基于單片機(jī)的立體藥庫控制方法設(shè)計(jì)

鹿紅超，高志慧，魏 來

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分布式控制逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的主流。DCS[1]將系統(tǒng)的控制功能分散在各單個(gè)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，當(dāng)某臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其他功能的喪失，具有較高的可靠性。上層監(jiān)控系統(tǒng)只需負(fù)責(zé)信息的處理，將處理后的信息與底層計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不需要實(shí)現(xiàn)底層機(jī)構(gòu)的具體控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)。

單片機(jī)[2]具有較高的可靠性以及處理功能強(qiáng)大、易于實(shí)現(xiàn)模塊化等優(yōu)點(diǎn)，常用在底層機(jī)構(gòu)的控制上。在工業(yè)控制系統(tǒng)[3]中，PC 機(jī)常作為上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和控制信息的交換，單片機(jī)作為下位機(jī)控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及信息的采集，并將采集的信息作初步處理后發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。在上位機(jī)PC 與單片機(jī)通信方式中，常通過RS232 串口來實(shí)現(xiàn)PC 與多個(gè)單片機(jī)的一對(duì)一通信[4]。

立體藥庫[5]是一種新型的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)異形包裝藥品的自動(dòng)存取。

本研究以多個(gè)單片機(jī)為底層控制單元，以上位機(jī)PC 為上層信息處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種小型的DCS 控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)立體藥庫存取藥品的運(yùn)動(dòng)。其中單片機(jī)外圍電路由顯示單元、控制單元、通信單元等組成。顯示單元用來顯示藥品的出藥數(shù)量；控制單元用來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、高低速及啟停運(yùn)動(dòng)；通信單元用來初步處理收集到的信息并將信息發(fā)送至上位機(jī)PC。上位機(jī)PC 則對(duì)將收到的信息進(jìn)一步處理判斷，然后發(fā)送控制信息給下位機(jī)。

1 立體藥庫簡介

立體藥庫主要用來實(shí)現(xiàn)異形包裝藥品的存取，它由前后排貨架、儲(chǔ)藥盒、升降平臺(tái)及升降平臺(tái)上并排的10 個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由單相交流電機(jī)提供動(dòng)力，通過控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)貨架上儲(chǔ)藥盒的取出與送回。在存取藥品過程中，升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定層，執(zhí)行機(jī)構(gòu)正轉(zhuǎn)，將藥盒取至升降臺(tái)上，然后升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)到出藥口所在層，執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，將藥盒送至出藥口，等待藥品拿出；藥品拿出后，藥盒返回原來所在的位置，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。該立體藥庫可以同時(shí)存取10 個(gè)儲(chǔ)藥盒。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 立體藥庫結(jié)構(gòu)

2 傳統(tǒng)控制方法分析

在傳統(tǒng)的控制方法中，系統(tǒng)一般是通過一個(gè)PLC[6]作為控制元件來對(duì)10 個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行高低速、正反轉(zhuǎn)和啟?？刂?，以達(dá)到快速存取藥品的目的。

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于單相交流電機(jī)，系統(tǒng)一般通過調(diào)速器對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。每個(gè)調(diào)速器在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正反轉(zhuǎn)、高低速及啟停的運(yùn)動(dòng)過程中需要至少5 個(gè)I/O 點(diǎn)，所以對(duì)于10個(gè)或更多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就需要PLC 擴(kuò)展較多的I/O 模塊。且在運(yùn)動(dòng)時(shí)PLC 既需要控制10 個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，又要采集10 個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信息，且同時(shí)要對(duì)這些信息進(jìn)行處理，這就增加了PLC 運(yùn)行的負(fù)擔(dān)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量更多時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致PLC 內(nèi)部程序邏輯異常復(fù)雜，而且若某個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)無法使用。所以傳統(tǒng)的控制方法靈活性差，控制復(fù)雜，成本高，難以實(shí)現(xiàn)立體藥庫模塊化擴(kuò)展[7]的控制需求。

3 多個(gè)單片機(jī)控制的硬件組成

由于單片機(jī)成本低廉，可靠性高，控制簡單，常用來作為底層運(yùn)動(dòng)部件控制器。在該設(shè)計(jì)中，單片機(jī)外圍電路由顯示模塊、通信模塊、控制模塊、信號(hào)采集模塊等組成。多個(gè)單片機(jī)通過RS485 總線與上位機(jī)PC 進(jìn)行通信。

