杜錫九　劉德康　沈立人　陳建鋒

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基于可編程邏輯控制器和分布式控制系統(tǒng)的醫(yī)用電子直線加速器控制系統(tǒng)設計**基金項目：廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃(201001D0104732255)“電子加速器關鍵核心技術研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”

杜錫九①廣東中能加速器科技有限公司 廣東 東莞 523808劉德康①沈立人①陳建鋒①

[摘要]目的：設計醫(yī)用電子直線加速器核心控制系統(tǒng)，用來嚴密控制協(xié)調各子系統(tǒng)的運行，以確保對治療對象進行準確可靠的放射治療。方法：采用基于可編程邏輯控制器(PLC)和分布式控制系統(tǒng)(DCS)架構的技術方案，根據(jù)醫(yī)用電子直線加速器的控制系統(tǒng)需求特點和系統(tǒng)規(guī)模進行設計。結果：控制系統(tǒng)不僅可完成所承擔的照射控制、安全聯(lián)鎖控制、運動控制、人機操作界面以及數(shù)據(jù)記錄與校驗等控制任務，并能夠確保系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運行。PLC控制器具備可靠性高、結構緊湊及組態(tài)方便的諸多優(yōu)勢，而分布式控制系統(tǒng)使計算機控制系統(tǒng)架構更為先進。結論：該解決方案不僅很好地滿足了醫(yī)用電子直線加速器的控制系統(tǒng)需求，并且具備研制周期短、修改與調試方便等優(yōu)勢。

[關鍵詞]加速器；分布式控制系統(tǒng)；可編程邏輯控制器

[First-author’s address] Mintech, Guang Dong Sino Power Accelerator Technology Co. Ltd, Dong Guan Guang Dong 523808, China.

醫(yī)用電子直線加速器是用于放射治療的醫(yī)療設備，其生產(chǎn)的X射線電子束能量約為6～18 MeV。醫(yī)用電子直線加速器由電子槍、加速管、高頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等組成，其安全和精確的操作是由醫(yī)用電子加速器控制和聯(lián)鎖系統(tǒng)實現(xiàn)[1]?？刂葡到y(tǒng)能夠將操作人員下達的指令傳輸至設備各部件，從而控制整個加速器按照治療參數(shù)的要求，準確無誤地完成電子束的產(chǎn)生、加速及輸出全過程，并且設置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，在檢測到異常信號時能夠及時阻止可能出現(xiàn)的損害事故。

現(xiàn)代醫(yī)用電子直線加速器的控制系統(tǒng)，均采用全數(shù)字化技術、以電子計算機為控制核心實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，其中可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、分布式控制系統(tǒng)架構在加速器的控制系統(tǒng)設計中得到廣泛應用[2-3]?？刂葡到y(tǒng)自20世紀30年代以來，經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展、演變及全面整合，已成為全數(shù)字化的先進技術，而分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)是當代主流的控制系統(tǒng)架構之一[4]。DCS初期的主要目標是降低大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的復雜性和多點數(shù)據(jù)復制問題，最終成熟的DCS已形成完整的以分層設計、接口標準化及客戶機和(或)服務(Client/Server)結構等為特點的成熟軟件、硬件系列產(chǎn)品。為此，本研究將PLC和DCS應用于醫(yī)用電子加速器控制系統(tǒng)的設計方案中，以確保放射治療的準確性和可靠性。

1　醫(yī)用電子加速器控制系統(tǒng)總體結構

DCS的核心思想是將底層控制信號進行全數(shù)字化處理，建立統(tǒng)一、規(guī)范的中間層控制信號數(shù)據(jù)庫，這些控制信號數(shù)據(jù)可以分布在多個地點，但對于上層控制軟件，只需按照網(wǎng)絡協(xié)議接口與控制數(shù)據(jù)進行交互。因此，DCS軟件的架構是一種Client/Server軟件架構。著名的控制系統(tǒng)專業(yè)廠商均擁有完整的DCS品牌產(chǎn)品體系，其中包括FOXBORO、HONEYWEL和YOKOGAWA等[5-7]。此外，OPC[8]、EPICS[9]等是一種公開的軟件協(xié)議體系，采用公開通用協(xié)議的DCS更具備可選擇范圍廣、成本低的優(yōu)勢。

控制系統(tǒng)的設計采用Client/Server網(wǎng)絡結構的分布式控制系統(tǒng)，其硬件結構如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)硬件結構圖

