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.pdf

、 I 匐 似 基于P L C 和多D O扩展模块的全 自动快速发药机发药 控制系统设计 The desi gn o f dr u g- dr oppi ng cont r ol s y st em f or au t om at i c f as t dr ug di s pens i n g m achi ne bas ed on PLC and m ul t i - out put ex t ende d m odul e 刘星’ ，许东来 ，禹威’ ，桑墒 L l U Xi n g ‘ ， XU Do n g 。 l a - ] I Y U We i 。 ， S AN G S h a n g 1 ． 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 1 0 0 1 2 4 ；2 ． 上海长农实业有限公司，上海 2 0 1 7 0 4 摘要本文设计了一种以P L C和自开发的多D O扩展模块为核心的全自动快速发药机发药系统。首先 阐述了自动发药控制系统的硬件设计方案 ，设计了多D O 扩展模块及9 区 动电路。然后对发药系 统的软件功能进行了详细分析。实验证明该系统具有发药效率高、扩展能力强和硬件成本低 等特点。 关键词快速发药；发药控制系统；D O扩展；P L C 中图分类号T P 2 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 0 8 下 -o l 2 5 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 8 下 ． 3 7 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 ⋯。 自动化 药房是医院药房发 展的必然趋势 。 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 。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 P C机、可编程逻辑控制 器 P L C、D O扩 展 模 块、驱 动 电 路和发药电磁铁。P C机实现人机 界面 、药品处方数据处理与记录 以及与 P L C通讯 的功 能； P L C主 要 实 现 与 P C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 P C机 接收 医 院 HI S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 P C机上的组态软件对药品处方 进行拆分处理 ，并下传到 P L C； P L C将从 P C机接 收到的药 品处方信息分成 1 2行 ，传送到对应 D O 扩展模块的寄存器 中；在检测到 P L C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D O 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 D O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 7 4 HC 5 9 5芯片，能够实现 3 2位并行输 出。 DO 扩展模 块 的电路 原理 图如 图 2所 示 。 7 4 H C5 9 5的 1 6脚 接 DC 5 V并 接 旁 路 电 容， D o 扩 展 模 块} - 驱 动 电 路 1 至 6 0 H发 药 电 磁 铁 1 至 6 o P C P 1 D 0 扩 展 模 块卜 _ _ 驱 动 电 路 6 l 至 1 2 0 H 发 药 电 磁 铁 6 l 至 1 2 o L 机 C D o 扩 展 模 块卜- _ 驱 动 电 路 6 6 l 至 7 2 0 卜_ _ 发 药 电 磁 铁 6 6 1 至 7 2 o 图1 发药控制系统框图 收稿日期2 0 1 2 --0 3 --1 4 作吉简介刘星 1 9 8 6 一，男，硕士研究生，研究方向为机电一体化系统。 第3 4 卷第8 期2 0 1 2 8 下 [ 1 2 5 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、1 生 匐 化 8脚 接 地 ； 1 0 1 4脚 接 下 拉 电 阻 并 接 对 应 P L C 的 D O，其 中 l 1 脚 接 P L C高 速 脉冲 输 出 口，为 7 4 H C5 9 5提 供 高 速 移 位 时 钟 脉 冲 ； 1 7脚 和 1 5 脚接 驱动 电路，驱动发药 电磁铁 ； 9脚 接下一 级 7 4 HC 5 9 5芯 片 的 1 4脚。正 常 使 用时 ，P L C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 Q 0 ． 0出现上升 沿时， 7 4 HC 5 9 5移位寄存器的所有数据位 左移一位并读 入 s I 脚当前电平值 ，同时 Q 7 ’串行输出移位寄存 器中高位的值输 出到下一级 7 4 HC 5 9 5的 s I 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It 寸 ，P L C的 Qt ．