技术领域
[0001] 本
发明涉及
肿瘤放射治疗技术领域，尤其涉及一种真空监控系统及方法。
背景技术
[0002] 医用重离子治疗装置由加速器子系统、治疗子系统及辅助系统组成，加速器控制系统是加速器子系统的重要组成部分，其主要作用是实现对加速器设备的监测与控制，实时显示设备运行状态及参数。加速器子系统产生治疗所需离子束，而离子束必须在一定真空的环境下传输以减少离子束运行时的阻
力，保证束流的寿命。真空监控系统是医用重离子加速器控制系统的一个子系统，其被控对象有
气动阀、快关阀、干式机械
泵、溅射离子泵、真空计等真空设备。整个系统实现对上述加速器沿束线真空设备的实时监测与远程控制。医用重离子真空监控系统相较于工业真空监控系统要求安全性及可靠性更高，需要实时监测真空设备的运行状态及参数，设备故障时能及时预警并作出相应的保护措施，整个系统的设备之间需要及时、高效及精准的通信。
发明内容
[0003] (一)要解决的技术问题
[0004] 本发明提供了一种用于医用重离子加速器的真空监控系统，该系统安全性及可靠性高，可以实时监测真空设备的运行状态及参数，设备故障时能及时预警并作出相应的保护措施，整个系统的设备之间需要及时、高效及精准的通信。
[0005] (二)技术方案
[0006] 第一方面，本发明提供了一种用于医用重离子加速器的真空监控系统，系统包括：真空设备，包括多个泵、多个真空计以及多个阀
门，其中，所述泵通过
抽取真空管道内的气体，以使真空管道内的真空度值保持在预设范围内，真空计用于监测真空管道内的真空度值，阀门用于开启或关闭真空管道，多个阀门中包括至少一个联
锁阀门；远程PLC工作站，用于远程监控真空设备，并将真空设备的运行状态、参数及真空管道内的真空度值实时传输至真空监控系统
服务器，若真空度值大于预设真空度值或真空设备的运行状态及参数不在预设状态或范围内，则生成联锁
信号以及第一报警信号，并根据联锁信号关闭所述联锁阀门，并将第一报警信号发送至真空监控系统服务器；真空监控系统服务器，用于接收真空设备的运行状态、参数、真空度值及第一报警信号，并将运行状态、参数、真空度值及第一报警信号转化为标准工业数据；客户机，用于
访问标准工业数据，并根据标准工业数据远程监控真空设备。
[0007] 可选地，远程PLC工作站还包括判断真空设备与远程PLC工作站的通讯状态，若通讯中断时间大于预设时间
阈值，则生成第二报警信号，真空监控系统服务器还包括将第二报警信号转化为标准工业数据。
[0008] 可选地，远程PLC工作站包括：输入输出模
块，用于接收或采集真空设备的运行状态及参数，同时根据远程PLC工作站接收的控制命令或联锁信号输出真空设备所需的
控制信号；通信模块，用于与真空设备、真空监控系统服务器、或其他远程PLC工作站之间的通信；CPU模块，用于判断真空度值及通讯中断时间，若真空度值大于预设真空度值或运行状态及参数不在预设状态及范围内，则生成联锁信号以及第一报警信号，若通讯中断时间大于预设时间阈值，则生成第二报警信号。
[0009] 可选地，真空监控系统服务器与客户机之间的数据传输采用标准工业通信协议。
[0010] 可选地，远程PLC工作站之间，以及远程PLC工作站与真空监控系统服务器之间采用基于实时工业以太网的光纤环网，以使远程PLC工作站之间的通讯网络始终处于冗余状态。
[0011] 可选地，光纤环网包括至少两台交换机及多条多模光缆，每台交换机接入至少一台远程PLC工作站。
[0012] 可选地，真空监控系统服务器与客户机之间采用高速以太网进行连接。
[0013] 可选地，客户机包括
人机交互界面，用于远程监控并管理真空监控系统设备、处理第一报警信号及第二报警信号，及对真空设备运行历史数据进行存储及查看。
