基于PLC和多DO擴(kuò)展模塊的全自動快速發(fā)藥機發(fā)藥控制系統(tǒng)設(shè)計

劉 星，許東來，禹 威，桑 墑

LIU Xing1,XU Dong-lai1,YU Wei1,SANG Shang2

（1. 北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2. 上海長農(nóng)實業(yè)有限公司，上海 201704）

0 引言

在我國，醫(yī)院藥房主要是遵循傳統(tǒng)的工作模式，以人工發(fā)藥為主，屬于簡單的“取藥治病”模式。對于患者而言，排隊等待拿藥的時間很長、效率低，容易引起醫(yī)患矛盾；對于醫(yī)院而言，藥房設(shè)備設(shè)施陳舊、占用人員多、人力成本高、藥師工作強度大，這是目前大多數(shù)醫(yī)院藥房普遍的狀況及存在的問題[1]。自動化藥房是醫(yī)院藥房發(fā)展的必然趨勢[2]。

全自動快速發(fā)藥機是用于醫(yī)院藥房發(fā)藥量最大的盒類藥品的自動發(fā)藥，是自動化藥房的重要組成部分[3]。全自動快速發(fā)藥機由自動加藥系統(tǒng)、矩陣式儲藥系統(tǒng)、自動發(fā)藥系統(tǒng)和藥品傳送系統(tǒng)組成。自動發(fā)藥控制系統(tǒng)直接關(guān)系到盒藥的發(fā)藥速度及準(zhǔn)確性，是全自動發(fā)藥機的核心。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

如圖1所示為系統(tǒng)構(gòu)成框圖。系統(tǒng)主要包括五部分：PC機、可編程邏輯控制器PLC、DO擴(kuò)展模塊、驅(qū)動電路和發(fā)藥電磁鐵。PC機實現(xiàn)人機界面、藥品處方數(shù)據(jù)處理與記錄以及與PLC通訊的功能；PLC主要實現(xiàn)與PC機的通訊以及對發(fā)藥電磁鐵的控制；DO擴(kuò)展模塊主要實現(xiàn)選通驅(qū)動電路的功能；驅(qū)動電路為發(fā)藥電磁鐵提供驅(qū)動電流；發(fā)藥電磁鐵實現(xiàn)藥品的定位以及自動發(fā)放。

整個系統(tǒng)的工作流程如下：PC機接收醫(yī)院HIS系統(tǒng)下發(fā)的藥品處方，主要包括藥品的編碼、名稱和數(shù)量等，由PC機上的組態(tài)軟件對藥品處方進(jìn)行拆分處理，并下傳到PLC；PLC將從PC機接收到的藥品處方信息分成12行，傳送到對應(yīng)DO擴(kuò)展模塊的寄存器中；在檢測到PLC發(fā)出的鎖存信號后，擴(kuò)展模塊DO口選中相應(yīng)驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)藥電磁鐵動作，實現(xiàn)發(fā)藥動作。

2 自行開發(fā)的多DO擴(kuò)展模塊

為了降低控制系統(tǒng)硬件成本，我們自行開發(fā)了一款多DO擴(kuò)展模塊。該擴(kuò)展模塊采用串行輸入并行輸出的工作方式，每塊擴(kuò)展模塊級聯(lián)了4塊74HC595芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)32位并行輸出。

DO擴(kuò)展模塊的電路原理圖如圖2所示。

圖1 發(fā)藥控制系統(tǒng)框圖

74HC595的16腳接DC5V并接旁路電容，8腳接地；10～14腳接下拉電阻并接對應(yīng)PLC的DO，其中11腳接PLC高速脈沖輸出口，為74HC595提供高速移位時鐘脈沖；1～7腳和15腳接驅(qū)動電路，驅(qū)動發(fā)藥電磁鐵；9腳接下一級74HC595芯片的14腳。正常使用時，PLC的輸出Q1.2保持低電平，Q1.1保持高電平；Q1.3輸出當(dāng)前行藥槽的發(fā)藥數(shù)據(jù)。當(dāng)Q0.0出現(xiàn)上升沿時，74HC595移位寄存器的所有數(shù)據(jù)位左移一位并讀入SI腳當(dāng)前電平值，同時Q7’串行輸出移位寄存器中高位的值輸出到下一級74HC595的SI腳。當(dāng)發(fā)藥電磁鐵的控制數(shù)據(jù)全部移入DO擴(kuò)展模塊移位寄存器中時，PLC的Q1.0輸出高電平，595的12腳檢測到上升沿，移位寄存器的數(shù)據(jù)被鎖存到存儲寄存器中，并從各個74HC595的Q0～Q7腳輸出，選通驅(qū)動電路，驅(qū)動對應(yīng)發(fā)藥電磁鐵動作，實現(xiàn)發(fā)藥。

3 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。

DO擴(kuò)展模塊必須外接電流驅(qū)動電路來驅(qū)動發(fā)藥電磁鐵動作。驅(qū)動電路對應(yīng)的74HC595輸出端為高電平時發(fā)藥電磁鐵動作。驅(qū)動電路中，我們在信號輸入端采用了光電耦合器件TLP521，實現(xiàn)了輸入端與輸出端的電氣隔離，有效避免了電磁鐵對輸入信號的干擾，提高了電路的安全性；采用N-MOSFET功率場效應(yīng)管IRF530N為發(fā)藥電磁鐵提供驅(qū)動電流；由于藥品種類不同，重量也會不同，這就要求驅(qū)動電路能夠保證電磁鐵的動作力度可以適應(yīng)各種重量的藥品，通過變阻器R7調(diào)節(jié)通電時場效應(yīng)管的柵極電壓，實現(xiàn)對場效應(yīng)管漏-源極電流的調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)電磁鐵動作力度的目的，保證了發(fā)藥動作的可靠性；電阻R8起限流保護(hù)作用；與電磁鐵并聯(lián)的二極管和電阻R9用于吸收電磁鐵自感產(chǎn)生的電流，消除電磁鐵斷電時產(chǎn)生的電動勢對電路的干擾，起到保護(hù)電路的作用。

