Интеллектуальная система контроля питания гемодиализной аппаратуры

ЭНЕРГЕТИКА • ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 615.471:616.61

Ю.О.УРАЗБАХТИНА, Е.С.ХРУСТАЛЕВА

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПИТАНИЯ ГЕМОДИАЛИЗНОЙ АППАРАТУРЫ

Рассматривается проблема обеспечения бесперебойной работы гемодиализ-ной аппаратуры при сбоях в питающих электросетях. Предложена интеллектуальная система контроля питания гемодиализной аппаратуры и схема источника бесперебойного питания. Искусственное очищение крови; гемодиализ; источники бесперебойного питания

В настоящее время все более широкое распространение получило сложное электронное медицинское оборудование, представляющее собой дорогостоящие комплексы, позволяющие обследовать и поддерживать организм человека в критических ситуациях. От бесперебойного функционирования такого оборудования зачастую зависит человеческая жизнь. В связи с этим остро встает вопрос развития интеллектуальных высоконадежных систем управления сложными медицинскими комплексами.

В современной медицине искусственное очищение крови получило всеобщее признание как эффективный метод управления физиологическим стоянием человеческого организма. Искусственное очищение, основанное на экстракорпоральной перфузии биологических жидкостей, сегодня успешно и интенсивно используется:

для лечения острой почечной недостаточности, возникающей в результате различного рода заболеваний, послеоперационных осложнений, отравлений, травм, радиационных поражений;

для длительного жизнеобеспечения больных с хроническими заболеваниями почек, которым регулярно 2-3 раза в неделю в течение всей жизни проводится процедура очищения крови продолжительностью 45 часов;

для подготовки больных к пересадке почки и в послеоперационный период.

Все существующие системы гемодиализа рассчитаны на работу от сети, соответствующей требованиям определенного стандарта, при несоблюдении которого рабочий персонал не может нести ответственность за качество работы оборудования.

В России стандарт электропитания следующий: действующее напряжение — 220 В ± 10 %, частота 50 Гц ± 1 %, коэффициент несинусоидальности — длительно до 8%, кратковременно до 12 %. Таким образом, напряжение в сети должно менять свое значение по синусоиде с периодом 1/49-1/51 секунд, находиться в пределах 196-242 В и отличаться по форме от идеальной синусоиды не более чем на 8%.

Характеристики же электросети не являются стабильными, что обусловлено самыми разнообразными причинами:

изношенность оборудования в системе электроснабжения России, перегрузка сетей из-за недостатка средств на их развитие, плохое качество работ или ошибки персонала при управлении и ремонте;

воздействие на электросеть различных потребителей энергии в моменты их работы, включения или отключения;

удары молний в элементы электросети (грозовые перенапряжения), обрывы линий электропередач при стихийных бедствиях и т. д.

Основные типы возможных искажений: импульсные высоковольтные броски, выбросы напряжения, длительное падение напряжения, кратковременное повышение или понижение напряжения, нестабильность его формы, полное отключение электроэнергии.

Таким образом, внутренние схемы оборудования постоянно испытывают перегрузки, вызванные искажениями. Часть помех фильтруется внутренними схемами защиты и не сказывается на работе немедленно, но значительно сокращает срок эксплуатации оборудования.

Поэтому во избежание самых непредсказуемых ситуаций — потери информации, по-

вреждения запоминающих или обрабатывающих устройств, нарушения технологического режима, вывода приборов из строя, необходима специальная система, способная нейтрализовать фактически все помехи и обеспечивать почти в 100% случаях гарантию правильной работоспособности аппаратов для проведения гемодиализа (АГД) в процессе проведения процедур. Материальные затраты на внедрение такой системы будут несравнимы с величиной человеческих потерь, вызванных отказом АГД.

На сегодняшний день недостатком систем для искусственного очищения крови, используемых в медицинских центрах гемодиализа и больницах, является отсутствие технических средств, обеспечивающих бесперебойное функционирование медицинского и компьютерного оборудования. Несмотря на оснащение многих аппаратов гемодиализа дополнительными батареями, причиной сбоев в работе систем, а следовательно, информационных и, возможно, человеческих потерь становится нарушение качества электропитания.

