導(dǎo)語：醫(yī)院質(zhì)子重離子醫(yī)療設(shè)備壓力控制研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：某醫(yī)院利用質(zhì)子和重離子技術(shù)專業(yè)治療腫瘤，是具有世界領(lǐng)先技術(shù)的?？菩葬t(yī)院。醫(yī)院的質(zhì)子重離子區(qū)域?qū)鋮s水溫度、壓力的控制精度有極高的要求，它是直接影響到質(zhì)子重離子區(qū)域醫(yī)療設(shè)備能否正常運行的關(guān)鍵條件。通過對某醫(yī)院冷卻水系統(tǒng)溫度及壓力控制的充分研究及詳細設(shè)計，整套系統(tǒng)安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，全面保障質(zhì)子重離子區(qū)域的直線加速器等醫(yī)療設(shè)備的正常運行。

關(guān)鍵詞：PT（質(zhì)子重離子醫(yī)療）；冷卻水；溫度；壓力

上海某醫(yī)院主要利用高能射線治療腫瘤，在日常的醫(yī)療活動中，需要防護輻射，減少輻射帶來的危害。如何利用智能化技術(shù)手段實時監(jiān)視、自動控制、統(tǒng)一管理PT（質(zhì)子重離子醫(yī)療）區(qū)內(nèi)的各種機電設(shè)備，從而保證各種設(shè)備的正常運行，是智能化系統(tǒng)建設(shè)的重要任務(wù)。PT區(qū)域是全院的核心所在，PT區(qū)域配套保障系統(tǒng)及醫(yī)院常規(guī)智能化系統(tǒng)分別是醫(yī)院正常運營的核心部分和基礎(chǔ)部分。醫(yī)院常規(guī)智能化系統(tǒng)的建設(shè)和實施的目的是為醫(yī)院正常開展工作提供基礎(chǔ)保障平臺。PT區(qū)域的冷卻水溫度壓力控制系統(tǒng)為醫(yī)院直線加速器等專業(yè)醫(yī)療設(shè)備的正常運行提供支撐和保障。如何利用智能化技術(shù)對PT區(qū)域的冷卻水溫度和壓力做出精準控制則是本項目的技術(shù)重點和技術(shù)難點。PT區(qū)域的冷卻水溫度的控制要求在±0.5℃和±1℃之間，各水管接口的溫度壓力均有要求達到的測量值。在這個溫度壓力允許范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)冷卻水的閥門、泵和電熱器的制熱比例等各種控制手段，最終達到接口溫度和水流壓力的恒定。

1工藝冷卻水的系統(tǒng)劃分及技術(shù)要求

1.1一次冷卻水系統(tǒng)

一次冷卻水系統(tǒng)分為直線加速器系統(tǒng)、直線及離子源房系統(tǒng)、同步輻射冷卻水系統(tǒng)三部分，其技術(shù)參數(shù)和要求見表1。需要注意的是，每個Header（冷卻水前端裝置）的水冷負荷已包括安全余量，實際運行時整個工藝冷卻水系統(tǒng)的總冷負荷不大于3500kW。

1.2二次冷卻水系統(tǒng)

二次冷卻水系統(tǒng)作為一個整體系統(tǒng)，根據(jù)冷卻水溫度、控制精度和調(diào)試方式等條件設(shè)置為三個分路子系統(tǒng)，其技術(shù)參數(shù)和要求見表2。

2接口冷卻水的溫度要求

主要的循環(huán)水量，也就是流經(jīng)大部分接頭（分流器）的水，溫度應(yīng)該保持27℃±1℃。對于高頻系統(tǒng)管道的接頭，循環(huán)水流經(jīng)的溫度在29℃±1℃。這部分系統(tǒng)有很高的水壓。直線加速器必須使用沒有處理過的水來運行和冷卻。冷卻水的溫度在29℃±0.5℃。

3系統(tǒng)壓力

連接循環(huán)水的主流量的接頭都按照最大10bar的系統(tǒng)壓力來設(shè)計，并在開放的位置安裝安全閥保護，以防止超過最大可允許的壓力。如果逆水流安裝的壓力傳感器探測到流過的水流壓力超過了限制，離心泵就會自動關(guān)閉。這些逆流壓力傳感器會在接頭一個連一個開動時，保證主泵的正常運行。激活連續(xù)的接頭是另外一種調(diào)節(jié)接頭順流壓力的辦法，這樣在連接的時候有理想的壓力差。流過直線加速器和高頻區(qū)的循環(huán)水應(yīng)該通過熱交換器與主循環(huán)水流隔離，并在壓力上分別考慮。在直線加速器里，系統(tǒng)壓力損失是2bar，最高可允許的輸入壓力是6bar。在這個接頭處，系統(tǒng)的注入壓力必須被監(jiān)控和限制，必須安裝一個適當(dāng)?shù)陌踩y以防止壓力過高。高頻區(qū)的管道有3bar的壓力損失，允許最大壓力5bar。在這里，必須使用安全閥精確地限制系統(tǒng)壓力。

