CN111427306A - 一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，包括上位机PC、安全型PLC、交换机和输运线本地控制器；交换机与上位机PC和安全型PLC均通信连接；输运线本地控制器包含有降能器控制子系统、磁铁控制子系统和真空控制子系统。该输运线设备安全联锁系统中的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输运线底层设备，提高了该系统输运线设备安全联锁系统的响应速度。

Description

一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统

技术领域

本发明涉及一种联锁系统，具体涉及一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，属于质子治疗的输运线设备应用领域。

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，输运线不仅有传输束流的作用，还可以用于调节束流。

输运线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，这样导致整个系统数据处理时间长，系统复杂度大，设备联锁的优势不能体现出来；也有少数将安全联锁系统和控制系统分开，采用不同界面，同时底层采用纯硬件涉及，这种设计可扩展性好，但是输运线设备之间的距离长，联锁信号下达到每一个底层设备，而未经输运线本地控制器，则导致联锁信号信号达到的时间有误差，联锁的顺序不好掌控，其次安全联锁系统与输运线底层设备之间的信号线是否中断无法在线检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，可以解决1、如何在线检测安全联锁系统与输运线本地控制器的网络状态；

2、如何将安全联锁系统设计的可扩展性好，且便于集成；

3、如何将安全联锁系统设计的可应对各种不同模式要求；

4、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等问题。

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输运线设备安全联锁系统，包括上位机PC、安全型PLC、交换机和输运线本地控制器；交换机与上位机PC和安全型PLC均通信连接；

输运线本地控制器包含有降能器控制子系统、磁铁控制子系统和真空控制子系统；

其中，所述上位机PC用于远程监控和操作输运线本地控制器的状态和输运线底层设备的运行，同时用于设定质子治疗的输运线设备安全联锁系统的控制权限和运行模式的切换；

所述安全型PLC通过内部运算单元用于采集和收集降能器控制子系统、磁铁控制子系统和真空控制子系统的故障信息，并根据故障信息以及上位机PC提供的工作模式进行联锁逻辑，输出联锁命令；

所述交换机用于局域网内远程通信和数据交换；

所述降能器控制子系统用于控制降能器、准直器、限制狭缝和束流阻断器的运行；

所述磁铁控制子系统用于控制二极磁铁、四极磁铁和校正磁铁的运行；

所述真空控制子系统用于控制真空分子泵和角阀的运行。

优选的，安全联锁系统的安全型PLC与输运线本地控制器之间采用PROFIsafe通信连接，安全型PLC内部的CPU用于获取通信状态信号；若通信线出现中断，安全型PLC则处于钝化状态，所接收或发送的信号用安全值替代，并向上位机PC发出报警信号；

优选的，所述降能器控制子系统、磁铁控制子系统、真空控制子系统的通信故障处理方式与输运线设备安全联锁系统的通信故障处理方式相同，安全型PLC内部的CPU用于获取通信状态信号；若通信线出现中断，安全型PLC则处于钝化状态，所接收或发送的信号用安全值替代，并向上位机PC发出报警信号。

优选的，所述输运线设备安全联锁系统的运行模式分为工作模式、维护模式和调束模式；

工作模式，操作人员无法手动输入参数，安全联锁系统自动检测输运线本地控制器和底层设备的状态，并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑，输运线本地控制器无法启动已联锁的底层设备；

维护模式，安全联锁系统不联锁输运线底层设备，输运线底层设备由输运线本地控制器控制；

调束模式，安全联锁系统只联锁调束段的输运线底层设备，剩余输运线底层设备由输运线本地控制器控制。

优选的，工作中输运线底层设备将信号传送到输运线本地控制器，输运线本地控制器将信号传送给交换机，在局域网内安全联锁系统采集交换机里的信息并下发联锁信号到交换机，输运线本地控制器从交换机内获取联锁信号，上位机PC采集安全联锁系统内的状态信号和联锁信号；