[0014] 第二方面，本发明提供了一种真空监控方法，方法包括：比对真空度值与预设真空度值，及运行状态及参数与预设工作范围，若真空度值大于预设真空度值或运行状态及参数不在预设状态或范围内，则生成联锁信号以及第一报警信号；根据联锁信号关闭所述联锁阀门；并将运行状态、参数和真空度值实时发送至真空监控系统服务器，以及将生成的第一报警信号发送至真空监控系统服务器，以使真空监控系统服务器将运行状态、参数、真空度值及第一报警信号转化为标准工业数据，进而使客户机访问所述标准工业数据，并根据标准工业数据控制真空设备。
[0015] 可选地，远程PLC工作站还包括判断真空设备与远程PLC工作站的通讯状态，若通讯中断时间大于预设时间阈值，则生成第二报警信号，真空监控系统服务器还包括将第二报警信号转化为标准工业数据。
[0016] (三)有益效果
[0017] 本发明提供了一种用于医用重离子加速器的真空监控系统，至少达到如下技术效果：
[0018] (1)采用标准工业控制设备及模块，缩短
硬件研发周期，提高了系统的可靠性、维护性；同时避免了升级与采供的困难，降低了作业难度，减轻备品备件的采购难度，增加了
稳定性与可靠性；
[0019] (2)采用标准商业系统集成
软件及标准工业通信协议，大大缩短了系统开发的周期，减少了二次开发，提高了产品升级换代的可选性，同时延长了软件的生命周期，使得整个系统标准、开放，利于后续的扩展及升级；
[0020] (3)采用联锁保护机制，使得真空设备发生故障或加速器真空管道真空环境发生异常时，对真空设备及真空环境进行了有效的保护，确保了设备安全；
[0021] (4)应用实时工业以太网及光纤环网技术，提高了真空监控系统通信网络的可靠性和安全性，使得网络时刻处于冗余模式；
[0022] (5)设置报警机制，在参数异常时发送报警信号等，使得管理人员可以及时发现设备异常，进一步对其进行调整。
附图说明
[0023] 图1示意性示出了本公开
实施例中的用于医用重离子加速器的真空监控系统示意图；
[0024] 图2示意性示出了本公开实施例中的真空监控系统的软件逻辑架构图；
[0025] 图3示意性示出了本公开实施例中的下位机(PLC)控制程序的功能流程示意图；
[0026] 图4示意性示出了本公开实施例中的真空监控方法步骤图。
具体实施方式
[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0028] 第一方面，本发明提供了一种用于医用重离子加速器的真空监控系统，该系统包括：真空设备，包括多个泵、多个真空计以及多个阀门，其中，泵通过抽取真空管道内的气体，以使真空管道内的真空度值在预设范围内，真空计用于监测真空管道内的真空度值，阀门用于开启或关闭真空管道，多个阀门中包括至少一个联锁阀门；远程PLC工作站，用于远程监控真空设备，并将真空设备的运行状态、参数及真空管道内的真空度值实时传输至真空监控系统服务器，若真空度值大于预设真空度值或真空设备的运行状态及参数不在预设状态或范围内，则生成联锁信号以及第一报警信号，并根据联锁信号关闭联锁阀门，并将第一报警信号发送至真空监控系统服务器；真空监控系统服务器，用于接收真空设备的运行状态及参数、真空度值及第一报警信号，并将运行状态、参数、真空度值及第一报警信号转化为标准工业数据；客户机，用于访问标准工业数据，并根据标准工业数据远程监控真空设备。
[0029] 参见图1，图1示意性示出了本公开实施例中的用于医用重离子加速器的真空监控系统示意图，由图1可知，该真空监控系统包括真空设备、远程PLC工作站、真空监控系统服务器、客户机等。
