基于PLC的中药颗粒自动配药系统

2019-06-01司佳顺许东来

制造业自动化 2019年5期

司佳顺，许东来

（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124）

0 引言

随着西药的广泛使用，病原体往往产生了抗药性，中药的作用逐渐凸显出来。但是在我国，中药颗粒的自动化高速配药始终是一个短板。对于患者而言，排队等待拿药的时间长、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]。因此研究自动化高速配药系统是符合发展潮流的，也必将在广大医院内得到应用。

中药颗粒自动配药系统由循环往复式储药系统、药物传输系统和自动配药系统组成。通过三大系统的密切配合，完成对中药颗粒的高速准确配药。

1 控制系统工作流程及硬件构成

1.1 工作流程

整个系统的工作流程是：医生经过诊断后，开出药方。药方传到系统中。待病人缴费后，系统根据药房所含药物种类对药罐重新编组，然后就近推出到一个排架上，排架上贴有条形码。系统初检后，控制步进电机带动齿型链旋转，待检测到外围托架的第一层时，步进电机停止，伺服电机驱动四杆机构将药架推出到外围托架上，四杆机构收回，配药系统工作。步进电机带动齿形带运动，药盒排列在齿形带上，待检测到药盒和相应的药罐匹配后，升降电机和旋转电机动作，完成第一味药的下料。然后进行第二味药的下料，而此时第二个药盒进行第一味药的下料过程，待下料完成后，药盒进入称重环节，若在允差范围内，则封装贴签，送到病人手中。配置第一个病人药物的同时，第二个人的药物也在同时配制，原理同上。

1.2 硬件组成

中药颗粒自动配药系统主要由工控机，显示屏，PLC，伺服电机，称重传感器，光电传感器，位移传感器，电磁阀，继电器，RTU MODBUS通讯模块，RFID等构成。结构如图1所示。

图1 控制系统硬件构成图

PLC选用S7-200 Smart作为监控核心，它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择。S7-200 Smart支持TCP/TP和modbus通讯，系统配置合理，技术可行，完全可以满足现场使用要求。该部分主要根据各类传感器的状态控制相关电机的动作。

1）PLC控制柜内安装有S7-200 Smart，485通讯模块，IO扩展模块，RTU控制器，接线端子，开关电源，继电器。触摸屏安装在PLC控制柜的门板上，极大地方便了用户的操作以及对设备状态的实时监控[2]。通过触摸屏既可以很好的观测配药的状态和各个电机的运行情况，又可以进行参数的设定以及查看相应的报警信息。

2）各种传感器

各种传感器实时采集物理量信号，输出标准4～20mA电流信号，并配以二线制RVVP电缆单独传送到PLC控制柜[3]。各传感器包括光电传感器，称重传感器等。

光电传感器用以检测随动排架与外围托架的对位。外围托架的每层均安置有光电传感器。称重传感器用于检测配药完成后药盒的重量，对系统误差做出分析，安置在封装机构之前。

3）RFID技术

每个药罐上均安装有电子标签，供读写器识别。读写器经RS232通讯转RS485与PLC建立通讯关系，将数据传输到系统。本设计采用采用西门子读写器RF260R。

2 控制系统程序设计

2.1 闭环控制

中药颗粒高效取药系统核心是每个药方的每味药能够准确无误的落到药盒里。为此做了闭环控制，提高系统的精确度。如图2所示，闭环控制逻辑框图，本设备采取编码器检测伺服电机的旋转角度与称重传感器检测药盒重量的双闭环控制系统。伺服控制系统采用位置控制方式与编码器位置反馈形成伺服驱动器内的内部闭环系统，提高了设备的运行精度[4]。采取外部闭环控制系统的主要原因是当伺服电机旋转角度未达到下药量的重量时，会影响配药的精度，增加称重传感器的检测，能够很好的解决这个问题，并且通过PID调节能够提高设备的稳定性和快速响应。

图2 闭环控制逻辑框图

2.2 PLC程序设计

图3为控制系统流程图。

运行程序，设备上电启动，检测各电机的运行状态以及相关传感器、指示灯、通讯模块的状态。如果出错，由人工检修。然后检测各药箱的药物重量，如果低于药箱含量的一半，则进行加药动作，然后药箱到达药物托架上。当药方到达系统后，系统确认收到药方，然后依次比较各个药架上的药物，选出重合度最高的药架，进行旋转到指定位置，将该药方的其他药物替换到此药架上。然后，由推出机构推送到外围托架，进行配药准备。当检测到有药箱存在于外围托架时，伺服电机带动齿形带形成精确位移，旋转电机升降驱动下药口，开始下药待下药完成后，检测药盒重量，若达标，依此进行下一味的配制，直至配制结束。若不达标，通过PID调节，再次形成微转角度，直至下药达标。下药完成后，封装贴签，送到病人手中。