基于PLC自動(dòng)售藥機(jī)的設(shè)計(jì)

黃曉冉，董小雷

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

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基于PLC自動(dòng)售藥機(jī)的設(shè)計(jì)

黃曉冉，董小雷

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

售藥機(jī)；PLC；矩陣控制

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)在無(wú)人售藥存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種小型可移動(dòng)自動(dòng)售藥機(jī)。主要介紹了自動(dòng)售藥機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理和工作過(guò)程，結(jié)合自動(dòng)售藥機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了其基于PLC的機(jī)電控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)，對(duì)電磁鐵采用矩陣控制，并對(duì)自動(dòng)售藥機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分做了詳細(xì)闡述。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，醫(yī)藥技術(shù)也是突飛猛進(jìn)[1]，很大程度上提高了全民的醫(yī)療服務(wù)水平，一些自動(dòng)化售藥設(shè)備進(jìn)入了市場(chǎng)，為人們的生活帶來(lái)了方便。如何使得自動(dòng)化售藥設(shè)備能夠?yàn)槿藗兲峁└尤诵曰?、便捷化的服?wù)，成為需要思考的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的售藥方式是：人工到藥店或者醫(yī)院門(mén)診購(gòu)買(mǎi)，可以滿(mǎn)足人們對(duì)藥品的日常需求。但是對(duì)于一些居住較偏僻、交通不發(fā)達(dá)的地區(qū)或者夜間急需用藥的情況，往往由于購(gòu)藥不及時(shí)而延誤病情。市場(chǎng)上現(xiàn)有的自動(dòng)售藥機(jī)大多存在體積龐大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不方便維護(hù)等問(wèn)題，為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種小型可移動(dòng)的自動(dòng)售藥機(jī)，此售藥機(jī)采用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，為其更有效地解決自動(dòng)售藥問(wèn)題提供了方案。

1自動(dòng)售藥機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)售藥機(jī)主要由上下雙傳送帶、上下雙層發(fā)藥槽、光電計(jì)數(shù)器、針孔攝像頭、觸摸屏、微信支付端、投幣機(jī) 、電磁鐵、擋板、萬(wàn)向輪、推手等部分組成，如圖1所示。

售藥機(jī)的整體尺寸是1 200 mm(L)×1 000 mm(W)×1 200 mm(H)，體積和占地空間小，采用底部安裝4個(gè)萬(wàn)向輪和雙側(cè)面安裝2個(gè)推手相配合的方式，使得藥房移動(dòng)非常靈活[2]。萬(wàn)向輪減小了售藥機(jī)與地面的摩擦，旋轉(zhuǎn)推手能以固定旋轉(zhuǎn)扣為中心從凹槽中旋轉(zhuǎn)出來(lái)，供人工推動(dòng)，這樣一個(gè)人就能夠輕松地實(shí)現(xiàn)售藥機(jī)的移動(dòng)。

為了提高售藥機(jī)存儲(chǔ)藥品的數(shù)量和種類(lèi)，采用上下雙層斜坡儲(chǔ)藥槽，預(yù)計(jì)可以一次性存放64種非處方藥。將盒裝藥品側(cè)立放置在儲(chǔ)藥槽中，每一個(gè)儲(chǔ)藥槽的前端開(kāi)矩形孔，并且安裝鑲有擋板的電磁鐵，如圖2所示。擋板穿過(guò)矩形孔實(shí)現(xiàn)藥品的定位，電磁鐵每得電一次擋板收縮一次，一盒藥品從儲(chǔ)藥槽中利用重力原理滑落，通過(guò)控制電磁鐵得電次數(shù)，來(lái)控制出藥的數(shù)量。

采用常閉型光電對(duì)射裝置對(duì)藥品的出藥數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。每一層儲(chǔ)藥槽的每個(gè)擋板前端均開(kāi)有圓孔并且相通，在每一層儲(chǔ)藥槽最兩側(cè)的擋板上的圓孔處安裝光電對(duì)射裝置，實(shí)現(xiàn)一層儲(chǔ)藥槽出藥數(shù)量的記錄。

