PLC控制在中藥智能配藥系統(tǒng)中的應(yīng)用

中藥智能配藥系統(tǒng)工作的過程是：首先通過醫(yī)院內(nèi)部局域網(wǎng)將在終端電腦上開出的處方傳至藥房配藥主控計(jì)算機(jī)，然后由主控計(jì)算機(jī)在查詢藥品數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上形成配藥指令并下達(dá)給配藥機(jī)器，完成配藥過程？同時(shí)，主控計(jì)算機(jī)在配藥機(jī)器終端的液晶顯示屏上顯示患者信息，并驅(qū)動(dòng)打印機(jī)輸出處方的綜合信息，將處方綜合信息連同配藥機(jī)器輸出的配好的分帖包裝中藥一起交付患者使用？

中藥智能配藥系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可分為機(jī)電控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 機(jī)電控制系統(tǒng)

機(jī)電控制系統(tǒng)為分層分布式結(jié)構(gòu)，采用上位機(jī)+下位機(jī)+集成電路板的技術(shù)進(jìn)行綜合控制？其電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示？具體介紹如下：

（1）上位機(jī)使用PC機(jī)，負(fù)責(zé)管理級(jí)和監(jiān)控調(diào)度級(jí)的控制？上位機(jī)不采用工控機(jī)的原因是因系統(tǒng)對(duì)于界面？數(shù)據(jù)庫處理及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系等均有較高的要求？上位機(jī)的主要功能是將人機(jī)界面輸入的二進(jìn)制編碼信息通過RS-232串口傳送給下位機(jī)，并對(duì)下位機(jī)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成藥方打印和液晶顯示？另外，它與藥品管理信息系統(tǒng)之間的信息交互，是通過醫(yī)院內(nèi)部的局域網(wǎng)來進(jìn)行并采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。

（2）下位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)備級(jí)控制？其功能是接收并解碼上位機(jī)發(fā)送的二進(jìn)制配藥信息，然后根據(jù)配藥信息選定所需藥品，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)集成電路板進(jìn)行下藥控制，并驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行定位？取出藥品？包裝成袋，連同打印藥方一起交付患者？下位機(jī)之所以采用PLC而沒有選擇價(jià)格相對(duì)低廉的單片機(jī)，原因之一是為了滿足中藥配藥機(jī)對(duì)高速運(yùn)作的要求，X軸導(dǎo)軌和Y軸導(dǎo)軌均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而單片機(jī)對(duì)伺服電機(jī)的控制能力相對(duì)較差，很難做到精確控制；原因之二是中藥智能配藥系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求很高，而單片機(jī)的穩(wěn)定性與PLC相比要差一些，且容易受到外界電磁的干擾？

（3）下藥直流電動(dòng)機(jī)的控制采用以ALTERA公司的ACEX1KACEX1K芯片為核心的集成電路板來完成？在該芯片中集成了在Max+plus II開發(fā)系統(tǒng)中用VHDL語言編寫的控制？計(jì)數(shù)和定時(shí)功能？該電路板的功能是接收從PLC發(fā)來的命令和藥品質(zhì)量數(shù)，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，在0.07g/轉(zhuǎn)的精度下完成規(guī)定重量的下藥？由于本系統(tǒng)使用了多達(dá)420個(gè)下藥直流電機(jī)，因此采用可減少I/O點(diǎn)數(shù)及PLC布線的集成電路板？該系統(tǒng)的所有下藥電機(jī)由28塊集成電路板分別控制，每塊集成電路板控制的下藥部分相對(duì)獨(dú)立？這樣，檢查和維修不受位置限制，具有較高的可靠性和性價(jià)比。

1.1 PLC控制

1.1.1 PLC配置

本系統(tǒng)PLC配置采用OMRON公司的C200HEC200HE型PLC,并在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一個(gè)16點(diǎn)繼電器型開關(guān)量輸出模塊C200H-OC225?一個(gè)32點(diǎn)晶體管型開關(guān)量輸出模塊C200H-OD215?兩個(gè)16點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊C200H-ID212和一個(gè)四軸位置控制模塊C200HE-NC413?各模塊的作用為：