Современные гемодиализные аппараты характеризуются следующими техническими данными:

• гемодиализатор А 2008 С работает от сети 16 А/220 В, 50 Гц;

аппарат Dialog имеет номинальное напряжение 230 В, частоту тока 50-60 Гц, номинальный ток 10 А;

• аппарат АК95 требует напряжения сети от 100 до 240 В, частоты тока 45-65 Гц, потребляемая мощность 2025 Вт при 220 В;

аппарат АГд-03 работает от сети 220 В, 50 Гц, потребляемая мощность 1500 Вт.

Наиболее безопасную эксплуатацию высокотехнологического электронного медицинского оборудования, питающегося от электроэнергии низкого качества, можно обеспечить только с помощью источников бесперебойного питания.

В настоящее время на устройства этого класса сохраняется довольно высокая потребительская стоимость.

Источники бесперебойного питания (ИБП), в соответствии с действующим стандартом IEC 60146-4, классифицируют по принципу действия на три основные группы:

• Off-Line/Stand-By/back-up UPS;

• Line-Interactive;

• On-Line.

Источники бесперебойного питания типа Off-Line (с отключением сети) стандартом определяются как пассивные, резервного дей-

ствия (UPS-PSO). В нормальном режиме функционирования штатным питанием нагрузки является отфильтрованное напряжение первичной сети при допустимых отклонениях входного напряжения и частоты. Если параметры входного напряжения выходят за значения конструкторских допусков, включается инвертор ИБП, обеспечивающий непрерывность питания нагрузки. Инвертор питается от аккумуляторной батареи.

Данный принцип реализован в источниках питания:

• АРС серии Back;

Best Power серии Patriot;

• MGE серии Ellips.

Это самые простые приборы, а следовательно, и самые дешевые. Основными недостатками архитектуры считаются:

неудовлетворительная работа источников питания данного типа в сетях с низким качеством электрической сети: плохая защита от провалов напряжения, превышений допустимого значения напряжения, изменений частоты и формы входного напряжения;

невозможность своевременного восстановления емкости аккумуляторной батареи при частых переходах на батарейное питание;

несинусоидальное входное напряжение при работе от батареи.

В ИБП линейно-интерактивного типа (Line-Interactive) сочетаются преимущества архитектуры On-Line с надежностью и эффективностью резервных (Stand-By). В ИБП этого типа в отличие от технологии Off-Line в прямой цепи содержится ступенчатый автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора (трансформатор с переключающимися обмотками). В некоторых моделях используется сетевой стабилизатор напряжения. Инвертор соединен с нагрузкой. При работе он питает нагрузку параллельно стабилизированному переменному напряжению сети. Нагрузка подключается полностью только в том случае, когда входное напряжение электросети исчезает. Инвертор обычно работает при низком напряжении, регулирует выходное напряжение и подзаряд аккумуляторов до тех пор, пока не потребуется его включение до полного питания нагрузки при перебоях в электросети. Линейно-интерактивные ИБП нашли наиболее широкое применение в системах защиты компьютерных сетей.

Рис. 1. Структурная схема интеллектуальной системы контроля питания для гемо диализной аппаратуры

Одним из преимуществ данной архитектуры является широкий диапазон допустимых входных напряжений. Используемый принцип действия реализован в аппаратах серий: NetUPS (Pover Ware), Pro (Best Pover), Match (IMV), Smart (APC), Smart King (Povercom).

Технология On-Line позволяет реализовать самый надежный тип ИБП.

Недостатки ИБП архитектуры On-Line: невысокий, по сравнению с ранее рассмотренными архитектурами КПД (85...90 %) из-за двойного преобразования (по отношению к Line-Interactive) и высокая цена. Тем не менее, уровень защиты нагрузки и стабильность выходных параметров ИБП — разумный компромисс между безопасностью, КПД и ценой устройства.

Примером архитектуры On-Line могут служить аппараты производства Pover Ware серии Prestige, Povercom серии Ultimate, Best Pover серии Best Pover 610, IMV серии Net Pro, Lan Pro, Site Pro и др.

Структурная схема интеллектуальной системы контроля питания для гемодиализной аппаратуры представлена на рис. 1.

