Article Info

1.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；2.宁波翼龙医疗设备有限公司技术部，浙江宁波 315000

[摘要]目的利用医院原有悬浮床设备，在其基础上设计一种变频控制系统，实现降低能耗与噪声的功能，并且能够根据临床需求设置不同的电机功率，从而设定合适的悬浮力。方法采用变频器控制电机工作频率实现节能降噪、设定合适悬浮力，并使用基于RS485传输协议的串口控制屏对其进行人机交互。结果实现节能降噪，可根据临床治疗方案设定床体悬浮力。结论基于变频控制的医用悬浮床能够显著提高辅助治疗效果，实现节能降噪。此设计具有较强的柔性，能够应用在大部分型号的悬浮床上，成本低廉，安全稳定。

引言

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，其动力系统自动化控制程度低，噪声大、能耗高，且无法实现根据病人实际情况设置悬浮力大小的功能 [1]。在临床使用上常需根据患者治疗阶段与体重等调节悬浮力大小。比如，一个伴有大量体液渗出的早期病人与处在后期康复的病人，或者一个体重较轻的儿童与一个体重较大的成人，其对悬浮力大小的需求是截然不同的。在医用悬浮床上引入发展成熟的变频控制技术不仅能满足不同病情、不同阶段病人对悬浮力大小的要求，更贴和临床需求，亦起到节能降噪的目的，省去不必要的能源损耗，营造一个安静舒适的治疗环境。

1 材料和方法

异步电动机调速可以通过变压变频调速的方法实现，在极对数n p一定时，同步转速n 1随频率变化。式中n为实际转速，s为转差率，f为电源频率。如下公式所示：

转差率s恒定时，转速n与频率f成正比，此时通过改变电源频率f就能控制电机转速。调速所用的变频器即是基于上述原理采用交～直～交电源变化技术改变输入交流电源的频率 [2]。

悬浮床的变频控制核心器件就是变频器，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 [3]，即能实现对交流异步电机的软启动，也能通过改变电机转速控制悬浮床悬浮力的大小。悬浮床下床体空间有限，可选择小型变频器。本设计采用四方电气E310系列通用型变频器。

传统的风机采用单相电动机，电气控制采用直接或Y-△，无法实现软启动，机械冲击大、运行噪声过大、功率因素低。本设计风机采用变频技术控制，能够根据临床使用条件及需求改变转速，从而实现降低能耗、减小噪声、贴合临床需求。风机的效能关键在于电机的选用，本设计采用西门子1LE0001系列通用型自扇冷却式三相异步电动机。此系列电机能够独立驱动径流式风扇强制冷却，维持悬浮床下床体温度在较低水平。

控制屏是悬浮床人机交互的核心，选用能够进行RS485串口通信的串口屏进行控制。串口屏指的是一套由单片机带控制器的显示方案，由显示驱动板、外壳、LCD液晶屏等组成。串口屏能够实现显示系统运行状态及发送操作指令，系统精简稳定，成本低廉，适合悬浮床这类小型自动化控制系统 [4]。本设计采用大彩DS80600系列串口屏。

2 结果

变频器的外围元器件配线图，见图1。该变频器能够实现设定上、下限频率设定，频率递增、递减控制，低噪音运行等功能，亦能对输出频率，电机转速，设定频率，模块温度等运行状态进行监控。

图1 变频器外围元器件的配线

变频器采用AC电源供电，串联空气开关、接触器、AC电抗器。AC电源采用220 V单相交流电；空气开关可在变频器输入侧有短路或电源电压过低等故障时进行保护；接触器可以方便地控制变频器、负载电机的通断；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。

变频器运行频率的设定有两种方式：① 直接采用面板电位器手动设置；② 采用串型通信端口，通过串行RS485接口接收上位机的频率设定指令。

串行RS485传输方式采用异步串行、半双工传输方式 [5]。即在同一时刻主机和从机只能有一个发送数据，而另一个只能接收数据。数据在串行异步通信过程中，以报文的形式按帧发送。每个报文帧长在11～18字节之间，字符类型可以是ASCII码、16进制数 [6]。数据传输方式，见图2。

变频器的基本配线，见图3。其中AI、CM.模拟输入，AI是电压（电流）信号输入端，限值为0～10 V（0～20 mA），CM是输入（输出）信号的公共端；X1～X6、FWD为外部控制端子，端子与CM端闭合有效。FWD为正转命令输入端；TA、TC为可编程故障报警输出。