3.1 PC 與單片機(jī)的連接

在該系統(tǒng)中，以上位機(jī)PC 作為主站，多個(gè)單片機(jī)為從站，構(gòu)成了一個(gè)小型的主從式集散系統(tǒng)。系統(tǒng)通過RS485[8]總線進(jìn)行通信，PC 使用轉(zhuǎn)換模塊將RS232 信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485 信號(hào)。由于單片機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)電平為TTL電平，PC 機(jī)與單片機(jī)通信時(shí)需要MAX487 芯片進(jìn)行信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。該通信方式可以對(duì)單片機(jī)的數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展，消除了I/O 點(diǎn)數(shù)量的限制，最多可以驅(qū)動(dòng)128 個(gè)單片機(jī)。

PC 與單片機(jī)串行通信的連接框圖如圖3 所示。

圖3 PC 與單片機(jī)通信連接框圖

3.2 單片機(jī)外圍電路組成

3.2.1 顯示電路

顯示電路主要顯示所出藥品的數(shù)量，主要由兩個(gè)七段共陰極數(shù)碼管和譯碼器74LS240，反相譯碼器ULN2003 組成，顯示電路如圖4 所示。

圖4 顯示電路

LED 數(shù)碼管采取共陰極接法，數(shù)據(jù)顯示為動(dòng)態(tài)顯示方式。輸入位經(jīng)譯碼器譯碼后輸出相應(yīng)位驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。數(shù)碼管的位選信號(hào)由單片機(jī)的P2.0～P2.1 輸出，ULN2003 譯碼后選通相應(yīng)的數(shù)碼管，高電平有效。

3.2.3 通信電路

通信電路用來與上位機(jī)進(jìn)行通信。由于單片機(jī)輸出信號(hào)為TTL 電平，而通信過程中所需電平為RS485 電平，研究者需要通過MAX487 將TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS485 電平才能與實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。通信電路如圖5 所示。

圖5 通信電路

3.2.4 控制電路

控制電路用來控制單相交流電機(jī)的高低速、正反轉(zhuǎn)和啟停運(yùn)動(dòng)[9]。在該設(shè)計(jì)中，由于單相交流電機(jī)的速度隨著驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的增加而增加，而驅(qū)動(dòng)器輸入電壓的值是通過改變驅(qū)動(dòng)器上的電阻來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)通過輸入不同的電阻值來改變單相交流電機(jī)的速度。該設(shè)計(jì)通過單片機(jī)輸出位P1.0～P1.2 控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制。繼電器1 常開觸點(diǎn)接驅(qū)動(dòng)器開關(guān)輸入點(diǎn)實(shí)行電機(jī)的啟停運(yùn)動(dòng)，繼電器2 的常閉觸點(diǎn)和常開觸點(diǎn)接不同的輸入電阻值控制電機(jī)的高、低速，繼電器3 的常閉觸點(diǎn)和常開觸點(diǎn)接CW 及CCW 輸入端實(shí)行對(duì)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。

3.2.5 傳感器輸入電路

傳感器用來檢測(cè)儲(chǔ)藥盒所在的位置，并將該位置信息傳入到單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。傳感器輸入信號(hào)為開關(guān)量，輸入引腳為P2.4～P2.5。單片機(jī)通過檢測(cè)引腳電平的變化判斷傳感器是否感應(yīng)到信號(hào)并做出相應(yīng)的動(dòng)作。

4 PC 與單片機(jī)的通信設(shè)計(jì)

在PC 與單片機(jī)通信的過程中，PC 作為主站，啟動(dòng)并控制每一次通信[10-11]。多個(gè)單片機(jī)作為從站，接收主站發(fā)送的信息并做出應(yīng)答。每個(gè)單片機(jī)都有一個(gè)不同的站號(hào)，PC 通過發(fā)送不同的站號(hào)來選擇所需要的單片機(jī)。

在單片機(jī)的初始化過程中，本研究首先置SM2 為1，使單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。單片機(jī)工作于通信模式2。由于PC 不能像單片機(jī)一樣發(fā)送第九位數(shù)據(jù)TB8，這就需要PC 發(fā)送的第9 位奇偶校驗(yàn)位具有TB8位的功能，才能實(shí)現(xiàn)PC 與多個(gè)單片機(jī)一對(duì)一的通信。所以本研究在PC 發(fā)送地址時(shí)強(qiáng)制奇偶校驗(yàn)位為1，而在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)強(qiáng)制奇偶校驗(yàn)位為0。