Интеллектуальная система управления включает в себя 9 основных блоков:

источник бесперебойного питания (ИБП);

• гемодиализатор (Г); блок сопряжения (БС);

• блок контроля питания (БКП);

• реле для коммутации К1;

• реле для коммутации К2; блок питания (БП);

• персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ);

• пациента.

ИБП обеспечивает защиту от широчайшего спектра неприятных событий в электросети, причем самыми разнообразными способами. По мере необходимости он использует простейшие средства (фильтры, разрядники) и более сложные устройства (преобразователи напряжения, стабилизаторы), составляющие единый комплекс.

Блок сопряжения служит для дешифрации аварийных сигналов с гемодиализатора, кодированных по нарушениям процесса диализа или неисправности самого диализатора. Дополнительно в блоке сопряжения осуществляется гальваническая развязка. Затем дискретный сигнал поступает на микроконтроллер PIC16F877 блока контроля питания и через порт RS-232 подается на ПЭВМ, дальнейший мониторинг осуществляется по специальной программе.

Блок контроля питания является центральным звеном интеллектуальной системы управления для проведения процедуры гемодиализа, так как осуществляет не только мониторинг всей системы, но и обеспечивает ее двойную защиту от энергосбоев в сети даже в случае отказа источника бесперебойного питания. Благодаря тестовой программе BKPTEST, предназначенной для проверки работоспособности электронной схемы блока контроля питания, путем имитации различных контролируемых схемой состояний БКП осуществляется частичное исключение человеческого фактора, если рассматривать данную систему как «человек-машина».

Блок контроля питания работает в соответствии с заданным алгоритмом, приведенном на рис. 2.

[ Начало |

Инициализация Реле выкл. разряд = нет, светодиоды выкл., Тзар = 0, Заряд пред. = Заряд АКБ, Счт1=0, Счт2=0, АнЗарАКБ=0

Измерение ивх, ивы Заряд АКБ, Вкл. инвертора, Счт1=0, Счт2=0

Считывание кода с XP9

4. Отключить вход ИБП

Проверка кода по таблице Счт2=Счт2+1

Рис. 2. Алгоритм работы блока контроля питания

БКП контролирует напряжение питания на входе ИБП. При соблюдении условий 196 В < ивх < 245 В вход ИБП включается в систему. В случае значительных отклонений от установленных пределов (удары молний в элементы электросети — грозовое перенапряжение, обрыва ЛЭП при стихийных бедствиях), БКП через реле коммутации К1 отключает ИБП от системы до устранения причин.

БКП контролирует также напряжение на выходе ИБП. При несоблюдении условий 196 В < ивых < 245 В БКП через реле коммутации К2 отключает ИБП от системы, тем самым переводя питание ее от сети.

Блок питания вырабатывает напряжение 24 В, необходимое для работы ряда функциональных узлов интеллектуальной системы управления.

Персональная электронно-вычислительная машина предназначена для осуществления мониторинга всей системы через порт RS-232 с помощью программы BKPTEST.

Интеллектуальная система управления аппаратурой для проведения процедуры гемодиализа снабжена кнопкой SW1 принудительного отключения ИБП (ручной байпас) на случай технического контроля БКП.

Для того чтобы лучше понимать работу источника бесперебойного питания представим функциональную схему ИБП с технологией On-Line (рис. 3).

Функциональная схема ИБП с технологией On-Line серии Ultimate включает в себя входной фильтр низких частот ФНЧ U1, выпрямитель 2, корректор коэффициента мощности 1, инвертор 3, обходное реле 1, выходной фильтр низких частот ФНЧ

и4, а также зарядное устройство С1, аккумуляторную батарею (72, преобразователь 115, панель управления и индикации, порты Ы5-232, USB.

Отфильтрованный в ФНЧ и 1 входной сигнал 220 В преобразуется в 112 в постоянный сигнал. С целью исключения потерь в пи-

тающих проводах за счет нагружающего их реактивного тока в 1 осуществляется коррекция коэффициента мощности. За счет этого выходная мощность ИБП перестает жестко зависить от напряжения сети — даже при «просевшей» сети в нагрузку отдается полная мощность.