风机启动时，悬浮床下床体电机需带动其上方悬浮物运行，属于大惯量、重负载、起动力矩要求高的系统，需设定一定的启动频率。风机停机时，又需一定的延迟，将工作频率缓慢降低，以保证严重烧伤病患或其他有特殊要求的病患免受二次伤害 [7-8]。变频器在启动与停机频率输出曲线，见图4。当需要停机时变频器按设定的减速时间逐步减小其输出频率至零后停机。

变频器采用PID控制通过对被控系统的反馈值与目标值的差进行比例、积分、微分计算，来调整变频器的输出频率，使被控系统在目标信号稳定 [9]。PID作用原理示意图，见图5。

图4 启动与停机频率输出曲线

图5 PID作用原理示意图

本设计采用西门子1LE0001系列通用型自扇冷却式三相异步电动机。此系列电机能够独立驱动径流式风扇强制冷却，维持悬浮床下床体温度在较低水平。其噪声值测试数据，见表1。

将电机放置在密闭的并带有隔音海绵的下床体中，在50 Hz电源负载下，测得昼间噪声值平均值为44.2 dB，夜间平均值为32.8 dB。降低频率运行后，其噪声值随之下降。满足《中华人民共和国国家标准声环境质量标准》规定医疗卫生功能区环境噪声等效声级限值 [10-11]。

表1 西门子1LE0001系列通用型自扇冷却式三相异步电动机噪声值测试数据（dB）

其中昼间为6:00～18:00，每小时测量平均值，夜间为18:00～次日6:00，每小时测量平均值。参照组为未使用变频器工作在50 Hz电源下的旧风机噪声值数据。

电动机带有特定的负载时能够使用变频器驱动，其特定的负载扭矩，见图6。

图6 不同频率电动机负载转矩图

电动机额定频率为50 Hz。当负载转矩在允许的转矩范围内时，电动机能够自扇冷却；当负载转矩超过所允许的转矩时，电动机需要强制冷却。

在悬浮床上床体上加入一定的复合颗粒以及模拟人，改变其电机工作频率，电机工作在50 Hz电源频率下有最大悬浮力，适合体重较大或其他需悬浮力大的病人使用。工作在35 Hz时悬浮力较小，适合在恢复较好的病人静养或体重较小的幼儿使用 [12-13]。在30～50 Hz频率下其悬浮力与电源频率成线性关系，调节效果较好。

从流体力学原理可知：风机风量与电机转速功率相关 [14-15]。风机的风量与电机的转速成正比，风机的风压与电机的转速的平方成正比，风机的轴功率等于风量与风压的乘积，故风机的轴功率与电机的转速的立方成正比，即风机的轴功率与供电频率的立方成正比。

在室温为28℃时，设置悬浮床目标温度为37℃ [16-17]，保持其他设定一致，采用计量插座，根据不同的运行频率其能耗实测试值，见表2。

表2 不同的运行频率其能耗实测试值（kW/h）

参照组为未进行动力系统改造且工作在50 Hz电源频率的4台不同的悬浮床，一号到四号机为改造后的4台悬浮床。由实测值可以得知，工作频率为50 Hz时，进行变频控制改造后平均能耗为0.9 kW/h，较改造前能耗减少23.7%。改造后的悬浮床，随着工作频率的降低，其能耗也显著减少，其中，工作频率在30 Hz较工作频率50 Hz时能耗减少70%。

控制系统的结构框图，见图7。串口屏可直接发送用户设定的风机设定频率到变频器，也可检测变频器的各项数据。此外串口屏能根据悬浮床上床体温度传感器所反馈的信号进行动作冷却系统或者加温系统。

图7 控制系统结构款图

悬浮床温控系统包括冷却系统、加热系统、报警系统，这3部分系统控制可集成在串口屏控制。其设计电路图，见图8。

图8 悬浮床温控系统设计电路图

注：a.温度传感器电路图；b.加热模块电路图；c.冷却系统电路图；d.蜂鸣报警电路图。

3 结论

基于变频控制的悬浮床改造主要分为变频器的选用、电机的选用及控制系统的构建3部分，其中控制部分包含对变频器、水冷及加热系统的控制。本次设计能够有效的节能降噪，根据不同病人的临床治疗需求，设置床体悬浮力的大小，更贴合临床使用，起到较好的辅助治疗作用 [18]。该变频控制技术具有较强的柔性，能够应用在大部分现有型号悬浮床上。临床科室对旧悬浮床进行升级改造，能显著提高悬浮床操作性能，降低科室成本。

[1] 韩焦.通用变频器调速系统关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2014.