在控制系統(tǒng)硬件結構中，輸入輸出控制(input output controller，IOC)服務器和控制臺計算機構成上層控制系統(tǒng)，其結構為Client/Server結構。PLC、運動控制器以及圖像獲取設備等控制設備均可接入網(wǎng)絡交換機，且可接入設備的數(shù)量不受限制，只需采用具備足夠網(wǎng)絡接口的交換機即可。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)軟件，將所有的控制設備和信號集成到一個平臺中，系統(tǒng)結構適合醫(yī)用電子加速器控制的多樣化控制功能需求。

1.2 控制系統(tǒng)軟件結構

控制系統(tǒng)軟件結構采用3層結構設計，即操作員接口層、IOC服務器層和設備控制層，如圖2所示。

圖2　控制系統(tǒng)軟件結構圖

硬件接口和通訊接口與具體的控制器硬件相關，通訊接口按IOC接口協(xié)議設計，通訊接口驅動軟件通常由廠商或第三方提供。在控制系統(tǒng)的設計開發(fā)中，應用軟件的開發(fā)分為PLC控制程序和上層控制程序兩部分。PLC控制程序通常采用梯形圖編程等軟件進行，上層控制程序采用分布式控制系統(tǒng)的編程工具軟件進行，充分利用成熟的系統(tǒng)軟件和工具軟件將應用軟件的開發(fā)工作量降至最低，而使其可靠性得到保證。

2　醫(yī)用電子加速器控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的設計原則為分層設計、規(guī)范接口和高可靠性。

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件設計

要切實提升對紀檢監(jiān)察工作的認識。從工作實踐來看，認識上的誤區(qū)主要有兩種：一種認為紀委的監(jiān)督阻礙了工作效率的提升，片面地把監(jiān)督與發(fā)展對立起來，因而存在應付監(jiān)督、不愿監(jiān)督的現(xiàn)象，甚至表現(xiàn)為一定形式或程度的抵觸情緒，不利于監(jiān)督工作的正?；⒁?guī)范化、常態(tài)化；另一種是把紀委的監(jiān)督當“擋箭牌”，有的部門自己不履行檢查與監(jiān)督職能，而是把紀委推到一線，甚至事事都要有紀檢部門人員參加，并為其決策“簽字背書”，這種“越位”“錯位”現(xiàn)象把紀檢部門推向了“監(jiān)督不是、不監(jiān)督也不是”的兩難境地。

PLC適用于常規(guī)硬件信號、高可靠性要求的控制場合，不適用于圖像采集處理?？刂葡到y(tǒng)的常規(guī)硬件信號為數(shù)字量輸入和(或)輸出(digital input/digital output，DI/DO)和模擬量輸入和(或)輸出(analog input/analog output，AI/AO)，在加速器控制系統(tǒng)中，除常規(guī)的硬件信號外還包括脈沖計數(shù)信號、溫度測量信號及運動控制信號等，其信號可采用專用PLC模塊，或轉換為常規(guī)的硬件信號接入常規(guī)硬件信號模塊。

2.2 硬件信號接口設計

DI/DO信號統(tǒng)一采用隔離的接口設計；AI/AO信號采用電壓信號形式。在信號接口實施中，部件的輸入、輸出信號要按照接口規(guī)范設計，對于不符合規(guī)范的信號可經(jīng)過信號調理接口，轉換為符合規(guī)范的信號然后連接到PLC模塊。同時，對于大量的模擬量輸入信號，因模塊配置限制而不采用全部獨立接入PLC模擬量輸入模塊的方式，其信號中大量屬于實時性要求不高的信號，可在信號調理接口中設計多路切換電路轉接，將其接入PLC模塊。

2.3 PLC控制軟件設計

PLC控制軟件以梯形圖的方式編程。加速器控制中PLC的控制程序要求較為簡單，梯形圖編程可很好地滿足需求，且易于理解和調試。對于簡單的控制過程，PLC軟件只需采用單線程的程序流程；而對于需要同時并行執(zhí)行多個線程的控制過程，可采用中斷的方式實現(xiàn)。因此，PLC軟件也可工作在多線程方式中，以滿足不同優(yōu)先級、時間精度要求高的控制流程需求。

2.4 IOC控制層軟件設計

IOC控制層軟件運行于服務器，通常服務器采用LINUX操作系統(tǒng)，并將DCS的系統(tǒng)軟件包安裝運行于LINUX操作系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的IOC軟件包分別為基本軟件包和控制器通訊驅動程序，基本軟件包對所有控制器均為通用，而控制器通訊驅動程序則與具體的控制器相關，多數(shù)常用的控制器的驅動程序均已具備，不需進行驅動程序的開發(fā)。IOC控制層軟件的用戶程序設計，主要工作是IOC服務器的配置和通道動態(tài)數(shù)據(jù)庫的設計。

