智能膀胱沖洗器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王磊， 單亞軍， 單佳煒， 韓雪頌， 韓良

（東南大學(xué)機(jī)械系，南京210096）

智能膀胱沖洗器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王磊， 單亞軍， 單佳煒， 韓雪頌， 韓良

（東南大學(xué)機(jī)械系，南京210096）

膀胱沖洗是預(yù)防長期留置導(dǎo)尿管患者泌尿系統(tǒng)感染的有效措施之一。傳統(tǒng)人工膀胱沖洗技術(shù)操作繁瑣并且需要全程監(jiān)護(hù)。以傳統(tǒng)膀胱沖洗技術(shù)為基礎(chǔ)，研制了一種智能膀胱沖洗器，設(shè)計(jì)了智能膀胱沖洗器的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以PLC和觸摸屏組合為控制核心，通過稱重傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測輸液袋重量，控制夾管閥自動(dòng)切換輸液管路。通過該智能膀胱沖洗器可以實(shí)現(xiàn)膀胱沖洗自動(dòng)化。

智能膀胱沖洗器；PLC；觸摸屏；稱重傳感器；夾管閥

0 引言

傳統(tǒng)的膀胱沖洗裝置采用的是靜脈輸液器膀胱沖洗法［1］。膀胱沖洗時(shí)，首先放出膀胱余尿，常規(guī)消毒導(dǎo)尿管，夾閉引流管。選擇尿管引流端與球囊端分叉下端為穿刺點(diǎn)，將靜脈穿刺針頭刺入導(dǎo)尿管，用膠布固定好，以快速輸液方法滴入藥液進(jìn)行膀胱沖洗。藥液達(dá)到所需量時(shí)，夾閉輸液管調(diào)節(jié)夾，讓沖洗液在膀胱內(nèi)保留20～30 min，然后開放引流管放出藥液。一般要有護(hù)士或病人家屬監(jiān)視沖洗液的體積并計(jì)時(shí)藥液在膀胱內(nèi)的保持時(shí)間。這不但操作繁瑣，而且因?yàn)橹荒芄烙?jì)輸入藥液的體積，造成了藥液的浪費(fèi)；更嚴(yán)重的是有時(shí)護(hù)士和病人家屬一時(shí)疏忽，忘記及時(shí)夾止輸液管，導(dǎo)致沖洗藥量過多，從膀胱回流至腎臟，引起腎盂腎炎，增加了病人的痛苦。本課題在傳統(tǒng)膀胱沖洗技術(shù)基礎(chǔ)上研制了一種智能膀胱沖洗器，該沖洗器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測沖洗藥液量，自動(dòng)關(guān)閉輸液管子，實(shí)現(xiàn)膀胱沖洗技術(shù)的自動(dòng)化。

圖1 智能膀胱沖洗器

智能膀胱沖洗器（圖1）為了測量沖洗藥液的用量設(shè)置了稱重傳感器1，2為輸液器，5為集尿袋，用自行設(shè)計(jì)的夾管閥3、4代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖洗裝置的輸液管調(diào)節(jié)夾，6為由PLC和觸摸屏組成的控制顯示單元。膀胱沖洗開始時(shí)，首先將輸液管和集尿袋分別穿過夾管閥，按圖1搭好膀胱沖洗器，然后通過控制顯示單元6關(guān)閉集尿袋閥4，手動(dòng)輸入沖洗藥液量以及沖洗時(shí)間，調(diào)節(jié)沖洗液流速開始沖洗；待達(dá)到?jīng)_洗量以后輸液管閥3自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)藥液在膀胱內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間以后自動(dòng)打開集尿袋閥4，廢液引流出膀胱至集尿袋5，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)通知醫(yī)護(hù)人員處理后續(xù)工作，沖洗完畢。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能膀胱沖洗器主要通過PLC控制傳感器、觸摸屏、夾管閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖洗如圖2。智能膀胱沖洗器的控制方案設(shè)計(jì)包括控制顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的控制。整個(gè)裝置通過控制核心PLC收集處理傳感器的信息，控制協(xié)調(diào)夾管動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)膀胱沖洗過程的自動(dòng)化。這其中控制協(xié)調(diào)夾管閥動(dòng)作是控制的主要部分。