4系統(tǒng)實現(xiàn)功能

冷卻水系統(tǒng)是用來抵消醫(yī)療裝置運行時產(chǎn)生的熱量，控制裝置處的溫度，使其保持在合理的范圍內(nèi)，冷卻水自控系統(tǒng)的性能是PT設(shè)備能否正常運行的關(guān)鍵條件。冷卻水系統(tǒng)控制冷卻水進入醫(yī)療裝置前的溫度在±0.5℃和±1℃之間。各水管接口的溫度最終所要求達到的測量值見表3。在這個溫度允許范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)冷卻水的閥門、泵以及調(diào)節(jié)電熱器的制熱比例等各種控制手段，最終達到接口溫度的恒定。

5整體解決方案

5.1二次水系統(tǒng)

1）控制要求四臺循環(huán)水泵：CTP-1-1~4（三用一備）；三臺冷卻塔：CT-R-4~6；五臺冷凍水板式換熱器：PHE-1-6~10；一個旁通電動控制閥；一臺閉式儲水箱：WT-1-6。旁通電動控制閥調(diào)節(jié)：循環(huán)水泵前的進水的目標溫度設(shè)定為28℃（暫定），應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要經(jīng)冷卻塔冷卻的進水量，采用PID（比例-積分-微分）控制方式調(diào)節(jié)旁通電動控制閥的開度。冷卻塔控制：每臺冷卻塔有1臺變頻風(fēng)機，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，控制打開冷卻塔的進水電動閥。氣溫由高變低：當(dāng)水溫高于設(shè)定溫度某一數(shù)值時，三臺冷卻塔風(fēng)機在工作頻率下運行。當(dāng)水溫逐漸下降并接近所設(shè)定的目標溫度時，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量，采用PID控制方式調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機的工作頻率，使得冷卻塔風(fēng)機全部停止工作。氣溫由低變高：當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度某一數(shù)值時，三臺冷卻塔風(fēng)機停止運行。當(dāng)水溫逐漸上升并高于所設(shè)定的目標溫度時，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量，采用PID控制方式調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機的工作頻率，使得冷卻塔風(fēng)機在工作頻率下正常運行。二次水循環(huán)泵進水溫度設(shè)定值：直線加速器系統(tǒng)二次水的被控溫度目標值為18℃，而其他系統(tǒng)二次水的被控溫度目標值為24℃，目標溫度值相差有6℃，進二次水循環(huán)泵的水溫度的目標值28℃是否合理有待調(diào)試、運行時驗證。一旦二者不能兼顧，需要相關(guān)單位決定以哪個系統(tǒng)為優(yōu)先。冷凍水板式換熱器（PHE-1-6）的控制：由于二次水系統(tǒng)的回水溫度低于32℃，故在夏季冷卻塔是無法提供冷卻能力的。這時可以通過旁通管路避開冷卻塔，直接由冷水板式換熱器冷卻達到所需的溫度。在過渡季節(jié)，當(dāng)冷卻塔的出水溫度低于二次水系統(tǒng)的回水溫度時，則首先由冷卻塔冷卻，然后由冷水板式換熱器進一步冷卻達到所需的溫度。直線加速器系統(tǒng)冷凍水板式換熱器二次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為18℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)冷凍水板式換熱器一次側(cè)的冷凍水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-7）的控制：射頻系統(tǒng)冷凍水板式換熱器二次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為24℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)冷凍水板式換熱器一次側(cè)的冷凍水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-8）的控制：直線及離子源房系統(tǒng)冷凍水板式換熱器二次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為24℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)冷凍水板式換熱器一次側(cè)的冷凍水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-9）的控制：輸運線冷卻水系統(tǒng)冷凍水板式換熱器二次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為24℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)冷凍水板式換熱器一次側(cè)的冷凍水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。冷凍水板式換熱器（PHE-1-10）的控制：同步輻射冷卻水系統(tǒng)冷凍水板式換熱器二次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為24℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)冷凍水板式換熱器一次側(cè)的冷凍水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)冷凍水二通電動控制閥的開度，控制被控溫度不偏離目標溫度值。2）監(jiān)測要求監(jiān)控二次水循環(huán)水泵的運行，故障狀態(tài)，二次水泵進出水壓力；監(jiān)控冷卻塔風(fēng)機的手/自動，運行，故障，啟停狀態(tài)；監(jiān)控蝶閥的開，關(guān)，啟停狀態(tài)；監(jiān)視旁通調(diào)節(jié)閥反饋信號；監(jiān)視冷卻塔水出水溫度。監(jiān)視閉式水箱的溫度；監(jiān)視循環(huán)水的電導(dǎo)率；冷凍水板式換熱器的進出水溫度、二次水進冷凍水板式換熱器的壓力。3）監(jiān)控邏輯當(dāng)二次循環(huán)水泵全關(guān)狀態(tài)時，冷卻塔進水蝶閥關(guān)閉，冷卻塔風(fēng)機關(guān)閉，二次水旁通閥關(guān)閉。冷凍水板式換熱器PHE-1-6~10二通調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，一次水板式換熱器PHE-1-1~5三通調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。