2.5 上層控制軟件設計

在分布式控制系統(tǒng)中，上層控制系統(tǒng)軟件為client結構，每個運行的上層控制軟件實例均為IOC服務器的客戶端。上層控制軟件通過網(wǎng)絡通訊與IOC服務器的IOC控制層軟件接口獲取或下達控制參數(shù)與命令。

上層控制軟件采用QT數(shù)據(jù)庫和QT設計開發(fā)工具進行開發(fā)[10]。上層控制軟件的可用開發(fā)工具包括用戶界面、順序控制、報警管理及數(shù)據(jù)記錄等，其中核心為用戶界面。QT開發(fā)結構大量利用現(xiàn)有的軟件庫和軟件工具，可極大減輕實際開發(fā)編程的工作負擔。上層控制軟件的開發(fā)與運行結構如圖3所示。

圖3　上層控制軟件的開發(fā)與運行結構圖

3　醫(yī)用電子加速器安全聯(lián)鎖控制設計

在醫(yī)用電子直線加速器控制系統(tǒng)設計中，安全聯(lián)鎖控制是重要的組成部分。PLC控制系統(tǒng)非常適合于安全聯(lián)鎖控制，其高可靠性滿足安全聯(lián)鎖的要求，同時各部分將硬件信號統(tǒng)一接入PLC，很容易在PLC內(nèi)實現(xiàn)多個部件之間的聯(lián)絡控制邏輯。

按照醫(yī)用電子直線加速器的系統(tǒng)規(guī)模，安全聯(lián)鎖按照設備級聯(lián)鎖和系統(tǒng)級聯(lián)鎖兩層結構進行設計：①調制器、電子槍這類自成一體的設備部件，通常將重要的安全聯(lián)鎖集成在本設備部件的子系統(tǒng)控制電路內(nèi)，定義為設備級聯(lián)鎖；②設備部件之間的聯(lián)鎖關系在PLC控制器內(nèi)實現(xiàn)，定義為系統(tǒng)級聯(lián)鎖。

4　結論

經(jīng)過醫(yī)用電子直線加速器控制系統(tǒng)的實際開發(fā)和現(xiàn)場調試，分布式控制系統(tǒng)可以很好地適用此類小型裝置的控制系統(tǒng)。DCS本身為解決大規(guī)模實驗物理和工業(yè)控制系統(tǒng)而設計，其成熟的軟件體系、豐富的開發(fā)工具、靈活的組態(tài)方式以及全面的功能支持，同樣可為小型加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)帶來非常便利而可靠的控制系統(tǒng)平臺架構。PLC是一種成熟可靠的控制器產(chǎn)品，作為醫(yī)用電子直線加速器的控制器，PLC的功能和性能非常適合，其配套的軟件開發(fā)與調試工具對于控制系統(tǒng)的快速開發(fā)具有非常有利的優(yōu)勢[11-12]。

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Research on the design of PLC and DCS-based medical linear accelerator system/DU Xi-jiu, LIU De-kang, SHEN Li-ren, et al// China Medical Equipment,2016,13(1):16-18.

[Abstract]Objective: To design medical linear accelerator (Linac) control system which can monitor and control the sub systems to ensure an accurate and reliable radiation therapy. Methods: Using the technical protocol of PLC and DCS-based medical linear accelerator system, combined with requirement and system scale of Linac for the design. Results: The control system can not only complete the tasks of irradiating controlling, safety interlock controlling, motion controlling, human operating interface, and data recording and verification, etc, but also ensure a stable and reliable running of the system. PLC controllers have various advantages of high reliable and compact structure and easy configuration, and DCS technology makes control system architecture more progressive. Conclusion: The solution not only satisfy the control system requirements of medical linear accelerator, but also have advantages in rapid development and convenient modifying and debugging.

[Key words]Accelerator; Distributed control system; Programmable logic controller

收稿日期：2015-03-04

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.01.005

[文章編號]1672-8270(2016)01-0016-03

[中圖分類號]R812

[文獻標識碼]A

作者簡介
杜錫九,男,(1943- ),本科學歷，研究員。廣東中能加速器科技有限公司，從事醫(yī)用電子直線加速器的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。