1.1 控制系統(tǒng)流程

進(jìn)行膀胱沖洗時(shí)，首先，通過觸摸屏將預(yù)設(shè)的沖洗藥液量和沖洗液在膀胱內(nèi)保持的時(shí)間寫進(jìn)PLC，PLC程序?qū)?dāng)前已經(jīng)灌入患者膀胱內(nèi)的藥液量和預(yù)設(shè)沖洗藥液量作實(shí)時(shí)比較，當(dāng)灌入患者膀胱內(nèi)部藥液量大于或者等于預(yù)設(shè)沖洗量時(shí)，PLC控制輸液管夾管閥關(guān)閉，同時(shí)開始計(jì)時(shí)沖洗液在膀胱內(nèi)的保持時(shí)間，達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間以后打開集尿袋夾管閥，放出廢液，沖洗過程結(jié)束。輸液管夾管閥和集尿袋夾管閥內(nèi)部各有一個(gè)霍爾開關(guān)，是夾管閥關(guān)閉的結(jié)束信號和打開的開始信號。夾管閥關(guān)閉時(shí)直流減速電機(jī)正轉(zhuǎn)直到霍爾開關(guān)給出信號；只有夾管閥關(guān)閉后才能控制其打開，打開時(shí)直流減速電機(jī)反轉(zhuǎn)1.5 s。智能膀胱沖洗裝器的控制流程圖如圖3所示。

圖2 自動(dòng)膀胱沖洗裝置控制原理圖

圖3 智能膀胱沖洗器控制流程圖

1.2 控制顯示單元設(shè)計(jì)

智能膀胱沖洗器采用PLC作為控制CPU保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)PLC和觸摸屏組合使用已經(jīng)成為工業(yè)控制的主導(dǎo)形式［4］。PLC的I/O口分配及硬件接線如圖4所示。

圖4 智能膀胱沖洗器硬件連線

其中SENSOR1為拉壓傳感器；SENSOR2和SENSOR3分別為M1和M2的霍爾開關(guān)；M1和M2分別為輸液管和集尿袋夾管閥的直流減速電機(jī)。

1.3 傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 稱重傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

稱重傳感器實(shí)時(shí)檢測沖洗袋或輸液瓶重量，把藥液的重量轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號經(jīng)過PLC的AD模塊處理，內(nèi)部計(jì)算后實(shí)時(shí)地在觸摸屏上顯示出來。稱重傳感器一端懸掛于吊瓶架上，另一端與沖洗袋或沖洗瓶相連。由于沖洗藥液一般為500 mL/瓶［2］，選用量程為0～5 kg的S型稱重傳感器，壓力信號經(jīng)過放大器后得到0～5 V的模擬信號。通過多次試驗(yàn)對傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，標(biāo)定值設(shè)定到PLC中。

1.3.2 霍爾開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在控制夾管閥動(dòng)作時(shí)需要定位開關(guān)來控制閥體動(dòng)作的范圍?？紤]到閥體的大小和霍爾開關(guān)［3］具有電源電壓范圍寬、開關(guān)速度快、無瞬時(shí)抖動(dòng)、壽命長、體積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，我們最終選擇了霍爾開關(guān)。當(dāng)霍爾開關(guān)的磁鋼到傳感器的距離到達(dá)一定時(shí)霍爾開關(guān)會由高電勢變?yōu)榈碗妱荩@樣就把位置信號轉(zhuǎn)化為電信號方便PLC處理［5］。圖5所示為HAL3144E霍爾開關(guān)的電路圖。