（1）兩個(gè)輸入模塊用來接收配藥機(jī)器中各種接觸器的位置反饋或動(dòng)作的故障反饋，對(duì)其配置無特別要求；

（2）兩個(gè)輸出模塊發(fā)出指令，用來操作配藥機(jī)器？繼電器型開關(guān)量輸出模塊驅(qū)動(dòng)電流大，但不能頻繁動(dòng)作，因此用來控制所有電磁閥和各種直流電機(jī)？步進(jìn)電機(jī)；晶體管型開關(guān)量輸出模塊則正好相反，且其輸出為TTL電平，具有可以與其它集成電路接口的優(yōu)點(diǎn)，用來驅(qū)動(dòng)集成電路完成下藥操作？

（3）四軸位置控制模塊用來控制四軸（X?Y?Z?U）互相獨(dú)立的兩個(gè)伺服電機(jī)和三個(gè)步進(jìn)電機(jī)？在X?Y軸上分別配置了兩個(gè)伺服電機(jī)，而三個(gè)步進(jìn)電機(jī)由于工作時(shí)間互相錯(cuò)開，全部配置在U軸上？另外，X?Y軸上各有左右限位開關(guān)和原點(diǎn)接近開關(guān)3個(gè)，Z軸有原點(diǎn)接近開關(guān)1個(gè)，這樣，共7個(gè)接近開關(guān)接到C200HENC413上？該模塊以不超過10ms的響應(yīng)時(shí)間從PLC內(nèi)存取得命令，在500kp/s的高頻脈沖下與PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系，完成通過修改內(nèi)存數(shù)據(jù)定位伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的位置以及通過內(nèi)存數(shù)據(jù)反饋伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的位置情況的功能？

1.1.2 伺服電機(jī)控制電路

在本系統(tǒng)中，配置了兩個(gè)OMRON公司的SMARTSTEP A伺服系統(tǒng)，對(duì)X?Y軸完成定位操作，具體控制電路如圖3所示？其中包括四軸位置控制模塊C200HE-NC413?通用控制電纜R88A-CPU002S?伺服驅(qū)動(dòng)器R7D-AP04H?伺服電機(jī)R7M-A40030-BS1（為帶制動(dòng)器的帶鍵直軸圓柱形電機(jī)）？圖中，CN1代表伺服驅(qū)動(dòng)器，CN2代表與伺服電機(jī)同軸的分辨率為2000脈沖/轉(zhuǎn)的光學(xué)增量型編碼器用連接器，它可以完成從驅(qū)動(dòng)器到伺服電機(jī)的具有位置反饋和速度反饋的閉環(huán)控制？在伺服電機(jī)中，M代表電機(jī)本身，E代表編碼器，B代表動(dòng)力制動(dòng)器？由于固定脈沖代表固定距離，因此當(dāng)伺服電機(jī)接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的若干條脈沖指令后，就可以完成預(yù)定的定位？在本系統(tǒng)中，設(shè)置電機(jī)的分辨率為5000脈沖/轉(zhuǎn)（0.072度/步），伺服電機(jī)連接的同軸減速器比例為3:1,其帶動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)的速率為60mm/轉(zhuǎn)？因此，伺服電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)的速率為20mm/5000脈沖？伺服電機(jī)控制電路的控制原理為：位置控制單元從設(shè)備處得到各種控制信號(hào)，并根據(jù)不同藥罐間的距離與20mm/5000脈沖的數(shù)據(jù)大致算出映射到四軸位置控制模塊NC413NC413在PLC中的脈沖數(shù)據(jù)；然后通過通用控制電纜輸出高速脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，由其驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使之根據(jù)誤差反饋?zhàn)詣?dòng)微調(diào)該數(shù)據(jù)，最終達(dá)到精確定位的目的。

1.1.3 步進(jìn)電機(jī)控制電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與C200HE-NC413的連線類似于圖3中伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與C200HE-NC413的連線，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)間的連線則如圖4所示？本系統(tǒng)中控制機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)采用STONE公司的86BYG250B,驅(qū)動(dòng)器采用STONE公司的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH20806CSH20806C;控制送袋與推袋的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)采用SANYO公司的103H548103H548,驅(qū)動(dòng)器采用STEP公司的四相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器ST4HB03XST4HB03X?步進(jìn)電機(jī)的控制類型為不具有位置反饋功能的開環(huán)控制，控制方法為在確定運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將位移或角度改變以200脈沖/轉(zhuǎn)（0.18度/步）為分辨率轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖數(shù)，寫入映射在NC413NC413中的內(nèi)存位置，從而控制步進(jìn)電機(jī)完成定位。