СИСТЕМЫ ИМИТАЦИИ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Развитие технологии защиты людей от ингаляционных поражений в чрезвычайных ситуациях, а также разработка новых и совершенствование существующих средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗ) невозможны без проведения испытаний средств защиты в реальных условиях. Оценивать и испытывать СИЗ возможно двумя способами: испытывать с привлечением добровольцев; испытывать с применением систем имитации дыхания человека – установок Искусственные легкие (ИЛ).

Поскольку проведение испытаний СИЗ на людях-добровольцах в силу ряда причин возможно лишь в ограниченном объеме, применение установок ИЛ позволяет, получить данные об особенностях поведения СИЗ, во всех интересующих исследователей условиях, а также уменьшить, а то и исключить испытания СИЗ на людях. Испытания с привлечением добровольцев являются малоэффективными, дорогостоящими и не достаточно объективными. В целом, воспроизводство параметров внешнего дыхания при помощи систем имитации дыхания человека является крайне важным для выполнения задач по сертификации. Российские стандарты на СИЗ и их элементы, соответствующие Европейским стандартам требуют переоснащения, сертификационных испытательных центров и лабораторий, осуществляющих контроль за продукцией. Это определяет актуальность разработки эффективных системы управления ИЛ на основе использования методов математического моделирования. В настоящее время испытание СИЗ, например изолирующего типа (ИДА), осуществляется согласно ГОСТ 12.4.220-2001.

По данной методике на установке ИЛ, определяются следующие качественные показатели регенеративных патронов СИЗ: время защитного действия (ВЗД); объемная доли диоксида углерода, средняя объемная доля диоксида углерода и объемная доля кислорода; температура газовой дыхательной смеси на вдохе; сопротивление дыханию на вдохе и выдохе.

Технология испытаний на установке ИЛ состоит в том, что установка создает пульсирующий поток газовой дыхательной смеси (ГДС), имитирующий дыхание человека. Выделение человеком диоксида углерода имитируется подачей из баллона, частота дыхания - числом пульсаций насоса, глубина дыхания - объемом одной пульсации. К выходному патрубку установки подсоединяют дыхательный аппарат и определяют его характеристики при заданном режиме испытаний (легочная вентиляция, частота дыхания, глубина дыхания, объемная подача диоксида углерода, влажность и температура выдыхаемой ГДС). В этой связи, адекватность условий дыхания на установке ИЛ и параметров дыхания человека напрямую определяют качество испытаний ИДА на установке ИЛ.

Отметим, что если параметры, легочная вентиляция, глубина и частота дыхания, объемная подача диоксида углерода существующие установки ИЛ имитируют с очень высоким приближением к таким же параметрам дыхания человека, то адекватная имитация потребления кислорода, дыхательного коэффициента и формы дыхательной кривой является технически сложной задачей. Существуют две основных схемы построения установки ИЛ, которые отличаются способами имитации потребления кислорода: 1) по объему, 2) по объему и массе.

В 1-й схеме потребление кислорода имитируется путем отсоса из установки ИЛ (сброса в атмосферу) определенного объема ГДС, причем величина отсоса не изменяется в ходе испытаний.

Во 2-й схеме потребление кислорода имитируется путем отсоса рассчитываемого объема ГДС с одновременной подачей азота и диоксида углерода в тех количествах, которые удаляются при отсосе. Дополнительная подача азота и диоксида углерода осуществляется через специальные системы, управляемые с помощью программного обеспечения на основе уравнения материальных балансов газов.

Основными задачами системы управления установкой ИЛ при воспроизводстве дыхания человека является реализация заданных величин легочной вентиляции (пневмотахограммы дыхания) и состава ГДС. Так же необходимо осуществлять контроль величин давления, температуры, расхода и концентрации газов для расчета необходимого количества подаваемых в установку СО2 и N2, а также удаляемой из установки ГДС.

Используемые в настоящее время системы управления испытательными установками ИЛ не позволяют недостаточно точно имитировать дыхание человека. Здесь сказывается такой недостаток установок ИЛ как отсутствие в них полной (по массе и объему) имитации потребления кислорода человеком при различных режимах дыхания и возможности изменения значения дыхательного коэффициента. Так же системы управления действующими установками ИЛ не позволяют контролировать влажность ГДС на выходе из дыхательного аппарата, что не дает достоверно оценивать значение одного из основных параметров качества ИДА – температуру вдыхаемой ГДС, так как допустимые температуры ГДС существенно отличаются для различных значений влажности. Кроме того, во многих установках ИЛ управление параметрами дыхания реализуется только вручную оператором (установки Reimers MBMS, US Bureau of Mine (США), установка НПО «Респиратор» (Украина) .