[2] 王博,郑伟,樊书敏.空压机的变频节能控制[J].中国科技投资,2012,(26):53.

[3] 李军荣.浅析变频器工作原理及应用[J].能源与节能,2016, (7):137-138.

[4] 冯子陵,俞建新.RS485总线通信协议的设计与实现[J].计算机工程,2012,38(20):215-218.

[5] 许燕萍,杨代华.RS485串行总线可靠性的研究[J].电子科技,2009,22(2):8-10.

[6] 王磊,鲁正鲜,贾俊,等.长期卧床的大面积烧伤病人的护理体会[J].中国冶金工业医学杂志,2016,33(2):161.

[7] 肖望,苏丽云,陈梅,等.流体悬浮床治疗在大面积烧伤救治中的应用[J].齐齐哈尔医学院学报,2015,(8):1248.

[8] 王耀辉,强天伟.PID控制原理简析[J].洁净与空调技术, 2013,(3):79-82.

[9] 陆一飞,方喻.变频风机节能测试分析[A].华东华南计量学术交流研讨会论文集[C].杭州:中国计量,2012.

[10] GB 3096-2008,中华人民共和国国家标准声环境质量标准[S]. 2008.

[11] GB 22337-2008,中华人民共和国国家标准社会生活环境噪声排放标准[S].2008.

[12] 利金彩,罗连友,朱文娟.重度烧伤小儿应用悬浮床的护理[J].现代护理,2004,10(4):343-344.

[13] 毛学飞,孙曙光,王静,等.悬浮床在辅助治疗老年严重烧伤中的应用[J].实用预防医学,2007,14(6):1858-1859.

[14] 姚彩婷,陈思雄,董永盛,等.老年烧伤患者卧悬浮床适宜温度探讨[J].中国医学创新,2015,12(1):131-133.

[15] 唐贯文,利金彩,周取英,等.悬浮床不同温度对烧伤患儿创面愈合的影响[J].护理学杂志,2009,24(14):4-5.

[16] 倪树标,张冠文,刘日威,等.浅谈串口屏在仪器人机界面设计中的应用[J].广东科技,2012,21(21):176-177.

[17] 公茂法,刘建平,徐新源,等.基于串口屏的井下多回路电网监测仪的设计[J].煤矿机械,2013,34(1):262-264.

[18] 黄敏,黄润文,连贵君,等.重度烧伤患者植皮术后应用烧伤专用翻身床与悬浮床对比效果分析[J].泸州医学院学报,2015,(1):85-87.

Medical Suspension Bed Transformation Design Based on Variable Frequency Control

ZHANG Ming-xu 1, JIANG Man-fa 1, XU Hai-shu 1, LU Bei-zhong 2, YU Bin 2, XIAO Long-kun 1
1.Deaprtment of Equipments, Chenggong Hospital Affiliated to Xiamen University and the 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China; 2.Ningbo Yilong Medical Equipment Co. Ltd., Ningbo, Zhejiang 315000, China

Abstract：ObjectiveTo create a good environment of treatment, this study designed a variable frequency control system based on the existing suspension bed, which was also energy consumption and noise reduction, and was capable of setting different motor power to set appropriate levitation force in accordance with the clinical needs. MethodsFrequency converter was adopted to control motor operating frequency so as to achieve energy saving, noise reduction and appropriate levitation force setting. Serial port control panel based on RS485 transmission protocol was used to carry out human computer interaction. ResultsEnergy saving and noise reduction were achieved and levitation force could be adjusted according to the clinical treatment plan. ConclusionMedical suspension bed based on frequency conversion control can significantly improve the effect of adjuvant therapy as well as realize energy-saving and noise reduction. This design is low cost, safe and stable with strong flexibility, which makes it applicable to most models of suspended bed.

Key words：suspended bed; variable frequency control; serial transmission; frequency converter; draught fan

基于变频控制的医用悬浮床改造设计

引言

1 材料和方法

2 结果

3 结论