PC 與單片機(jī)的通信過程如下：

（1）PC 首先向單片機(jī)發(fā)送地址信息。

（2）單片機(jī)接收到PC 發(fā)送的地址信息后，執(zhí)行串口通信中斷程序，與自己的從站地址相比較，若發(fā)送的地址與從站地址相同，則返回地址應(yīng)答信號(hào)并置SM2 為0；若不同則退出中斷。

（3）當(dāng)PC 接收到單片機(jī)發(fā)送的地址應(yīng)答信號(hào)后，判斷該應(yīng)答信號(hào)是否正確，若正確則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)發(fā)送地址信息。

（4）單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)信息后，執(zhí)行串口中斷服務(wù)程序，并發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)答信號(hào)，并置SM2 為1。

（5）當(dāng)PC 接收到正確的數(shù)據(jù)應(yīng)答信號(hào)后，繼續(xù)選擇下一個(gè)單片機(jī)，并發(fā)送信息。

5 運(yùn)行結(jié)果分析

本研究對(duì)立體藥庫分別采用PLC 控制和基于單片機(jī)的DCS 控制兩種控制方案進(jìn)行模擬出藥實(shí)驗(yàn)，分析兩種控制方案下系統(tǒng)的出錯(cuò)率及平均運(yùn)行時(shí)間。其中，出藥總時(shí)間為：

式中：T1=t1+t2+…+ti+…tn，ti—單個(gè)處方正常運(yùn)行出藥的時(shí)間，T1—試驗(yàn)所有處方正常運(yùn)行總時(shí)間，T2—系統(tǒng)故障后排除故障的總時(shí)間，T3—人工操作總時(shí)間。

單個(gè)處方出藥平均時(shí)間為：

式中：n—處方總數(shù)。

試驗(yàn)過程如下：

（1）對(duì)立體藥庫分別采用傳統(tǒng)PLC 控制和基于單片機(jī)的DCS 控制進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。由上位機(jī)向控制系統(tǒng)隨機(jī)發(fā)送1 000 個(gè)處方，其中每種處方含5 種藥品。

（2）記錄每個(gè)處方正常運(yùn)行的起始時(shí)間和終止時(shí)間，求出單個(gè)處方運(yùn)行的時(shí)間ti。

（3）對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)故障未能正常出藥的處方，記錄該處方的出藥時(shí)間。出藥時(shí)間包括系統(tǒng)出現(xiàn)故障及排除故障的時(shí)間。

（4）記錄每次處方出藥后人工取藥的時(shí)間，求出人工操作的總時(shí)間T3。

（5）統(tǒng)計(jì)出不同控制方式下所有處方出藥的總時(shí)間和處方出錯(cuò)數(shù)量，求出處方平均運(yùn)行時(shí)間和出錯(cuò)率。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 處方結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果表明：系統(tǒng)采用基于單片機(jī)的DCS 控制提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)出錯(cuò)率比采用傳統(tǒng)PLC 控制低0.2%；同時(shí)該控制方法提高了系統(tǒng)的出藥效率，處方平均時(shí)間比傳統(tǒng)PLC 控制少4.5 s。

通過分析可知，在上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送藥品信息的過程中，系統(tǒng)采用基于單片機(jī)的DCS 控制，只需將處方中藥品所在的位置信息分別發(fā)送到各自的單片機(jī)，各單片機(jī)收到信息后則并行完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制及位置信息的采集等動(dòng)作，并將采集后的信息發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，單片機(jī)之間互不影響。而系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PLC 控制時(shí)，當(dāng)上位機(jī)向PLC 發(fā)送藥品的位置信息后，PLC 需要控制多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)各機(jī)構(gòu)的位置信息進(jìn)行采集并進(jìn)行相應(yīng)處理。隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加，它們之間的邏輯關(guān)系也會(huì)更加復(fù)雜。這就增加了PLC 的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以系統(tǒng)采用基于單片機(jī)的DCS 控制，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

6 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)小型的DCS 系統(tǒng)，即多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分別由各個(gè)單片機(jī)控制完成，而單片機(jī)只需將運(yùn)動(dòng)信息與PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，避免了直接由一個(gè)PLC控制多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的編程復(fù)雜、可靠性低等弊端，提高了出藥效率。同時(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)需要擴(kuò)展最多128個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的靈活性。該方法操作簡單、成本低廉，可以與調(diào)速器集成實(shí)現(xiàn)模塊化控制。

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