[0030] 具体的，本公开实施例以监控医用重离子加速器的离子束真空设备为例进行详细阐述，该真空设备包括多个泵、多个阀门以及多个真空计，其中泵包括干式机械泵、溅射离子泵等用于抽取真空管道内的气体，阀门包括
气动阀、快干阀等控制真空管道的开启和关闭，其中多个阀门中至少包括至少一个联锁阀门，该联锁阀门可以接收联锁信号以根据联锁信号及时关闭真空管道，真空计外接的真空规管设于真空管道内，用于检测该真空管道内的真空度值。
[0031] 远程PLC工作站，其与真空设备和真空监控系统服务器通信连接，具有接收数据并对数据进行逻辑判断的功能，其可以将真空计检测的真空度值及真空设备的运行状态、参数等实时传送至真空监控系统服务器，同时可对真空度值及真空设备的运行状态、参数等进行逻辑判断，生成联锁信号、报警信号等，具体的该远程PLC工作站至少包括电源模块、输入输出模块、通信模块以及CPU模块等。
[0032] 其中，电源模块用于为该远程PLC工作站供电；
[0033] CPU模块用于对输入的真空度值及真空设备的运行状态和参数进行逻辑判断并生成对应的结果，本发明实施例中CPU模块采用西门子S71200系列CPU(型号：CPU 1214C)，具体的该CPU模块至少可实现如下功能：对真空设备检测的真空度值和真空设备的运行状态和参数进行判断，若真空度值大于预设真空度值或所述运行状态或参数不在预设状态或范围内时，则生成联锁信号及第一报警信号，同时可实现对通讯状态的判断，若真空设备与远程PLC工作站之间的通讯中断时间大于预设时间阈值，则生成第二报警信号。
[0034] 输入输出模块包括I/O
接口模块，用于接收或采集真空设备的运行状态及参数，同时根据远程PLC工作站接收的控制命令或联锁信号输出真空设备所需的控制信号，本发明实施例中I/O接口模块搭载在上述西门子S7 1200系列CPU上，具体的该西门子S7 1200系列CPU搭载14个DC 24V
数字量输入I/O接口模块、10个DC 24V数字量输出I/O接口模块、2个DC 0-10V模拟量输入I/O接口模块，工作
存储器为100K byte、装载存储器为4M byte、CPU对于位运算的处理时间为0.08μs，对于字运算的处理时间为1.7μs，对于浮点运算的处理时间为
2.3μs；输入输出模块，用于接收和采集被控设备的
开关量和模拟量信号，并可以输出被控设备所需的控制信号。具体的输入输出模块实现对现场气动阀、快关阀和干式机械泵的“打开”、“关闭”、“复位”等进行开/关控制，以及“开状态”、“关状态”和“报警”等设备状态信号的采集，实现对加速器现场对真空阀门、泵类等设备的实时监测与远程控制。
[0035] 通信模块，用于实现与真空设备、真空监控系统服务器、或其他远程PLC工作站之间的通信。本发明实施例中的通信模块可以采用西门子CB 1241(RS485)和CM 1241(RS232)模块，其中RS 485模块实现对干式机械泵的速度、功率、
温度、运行状态、故障报警等设备运行参数的传输；RS232模块实现对真空计的真空度数据、通讯状态以及溅射离子泵
电流值、
电压值、通讯状态、运行状态等运行参数的传输，以及本地/远程、4KV/6KV电压切换等控制信号的传输，实现对加速器现场真空计、泵类设备的实时监测与远程控制。具体的，在本发明实施例中用于输入至远程PLC工作站的真空设备的运行状态、参数及真空度值，使得CPU模块可以对该真空设备的运行状态、参数及真空度值进行判断以生成联锁信号、第一报警信号及第二报警信号，并将CPU模块生成的联锁信号及时传输至联锁阀门，使联锁阀门关闭真空管道，同时将联锁信号、第一报警信号及第二报警信号发送至真空监控系统服务器。
