CN109270883A - 一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，包括上位机PC、交换机、PLC、光电转换模块和加速器各子系统，所述上位机PC用于远程监控和操作加速器子系统的状态和运行，同时设定权限和切换不同模式，方便加速器的出束和调试，所述光电转换模块将光纤信号转换成PLC所能使用的电信号，所述加速器各子系统包括水冷系统、举升系统、超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统。本发明的有益效果是：该加速器安全联锁系统硬件使用、区分十分的明细，且使用方便，该系统加速器安全联锁系统的响应速度更快，且该加速器安全联锁系统更便于使用、操作，且工作的精度更高。

Description

一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统

技术领域

本发明属于加速器设备安全领域，涉及一种安全联锁系统，具体是一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统。

背景技术

目前加速器已广泛运用于多个行业内，尤其是质子治疗领域，加速器用来加速质子。质子在漂移管缝隙中被加速，进人漂移管后，保护质子不受减速电场的影响，提高了质子治疗的质量和效率。

加速器设备的联锁保护也采用不同的方式和技术手段，大多数将安全联锁系统合并在控制系统内，采用同一界面显示并且数据采集集于一体；也有少数将安全联锁系统和控制系统分开，采用不同界面，但硬件未区分的很详细，增加了安全联锁系统复杂度和数据处理量，达不到响应时间的要求，为解决上述缺陷，现提供一种解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统。

本发明所要解决的技术问题为：

(1)如何将安全联锁系统和控制系统分开，且将安全联锁系统和控制系统的硬件区分的更详细；

(2)如何降低安全联锁系统的复杂度和数据处理量，提高安全联锁系统的响应速度；

(3)如何将安全联锁系统更便于操作使用，且如何提高安全联锁系统的工作精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现；

一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，包括上位机PC、交换机、PLC、光电转换模块和加速器各子系统；

其中，所述上位机PC用于远程监控和操作加速器子系统的状态和运行，同时设定权限和切换不同模式，方便加速器的出束和调试，例如监控人员只具有监控的权限无法输入参数或则切换不同模式，而维护人员可根据实际情况输入参数和切换模式；

所述交换机用于远程通信和数据交换；

所述PLC通过内部运算单元处理下位系统所传递的数据，根据上位机PC提供的不同条件进行不同的联锁逻辑，有选择性的保护或屏蔽所述加速器子系统；

所述光电转换模块将光纤信号转换成PLC所能使用的电信号；

所述加速器各子系统包括水冷系统、举升系统、超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统。

进一步的，所述PLC采用安全型PLC，且PLC能实现SIL3或SIL4等级，且PLC内部字节运算速度在ns量级，PLC通过内部运算单元处理下位系统所传递的数据，并可根据上位机PC提供的不同条件进行不同的联锁逻辑，有选择性的保护或屏蔽加速器子系统。

进一步的，所述水冷系统、举升系统、超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统与该加速器安全联锁系统之间采用失效安全性设计，信号高电平表明加速器各子系统无故障或PLC联锁未生效，信号低电平表明子系统有故障或PLC联锁生效。

进一步的，所述加速器各子系统与光电转换模块之间全部采用光纤通信。

进一步的，所述光电转换模块与PLC之间全部采用电缆通信。

进一步的，该加速器安全联锁系统的模式分为工作模式和维护模式，工作模式下，操作人员无法手动输入参数，系统PLC自动检测加速器子系统状态并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑，在维护模式下，屏蔽加速器各个子系统之间的联系，进行单独的调试。加速器安全联锁系统在维护模式下，可屏蔽的系统有超导磁体系统，离子源系统，RF系统和引出区系统，由于水冷系统负责给全部设备提供水循环，举升系统是封闭容器，用于存储离子源、RF、真空等，真空系统为超导磁体、离子源等提供真空环境，则水冷系统，举升系统和真空系统不可屏蔽，加速器安全联锁系统在工作模式下，若水冷系统故障可关闭超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若举升系统故障可关闭超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若超导磁体系统故障可关闭真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若真空故障可关闭超导磁体系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若引出区故障可关闭离子源系统和RF系统。