Нет

Инвертор . Выкл. светодиод

включен «Инвертор включен»

Вкл. светодиод

«Инвертор включен» к

Выкл. светодиод «Заряд АКБ не норма» Тзар=0, АнЗарАКБ=0

' ,— На» кнопка трев

• ата «Съем эги» 'ГДа

Выкл. звуковой сигнал

Вкл. светодиод «Заряд АКБ не норма» Сигнал 1/2 Тзар=0, АнЗарАКБ=0

Нет

0

Рис. 2. Алгоритм работы блока контроля питания

Входной

ФНЧ

Входная сеть 220 В

Зарядное устройство ' —>

Корректор

коэффициента

мощности

V

Аккумуляторная

батарея

Инвертор

Выходной

ФНЧ

Преобразователь

DC/DC

Обходное

реле

Управление и мониторинг

Выход

СЗ

Панель управления и индикации

Порты

RS-232

USB

Слот

расширения

Рис. 3. Функциональная схема ИБП с технологией On-Line

В U2 сигнал преобразуется из постоянного напряжения в переменное для питания нагрузки. Это напряжение отличается повышенным качеством и стабильностью.

Для компенсации процесса саморазряда в аккумуляторной батарее G2 в ИБП осуществляется подзаряд батареи зарядным устройством G1 по специальному алгоритму управления зарядом батареи — в несколько циклов по техлогии АМВ третьего поколения (Advanced Battery Management 3).

В зависимости от качества электроснабжения ИБП автоматически переключается между режимом постоянной работы на линии и обходным режимом с помощью «обходного реле» К\. Если качество сетевого напряжения удовлетворительное, ИБП находится в режиме постоянной работы на линии с двойным преобразованием. Если сетевое напряжение хорошего качества и не содержит помех, ИБП переключается в обходной режим BYPASS, уменьшая таким образом потери на преобразование. В тоже время ИБП регистрирует любые дефекты сетевого напряжения и возвращается в режим постоянной работы на линии.

ИБП Ultimate совместим с программным обеспечением UPSMON Plus для мониторинга питания, определения разряда батарей, управления расписанием включения/выключения ИБП и своевременной реакцией на изменения электросети. ИБП имеет возможность управления по порту RS-232/«сухих контактов» или через опционный SNMP адаптер: посылает сигналы пропадания входного напряжения и предупреждения разряда батарей, принимает сигнал выключения.

ИБП серии Ultimate предоставляет пользователю возможность увеличения времени ба-

тарейной поддержки путем подключения дополнительных батарейных блоков.

Компания POWERCOM предлагает дифференцированный подход к организации мониторинга и управления ИБП с учетом индивидуальных потребностей клиента.

Выбранная серия ИБП предлагает 4 варианта подключения:

1 вариант: ИБП — компьютер.

2 вариант: 1 ИБП — несколько компьютеров, главный компьютер подключен к ИБП по последовательному порту RS-232 или USB.

3 вариант: 1 ИБП — несколько компьютеров, отсутствует подключение ИБП к компьютеру по RS-232.

4 вариант: смешаный — от 1 до 1500 ИБП; практически неограниченное количество компьютеров, серверов; подключение бывает как к одному ИБП нескольких компьютеров, так и к одному ИБП — один компьютер. Все компьютеры объединены локальной сетью.

ИБП Ultimate-8000-LCD защищает от 9 основных неполадок с электропитанием:

1) высоковольтные импульсы — рассеиваются 480 Дж в течение 2 мс;

2) защита от перегрузки и короткого замыкания — входной тепловой автомат и автоматическое выключение для защиты электронных схем;

3) повышения напряжения — стабилизация с двойным преобразованием;

4) понижения напряжения — стабилизация с двойным преобразованием;

5) пропадание напряжения — работа от внутренних аккумуляторных батарей;

6) электромагнитные и радиочастотные помехи — фильтруются входным и выходным EMI/RFI фильтрами;

7) искажение формы синусоидального входного напряжения — нагрузка всегда питается от работающего инвертора;

В) отклонение частоты;

9) переходные процессы в сети.

На рис. 4 представлена структурная схема блока контроля питания (БКП).