圖5 HAL3144E電路圖

1.4 夾管閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾管閥采用的是直流減速電機(jī)帶動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)。根據(jù)直流電機(jī)的特性，改變電機(jī)電源的正負(fù)極就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了閥體的打開和閉合的動(dòng)作。為防止電路短路，增加了2個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的互鎖。減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制原理如圖6所示。

圖6 直流減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制

PLC通過控制輸出口電壓高低來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，由霍爾開關(guān)的信號控制電機(jī)的啟停。夾管閥的PLC程序如圖7。

圖7 夾管閥控制程序

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物搭建如圖8所示。輸液瓶懸掛于稱重傳感器下，夾管閥固定在吊瓶架上，輸液管穿過夾管閥，將沖洗液引流出來，模擬醫(yī)院膀胱沖洗過程，手動(dòng)輸入沖洗藥液量和沖洗時(shí)間，實(shí)時(shí)觀察觸摸屏顯示的沖洗量變化值和夾管閥動(dòng)作。

圖8 智能膀胱沖洗器實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過多次實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)有效精確地完成了設(shè)定的任務(wù)，很好地屏蔽了外界的各種干擾。設(shè)計(jì)的稱重傳感器系統(tǒng)精確地反映了輸液瓶中藥液的量，并且通過PLC能把輸液瓶中的藥量實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。設(shè)計(jì)的霍爾開關(guān)和夾管閥控制系統(tǒng)能及時(shí)準(zhǔn)確地完成我們所要求的動(dòng)作，進(jìn)一步確保了沖洗藥量的精確度。

4 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)膀胱沖洗技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種智能膀胱沖洗器，重點(diǎn)闡述了該膀胱沖洗器的控制系統(tǒng)，初步完成了智能膀胱沖洗器的模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，該智能膀胱沖洗器操作簡單，運(yùn)行可靠，實(shí)驗(yàn)效果良好，后面的工作是將其應(yīng)用于實(shí)際臨床，根據(jù)現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以預(yù)計(jì)，該智能膀胱沖洗器既能提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，又能防止因護(hù)理不當(dāng)造成的醫(yī)療事故。

［1］ 王粵湘.膀胱沖洗的護(hù)理進(jìn)展［J］.現(xiàn)代護(hù)理，2006，12（25）：2387-2388.

［2］ 李銳，嚴(yán)彥宏，燕純叔，等.持續(xù)膀胱沖洗方法的臨床效果對比研究［J］.現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2006，33（8）：1517-1520.

［3］ Hallwee.HAL3144E單極霍爾開關(guān)電路［EB/OL］.［2011-11-16］.http：//www.hallwee.com.

［4］ 呂品.PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2010，31（8）：45-47.

［5］ 王冬青，譚春.歐姆龍CP1H PLC原理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

（編輯立 明）

Design of the Control System of the Intelligent Bladder Irrigator

WANG Lei， SHAN Yajun,SHAN Jiawei,HAN Xuesong,HAN Liang
（Department of Mechanical,Southeast University,Nanjing 210096,China）

Bladder irrigation is the one of the effective measures to prevent urinary tract infection in patients with long-term indwelling catheter.The operation of the traditional artificial bladder irrigation is complicated and need constant monitoring.Based on traditional artificial bladder irrigation technology,a kind of intelligent bladder irrigator and its control system are designed.The control system includes PLC and touch screen.By using weighing sensor to monitor the weight of infusion bag in real time,the irrigator control pinch valve can switch the infusion tube automatically.Bladder irrigation can be carried out automatically by using this intelligent bladder irrigator.

intelligent bladder irrigator;PLC;touch screen;weighing sensor;pinch valve

TM 571

A

1002－2333（2014）05－0111－03

王磊（1992—），男，本科學(xué)生，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化；韓良（1967—），男，副教授，博士生導(dǎo)師，博士學(xué)位，從事機(jī)電一體化、振動(dòng)傳輸、機(jī)器視覺等方向的研究。

2014-03-06

東南大學(xué)“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”（1210286008）