进一步的，该系统在工作时，利用交换机实现了远程上位机PC监控和控制加速器安全联锁系统，在本地的安全联锁系统逻辑部件采用S7-1500F型PLC，通过光电转换模块使用光纤与加速器各子系统连接；

在加速器安全联锁开机启动中，系统默认的是工作模式，此时PLC检测加速器各子系统的状态，判断是否满足加速器出束条件，如果不满足，启动联锁逻辑并上报给界面，界面显示出当前加速器各子系统的状态及联锁关闭的系统；

当操作人员使用普通用户名登陆时，只有工作模式的权限，在工作模式下，界面上可查看到加速器子系统的运行状态，故障源，联锁关闭的系统，本控PLC的状态以及报警信息，当操作员使用维护或专家用户名登陆时，有工作和维护模式的权限，实现在界面上两种模式的切换，在维护模式下选择屏蔽的系统，如不选择，系统默认为无需屏蔽；

在工作模式下，若PLC检测到水冷系统故障可自动下发超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到举升系统故障则自动下发超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到超导磁体系统故障则自动下发真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到真空故障则自动下发超导磁体系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到引出区故障则自动下发离子源系统和RF系统联锁关闭命令；

以引出区为例，在光电转换模块和PLC正常工作条件下，且界面处于工作模式下，若光电转换模块上显示引出区系统的状态为无光，PLC输入端检测到引出区系统的状态处于低电平，则PLC判断引出区处于关闭状态，无论引出区是人为关闭还是因故障启动的自锁关闭，加速器安全联锁系统都默认为加速器不满足出束条件，则关闭离子源系统和RF系统，此时PLC自动下发离子源系统和RF系统联锁关闭命令，并检查离子源系统和RF系统的状态，在界面上的信息栏显示PLC检测结果，处理过程，反馈并判断联锁是否生效信息；

在维护模式下，PLC联锁的逻辑与工作下的联锁逻辑相同，不同之处在于多了对屏蔽功能的判断和单独控制子系统的启动、关闭和暂停等命令；

以离子源为例，在光电转换模块和PLC正常工作条件下，当操作人员使用维护用户名登陆系统，切换到维护模式下，选择屏蔽离子源系统，若此时引出区系统状态显示为关闭，则已屏蔽离子源系统，离子源系统不受影响继续运行，PLC自动忽略离子源系统下发RF系统联锁关闭的命令，若水冷系统状态显示为关闭，由于离子源系统中的水循环由水冷系统提供，则屏蔽不起作用，PLC自动下发离子源系统、RF系统等联锁关闭命令；

在维护模式下，加速器安全联锁系统根据实际环境和子系统的要求，单独下发子系统开启、关闭、暂停等命令，若在界面上下发水冷关闭命令，水冷本控设备执行关闭命令，则水循环不工作，水冷故障信号为低电平，加速器安全联锁系统关闭超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统，并在界面上显示当前的操作记录。

本发明的有益效果：

(1)该加速器安全联锁系统的上位机PC用于远程监控和操作加速器子系统的状态和运行，同时设定权限和切换不同模式，方便加速器的出束和调试，例如监控人员只具有监控的权限无法输入参数或则切换不同模式，而维护人员可根据实际情况输入参数和切换模式，该加速器安全联锁系统硬件使用、区分十分的明细，且使用方便。

(2)该加速器安全联锁系统中的PLC采用安全型PLC可实现SIL3或SIL4等级，PLC内部字节运算速度在ns量级，PLC通过内部运算单元处理下位系统所传递的数据，并可根据上位机PC提供的不同条件进行不同的联锁逻辑，有选择性的保护或屏蔽加速器子系统，提高了该系统加速器安全联锁系统的响应速度；