0输出高 电平，5 9 5的 1 2脚检测到_ l卜 升沿，移位 寄存器的数据被锁存到 存储 寄存 器 中，并从 各个 7 4 H C 5 9 5的 Q 0 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 7 4 H C 5 9 5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 T L P 5 2 1 ，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 MOS F E T功率场效应管 I R F 5 3 0 N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 R 7调 节通 电时场效应管 的栅极电压 ，实现对场 效应管 漏 一 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 R 8起限流 保护作用 ；与电磁铁并联 的二极管和电阻 R 9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 P L C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 Ki n g v i e w6 ． 5 2 版组态王软件。 组态王软件实时接收医院 H I S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 7 2 0位数据，对应 7 2 0 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 P L C通讯。组态王将拆分后的当前处方 出 药数据下传到 P L C对应的发药数据缓冲区后，从 HI S系统接收新的处方 ，进行拆分后等待下一次 出 1 6 H I J - l 3 1 5 ⋯R 6 1 I I 4 ⋯ R1 0 ． 01 ． 2 ／ G VC C Q O V Y Y V Y Y 1 2 Q1 1 2 T L P 5 2 l 3 一 Q1 ． 0 R C K Q 2 3 一 1 0 Q 3 Q1 ．1 ／ S C L K Q 4 4 一 1 1 S CK Q5 6 R 8 Q 0 ．0 1 一 4 Q6 一 Q 1 3 I T S I Q 7 ’ 1 。 [ R1 R2 R3 G ND Q7’ 9 Z ． ‘ ． ‘ 7 4 HC5 9 5 彳 寻 P L C L 推 拉 式 电 磁 铁 ⋯一三 ⋯ ⋯ ⋯ 一 一 三 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ j ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一 一 三 ⋯ ⋯ DO扩展模块电路原理 图 驱动电路原理 图 图2 发药控制电路原理 图 [ 1 2 6 1 第3 4 卷第8 期2 0 1 2 8 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 1 匐 药数据下传。 4 ． 2 P L C 程序设计 控 制 系统 选 用西 门子 晶体 管 型 C P U 2 2 6模 块 一 块 ，C P 2 3 4 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 S t e p 7 Mi c r o WI N V 4 ． 0版 本 ， 通 过 C P 2 4 3 1的向导程序可 以方便地实 现 P L C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 4 8 0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 P T O脉冲输 出。在定时中断子程序中对 P L C中每行 出药数据进行左移 。P T O输出脉冲作 为 DO扩展模块的移位时钟脉冲 ，在 P T O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 P T O脉冲的周期 一 致，并且定时中断的启动要先于 P T O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 P L C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 图3 P L C控制流程 图 组态软件接收新的处方出药数据信息。 5 结束语 基 于 P L C和 自行开发 的多 DO扩展模块的全 自动发药机发药控制系统 ，实现了快速、准确的发 药动作 ，同时系统具有发药效率高、扩展能力强和 硬件成本低等特点 ，对于全自动快速发药机的研制 以及我国药房 自动化的发展具有积极的意义 。 参考文献 【 1 ]魏晓琴 ． 数字化 药房分拣 系统建 模与仿真 [ D] ． 济南 山 东轻工业学院， 2 0 1 1 ． [ 2 ]赵 陶丽 ． 药房 自动 化是医院药房 发展的必然趋势 [ J 1 ． 首 都医药， 2 0 0 9 ， 1 2 3 1 ． [ 3 】魏宇宁 ， 侯永春， 郭代红， 刘皈阳， 廖 思华 ． 整包装 自动发 药机应用于 门诊药房 的实践与体会 [ J l1 ． 中国药物应用与 检测， 2 0 0 8 ， 5 5 4 6 ． 【 4 】刘相权， 负超， 赵雪峰， 王伟， 马永波． 药房 自动化装置的 设计与应用[ J 1 ． 机械设计， 2 0 0 9 ， 2 6 7 6 5 6 7 ． 【 5 ]刘相权， 炱超． 基于P MAC II P L C的自动化药房出药系统 的研究『 J 1 ． 制造业 自动化， 2 0 0 8 ， 3 0 1 1 2 0 2 2 ． [ 6 ]s 7 2 0 0 可编程 序控制 器系统 手册 [ z ] ． 北 京 西 门子 中 国 有限公司 自动化与驱动集团， 2 0 0 4 ． 第3 4 卷第8 期2 0 1 2 8 下 [ 1 2 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m