，常有几台悬浮床同时运作，噪音污染较严重。整体式悬浮床将控制系统及动力系统置放于床体下方，导致悬浮床整体高度偏高，增加了日常护理难度。当整体式悬浮床控制系统及动力系统出故障时，需将患者移走后才能维修，不仅给患者增加了许多痛苦、容易对患者照成二次伤害[1-2]，并给日常维修造成极大的不便。此外，环境气温较高时，整体式床体的风机发热严重，不易于床体的温度控制。

而分体式悬浮床将控制系统、动力系统、温控系统与悬浮床体相剥离，设定独立的控制柜，将控制柜与病房相隔离能够极大程度上的减少噪音污染、有利于温度控制，方便护士日常护理与技术人员故障维修[3]。

1 结构与材料

分体式医用悬浮床主要分为两个结构，一是悬浮床体，包括上床体的滤单、复合颗粒、温度传感器，以及下床体的散热器、压力（称重）传感器、气路通道等[4]；二是控制柜，控制柜主要包含控制系统、动力系统以及温控系统[5]。分体式悬浮床整体示意图，见图1。

控制系统主要包括触摸屏、可编程控制器、变频器等；动力系统主要包括由空气过滤器、三相异步电动机、隔音海绵等；温控系统主要包括水冷交换器、电磁阀、加热器等；将水冷系统置于最下方避免了因漏水等引起的电气损毁。

使用可伸缩的耐高温硅胶管将悬浮床体与控制柜相连接，配合卡扣固定，避免漏气，能在维修和日常使用时方便地将控制柜与床体相剥离与替换。

1.1 硬件选用

本设计可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）采用西门子S7-200，具有较强的抗干扰能力，并且适应医疗行业的电磁兼容要求，可在比较恶劣的环境下工作[6]。

图1 分体式悬浮床整体图

配备EM231CN和EM232CN两个模拟量扩展模块。模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能，能直接与传感器和执行器相连，12位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连。

EM231CN和EM232CN是标准信号模拟量模块，EM231CN具有4路模拟量输入，能将连续变化的值经A-D转换后送CPU处理。EM232CN具有2路模拟量输出，能将PLC处理完的数字结果经D-A转换成模拟量去控制被控设备。本控制系统采用EM231CN模块接收4个称重传感器数据，EM232CN模块输出对循环风机的变频控制以及输出对水路系统调节阀的控制。

控制柜人机交互通过嵌入式一体化触摸屏实现，其采用台达DOP-W系列触摸屏，具有较大的触摸显示屏幕，并且能通过RS485通讯协议与PLC进行输入信号传输。

温度传感器采用PT100铂电阻传感器，其能将0℃～60℃输出的微弱信号经XTR105放大变换成4～20 mA的电流信号进而输入PLC。

变频器采用四方电气E550系列小型变频器，其能够利用RS485协议接收上位机PLC的指令数据，实现对交流异步电机的软启动，节能降噪，并能延长风机的使用寿命。

三相异步电动机是悬浮床动力系统核心，采用西门子通用型自扇冷却式1LE0001系列，此系列电机能够独立驱动径流式风扇强制冷却，能长时间工作，保证设备正常运行。

水冷系统通过比例积分调节阀控制水路流量大小，调节阀是温度控制系统的执行机构。其执行器选用铸铝支架及塑料外壳，体积小、重量轻，适合放入控制柜。选用永磁同步电机，并带有磁滞离合机构，具有可靠的自我保护功能，能支持电流（4～20 mA）控制与反馈信号。传动齿轮采用金属齿轮，大大提高了驱动器的使用寿命，功耗低、输出力大、噪音小。阀体结构形式选用两通阀，铜材质，经久耐用。