(3)该加速器安全联锁系统的模式分为工作模式和维护模式，在工作模式下，操作人员无法手动输入参数，系统PLC自动检测加速器子系统状态并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑。在维护模式下，可屏蔽加速器各个子系统之间的联系，进行单独的调试，在维护模式下，可屏蔽的系统有超导磁体系统，离子源系统，RF系统和引出区系统。由于水冷系统负责给全部设备提供水循环，举升系统是封闭容器，用于存储离子源、RF、真空等，真空系统为超导磁体、离子源等提供真空环境，保证该加速器安全联锁系统更便于使用、操作，且工作的精度更高。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的系统框图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，包括上位机PC、交换机、PLC、光电转换模块和加速器各子系统；

其中，所述上位机PC用于远程监控和操作加速器子系统的状态和运行，同时设定权限和切换不同模式，方便加速器的出束和调试，例如监控人员只具有监控的权限无法输入参数或则切换不同模式，而维护人员可根据实际情况输入参数和切换模式；

所述交换机用于远程通信和数据交换；

所述PLC通过内部运算单元处理下位系统所传递的数据，根据上位机PC提供的不同条件进行不同的联锁逻辑，有选择性的保护或屏蔽所述加速器子系统；

所述光电转换模块将光纤信号转换成PLC所能使用的电信号；

所述加速器各子系统包括水冷系统、举升系统、超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统。

所述PLC采用安全型PLC，且PLC能实现SIL3或SIL4等级，且PLC内部字节运算速度在ns量级，PLC通过内部运算单元处理下位系统所传递的数据，并可根据上位机PC提供的不同条件进行不同的联锁逻辑，有选择性的保护或屏蔽加速器子系统。

所述水冷系统、举升系统、超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统与该加速器安全联锁系统之间采用失效安全性设计，信号高电平表明加速器各子系统无故障或PLC联锁未生效，信号低电平表明子系统有故障或PLC联锁生效。

所述加速器各子系统与光电转换模块之间全部采用光纤通信。

所述光电转换模块与PLC之间全部采用电缆通信。

该加速器安全联锁系统的模式分为工作模式和维护模式，工作模式下，操作人员无法手动输入参数，系统PLC自动检测加速器子系统状态并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑，在维护模式下，可选择性屏蔽加速器各个子系统之间的联系，进行单独的调试。加速器安全联锁系统在维护模式下，可屏蔽的系统有超导磁体系统，离子源系统，RF系统和引出区系统，由于水冷系统负责给全部设备提供水循环，举升系统是封闭容器，用于存储离子源、RF、真空等，真空系统为超导磁体、离子源等提供真空环境，则水冷系统，举升系统和真空系统不可屏蔽，加速器安全联锁系统在工作模式下，若水冷系统故障可关闭超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若举升系统故障可关闭超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若超导磁体系统故障可关闭真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若真空故障可关闭超导磁体系统、离子源系统、RF系统和引出区系统；若引出区故障可关闭离子源系统和RF系统。

一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，在工作时，如图1所示，利用交换机实现了远程上位机PC监控和控制加速器安全联锁系统，在本地的安全联锁系统逻辑部件采用西门子公司生产的S7-1500F型PLC，通过光电转换模块使用光纤与加速器各子系统连接；

在加速器安全联锁开机启动中，系统默认的是工作模式，此时PLC检测加速器各子系统的状态，判断是否满足加速器出束条件，如果不满足，启动联锁逻辑并上报给界面，界面显示出当前加速器各子系统的状态及联锁关闭的系统；

当操作人员使用普通用户名登陆时，只有工作模式的权限，在工作模式下，界面上可查看到加速器子系统的运行状态，故障源，联锁关闭的系统，本控PLC的状态以及报警信息等。当操作员使用维护或专家用户名登陆时，有工作和维护模式的权限，可实现在界面上两种模式的切换。在维护模式下选择所屏蔽的系统，如不选择，系统默认为无需屏蔽，不仅可查看到工作模式下所显示的所有信息，同时还可控制加速器子系统的启动、关闭、暂停等命令；