上下雙層儲(chǔ)藥槽與上下雙層傳送帶共同配合實(shí)現(xiàn)藥品的發(fā)送。藥品滑落至傳送帶，傳送帶將藥品經(jīng)出藥口運(yùn)送至取藥口。傳送帶還具有緩沖的作用，可避免藥品滑落時(shí)與底面沖擊太大而造成的藥品損壞。人們可在針孔攝像頭的監(jiān)視下通過(guò)觸摸屏來(lái)選擇所需的藥品，并可采用現(xiàn)金支付和微信支付2種方式，使得支付手段更加豐富和便捷，并提高售藥的效率。

1.底部傳送帶 2.上部傳送帶 3.側(cè)面擋板 4.底部發(fā)藥槽 5.光電計(jì)數(shù)器 6.通孔 7.上部?jī)?chǔ)藥槽 8.針孔攝像頭 9.觸摸屏 10.現(xiàn)金支付口 11.微信支付碼 12.硬幣找零口 13.上部出藥口14.底部出藥口15.取藥口16.電磁鐵17.萬(wàn)向輪

1.電磁鐵 2.電磁鐵推桿 3.擋板 4.矩形孔 5.通孔 6.儲(chǔ)藥槽

2自動(dòng)售藥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)售藥機(jī)的控制系統(tǒng)由其硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3為自動(dòng)售藥機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成框圖。上位機(jī)硬件系統(tǒng)主要由觸摸屏組成，其作用是供人工操作，對(duì)所需藥品的相關(guān)信息進(jìn)行查詢(xún)和確認(rèn)購(gòu)買(mǎi)。下位機(jī)硬件系統(tǒng)主要由PLC主模塊、擴(kuò)展模塊、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、交流電機(jī)、繼電器、電磁鐵、傳送帶等組成，其相互配合使得自動(dòng)售藥機(jī)有條不紊地運(yùn)行。

圖3　硬件控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)售藥機(jī)的工作過(guò)程如下：通過(guò)觸摸屏選擇所需藥品的種類(lèi)和數(shù)量，并付款確認(rèn)購(gòu)買(mǎi)，PLC接到上位機(jī)的指令后，控制相應(yīng)槽道的電磁地鐵得電，使得藥品沿著儲(chǔ)藥槽滑落，此時(shí)光電對(duì)射裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)所出藥品數(shù)量的記錄，并傳遞給PLC。當(dāng)所購(gòu)買(mǎi)的藥品從儲(chǔ)藥槽滑落后，PLC控制電機(jī)M1或者M(jìn)2工作帶動(dòng)相應(yīng)的傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，使得藥品通過(guò)出藥口滑落至取藥口。如果需要找零錢(qián)，上位機(jī)控制投幣器通過(guò)找零口找出相應(yīng)數(shù)量的硬幣。待人工從取藥口拿走藥品后，購(gòu)藥過(guò)程完畢。

2.1.1光電計(jì)數(shù)器的工作原理

常閉型光電計(jì)數(shù)器由發(fā)射端和接收端組成，并將接收端的信號(hào)反饋線(xiàn)接入PLC輸入端。發(fā)射端和接收端均由24 V直流電源供電，發(fā)射端發(fā)出光線(xiàn)，供接收端接受。當(dāng)藥盒未遮擋發(fā)射光線(xiàn)時(shí)，接收端處于低電平狀態(tài)；當(dāng)發(fā)送的藥盒遮擋住發(fā)射端發(fā)出的光線(xiàn)時(shí)，接收端會(huì)被激發(fā)出高電平[3]，并通過(guò)信號(hào)線(xiàn)反饋給PLC處理，從而記錄出藥的數(shù)量。其工作原理圖如圖4所示。