Структурная схема БКП включает следующие блоки:

блок преобразования сигналов; блок преобразования напряжения І; блок преобразования напряжения 2; блок питания;

• микроконтроллер PIC !6F877; блок гальванической развязки І; блок гальванической развязки 2; блок индикации;

блок коммутации;

• порт RS-232;

блок стабилизации напряжения.

На блок преобразования сигналов с ИБП поступают аналоговые сигналы 0... 5 В о заряде аккумуляторных батарей и включении инвертора. Далее они преобразуются в сигналы для микроконтроллера PIC16F877. В микроконтроллере, в соответствии с установленным алгоритмом, эти сигналы обрабатываются и передаются на блок индикации и через блок гальванической развязки 2 на порт RS-232.

С блока сопряжения поступают дискретные сигналы о состоянии гемодиализатора на микроконтроллер, где они обрабатываются по установленному алгоритму и выдаются на блок индикации и через блок гальванической развязки 2 на порт RS-232.

На блок преобразования напряжения І со входа ИБП и на блок преобразования напряжения 2 с выхода ИБП поступают 2 переменных напряжения по 220 В. Далее они преобразуются в соответствующих блоках преобразования напряжений в сигналы для микроконтроллера. В микроконтроллере, в соответствии с установленным алгоритмом, сигналы обрабатываются и поступают на блок индикации, через блок гальванической развязки І — на блок коммутации, через блок гальванической развязки 2 — на порт RS-232. Блок питания преобразует входное переменное напряжение 220 В в стабилизированное постоянное напряжение +5 В. Этот блок является источником питания микросхем БКП.

Интеллектуальным узлом блока контроля питания является восьмиразрядный микроконтроллер PIC16F877 фирмы Microchip. Данный микроконтроллер имеет энергосберегающие функции, которые могут повысить долговечность батарей системы. PIC16F877 может принимать и обеспечивать на выходе ток до 25 мА. Это делает возможным управление электропитанием многих внешних периферийных устройств.

Микроконтроллер PIC16F877 работает в соответствии с установленным алгоритмом, формируя управляющие сигналы в зависимости от состояния входных сигналов.

Блок индикации, включающий І0 светодиодных индикаторов, позволяет наблюдать управление каждым выводом порта микроконтроллера, к которому они присоединены. При появлении одной из неисправностей системы аварийный сигнал с соответствующего вывода микроконтроллера через связующий резистор поступает на светодиод и звуковой сигнализатор блока индикации.

Рис. 4. Структурная схема блока контроля питания

Одновременно включается звуковой сигнал, который можно снять кнопкой «Съем тревоги».

Блок гальванической развязки 1 служит для передачи сигналов о состоянии входа/выхода ИБП с микроконтроллера на блок коммутации, а также для гальванической развязки цепи.

Блок коммутации в зависимости от состояния ивх/ивЫх ИБП управляет соответствующими реле коммутации системы.

Блок гальванический развязки 2 служит для передачи информационных сигналов с микроконтроллера на порт К5-232, а также для гальванической развязки цепи.

Порт RS-232 необходим для соединения блока контроля питания с ПЭВМ. Через него возможно осуществление передачи информационных данных на компьютер и, наоборот, с компьютера на блок контроля питания.

Блок стабилизации напряжения стабилизирует входное напряжение от +12 В (+24 В) до +9 В и с +9 В до +5 В, формируя напряжение питания для микросхем блока контроля питания.

Использование предлагаемой системы в медицинских центрах позволит значительно

повысить качество проведения процедуры гемодиализа, и будет гарантировать непрерывное проведение процедуры при сбоях в электропитании.

ОБ АВТОРАХ

Уразбахтина Юлия Олеговна, доц., зам. зав. каф. ИИТ. Дипл. инж.-элект. по авиац. приборам и изм.-выч. компл. (УГАТУ, 1993). Канд. техн. наук по инф.-изм. и упр. сист. (там же, 1996). Иссл. в обл. интел. упр. мед. техникой.

Хрусталева Екатерина Сергеевна, ст. лаб. той же каф., студ. 5-го курса спец. «Инженерное дело в медико-биоло-гичсекой практике». Стипендиат ученого совета УГАТУ.