1.2 系统连接

控制系统是悬浮床的核心，包含用于仪表与控制系统通讯的现场总线。现场总线处于悬浮床系统底层，其连接线简图，见图2。

采用钥匙开关通断电源，以避免非专业人员的误触。PLC的输入端连接用于紧急停止的脚踏开关、变频器故障输入与复位的信号端以及加热器超温报警信号输出端。

4个压力传感器位于悬浮床下床体的4个角，能够结合4个数值得出悬浮床体的总重量，以得出病人实际重量，用于指导临床参数的设定。

图2 控制系统接线简图

PLC的输出端连接风机启动线圈、加热器线圈，并且设有3个信号灯，分别指示风机、加热器、冷却水路的工作状态。此外还连接一个报警器输出，能够在机器故障以及其他紧急情况时蜂鸣报警。

EM232CN输出两个模拟量，分别为风机的变频控制和水冷系统调节阀。

除图上所示外，变频器仍串联AC电抗器以及制动电阻。AC电抗器可提高功率因素、降低变频器对电网的谐波输入。制动电阻能一定程度上实现电动机的制动，并且能避免在直流回路中产生过高的泵升电压[7]。

1.3 人机交互界面设计

触摸屏是人机交互的重要构成部分，其能根据内部软件制作图形用户界面（Graphical User Interface，GUI），能够直观的将设定参数输入进控制系统。

触摸屏上实时显示：温度设定值、实际温度值、风机运行频率、病人实时重量、工作方式显示、故障提示以及病人信息等。

在触摸屏上可通过点击参数设置，进入设置菜单，包含：温度设置、风机设置、连续方式或间断方式选择、病人信息录入。此外也可进入维修模式，校正温度、压力值等操作。其人机界面主菜单界面显示，见图3。

图3 人机界面简图

2 软件设计

2.1 温度检测与控制

原有整体式两组温度输入控制利用选择开关CD4051，轮流分时选择其中一路，经直流运放OP07，放大1.56倍，再送AD转换器TLC7135把模拟量转换成数字量，送入微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）单片机Atmega64A控制。多路开关的选择时序也由单片机来协调。利用设定的上下温度偏差阈值进行温度调节。这导致温度精度要求高时，冷却系统动作频繁，影响寿命；温度精度要求低时，不利于临床治疗[7]。其温度变化图，见图4。

分体式悬浮床系统采用PLC进行控制，而PLC内部本身带有比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）指令算法控制，这使得温度控制能够更加平缓。

图4 单片机控制温度变化图

置于悬浮床底的温度传感器是问题系统的反馈元件。开度连续可调的调节阀为执行元件。驱动器是调节阀的重要组成结构，由可逆同步马达驱动,并带磁性离合器，通过马达转子与离合器所产生的磁性作用，能在停顿的情况下产生稳定的扭力。所以当马达没有电流通过时，能稳定地停顿在任何一点，当阀门全开或全关时磁离合器分离，停止调节，驱动器的递增式或比例式控制器所发讯号能使马达顺时针转动或逆时针转动。

本控制系统采用PLC内部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[8]。PID控制图，见图5。

图5 PID控制图

系统通过对温度设定值和温度检测反馈值比较得出被控量和期望值的偏差，继而通过PID调节器输出调节阀的控制电流大小，通过调节控制电流的大小，改变调节阀的开度，进而调节冷却系统的流量，最终调节悬浮床温度至临床设定值[9]。通过PID调节，能够将温度值稳定在设定值[10]。其PID控制温度变化图，见图6。

图6 PID控制温度变化图

2.2 PLC程序流程设计

系统程序通过SETP 7 Micro WIN V4.0 SP3软件进行编程与烧录。STEP7 Micro可以使用个人计算机作为图形编辑器，用于联机或脱机开发用户程序，并可在线实时监控用户程序的执行状态。

