基于PLC藥房自動化系統(tǒng)設計

李成群， 黃寶旺， 樊鴻偉， 張凈霞(河北聯(lián)合大學 .機械工程學院; .電氣工程學院,河北 唐山 063000)

基于PLC藥房自動化系統(tǒng)設計

李成群a， 黃寶旺b， 樊鴻偉a， 張凈霞a
(河北聯(lián)合大學 a.機械工程學院; b.電氣工程學院,河北 唐山 063000)

介紹了整個自動化藥房的組成，包括自動上藥系統(tǒng)、儲藥柜和自動出藥系統(tǒng)。分別就其結構進行了設計，根據(jù)其工作原理設計了相應的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以工控機和PLC為核心，其中工控機在上層與數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的交互，在底層與下位機PLC進行實時通訊，PLC根據(jù)工控機發(fā)送的指令數(shù)據(jù)，對外圍執(zhí)行機構進行控制。實現(xiàn)整個藥房的自動化和信息化管理。

PLC；自動化藥房；出藥系統(tǒng)；上藥系統(tǒng)；位置同步

0 引 言

自動化藥房主要由自動上藥系統(tǒng)、儲藥柜、自動出藥系統(tǒng)和藥品信息處理系統(tǒng)等幾個部分組成[1]。分別對自動上藥系統(tǒng)、儲藥柜、自動出藥系統(tǒng)的結構組成及其自動化控制進行設計?？刂葡到y(tǒng)包括工控機、PLC、伺服電機驅動器等，以工控機為核心，并作為底層PLC與上層數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互的橋梁，完成整個自動化藥房的信息化管理[2]。

1 自動化藥房上藥系統(tǒng)

上藥系統(tǒng)主要包括上藥平臺、上藥機構和定位系統(tǒng)。其中上藥平臺用于操作人員擺放藥盒，由觸摸屏、條形碼掃描模塊和放藥裝置組成；定位系統(tǒng)由橫向上下兩個導軌和縱向一個導軌組成，這里把橫向導軌稱作X方向，其中橫向上導軌為X1，橫向下面導軌為X2，縱向導軌稱作Y方向。

1.1 上藥機構設計

上藥機構如圖1所示，由出藥擋板1、軸2、滑槽3、底座4、電動缸5和光電開關組成。其中滑槽3可以繞軸2旋轉，當與人機交互平臺對接時，繞軸2旋轉側傾25度，確保放藥機構上的藥盒順利滑至上藥機構并自動與一側對齊；當上藥時，滑槽3復位，與儲藥柜中的儲藥槽對接。上藥機構通過定位系統(tǒng)首先對一個滑道進行定位，定位完成后打開擋板1，藥盒滑至儲藥柜指定槽位，通過光電開關管進行計數(shù)，所有藥盒均滑至儲藥槽后關閉翻板1。重復上述動作完成另外三個滑道的上藥操作。最后回到原點——放藥機構處，等待下一次上藥操作。

1.擋板 2.軸 3.滑槽 4.底座 5.電動缸圖1 上藥機構

1.2 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)包括橫向上下兩導軌X1、X2，縱向導軌Y，伺服電機M1、M2、M3、同步帶和三個限位開關。上藥機構安裝在定位系統(tǒng)的Y軸上，伺服電機通過同步帶，驅動上藥機構在導軌確定的平面上運動，限位開關防止導軌Y和上藥機構超出行程范圍。

2 自動化藥房出藥機構設計

1.電磁鐵 2.外殼 3.擋板 4.彈簧圖2 出藥機構

出藥機構如圖2所示，包括電磁鐵1、外殼2、擋板3和彈簧4組成。裝置安裝在儲藥槽前端的出藥口處，擋板3將藥盒檔在出藥口處，當某個儲藥槽需要出藥時，電磁鐵控制擋板打開，并隨后復位。也就是當藥盒未完全滑出時擋板復位并將藥盒頂起，這樣既可以使藥盒順利滑落，又可以擋住下一個藥盒，防止其跟隨上一個滑落。

3 自動化藥房控制系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)以工控機為上位機， PLC為下位機， 其中工控機作為數(shù)據(jù)交互的樞紐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫、工控機、PLC和其他外圍設備之間的數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)自動化藥房信息化管理?？紤]到系統(tǒng)包括對三個伺服電機的閉環(huán)控制，需要三軸高速脈沖輸出和三軸高速脈沖計數(shù)器用于接收伺服電機的碼盤信息，因此選擇性價比較高的歐姆龍CP1H漏極輸出型PLC。選定繼電器輸出型的CP1W—40EDR I/O擴展模塊，作為電磁鐵、電動缸、光電開關等外圍設備的控制端口；SGDV—5R5A01A伺服控制單元三個，與PLC共同控制伺服電機。

3.1 定位系統(tǒng)自動控制

定位系統(tǒng)的控制設計是由PLC通過伺服驅動器控制三個伺服電機而實現(xiàn)的。PLC通過接收工控機下發(fā)的藥品坐標信息，PLC通過伺服電機驅動器同時控制三個伺服電機動作。三個伺服電機驅動上藥裝置在導軌上運動，完成上藥機構的定位操作。其中橫向導軌X1、X2同時帶動導軌Y橫向運動，因此必須保證伺服電機M1、M2保持位置同步，否則嚴重時會對機械結構造成損壞。這里采用并聯(lián)式閉環(huán)同步控制[3]，PLC接收到橫坐標信息后，向X1、X2發(fā)送相同頻率和相同數(shù)量的脈沖，同時將伺服電機編碼盤信息作為電機實際運行的反饋信號。通過對比兩個伺服電機實際運行情況得到同步位置誤差，通過控制器輸出補償脈沖信號，確保二者位置同步。X軸與Y軸之間采用平面插補算法[4]完成最終的定位操作。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 插補定位流程圖