在工作模式下，若PLC检测到水冷系统故障可自动下发超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令；若PLC检测到举升系统故障可自动下发超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令；若PLC检测到超导磁体系统故障可自动下发真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令；若PLC检测到真空故障可自动下发超导磁体系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令；若PLC检测到引出区故障可自动下发离子源系统和RF系统联锁关闭命令；

以引出区为例说明工作模式下的逻辑，在光电转换模块和PLC正常工作条件下，且界面处于工作模式下，若光电转换模块上显示引出区系统的状态为无光，PLC输入端检测到引出区系统的状态处于低电平，则PLC判断引出区处于关闭状态，无论引出区是人为关闭还是因故障启动的自锁关闭，加速器安全联锁系统都默认为加速器不满足出束条件，需关闭离子源系统和RF系统，此时PLC自动下发离子源系统和RF系统联锁关闭命令，并检查离子源系统和RF系统的状态，以防联锁命令未执行。在界面上的信息栏显示PLC检测结果，处理过程，以及反馈并判断联锁是否生效等信息；

在维护模式下，PLC联锁的逻辑与工作下的联锁逻辑相同，不同之处在于多了对屏蔽功能的判断和单独控制子系统的启动、关闭和暂停等命令；

以离子源为例说明屏蔽功能，在光电转换模块和PLC正常工作条件下，当操作人员使用维护用户名登陆系统，切换到维护模式下，选择屏蔽离子源系统，假如此时引出区系统状态显示为关闭，则已屏蔽离子源系统，离子源系统不受影响可继续运行，PLC自动忽略离子源系统下发RF系统联锁关闭的命令。假如水冷系统状态显示为关闭，由于离子源系统中的水循环由水冷系统提供，则屏蔽不起作用，PLC自动下发离子源系统、RF系统等联锁关闭命令；

在维护模式下，加速器安全联锁系统可根据实际环境和子系统的要求，单独下发子系统开启、关闭、暂停等命令。例如水冷系统的调试，若在界面上下发水冷关闭命令，当水冷本控设备关闭，则导致水循环不工作，水冷故障信号为低电平，加速器安全联锁系统关闭超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统，并在界面上显示当前的操作记录。

本发明的有益效果如下：

(1)该加速器安全联锁系统的上位机PC用于远程监控和操作加速器子系统的状态和运行，同时设定权限和切换不同模式，方便加速器的出束和调试，例如监控人员只具有监控的权限无法输入参数或则切换不同模式，而维护人员可根据实际情况输入参数和切换模式，硬件使用、区分十分的明细，且使用方便。

(2)该加速器安全联锁系统中的PLC采用安全型PLC可实现SIL3或SIL4等级，PLC内部字节运算速度在ns量级，PLC通过内部运算单元处理下位系统所传递的数据，并可根据上位机PC提供的不同条件进行不同的联锁逻辑，有选择性的保护或屏蔽加速器子系统，提高了该系统加速器安全联锁系统的响应速度；

(3)该加速器安全联锁系统的模式分为工作模式和维护模式，在工作模式下，操作人员无法手动输入参数，系统PLC自动检测加速器子系统状态并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑。在维护模式下，可屏蔽加速器各个子系统之间的联系，进行单独的调试，在维护模式下，可屏蔽的系统有超导磁体系统，离子源系统，RF系统和引出区系统。由于水冷系统负责给全部设备提供水循环，举升系统是封闭容器，用于存储离子源、RF、真空等，真空系统为超导磁体、离子源等提供真空环境，保证该加速器安全联锁系统更便于使用、操作，且工作的精度更高。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，其特征在于，包括上位机PC、交换机、PLC、光电转换模块和加速器各子系统；

其中，所述上位机PC用于远程监控和操作加速器子系统的状态和运行，同时设定权限和切换不同模式，方便加速器的出束和调试；

所述交换机用于远程通信和数据交换；

所述PLC通过内部运算单元处理下位系统所传递的数据，根据上位机PC提供的不同条件进行不同的联锁逻辑，有选择性的保护或屏蔽所述加速器子系统；

所述光电转换模块将光纤信号转换成PLC所能使用的电信号；

所述加速器各子系统包括水冷系统、举升系统、超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，其特征在于，所述PLC采用安全型PLC，且PLC能实现SIL3或SIL4等级，且PLC内部字节运算速度在ns量级。