[0036] 真空监控系统服务器，用于接收真空设备的运行状态、参数、真空度值及第一报警信号，并将运行状态、参数、真空度值及第一报警信号转化为标准工业数据；具体的，真空监控系统服务器与客户机和远程PLC工作站连接，该真空监控系统服务器可以接收PLC远程工作站发送的真空设备的运行状态及参数、真空度值、第一报警信号及第二报警信号，并通过标准工业通信协议将其转化为客户机可识别的含有预设格式的标准工业数据，也即该真空监控系统服务器具有中转站的功能，依据标准工业OPC协议将所有经过处理或过滤的数据以OPC变量的形式进行发布，中央控制服务器或其它子系统服务器通过高速以太网以OPC Client形式对服务器进行访问；同时该真空监控系统服务器还包括人机交互界面，操作人员或运维人员可以通过该人机交互界面对加速器沿束线真空设备进行在线实时监测与远程控制，同时具备人员管理、数据存储、数据分析、报表输出等功能，本发明实施例中的真空监控系统服务器采用OPC服务器，其为研华ARK-3440
工业控制计算机，其安装有旗舰版Windows 7(64位)
操作系统，8G RAM、1T
硬盘、Intel(R)Core(TM)i7CPU 2.53GHz处理器，集成双网卡，其中一网卡通过现场实时工业以太网(Profinet)实现服务器与现场远程子站(PLC)之间的数据传输与通信。另一网卡通过加速器高速以太网实现服务器与其它加速器子系统及加速器中央监控系统的数据交互。
[0037] 客户机，用于访问标准工业数据，并根据标准工业数据远程监控真空设备。具体的，客户机包括人机交互界面，远程用户可以通过客户机访问真空监控系统服务器中的标准工业数据，
可视化显示数据内容如报警信号、运行状态、参数等，并可发送远程控制指令实现对真空设备的远程控制。真空监控系统服务器与该客户机之间采用高速以太网进行连接。
[0038] 网络连接上，为保证传送的安全性、可靠性及实时性，远程PLC工作站之间，以及远程PLC工作站与真空监控系统服务器之间采用基于实时工业以太网的光纤环网进行高速数据的传输，以使远程PLC工作站之间的通讯网络始终处于冗余状态，光纤环网包括至少两台交换机及多条多模光缆，每台交换机接入至少一台远程PLC工作站。本发明实施例中光纤环网主要由4台研华EKI-7656C工业以太网交换机、百兆多模光缆组成，每台交换机最大可接入16台远程PLC工作站。环网配置使得网络时刻处于冗余模式，有效防止了因光纤链路一处发生故障而影响整体网络通讯的隐患，提高了系统的安全性和可靠性。远程PLC工作站通过超五类屏蔽网线与工业以太网交换机连接，网络带宽为100Mbps，各远程PLC工作站与工业控制计算机之间采用新一代基于工业以太网技术的PROFINET通讯协议进行数据交互，其实时通信响应的典型响应时间为5～10ms，最小实时周期为250μs，抖动小于1μs，数据传输方式为全双工，数据传输带宽为100Mbps，保证了现场通信的实时性与准确性。
[0039] 远程PLC工作站与真空设备和之间的通信线缆均采用屏蔽线缆，机箱/机柜内部走线坚持“强弱分离”原则，柜外线缆严格敷设于弱电专用桥架，真空监控系统所有装置供电均采用不间断电源(UPS，Uninterruptible Power Supply)，现场强电与弱电接地线路严格分离，有效提高了整个系统的安全性与可靠性。
[0040] 图2示意性示出了本公开实施例中的真空监控系统的软件逻辑架构图，如图2所示，客户端具有可视化的操作界面、报警处理按钮、数据记录信息以及报表查询等功能，其下联真空监控系统服务器；真空监控系统服务器中配置管理程序可以实现服务器中内存的分配，通过实时事件管理程序实时对接收的数据进行分类归档等，OPC Sever管理程序对输入输出数据进行协议转换，通讯驱动接口与远程PLC工作站中的通讯驱动接口连接，实现真空监控服务器与远程PLC工作站的数据交互，远程PLC工作站下与真空设备相连，可实时采集设备中的运行状态及参数，并根据其内的PLC控制程序对运行数据进行实时处理，并生成联锁信号、第一报警信号或第二报警信号。