圖4　光電計(jì)數(shù)器的工作原理圖

2.1.2 PLC對(duì)電磁鐵的控制

自動(dòng)售藥機(jī)一次性可存放64種非處方藥，每一種藥品都由一個(gè)電磁鐵擋板實(shí)現(xiàn)定位，為了節(jié)約控制系統(tǒng)的硬件資源，對(duì)電磁鐵采用矩陣控制的方式[4]。用16個(gè)輸出點(diǎn)來(lái)控制64個(gè)電磁鐵，通過(guò)控制繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁鐵的得電和失電。選擇西門(mén)子S7-200 226CN CPU，輸入為24點(diǎn)，輸出為16點(diǎn)，并配合EM223擴(kuò)展模塊，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所需端子要求。將16個(gè)輸出點(diǎn)分為2組，一組接24 V直流電源，一組接地。將64個(gè)電磁鐵分為8組，每8個(gè)電磁鐵共用一個(gè)輸出端子，每個(gè)電磁鐵都分別與PLC通直流電的端子引出的8根線(xiàn)相接，并在每個(gè)電磁鐵后端串聯(lián)一個(gè)二極管，防止電流形成局部回路對(duì)電路的穩(wěn)定性造成影響[5]。其接線(xiàn)原理圖如圖5所示。

圖5　PLC矩陣接線(xiàn)原理圖

根據(jù)矩陣接線(xiàn)原理圖所示，一個(gè)電磁鐵需要2個(gè)輸出端的繼電器同時(shí)閉合即可。在編程時(shí)，要讓2個(gè)輸出點(diǎn)同時(shí)為1。根據(jù)控制原理圖總結(jié)出其主單元控制輸出點(diǎn)如表1所示。

表1　主單元輸出控制點(diǎn)

2.1.3 PLC對(duì)交流電機(jī)的控制

交流電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)送藥品。通過(guò)西門(mén)子EM223擴(kuò)展模塊控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。擴(kuò)展模塊輸出功能分配如表2所示。

表2　EM223擴(kuò)展模塊輸出功能分配表

2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)售藥機(jī)的軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)[6]，主要包括開(kāi)機(jī)檢測(cè)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、發(fā)藥管理模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊5大部分，如圖6所示。

圖6　售藥機(jī)軟件系統(tǒng)的組成模塊

開(kāi)機(jī)檢測(cè)模塊對(duì)自動(dòng)售藥機(jī)的各硬件組態(tài)部分的進(jìn)行開(kāi)機(jī)測(cè)試，并將檢測(cè)信息反饋給觸摸屏的人機(jī)界面。實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊對(duì)售藥機(jī)的整個(gè)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。發(fā)藥管理模塊實(shí)現(xiàn)藥品的發(fā)送。通訊模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的溝通，保證售藥機(jī)有條不紊地工作。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊采用SQL語(yǔ)句對(duì)藥品數(shù)量進(jìn)行匹配。軟件系統(tǒng)的出藥工作流程圖如圖7所示。

圖7　出藥工作流程圖

3結(jié)　論

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)售藥機(jī)，是機(jī)電一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動(dòng)售藥設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用。自動(dòng)售藥機(jī)體積小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，PLC本身的穩(wěn)定性與模塊化設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)配合保證了控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為其提供了便捷的運(yùn)營(yíng)管理，也為顧客帶了很大的方便，具有很大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

[1]龔從揚(yáng)，臧鐵鋼，袁金虎. 藥房快速自動(dòng)發(fā)藥機(jī)單元的研發(fā)[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化,2012，41(05)：64-66.

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Design of Automatic Drug Selling Machine Based on PLC

HUANG Xiao-ran,DONG Xiao-lei

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063000, China)

drug selling machine;PLC;matrix control

According to problem of automatic drug selling in our country, a small-sized movable automatic drug selling machine was designed. The mechanical structure, working principle and working process of the machine were mainly introduced in the paper. Combined with the structure of the automatic drug selling machine, the electrical control system based on PLC and PC software system were designed. The electromagnets were controlled by matrix method, and the hardware and software of the control system were elaborated in detail.

2095-2716(2015)04-0053-06

TP241.3

A