在输运线设备安全联锁系统开机启动后，默认为工作模式，安全型PLC检测输运线本地控制器的状态和底层设备状态，对出束条件进行检测，如果不满足，启动联锁逻辑并上报给上位机PC，上位机PC显示出当前输运线本地控制器状态、底层设备状态及联锁关闭的底层设备；

当操作人员使用普通用户名登陆界面时，只有工作模式的权限，在工作模式下，界面上可查看到输运线本地控制器运行状态和底层设备的运行状态、故障源、联锁关闭的底层设备、安全型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，有工作模式、调束模式和维护模式的权限，在界面上实现三种模式的切换，在调束模式下选择调束段，若不选择，系统发出提示信息，做出选择；在维护模式下，可查看当前输运线本地控制器运行状态和底层设备的运行状态；

工作模式下，若安全型PLC检测到降能器控制子系统里的降能器或准直器或限制狭缝故障，自动下发阻断器联锁的命令；若安全型PLC检测到降能器控制子系统里的阻断器故障，阻断器自身恢复到阻断的状态，安全型PLC无需发送阻断命令；若安全型PLC检测到磁铁控制子系统里的二极磁铁或四极磁铁或校正磁铁故障，自动下发阻断器联锁的命令；若安全型PLC检测到真空控制子系统里的真空度报警信号，则自动下发阻断器联锁的命令；

维护模式下，整个输运线无束流，输运线底层设备之间无逻辑上的关系，安全型PLC不下发联锁信号，输运线底层设备由输运线本地控制器控制；

调束模式下，输运线分四个固定位置调束，在每个固定位置之前的设备处于正常运行，若固定位置之前的设备故障，安全型PLC下发所在段的阻断器阻断联锁命令。

本发明的有益效果：

1、该输运线设备安全联锁系统使用PROFIsafe通信协议，可在线检测通信状态，方便输运线设备安全联锁系统与输运线本地控制器之间的故障排除。

2、该输运线设备安全联锁系统使用的是安全型PLC可方便扩展硬线接口或网络接口，为后续系统升级改造提供很大的便利。

3、该输运线设备安全联锁系统的上位机PC用于远程监控和操作输运线本地控制器和底层设备的状态和运行，同时设定权限和切换不同模式，方便输运线的出束、维护和调试，该输运线设备安全联锁系统区分明晰，且界面使用方便。

4、该输运线设备安全联锁系统中的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输运线底层设备，提高了该系统输运线设备安全联锁系统的响应速度。

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为本发明的系统图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，包括上位机PC、安全型PLC、交换机和输运线本地控制器；交换机与上位机PC和安全型PLC均通信连接；

输运线本地控制器包含有降能器控制子系统、磁铁控制子系统和真空控制子系统；

其中，所述上位机PC用于远程监控和操作输运线本地控制器的状态和输运线底层设备的运行，同时用于设定质子治疗的输运线设备安全联锁系统的控制权限和运行模式的切换，方便输运线的出束和调试；

所述安全型PLC通过内部运算单元用于采集和收集降能器控制子系统、磁铁控制子系统和真空控制子系统的故障信息，并根据故障信息以及上位机PC提供的工作模式进行联锁逻辑，输出联锁命令，达到有选择性的保护或屏蔽输运线底层设备的目的；

所述交换机用于局域网内远程通信和数据交换；

所述降能器控制子系统用于控制降能器、准直器、限制狭缝和束流阻断器的运行；

所述磁铁控制子系统用于控制二极磁铁、四极磁铁和校正磁铁的运行；

所述真空控制子系统用于控制真空分子泵和角阀的运行。

所述输运线设备安全联锁系统的安全型PLC可实现SIL3或SIL4等级，并且内部字节运算速度在ns量级，内部逻辑运算时间可达到us量级。

所述输运线设备安全联锁系统的安全型PLC的编程软件采用SIMATICSafetySystem，此软件符合标准IEC61508和IEC62061的相关安全电气规定。