[0041] 该医用重离子加速器的真空监控系统在软件配置上主要包括两部分，一部分为上位机软件，另一部分为下位机(远程PLC工作站)控制程序。
[0042] 其中，上位机软件采用商业组态软件WinCC V7.3进行系统集成，其核心为一个分布式的实时
数据库，同时包含网络通讯管理软件、设备驱动软件及大量的软件组态开发工具。整个软件为客户/服务器模式模块，服务器模块安装在真空监控系统服务器上，客户模块运行在真空监控系统服务器及其它远程客户机上；服务端与客户端之间的通讯采用了标准OPC协议，保证不同的客户对真空监控系统数据访问的无缝连接，系统实时数据存储于运行在服务器的数据库中，客户从数据库中获取系统运行参数，同时，客户机还包括人机操作界面、图形显示、历史数据记录、报表及故障报警等功能。上位机软件的功能还包括对每台远程PLC工作站的通讯状态进行轮询判断，轮询周期为500ms，若发生故障则触发报警机制，提示现场专业操作人员及时进行相应处理。
[0043] 下位机(远程PLC工作站)控制程序采用西门子SIMATIC STEP 7进行程序编写，编写的程序通过上位机下载至PLC，PLC实时采集现场数据及设备状态，同时对数据进行分析、处理，并通过逻辑运算及判断将运算结果与数据通过通信网络上传至上位机。其中，PLC
采样频率为20KHz，真空监控系统PLC控制程序扫描周期为3～5ms，其具体实现功能如图3所示，该下位机(PLC)控制程序可以读取真空设备的当前运行参数、设备通讯状态、执行设备控制指令、联锁保护等功能，具体的，远程PLC工作站通过I/O接口模块读取气动阀、快关阀等设备运行状态，如远程PLC工作站通过RS232通讯模块读取溅射离子泵和真空计的实时运行数据；远程PLC工作站通过RS485通讯模块读取干式机械泵实时运行数据；远程PLC工作站实时监测溅射离子泵和真空计的通讯状态值，若通讯中断持续时间大于或等于阈值，则判定设备通讯中断，启动报警机制；PLC接收真空监控系统OPC服务器下发的各项控制指令，包括打开、关闭、复位、状态切换等，指示被控设备执行相应动作；远程PLC工作站根据读取的真空度数值与预设真空度值进行比较，若真空度大于或等于预设真空度值或设备不在预设状态或范围内，则启动设备联锁保护机制，相应的联锁阀门自动关闭，同时，真空监控系统向加速器中央连锁系统提供连锁信号，同时可将真空设备运行状态值、第一报警信号、第二报警信号等通过实时工业以太网向真空监控系统服务器或其他远程子站进行传输。
[0044] 第二方面，本发明还提供了一种真空监控方法，参见图4，方法包括：
[0045] S1，比对真空度值与预设真空度值，及运行状态及参数与预设状态或范围，若真空度值大于预设真空度值或运行状态及参数不在预设状态或范围内，则生成联锁信号以及第一报警信号；
[0046] S2，根据联锁信号关闭联锁阀门；
[0047] S3，并将运行状态、参数和真空度值实时发送至真空监控系统服务器，以及将生成的第一报警信号发送至真空监控系统服务器，以使真空监控系统服务器将运行状态、参数、真空度值及第一报警信号转化为标准工业数据，进而使客户机访问标准工业数据，并根据标准工业数据控制真空设备。
[0048] 其中，远程PLC工作站还包括：
[0049] S4，判断真空设备与远程PLC工作站的通讯状态，若通讯中断时间大于预设时间阈值，则生成第二报警信号，真空监控系统服务器还包括将第二报警信号转化为标准工业数据。
[0050] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