5.2直線加速器系統(tǒng)（一次水）

1）一次水板式換熱器（PHE-1-1）的控制直線加速器系統(tǒng)一次水板式換熱器PHE-1-1一次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為20℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)一次水板式換熱器二次側(cè)的冷卻水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)二次水三通電動控制閥的開度，使得控制溫度不偏離目標溫度值。2）電加熱（DR-1-1）的控制電加熱DR-1-1出水的目標溫度設(shè)定為20℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算出需要補充調(diào)節(jié)的熱量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)電加熱DR-1-1的加熱功率，使得控制溫度不偏離目標溫度值。電加熱器根據(jù)水泵的運行狀態(tài)投入調(diào)節(jié)控制。當(dāng)水溫高于某個設(shè)定值（如45℃）時，為避免出現(xiàn)異常情況，控制系統(tǒng)必須關(guān)閉電加熱器DR-1-1。3）檢測一次水板式換熱器PHE-1-1的進出水溫度、三通調(diào)節(jié)水閥的開度反饋；電加熱器DR-1-1的手/自動、狀態(tài)、故障、三相電流值；#30醫(yī)療裝置的進水溶解氧含量、PH值、電導(dǎo)率、壓力、溫度，出水壓力、溫度、流量，進出水開關(guān)閥狀態(tài)；一次水循環(huán)水泵的運行、故障狀態(tài)，循環(huán)泵出水的壓力。4）監(jiān)控邏輯系統(tǒng)要求運行：打開一次水循環(huán)水泵，水泵的運行狀態(tài)信號反饋至控制器，控制器通過確認電加熱輸出為零時，打開電加熱器的啟動信號，并根據(jù)現(xiàn)場溫度狀況調(diào)節(jié)電加熱器的實際功率。系統(tǒng)要求停止：關(guān)閉電加熱器的功率輸出，控制器確定電流為零時，發(fā)出正常停止的指令信號，否則發(fā)出信號報警；當(dāng)確認電加熱器正常停止工作時，一次循環(huán)水泵方可停止工作。系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備故障、跳閘和漏水等情況：自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)電加熱輸出至零；自控系統(tǒng)給電加熱發(fā)出觸發(fā)短路信號，延時半分鐘，電加熱主回路關(guān)閉；主回路電源切斷。

5.3直線及離子源房系統(tǒng)（一次水）

1）一次水板式換熱器（PHE-1-3）的控制直線及離子源房系統(tǒng)一次水板式換熱器PHE-1-3一次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為27℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)一次水板式換熱器二次側(cè)的冷卻水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)二次水三通電動控制閥的開度，使得控制溫度不偏離目標溫度值。2）電加熱（DR-1-3）的控制電加熱DR-1-3出水的目標溫度設(shè)定為27℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算出需要補充調(diào)節(jié)的熱量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)電加熱DR-1-3的加熱功率，使得控制溫度不偏離目標溫度值。電加熱器根據(jù)水泵的運行狀態(tài)投入調(diào)節(jié)控制。當(dāng)水溫高于某個設(shè)定值（如45℃）時，為避免出現(xiàn)異常情況，控制系統(tǒng)必須關(guān)閉電加熱器DR-1-3的輸出。3）檢測分別檢測：電加熱器DR-1-3的手/自動狀態(tài)、故障信號和三相電流值；一次水板式換熱器PHE-1-3的進出水溫度值及三通調(diào)節(jié)水閥的開合度狀態(tài)。直線及離子源房系統(tǒng)醫(yī)療裝置進水部分的壓力、溫度、電導(dǎo)率和PH值，出水部分的壓力和溫度。其他各醫(yī)療裝置的進/出水部分的壓力、溫度和流量，進出水開關(guān)閥的狀態(tài)。監(jiān)視一次水循環(huán)水泵的運行、故障狀態(tài)，循環(huán)泵出水的壓力。4）監(jiān)控邏輯系統(tǒng)要求運行：首先打開一次水循環(huán)水泵，水泵的運行狀態(tài)信號反饋至控制器，控制器通過確認電加熱輸出為零時，打開電加熱器的啟動信號，并根據(jù)現(xiàn)場溫度狀況調(diào)節(jié)電加熱器的實際功率。系統(tǒng)要求停止：關(guān)閉電加熱器的功率輸出，控制器確定電流為零時，發(fā)出正常停止的指令信號，否則發(fā)出信號報警；當(dāng)確認電加熱器正常停止工作時，一次循環(huán)水泵方可停止工作。系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備故障、跳閘和漏水等情況：自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)電加熱輸出至零；自控系統(tǒng)給電加熱發(fā)出觸發(fā)短路信號，延時半分鐘，電加熱主回路關(guān)閉；主回路電源切斷。

