滾動式智能取藥柜的設(shè)計與實現(xiàn)

李練兵，柳 倩，郭 勇

LI Lian-bing, LIU Qian, GUO Yong

（河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，大量的醫(yī)療設(shè)備自動化產(chǎn)品相繼產(chǎn)生。智能存取藥柜是一個用于醫(yī)院藥房上藥、取藥的自動化設(shè)備，大大降低了醫(yī)生的勞動強度，同時也提高了效率，是未來實現(xiàn)醫(yī)院藥房系統(tǒng)自動化的必要設(shè)備。本文中的智能存取藥柜是基于PLC和PC機實現(xiàn)的，由簡易PC機實現(xiàn)藥柜與醫(yī)院上層服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通訊，通過人機操作界面，實現(xiàn)藥房上藥、出藥數(shù)據(jù)監(jiān)控及藥柜系統(tǒng)調(diào)試。PLC作為執(zhí)行器，通過變頻器控制電機，完成藥柜的上藥、出藥工作。該藥柜樣機已完成試驗工作。

1 藥柜系統(tǒng)組成

智能存取藥柜系統(tǒng)主要包括醫(yī)院服務(wù)器、藥房服務(wù)器、智能存取藥柜三個部分,如圖1所示。

1）醫(yī)院服務(wù)器：主要負責(zé)管理、保存患者基本信息以及處方信息。

2）藥房服務(wù)器：負責(zé)查詢醫(yī)院服務(wù)器保存的病患信息，保存到本地數(shù)據(jù)庫，并將信息分離，以便相應(yīng)的存取藥柜PC機查詢。并且接收各個存取藥柜PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)記錄更新信息。

3）智能存取藥柜：包括存取藥PC機和PLC執(zhí)行器，其中，存取藥PC機是智能存取藥柜的核心，負責(zé)藥品數(shù)量、藥品位置以及藥品存取歷史等信息的保存。并負責(zé)向控制器PLC發(fā)送取藥信號以及收集顯示存取藥柜狀態(tài)，將數(shù)據(jù)、狀態(tài)變化反饋給藥房服務(wù)器。

圖1 智能存取藥柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 自動取藥柜的硬件電路設(shè)計及材料選型

2.1 硬件材料選型

智能藥柜主要硬件材料主要包括異步電機、變頻器、旋轉(zhuǎn)編碼器、安全光幕、PLC控制器等，具體選型依據(jù)如下：

1）異步電機作為藥柜動力來源，主要考慮其輸出功率是否能夠滿足藥柜所需最大功率輸出，本文設(shè)計的智能藥柜采用的是0.75KW三項異步電機，轉(zhuǎn)速2825r/min，最大轉(zhuǎn)矩2.3。

2）變頻器作為電機驅(qū)動器，采用的是歐姆龍3G3JZ-A4007型號的變頻器，主要考慮其所驅(qū)動的電機的功率，歐姆龍3G3JZ-A4007型號的變頻器其最大適用電機容量為0.75KW。

3）旋轉(zhuǎn)編碼器主要是用來檢測電機轉(zhuǎn)速，通過PLC程序控制，可實現(xiàn)電機的精確定位。其選型的主要依據(jù)是PLC I/O模塊的識別精度即對最大脈沖頻率的識別，本藥柜采用的是歐姆龍的E6B2-CWZ6C型號編碼器，一圈輸出60個脈沖的。

4）安全光幕最為防止出現(xiàn)安全事故的裝置，主要考慮其光柵寬度。

5）PLC控制器采用的是德國WAGO公司的750-881 CPU模塊，750-430 開關(guān)量輸入模塊，750-530開關(guān)量輸出模塊，750-600終端模塊。主要考慮750-881 可支持兩路網(wǎng)口通訊，實現(xiàn)藥柜內(nèi)部PLC控制器與簡易PC機，PLC控制器與藥房服務(wù)器的通訊。

2.2 電路設(shè)計

藥柜主電路主要包括其主體供電線路，控制器、變頻器、異步電機、24V電源模塊、安全光幕及一些開關(guān)器件和指示燈的連接線路。設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 藥柜主體設(shè)計圖

計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及對控制和管理要求的不斷提高，PLC控制系統(tǒng)已發(fā)展成為可支持多臺設(shè)備組合的控制網(wǎng)絡(luò)[1]。通過上層服務(wù)器的協(xié)調(diào)配置，可實現(xiàn)多臺藥柜同時工作。