4 發(fā)藥控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

發(fā)藥控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括上位機組態(tài)軟件設(shè)計和下位機PLC程序設(shè)計。

4.1 組態(tài)軟件設(shè)計

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能、通用層級的軟件工具。本次設(shè)計采用北京亞控公司的Kingview6.52版組態(tài)王軟件。

組態(tài)王軟件實時接收醫(yī)院HIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的處方信息，并將當(dāng)前處方中的出藥信息拆分成“頁”數(shù)據(jù)，“頁”數(shù)與當(dāng)前處方中盒數(shù)最大的藥品的數(shù)量相等，每“頁”含有720位數(shù)據(jù)，對應(yīng)720個藥槽的出藥信息，每位數(shù)據(jù)只有“0”和“1”兩種狀態(tài)：“0”表示不發(fā)藥，“1”表示發(fā)一盒藥。為了減少在通訊上消耗的時間，組態(tài)王軟件通過以太網(wǎng)與PLC通訊。組態(tài)王將拆分后的當(dāng)前處方出藥數(shù)據(jù)下傳到PLC對應(yīng)的發(fā)藥數(shù)據(jù)緩沖區(qū)后，從HIS系統(tǒng)接收新的處方，進(jìn)行拆分后等待下一次出藥數(shù)據(jù)下傳。

圖2 發(fā)藥控制電路原理圖

4.2 PLC程序設(shè)計

控制系統(tǒng)選用西門子晶體管型CPU226模塊一塊，CP 234-1工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器模塊一塊。系統(tǒng)的編程軟件采用西門子公司的Step7 MicroWIN V4.0版本，通過CP 243-1的向?qū)С绦蚩梢苑奖愕貙崿F(xiàn)PLC與上位機組態(tài)王軟件的以太網(wǎng)通訊。

本系統(tǒng)的控制流程圖如圖3所示。

首先將程序中與出藥相關(guān)的參數(shù)初始化，然后按“頁”從組態(tài)王中接收處方出藥數(shù)據(jù)并有計數(shù)器對“頁”計數(shù)，程序中確定了十“頁”共480個字的存儲空間作為出藥數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。程序?qū)崟r檢測當(dāng)前處方出藥數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位，若出藥數(shù)據(jù)接收完成，則啟動定時中斷和PTO脈沖輸出。在定時中斷子程序中對PLC中每行出藥數(shù)據(jù)進(jìn)行左移。PTO輸出脈沖作為DO擴(kuò)展模塊的移位時鐘脈沖，在PTO脈沖輸出子程序中可以方便地設(shè)定脈沖的周期及給定的脈沖個數(shù)。定時中斷的周期要與PTO脈沖的周期一致，并且定時中斷的啟動要先于PTO脈沖輸出。時序上的緊密配合才能準(zhǔn)確、快速地將出藥數(shù)據(jù)移入到DO擴(kuò)展模塊的移位寄存器中。脈沖輸出完成時斷開定時中斷，輸出鎖存信號并接通延時計時器。鎖存信號是用于將各DO擴(kuò)展模塊移位寄存器中的數(shù)據(jù)鎖存到存儲寄存器中并對外輸出，選通驅(qū)動電路，實現(xiàn)發(fā)藥動作。延時計時器是用于設(shè)定發(fā)藥電磁鐵的通電時間，計時器計時完成時PLC將各DO擴(kuò)展模塊的移位寄存器清零并輸出，電磁鐵回復(fù)初始狀態(tài)，等待下一次發(fā)藥動作。每次發(fā)藥動作結(jié)束時程序?qū)撚嫈?shù)進(jìn)行減一操作并檢測其是否為零，以此來確定當(dāng)前藥方出藥是否已全部完成。如當(dāng)前藥方出藥未完成則對下一“頁”進(jìn)行發(fā)藥；如當(dāng)前藥方出藥完成，則準(zhǔn)備從組態(tài)軟件接收新的處方出藥數(shù)據(jù)信息。

圖3 PLC控制流程圖

5 結(jié)束語

基于PLC和自行開發(fā)的多DO擴(kuò)展模塊的全自動發(fā)藥機發(fā)藥控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的發(fā)藥動作，同時系統(tǒng)具有發(fā)藥效率高、擴(kuò)展能力強和硬件成本低等特點，對于全自動快速發(fā)藥機的研制以及我國藥房自動化的發(fā)展具有積極的意義。

[1] 魏曉琴. 數(shù)字化藥房分揀系統(tǒng)建模與仿真[D]. 濟(jì)南： 山東輕工業(yè)學(xué)院,2011.

[2] 趙陶麗. 藥房自動化是醫(yī)院藥房發(fā)展的必然趨勢[J]. 首都醫(yī)藥,2009,(12)： 31.

[3] 魏宇寧,侯永春,郭代紅,劉皈陽,廖思華. 整包裝自動發(fā)藥機應(yīng)用于門診藥房的實踐與體會[J]. 中國藥物應(yīng)用與檢測,2008,5(5)： 4-6.

[4] 劉相權(quán),贠超,趙雪峰,王偉,馬永波. 藥房自動化裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 機械設(shè)計,2009,26(7)： 65-67.

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[6] S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[Z]. 北京： 西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán),2004.