3.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，其特征在于，所述水冷系统、举升系统、超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统与该加速器安全联锁系统之间采用失效安全性设计，信号高电平表明加速器各子系统无故障或PLC联锁未生效，信号低电平表明子系统有故障或PLC联锁生效。

4.根据权利要求3所述的一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，其特征在于，所述加速器各子系统与光电转换模块之间全部采用光纤通信。

5.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，其特征在于，所述光电转换模块与PLC之间全部采用电缆通信。

6.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，其特征在于，该加速器安全联锁系统的模式分为工作模式和维护模式，工作模式下，操作人员无法手动输入参数，系统PLC自动检测加速器子系统状态并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑，在维护模式下，屏蔽加速器各个子系统之间的联系，进行单独的调试。

7.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的加速器安全联锁系统，该系统在工作时，首先，利用交换机实现了远程上位机PC监控和控制加速器安全联锁系统，在本地的安全联锁系统逻辑部件采用S7-1500F型PLC，通过光电转换模块使用光纤与加速器各子系统连接；

在加速器安全联锁开机启动中，系统默认的是工作模式，此时PLC检测加速器各子系统的状态，判断是否满足加速器出束条件，如果不满足，启动联锁逻辑并上报给界面，界面显示出当前加速器各子系统的状态及联锁关闭的系统；

当操作人员使用普通用户名登陆时，只有工作模式的权限，在工作模式下，界面上可查看到加速器子系统的运行状态，故障源，联锁关闭的系统，本控PLC的状态以及报警信息，当操作员使用维护或专家用户名登陆时，有工作和维护模式的权限，在界面上实现两种模式的切换，在维护模式下选择屏蔽的系统，如不选择，系统默认为无需屏蔽；

在工作模式下，若PLC检测到水冷系统故障可自动下发超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到举升系统故障则自动下发超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到超导磁体系统故障则自动下发真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到真空故障则自动下发超导磁体系统、离子源系统、RF系统和引出区系统联锁关闭命令，若PLC检测到引出区故障则自动下发离子源系统和RF系统联锁关闭命令；

以引出区为例，在光电转换模块和PLC正常工作条件下，且界面处于工作模式下，若光电转换模块上显示引出区系统的状态为无光，PLC输入端检测到引出区系统的状态处于低电平，则PLC判断引出区处于关闭状态，无论引出区是人为关闭还是因故障启动的自锁关闭，加速器安全联锁系统都默认为加速器不满足出束条件，则关闭离子源系统和RF系统，此时PLC自动下发离子源系统和RF系统联锁关闭命令，并检查离子源系统和RF系统的状态，在界面上的信息栏显示PLC检测结果，处理过程，反馈并判断联锁是否生效信息；

在维护模式下，PLC联锁的逻辑与工作下的联锁逻辑相同，不同之处在于多了对屏蔽功能的判断和单独控制子系统的启动、关闭和暂停等命令；

以离子源为例，在光电转换模块和PLC正常工作条件下，当操作人员使用维护用户名登陆系统，切换到维护模式下，选择屏蔽离子源系统，若此时引出区系统状态显示为关闭，则已屏蔽离子源系统，离子源系统不受影响继续运行，PLC自动忽略离子源系统下发RF系统联锁关闭的命令，若水冷系统状态显示为关闭，由于离子源系统中的水循环由水冷系统提供，则屏蔽不起作用，PLC自动下发离子源系统、RF系统等联锁关闭命令；

在维护模式下，加速器安全联锁系统根据实际环境和子系统的要求，单独下发子系统开启、关闭、暂停等命令，若在界面上下发水冷关闭命令，水冷本控设备执行关闭命令，则水循环不工作，水冷故障信号为低电平，加速器安全联锁系统关闭超导磁体系统、真空系统、离子源系统、RF系统和引出区系统，并在界面上显示当前的操作记录。