滚动式智能取药柜的设计与实现

2013-08-23李练兵

制造业自动化 2013年17期

李练兵，柳倩，郭勇

LI Lian-bing, LIU Qian, GUO Yong

（河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）

0 引言

随着科学技术的快速发展，大量的医疗设备自动化产品相继产生。智能存取药柜是一个用于医院药房上药、取药的自动化设备，大大降低了医生的劳动强度，同时也提高了效率，是未来实现医院药房系统自动化的必要设备。本文中的智能存取药柜是基于PLC和PC机实现的，由简易PC机实现药柜与医院上层服务器之间的数据通讯，通过人机操作界面，实现药房上药、出药数据监控及药柜系统调试。PLC作为执行器，通过变频器控制电机，完成药柜的上药、出药工作。该药柜样机已完成试验工作。

1 药柜系统组成

智能存取药柜系统主要包括医院服务器、药房服务器、智能存取药柜三个部分,如图1所示。

1）医院服务器：主要负责管理、保存患者基本信息以及处方信息。

2）药房服务器：负责查询医院服务器保存的病患信息，保存到本地数据库，并将信息分离，以便相应的存取药柜PC机查询。并且接收各个存取药柜PC机发来的数据记录更新信息。

3）智能存取药柜：包括存取药PC机和PLC执行器，其中，存取药PC机是智能存取药柜的核心，负责药品数量、药品位置以及药品存取历史等信息的保存。并负责向控制器PLC发送取药信号以及收集显示存取药柜状态，将数据、状态变化反馈给药房服务器。

图1 智能存取药柜系统结构图

2 自动取药柜的硬件电路设计及材料选型

2.1 硬件材料选型

智能药柜主要硬件材料主要包括异步电机、变频器、旋转编码器、安全光幕、PLC控制器等，具体选型依据如下：

1）异步电机作为药柜动力来源，主要考虑其输出功率是否能够满足药柜所需最大功率输出，本文设计的智能药柜采用的是0.75KW三项异步电机，转速2825r/min，最大转矩2.3。

2）变频器作为电机驱动器，采用的是欧姆龙3G3JZ-A4007型号的变频器，主要考虑其所驱动的电机的功率，欧姆龙3G3JZ-A4007型号的变频器其最大适用电机容量为0.75KW。

3）旋转编码器主要是用来检测电机转速，通过PLC程序控制，可实现电机的精确定位。其选型的主要依据是PLC I/O模块的识别精度即对最大脉冲频率的识别，本药柜采用的是欧姆龙的E6B2-CWZ6C型号编码器，一圈输出60个脉冲的。

4）安全光幕最为防止出现安全事故的装置，主要考虑其光栅宽度。

5）PLC控制器采用的是德国WAGO公司的750-881 CPU模块，750-430 开关量输入模块，750-530开关量输出模块，750-600终端模块。主要考虑750-881 可支持两路网口通讯，实现药柜内部PLC控制器与简易PC机，PLC控制器与药房服务器的通讯。

2.2 电路设计

药柜主电路主要包括其主体供电线路，控制器、变频器、异步电机、24V电源模块、安全光幕及一些开关器件和指示灯的连接线路。设计图如图2所示。

图2 药柜主体设计图

计算机与网络技术的发展，以及对控制和管理要求的不断提高，PLC控制系统已发展成为可支持多台设备组合的控制网络[1]。通过上层服务器的协调配置，可实现多台药柜同时工作。

2.3 药柜结构设计

药柜采用滚动式结构设计，内部共有12层柜体，由链条连接，药柜内侧有滑道，电机通过链条拖动柜体旋转，充分利用空间资源。

3 药柜软件设计

3.1 简易PC机智能取药界面设计

基于Microsoft Visual Studio2008软件开发的智能药柜存取药界面，提供了方便的可视化操作平台，主要流程如下：

1）系统分析[2]

根据智能存取药柜的功能及其在医院药房中的作用，设计该系统的功能。主要包括其与药房服务器之间的通讯和与PLC控制器之间的通讯，维护整个药柜中数据的正确性。

2）数据库设计

根据医院药房的药品清单，日平均进出药量完成数据库的设计，在SQL Server 2008中创建数据库、数据表。

3）界面开发

基于Microsoft Visual Studio2008软件开发的智能药柜存取药界面主要包括主操作界面，上药界面，出药界面，调试界面等，该界面的主体程序主要实现对数据库的中数据的查询、修改和与上层药房服务器、PLC控制器之间的基于MODBUS TCP/IP协议的数据通讯。其主要操作界面如图3、图4、图5所示。

图3 主操作界面

图4 药柜出药界面

图5 系统维护调试界面

3.2 PLC程序设计

可编程逻辑控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源组成[3]，主要负责完成接收PC机传来的取药指令，控制各驱动部件完成发药工作，并通过MODBUS TCP/IP通讯协议向上位机反馈数据信息和配药任务的执行状态。本智能存取药柜采用的是德国WAGO公司的PLC，选用其750-881 CUP模块可支持MODBUS TCP/IP通讯。MODBUS TCP/IP报文服务采用客户端/服务器的模式交换实时信息，该模式基于以下四种类型的报文：Modbus请求、Modbus确认、Modbus指示和Modbus响应[4]。当PC机接收到由药房服务器发出的出药清单时，其会将出药指令传递给PLC控制器，使其通过控制电机带动旋转药柜，将所需药品旋转到出药口。药柜运行过程当中，如有物体接近旋转药柜时，安全光幕会产生终止信号，并进入药柜自检状态。因其程序是顺序循环执行的[5]，控制流程示意图如图6所示。