安全联锁系统的安全型PLC与输运线本地控制器之间采用PROFIsafe通信连接，安全型PLC内部的CPU用于获取通信状态信号；若通信线出现中断，安全型PLC则处于钝化状态，所接收或发送的信号用安全值替代，并向上位机PC发出报警信号；

所述降能器控制子系统、磁铁控制子系统、真空控制子系统的通信故障处理方式与输运线设备安全联锁系统的通信故障处理方式相同，安全型PLC内部的CPU用于获取通信状态信号；若通信线出现中断，安全型PLC则处于钝化状态，所接收或发送的信号用安全值替代，并向上位机PC发出报警信号。

所述输运线设备安全联锁系统的运行模式分为工作模式、维护模式和调束模式；

工作模式，操作人员无法手动输入参数，安全联锁系统自动检测输运线本地控制器和底层设备的状态，并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑，输运线本地控制器无法启动已联锁的底层设备；

维护模式，安全联锁系统不联锁输运线底层设备，输运线底层设备由输运线本地控制器控制；

调束模式，安全联锁系统只联锁调束段的输运线底层设备，剩余输运线底层设备由输运线本地控制器控制。

工作中输运线底层设备将信号传送到输运线本地控制器，输运线本地控制器将信号传送给交换机，在局域网内安全联锁系统采集交换机里的信息并下发联锁信号到交换机，输运线本地控制器从交换机内获取联锁信号，上位机PC采集安全联锁系统内的状态信号和联锁信号；

在输运线设备安全联锁系统开机启动后，默认为工作模式，安全型PLC检测输运线本地控制器的状态和底层设备状态，对出束条件进行检测，如果不满足，启动联锁逻辑并上报给上位机PC，上位机PC显示出当前输运线本地控制器状态、底层设备状态及联锁关闭的底层设备；

出束条件包括通信和运行状态以及真空度；安全性PLC与输运线本地控制器通信正常，输运线底层设备运行正常无故障，真空满足所设定的值，则满足出束条件。有一个设备有故障或真空不满足设定值，或通信中断均不能出束；

当操作人员使用普通用户名登陆界面时，只有工作模式的权限，在工作模式下，界面上可查看到输运线本地控制器运行状态和底层设备的运行状态、故障源、联锁关闭的底层设备、安全型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，有工作模式、调束模式和维护模式的权限，在界面上实现三种模式的切换，在调束模式下选择调束段，若不选择，系统发出提示信息，做出选择；在维护模式下，可查看当前输运线本地控制器运行状态和底层设备的运行状态；

工作模式下，若安全型PLC检测到降能器控制子系统里的降能器或准直器或限制狭缝故障，自动下发阻断器联锁的命令；若安全型PLC检测到降能器控制子系统里的阻断器故障，阻断器自身恢复到阻断的状态，安全型PLC无需发送阻断命令；若安全型PLC检测到磁铁控制子系统里的二极磁铁或四极磁铁或校正磁铁故障，自动下发阻断器联锁的命令；若安全型PLC检测到真空控制子系统里的真空度报警信号，则自动下发阻断器联锁的命令；

维护模式下，整个输运线无束流，输运线底层设备之间无逻辑上的关系，安全型PLC不下发联锁信号，输运线底层设备由输运线本地控制器控制；

调束模式下，输运线分四个固定位置调束，在每个固定位置之前的设备处于正常运行，若固定位置之前的设备故障，安全型PLC下发所在段的阻断器阻断联锁命令。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，其特征在于，包括上位机PC、安全型PLC、交换机和输运线本地控制器；交换机与上位机PC和安全型PLC均通信连接；

输运线本地控制器包含有降能器控制子系统、磁铁控制子系统和真空控制子系统；

其中，所述上位机PC用于远程监控和操作输运线本地控制器的状态和输运线底层设备的运行，同时用于设定质子治疗的输运线设备安全联锁系统的控制权限和运行模式的切换；

所述安全型PLC通过内部运算单元用于采集和收集降能器控制子系统、磁铁控制子系统和真空控制子系统的故障信息，并根据故障信息以及上位机PC提供的工作模式进行联锁逻辑，输出联锁命令；