Система управления, реализованная в установке S2000, позволяет имитировать дыхание с наибольшим приближением к реальным процессам. Установка позволяет воспроизводить циклы дыхания всех типов (синусоидальные, прямоугольные или реальные). В установке контролируются величины давления, температуры, расхода, легочной вентиляции и состав газов для дыхания, которые также регистрируются на экране монитора компьютера и выводятся на печать в виде протокола. Так как дыхательные движения полностью определены математическим обеспечением системы управления установки S2000, с ее помощью можно получать последовательность реальных дыхательных движений, полностью совпадающих с действиями субъекта. Одновременно при воспроизводстве реальных дыхательных движений, программное обеспечение системы управления вычисляет в каждый момент характеристики дыхания (частоту, объемный поток, сопротивление дыханию и др.), чтобы затем подавать диоксид углерода и имитировать потребление кислорода в соответствии с заранее установленной величиной дыхательного эквивалента (отношение).

Недостатками системы управления установкой S2000 следует считать невозможность имитации процессов дыхания с отличным от единицы дыхательным коэффициентом, невозможность определения влажности вдыхаемой ГДС. Система управления данной установкой позволяет реализовывать величину дыхательного коэффициента отличного от единицы. Использование модулей аналогового ввода-вывода ОВЕН (МВА, МВУ) позволяют осуществлять контроль температуры ГДС, концентрации СО2 и О2, а так же управлять расходами подаваемых в установку газов и частотой дыхания. Кроме того реализована связь приборов с управляющим компьютером.

Недостатками данной реализации установки ИЛ являются: относительное низкое быстродействие модулей ввода-вывода, использование для управления электродвигателем привода насоса частотного преобразователя, а, следовательно, не возможность реализации различных пневмотахограмм дыхания (только синусоидальные). Возможным вариантом устранения данных недостатков является внедрение современной автоматизированной системы управления установкой ИЛ, построенной на базе быстродействующих микропроцессорных контроллеров и средств сбора информации, а так же разработка и использование в составе АСУ ТП эффективного математического, программного обеспечения, позволяющего точно имитировать дыхание человека.

Средства локальной автоматизации в таких АСУ ТП могут обеспечить только нижний уровень подобных систем. Для решения задач оптимального управления процессом, необходимо применение многоуровневых АСУ ТП.

АСУ ТП должна осуществлять информационную, информационно - вычислительную и управляющую функции. Каждая из этих функций включает ряд задач. В их число входят и комплекс задач обеспечения общесистемных функций (организация вызовов задач в заданных последовательности и времени; обслуживание и обеспечение сохранности базы данных; организация обмена информацией между задачами). Архитектура современной АСУ ТП (рис. 1) включает несколько уровней.

Уровень 0 характеризуется тем, что аналоговый интерфейс заменяется сетевой технологией, объединяющей контроллеры, датчики, исполнительные механизмы в единую цифровую промышленную сеть (Fieldbus). Это позволяет заменить на один кабель значительное количество проводных линий связи датчиков, исполнительных механизмов, модулей ввода-вывода контроллеров. Еще одним достоинством такой технологии является возможность передачи электропитания приборам уровня 0. Кроме этого, многие устройства уровня 0 в данной архитектуре АСУ ТП обладают возможностями реализации таких интеллектуальных функций как функции самонастройки и самодиагностики, что упрощает обслуживание технических средств, делает систему более распределенной.

На уровне 1 расположены устройства связи с объектом (УСО), которые располагаются вблизи с объектом управления и реализуют функции преобразования, приема и выдачи на объект группы сигналов, а также имеют связь с Fieldbus и работают под управлением устройств верхних уровней. УСО позволяют уменьшить затраты на монтаж и кабельную продукцию.

На уровне 2 используются программируемые логические  контроллеры PLC (Programmable Logic Control-lers). Для программирования которых в настоящее время наиболее часто используются языки программирования стандарта IEC 1131-3. Связь между PLC и станциями управления верхнего уровня реализуется по сети Ethernet в ее обычном или промышленном варианте (Industrial Ethernet).

На уровне 3 располагаются станции оператора в виде промышленных компьютеров или компьютеров в обычном исполнении, которые реализуют принцип безщитовой автоматики и обеспечивают диспетчеризацию технологического процесса. В настоящее время наиболее универсальным и популярным механизмом взаимодействия программного обеспечения АСУ ТП признан стандарт OPC (OLE for Process Control), который основан на объектной модели COM/DCOM фирмы Microsoft .

Для решения задач диспетчеризации технологического процесса наиболее распространение получили пакеты программ визуализации измерительной информации на дисплейных пультах операторов - SСАDА - программы, которые составляют основу программного обеспечения уровня 3. Эти пакеты позволяют создавать программное обеспечение верхнего уровня, реализуемых на различных видах персональных компьютеров и рабочих станций. Открытость многих SСАDА - программ позволяют реализовывать пульты операторов с помощью одной определенной открытой SСАDА-программы независимо от типа программных и контроллерных средств систем автоматизации.

Список литературы

1.         Демиденко Н.Д. Оптимальное управление химико-технологическими объектами с распределенными параметрами // Методы кибернетики химико-технологических процессов./ Н.Д. Демиденко., A.M. Авдеев., В.П Карлов., Е.В Садовская - М.. 1984. С. 185—186.

2. Гудков С. В. Изолирующие дыхательные аппараты и основы их проектирования: учебное пособие для студ. спец.: 280100 / С. В. Гудков, С. И. Дворецкий, С. Б. Путин, В. П. Таров. - М.: Машиностроение, 2008. - 188 с.