系统大致控制流程为：钥匙开关开启后，由触摸屏输入临床设置参数，PLC通过模拟输出模块改变变频器的输入量，而后变频器通过改变电机电源频率进而改变电机转速，从而控制悬浮床悬浮力的大小。结合温度传感器的输入量，PLC模拟输出模块对调节阀开度进行调节以稳定温度至设定值。系统启动与停止时，通过递增、递减输出频率以平缓启动与停止。结合系统设定工作方式，通过PLC内部时间继电器对风机进行周期性的启停，以满足连续模式或间隔模式的需求。当系统故障时，如温度超温或变频器出现故障时，PLC输出故障报警。

3 调试与检测

3.1 系统调试

（1）将PLC程序软件烧录，并依据接线图将各个部件连接完毕。

（2）进行保护接地电阻测量、耐电压测试、漏电流测试。正常使用状态下：对地漏电流≤0.5 mA，外壳漏电流≤0.1 mA,患者漏电流≤0.1 mA（交流），患者漏电流≤0.01 mA（直流）。测试是管路连接处是否存在漏气现象。

（3）开机：切换连续模式与间断模式，观察风机工作状态是否符合；设置不同频率，变频器输出是否平稳；观察悬浮床在工作状态下，微颗粒流化状态是否正常；

（4）在床体放入120 kg模拟人，测试悬浮力是否达标。

（5）测试其他功能，是否跟控制要求相符。

3.2 噪声测试

使用声级计对系统工作时的噪声进行监测，每小时记录一次数值，取一周内的平均值。整体式与分体式悬浮床工作时噪声测量结果，见图7。

图7 整体式与分体式悬浮床工作时噪声测量结果

如图7所示，整体式悬浮床由于将控制柜外置于病房外，使得在病房内的噪声值维持在环境噪声水准，极大程度上的控制了悬浮床的工作噪声，昼间低于50 dB,夜间低于40 dB，满足国家关于病房噪声值的要求[11-12]。

3.3 温度控制测试

使用温度计对系统工作时的温度进行监测，每小时记录一次数值。整体式与分体式悬浮床工作时温度测量结果，见图8。

图8 体式与分体式悬浮床工作时温度测量结果

如图8所示，采用PID控制的悬浮床温控系统相比于设定上下阈值的温度控制更加平缓，其超调量小，响应时间快，能较好的维持床温在设定水平[13]。

4 小结

分体式悬浮床丰富了医用悬浮床的种类，拓宽了其发展方向，相比整体式构造，分体式悬浮床独立出控制柜，可将控制柜和床体独立于两个空间，能较大程度的减小病房内工作噪声，有益于病人的休养，特别适用于悬浮床相对集中的重症护理单元；减低床体高度易于临床护理与病人的上下床以及日常设备维护维修；添加大屏幕触控屏，方便临床参数的输入与设备工作状态的查询。使用PLC可编程控制器，抗干扰性强、系统稳定、控制精度高、加入PID控制环节比传统系统在系统的稳定性、超调、调节时间上具有显著的优势，较好的将温度稳定在设定值，有益于临床治疗[14-16]。但其占地面积较整体式悬浮床多，适合运用在对空间要求不高的病房。

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本文编辑 袁隽玲

Design of Split Medical Suspension Bed

ZHANG Mingxu
Department of Equipment, Chenggong Hospital Af filiated to Xiamen University and the 174thHospital of PLA, Xiamen Fujian 361003

The present research designed a set of split medical suspension bed, which the control system and the power system were all peeled off the suspended bed. A new control cabinet, which could accommodate control system and power system and temperature control system was also established, and the air pipe could be used to connect with the suspended bed body to carry out gas transmission. The structural design could separate the control cabinet from the suspension bed to avoid the impact of the larger noise generated by the power system on patients. The height of the bed body was lower and it was convenient for the nurse to perform nursing service, facilitate daily maintenance and so on. In addition, the adding of the PID control temperature made the suspension bed temperature more stable and controllable.

medical bed; suspension bed; programmable logic controller; PID controller

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.09.010

1674-1633(2017)09-0044-05

2016-10-17

2016-10-27

作者邮箱：395165579@qq.com