所述交换机用于局域网内远程通信和数据交换；

所述降能器控制子系统用于控制降能器、准直器、限制狭缝和束流阻断器的运行；

所述磁铁控制子系统用于控制二极磁铁、四极磁铁和校正磁铁的运行；

所述真空控制子系统用于控制真空分子泵和角阀的运行。

2.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，其特征在于，安全联锁系统的安全型PLC与输运线本地控制器之间采用PROFIsafe通信连接，安全型PLC内部的CPU用于获取通信状态信号；若通信线出现中断，安全型PLC则处于钝化状态，所接收或发送的信号用安全值替代，并向上位机PC发出报警信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，其特征在于，所述降能器控制子系统、磁铁控制子系统、真空控制子系统的通信故障处理方式与输运线设备安全联锁系统的通信故障处理方式相同，安全型PLC内部的CPU用于获取通信状态信号；若通信线出现中断，安全型PLC则处于钝化状态，所接收或发送的信号用安全值替代，并向上位机PC发出报警信号。

4.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，其特征在于，所述输运线设备安全联锁系统的运行模式分为工作模式、维护模式和调束模式；

工作模式，操作人员无法手动输入参数，安全联锁系统自动检测输运线本地控制器和底层设备的状态，并根据收集到的数据启动默认的联锁逻辑，输运线本地控制器无法启动已联锁的底层设备；

维护模式，安全联锁系统不联锁输运线底层设备，输运线底层设备由输运线本地控制器控制；

调束模式，安全联锁系统只联锁调束段的输运线底层设备，剩余输运线底层设备由输运线本地控制器控制。

5.根据权利要求1所述的一种用于质子治疗的输运线设备安全联锁系统，工作中输运线底层设备将信号传送到输运线本地控制器，输运线本地控制器将信号传送给交换机，在局域网内安全联锁系统采集交换机里的信息并下发联锁信号到交换机，输运线本地控制器从交换机内获取联锁信号，上位机PC采集安全联锁系统内的状态信号和联锁信号；

在输运线设备安全联锁系统开机启动后，默认为工作模式，安全型PLC检测输运线本地控制器的状态和底层设备状态，对出束条件进行检测，如果不满足，启动联锁逻辑并上报给上位机PC，上位机PC显示出当前输运线本地控制器状态、底层设备状态及联锁关闭的底层设备；

当操作人员使用普通用户名登陆界面时，只有工作模式的权限，在工作模式下，界面上可查看到输运线本地控制器运行状态和底层设备的运行状态、故障源、联锁关闭的底层设备、安全型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，有工作模式、调束模式和维护模式的权限，在界面上实现三种模式的切换，在调束模式下选择调束段，若不选择，系统发出提示信息，做出选择；在维护模式下，可查看当前输运线本地控制器运行状态和底层设备的运行状态；

工作模式下，若安全型PLC检测到降能器控制子系统里的降能器或准直器或限制狭缝故障，自动下发阻断器联锁的命令；若安全型PLC检测到降能器控制子系统里的阻断器故障，阻断器自身恢复到阻断的状态，安全型PLC无需发送阻断命令；若安全型PLC检测到磁铁控制子系统里的二极磁铁或四极磁铁或校正磁铁故障，自动下发阻断器联锁的命令；若安全型PLC检测到真空控制子系统里的真空度报警信号，则自动下发阻断器联锁的命令；

维护模式下，整个输运线无束流，输运线底层设备之间无逻辑上的关系，安全型PLC不下发联锁信号，输运线底层设备由输运线本地控制器控制；

调束模式下，输运线分四个固定位置调束，在每个固定位置之前的设备处于正常运行，若固定位置之前的设备故障，安全型PLC下发所在段的阻断器阻断联锁命令。

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