5.4同步輻射冷卻水系統(tǒng)（一次水）

1）一次水板式換熱器（PHE-1-5）的控制同步輻射冷卻水系統(tǒng)一次水板式換熱器PHE-1-5一次側(cè)出水的目標溫度設(shè)定為27℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算需要冷卻的熱量、對應(yīng)一次水板式換熱器二次側(cè)的冷卻水量，采用PID控制方式，調(diào)節(jié)二次水三通電動控制閥的開度，使得控制溫度不偏離目標溫度值。2）電加熱（DR-1-5）的控制電加熱DR-1-5出水的目標溫度設(shè)定為27℃，被控溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)定的目標溫度和實際溫度的差值進行比較，計算出需要補充調(diào)節(jié)的熱量，采用PID控制方式，對電加熱DR-1-5的加熱功率進行調(diào)節(jié)，使得控制溫度不偏離目標溫度值。電加熱器根據(jù)水泵的運行狀態(tài)投入調(diào)節(jié)控制。當(dāng)水溫高于某個設(shè)定值（如45℃）時，為避免出現(xiàn)異常情況，控制系統(tǒng)必須關(guān)閉電加熱器DR-1-5的輸出。3）檢測一次水板式換熱器PHE-1-5的進出水溫度、三通調(diào)節(jié)水閥的開度反饋；電加熱器DR-1-5的手/自動、狀態(tài)、故障、三相電流值；同步輻射冷卻水系統(tǒng)醫(yī)療裝置的進水PH值、電導(dǎo)率、壓力、溫度，出水壓力溫度；各醫(yī)療裝置的進水壓力、溫度，出水壓力、溫度、流量，進出水開關(guān)閥狀態(tài)；一次水循環(huán)水泵運行、故障狀態(tài)，循環(huán)泵出水的壓力。4）監(jiān)控邏輯系統(tǒng)要求運行：打開一次水循環(huán)水泵，水泵的運行狀態(tài)信號反饋至控制器，控制器確認電加熱輸出為零時，打開電加熱器的啟動信號，并根據(jù)現(xiàn)場溫度狀況調(diào)節(jié)電加熱器的實際功率。系統(tǒng)要求停止：關(guān)閉電加熱器的功率輸出，控制器確定電流為零時，發(fā)出正常停止的指令信號，否則發(fā)出信號報警；當(dāng)確認電加熱器正常停止工作時，一次循環(huán)水泵方可停止工作。系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備故障、跳閘和漏水等情況：自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)電加熱輸出至零；自控系統(tǒng)給電加熱發(fā)出觸發(fā)短路信號，延時半分鐘，電加熱主回路關(guān)閉；主回路電源切斷。

6結(jié)束語

通過對醫(yī)院整個工藝冷卻水系統(tǒng)溫度及壓力控制的充分研究及詳細設(shè)計，在經(jīng)過長時間的單機試運行和聯(lián)動試運行后，整套系統(tǒng)運已經(jīng)安全穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)起來。將常規(guī)智能化技術(shù)和自動化控制技術(shù)通過集成二次開發(fā)的手段相互結(jié)合，實現(xiàn)對冷卻水溫度及壓力的精準控制，保障了直線加速器等醫(yī)療設(shè)備的全面運行，這是醫(yī)院正常開展工作的基礎(chǔ)。這套系統(tǒng)也為以后醫(yī)療領(lǐng)域智能化技術(shù)的專業(yè)應(yīng)用起到了示范作用。

作者：尹松 單位：上海友益通信科技有限公司