基于PLC和多DO扩展模块的全自动快速发药机发药控制系统设计

2012-04-10许东来

制造业自动化 2012年16期

刘星，许东来，禹威，桑墒

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

（1. 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124；2. 上海长农实业有限公司，上海 201704）

0 引言

在我国，医院药房主要是遵循传统的工作模式，以人工发药为主，属于简单的“取药治病”模式。对于患者而言，排队等待拿药的时间很长、效率低，容易引起医患矛盾；对于医院而言，药房设备设施陈旧、占用人员多、人力成本高、药师工作强度大，这是目前大多数医院药房普遍的状况及存在的问题[1]。自动化药房是医院药房发展的必然趋势[2]。

全自动快速发药机是用于医院药房发药量最大的盒类药品的自动发药，是自动化药房的重要组成部分[3]。全自动快速发药机由自动加药系统、矩阵式储药系统、自动发药系统和药品传送系统组成。自动发药控制系统直接关系到盒药的发药速度及准确性，是全自动发药机的核心。

1 控制系统构成及工作流程

如图1所示为系统构成框图。系统主要包括五部分：PC机、可编程逻辑控制器PLC、DO扩展模块、驱动电路和发药电磁铁。PC机实现人机界面、药品处方数据处理与记录以及与PLC通讯的功能；PLC主要实现与PC机的通讯以及对发药电磁铁的控制；DO扩展模块主要实现选通驱动电路的功能；驱动电路为发药电磁铁提供驱动电流；发药电磁铁实现药品的定位以及自动发放。

整个系统的工作流程如下：PC机接收医院HIS系统下发的药品处方，主要包括药品的编码、名称和数量等，由PC机上的组态软件对药品处方进行拆分处理，并下传到PLC；PLC将从PC机接收到的药品处方信息分成12行，传送到对应DO扩展模块的寄存器中；在检测到PLC发出的锁存信号后，扩展模块DO口选中相应驱动电路驱动发药电磁铁动作，实现发药动作。

2 自行开发的多DO扩展模块

为了降低控制系统硬件成本，我们自行开发了一款多DO扩展模块。该扩展模块采用串行输入并行输出的工作方式，每块扩展模块级联了4块74HC595芯片，能够实现32位并行输出。

DO扩展模块的电路原理图如图2所示。

图1 发药控制系统框图

74HC595的16脚接DC5V并接旁路电容，8脚接地；10～14脚接下拉电阻并接对应PLC的DO，其中11脚接PLC高速脉冲输出口，为74HC595提供高速移位时钟脉冲；1～7脚和15脚接驱动电路，驱动发药电磁铁；9脚接下一级74HC595芯片的14脚。正常使用时，PLC的输出Q1.2保持低电平，Q1.1保持高电平；Q1.3输出当前行药槽的发药数据。当Q0.0出现上升沿时，74HC595移位寄存器的所有数据位左移一位并读入SI脚当前电平值，同时Q7’串行输出移位寄存器中高位的值输出到下一级74HC595的SI脚。当发药电磁铁的控制数据全部移入DO扩展模块移位寄存器中时，PLC的Q1.0输出高电平，595的12脚检测到上升沿，移位寄存器的数据被锁存到存储寄存器中，并从各个74HC595的Q0～Q7脚输出，选通驱动电路，驱动对应发药电磁铁动作，实现发药。

3 驱动电路设计

驱动电路原理图如图2所示。

DO扩展模块必须外接电流驱动电路来驱动发药电磁铁动作。驱动电路对应的74HC595输出端为高电平时发药电磁铁动作。驱动电路中，我们在信号输入端采用了光电耦合器件TLP521，实现了输入端与输出端的电气隔离，有效避免了电磁铁对输入信号的干扰，提高了电路的安全性；采用N-MOSFET功率场效应管IRF530N为发药电磁铁提供驱动电流；由于药品种类不同，重量也会不同，这就要求驱动电路能够保证电磁铁的动作力度可以适应各种重量的药品，通过变阻器R7调节通电时场效应管的栅极电压，实现对场效应管漏-源极电流的调节，达到调节电磁铁动作力度的目的，保证了发药动作的可靠性；电阻R8起限流保护作用；与电磁铁并联的二极管和电阻R9用于吸收电磁铁自感产生的电流，消除电磁铁断电时产生的电动势对电路的干扰，起到保护电路的作用。

4 发药控制系统的软件设计

发药控制系统的软件设计主要包括上位机组态软件设计和下位机PLC程序设计。

4.1 组态软件设计

组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能、通用层级的软件工具。本次设计采用北京亚控公司的Kingview6.52版组态王软件。

组态王软件实时接收医院HIS系统数据库中的处方信息，并将当前处方中的出药信息拆分成“页”数据，“页”数与当前处方中盒数最大的药品的数量相等，每“页”含有720位数据，对应720个药槽的出药信息，每位数据只有“0”和“1”两种状态：“0”表示不发药，“1”表示发一盒药。为了减少在通讯上消耗的时间，组态王软件通过以太网与PLC通讯。组态王将拆分后的当前处方出药数据下传到PLC对应的发药数据缓冲区后，从HIS系统接收新的处方，进行拆分后等待下一次出药数据下传。

图2 发药控制电路原理图

4.2 PLC程序设计

控制系统选用西门子晶体管型CPU226模块一块，CP 234-1工业以太网通讯处理器模块一块。系统的编程软件采用西门子公司的Step7 MicroWIN V4.0版本，通过CP 243-1的向导程序可以方便地实现PLC与上位机组态王软件的以太网通讯。

本系统的控制流程图如图3所示。

首先将程序中与出药相关的参数初始化，然后按“页”从组态王中接收处方出药数据并有计数器对“页”计数，程序中确定了十“页”共480个字的存储空间作为出药数据缓冲区。程序实时检测当前处方出药数据接收完成标志位，若出药数据接收完成，则启动定时中断和PTO脉冲输出。在定时中断子程序中对PLC中每行出药数据进行左移。PTO输出脉冲作为DO扩展模块的移位时钟脉冲，在PTO脉冲输出子程序中可以方便地设定脉冲的周期及给定的脉冲个数。定时中断的周期要与PTO脉冲的周期一致，并且定时中断的启动要先于PTO脉冲输出。时序上的紧密配合才能准确、快速地将出药数据移入到DO扩展模块的移位寄存器中。脉冲输出完成时断开定时中断，输出锁存信号并接通延时计时器。锁存信号是用于将各DO扩展模块移位寄存器中的数据锁存到存储寄存器中并对外输出，选通驱动电路，实现发药动作。延时计时器是用于设定发药电磁铁的通电时间，计时器计时完成时PLC将各DO扩展模块的移位寄存器清零并输出，电磁铁回复初始状态，等待下一次发药动作。每次发药动作结束时程序对页计数进行减一操作并检测其是否为零，以此来确定当前药方出药是否已全部完成。如当前药方出药未完成则对下一“页”进行发药；如当前药方出药完成，则准备从组态软件接收新的处方出药数据信息。