2.3 藥柜結(jié)構(gòu)設(shè)計

藥柜采用滾動式結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部共有12層柜體，由鏈條連接，藥柜內(nèi)側(cè)有滑道，電機通過鏈條拖動柜體旋轉(zhuǎn)，充分利用空間資源。

3 藥柜軟件設(shè)計

3.1 簡易PC機智能取藥界面設(shè)計

基于Microsoft Visual Studio2008軟件開發(fā)的智能藥柜存取藥界面，提供了方便的可視化操作平臺，主要流程如下：

1）系統(tǒng)分析[2]

根據(jù)智能存取藥柜的功能及其在醫(yī)院藥房中的作用，設(shè)計該系統(tǒng)的功能。主要包括其與藥房服務(wù)器之間的通訊和與PLC控制器之間的通訊，維護整個藥柜中數(shù)據(jù)的正確性。

2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)醫(yī)院藥房的藥品清單，日平均進出藥量完成數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，在SQL Server 2008中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表。

3）界面開發(fā)

基于Microsoft Visual Studio2008軟件開發(fā)的智能藥柜存取藥界面主要包括主操作界面，上藥界面，出藥界面，調(diào)試界面等，該界面的主體程序主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的中數(shù)據(jù)的查詢、修改和與上層藥房服務(wù)器、PLC控制器之間的基于MODBUS TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊。其主要操作界面如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 主操作界面

圖4 藥柜出藥界面

圖5 系統(tǒng)維護調(diào)試界面

3.2 PLC程序設(shè)計

可編程邏輯控制器主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程裝置和電源組成[3]，主要負責(zé)完成接收PC機傳來的取藥指令，控制各驅(qū)動部件完成發(fā)藥工作，并通過MODBUS TCP/IP通訊協(xié)議向上位機反饋數(shù)據(jù)信息和配藥任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)。本智能存取藥柜采用的是德國WAGO公司的PLC，選用其750-881 CUP模塊可支持MODBUS TCP/IP通訊。MODBUS TCP/IP報文服務(wù)采用客戶端/服務(wù)器的模式交換實時信息，該模式基于以下四種類型的報文：Modbus請求、Modbus確認、Modbus指示和Modbus響應(yīng)[4]。當PC機接收到由藥房服務(wù)器發(fā)出的出藥清單時，其會將出藥指令傳遞給PLC控制器，使其通過控制電機帶動旋轉(zhuǎn)藥柜，將所需藥品旋轉(zhuǎn)到出藥口。藥柜運行過程當中，如有物體接近旋轉(zhuǎn)藥柜時，安全光幕會產(chǎn)生終止信號，并進入藥柜自檢狀態(tài)。因其程序是順序循環(huán)執(zhí)行的[5]，控制流程示意圖如圖6所示。

圖6 PLC控制流程圖

4 智能存取藥柜樣機

該智能存取藥柜以完成實驗調(diào)試，基本實現(xiàn)其自動存取藥品功能以及與上層服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。藥房服務(wù)器可連接多臺藥柜，支持其同時工作。該樣機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計由他人制作，本文所涉及的內(nèi)容不包括這部分。樣機實體圖如圖7、圖8、圖9所示。

5 結(jié)束語

該智能存取藥柜通過PLC與PC機的結(jié)合，其實具有高效的自動存取藥能力，同時具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，其穩(wěn)定性高、運行可靠性良好。智能存取藥柜系統(tǒng)在整個藥房自動化系統(tǒng)當中，起到了關(guān)鍵性的作用，大大降低了勞動強度，同時提高藥房的工作效率，具有良好的經(jīng)濟效益。

圖7 簡易PC機

圖8 PLC控制電路

圖9 藥柜整體圖

[1]邵美萍.基于PLC的嵌入式智能控制策略探析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2011,11(b)：0112-01.

[2]劉浩.ASP.NET從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社,2010.4.

[3]王慶.基于S7-200 PLC的中藥自動發(fā)藥機系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].重慶：四川大學(xué),2005.

[4]王可鵬.基于Modbus TCP/IP通信的實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù),2008,4(3)：553-554,764.

[5]常斗南.可編程序控制器原理·應(yīng)用·實驗[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.5.