圖4 自動化藥房控制系統(tǒng)框圖

3.2 上藥系統(tǒng)自動控制

上藥控制系統(tǒng)包括三個伺服電機、四對光電開關管、兩個電動缸和一個電磁鐵，其中，條形碼掃描、觸摸屏和如圖1所示的上藥裝置共同構成人機交互平臺[5]，控制系統(tǒng)首先通過條形碼掃描模塊獲得藥品相關信息，與上藥信息進行比對，如果比對成功，也就是所上藥品對應的儲藥槽內藥盒數(shù)量少于二盒，則操作正確，進入下一步，否則提示藥品錯誤。

掃描通過以后，根據(jù)觸摸屏提示進行操作，將藥品按順序放入放藥裝置，電機觸摸屏上的確認鍵。首先檢測上藥裝置是否到位，如果到達指定位置，則電動缸動作，藥品沿放藥板滑至上藥裝置的滑槽中，分別通過光電開關1和光電開關2檢測放藥板兩個滑道的藥品是否全部滑至上藥裝置。如果是則PLC控制X1、X2、Y三個伺服電機進行定位操作。定位完成后電磁鐵動作，打開上藥裝置滑道前端的擋板，等待藥品滑至儲藥槽。通過檢測光電開關管信號確定動作完成，復位電磁鐵。重復上述操作完成整個上藥操作?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖4所示。

3.3 出藥控制系統(tǒng)設計

圖5 矩陣式出藥控制示意圖

出藥控制系統(tǒng)中，每個儲藥槽安裝一個出藥裝置，如果分別控制每個出藥裝置需要占用大量PLC I/O，同時需要耗費大量導線，因此這里采用矩陣式輸出方式，也就是把整個儲藥柜中的每一個儲藥槽看成是矩陣中的每一個點，橫向坐標代表行，通過PLC輸出端子接24 V；縱向坐標代表列，通過PLC輸出端子接地。如果同時置位一組24 V相連的PLC端子和接地的PLC 端子，則對應的行與列的交點處線圈得電。如圖5所示。

圖6 出藥控制流程圖

圖中每個行與列交點處線圈代表電磁鐵線圈，如當?shù)?行第C列同時導通，則圖中3C位置電磁鐵導通。在出藥過程中，只需要由工控機將所需藥品所在的行號和列號發(fā)送給PLC[6]，通過PLC控制對應的出藥機構即可實現(xiàn)對處方藥物的出藥操作。為了避免在出藥過程中出現(xiàn)卡藥現(xiàn)象，在儲藥柜每列儲藥槽上端安裝一個光電開關管，當有藥物落下會使對應的光電開關發(fā)出信號，以確認出藥成功，如果出藥指令發(fā)送結束后0.5 s未接收到反饋信息，則說明沒有出藥成功，則再次發(fā)送該點的出藥指令，重復三次如果仍然出藥故障則報警。為了防止相鄰兩列的光電開關相互干擾，這里采用相鄰列光束對射的接法，也就是其中一列發(fā)光端在上，接收端在下，那么其相鄰兩列均為發(fā)光端在下，接收端在上。軟件流程圖如圖6所示。

4 結束語

介紹了自動化藥房的組成，包括自動上藥系統(tǒng)、儲藥柜和自動出藥系統(tǒng)，對三個組成部分的結構進行了設計與介紹，分別就其工作原理、動作流程進行了控制系統(tǒng)的設計，控制系統(tǒng)以工控機為上位機，PLC作為下位機。工控機通過與數(shù)據(jù)庫和PLC之間進行數(shù)據(jù)交互，PLC根據(jù)工控機的指令控制伺服電機、電磁鐵等外圍設備進行相應的動作，完成整個藥房的自動化管理。

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[4] 宋伯生.PLC編程理論·算法及技巧[M]. 北京：機械工程出版社,2009.

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[6] 趙偉.中藥自動配送控制系統(tǒng)的關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2012.

Design of a Pharmacy Automation System Based on PLC

LI Cheng-quna, HUANG Bao-wangb, FAN Hong-weia, ZHANG Jing-xiaa
(a.College of Mechanical Engineering, b. College of Electrical Engineering, Hebei United University, Tangshan Hebei 063000, China)

This paper introduces the composition of the entire automated pharmacy, including automatic drug-loading system, drug cupboard and automatic drug delivery system. The structure of the three parts is designed respectively, and corresponding control systems are also designed according to the operating principle. The control system uses the industrial personal computer and PLC as the core. The industrial personal computer makes data interaction with the database in the upper layer, and realizes real-time communication with the lower PLC in the lower layer. Following the commands sent from the industrial PC, the PLC controls the peripheral execution elements, thus realizing automation and information management of the whole pharmacy.

PLC;automated pharmacy;system of drug delivery;drug-loading system;position synchronization

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.032

TH-39

A

1000-3886(2015)05-0099-03

李成群(1963-),男，河北人，副教授，博士，研究方向為機器人技術，機械系統(tǒng)動力學和工業(yè)控制和測試技術。 黃寶旺(1989-)，男，河北人，碩士生，主要研究運動控制。

定稿日期: 2014-09-07