基于PLC和多DO擴展模塊的全自動快速發藥機發藥控制系統設計

劉 星，許東來，禹 威，桑 墑

LIU Xing1,XU Dong-lai1,YU Wei1,SANG Shang2

（1. 北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124；2. 上海長農實業有限公司，上海 201704）

0 引言

在我國，醫院藥房主要是遵循傳統的工作模式，以人工發藥為主，屬于簡單的“取藥治病”模式。對于患者而言，排隊等待拿藥的時間很長、效率低，容易引起醫患矛盾；對于醫院而言，藥房設備設施陳舊、占用人員多、人力成本高、藥師工作強度大，這是目前大多數醫院藥房普遍的狀況及存在的問題[1]。自動化藥房是醫院藥房發展的必然趨勢[2]。

全自動快速發藥機是用于醫院藥房發藥量最大的盒類藥品的自動發藥，是自動化藥房的重要組成部分[3]。全自動快速發藥機由自動加藥系統、矩陣式儲藥系統、自動發藥系統和藥品傳送系統組成。自動發藥控制系統直接關系到盒藥的發藥速度及準確性，是全自動發藥機的核心。

1 控制系統構成及工作流程

如圖1所示為系統構成框圖。系統主要包括五部分：PC機、可編程邏輯控制器PLC、DO擴展模塊、驅動電路和發藥電磁鐵。PC機實現人機界面、藥品處方數據處理與記錄以及與PLC通訊的功能；PLC主要實現與PC機的通訊以及對發藥電磁鐵的控制；DO擴展模塊主要實現選通驅動電路的功能；驅動電路為發藥電磁鐵提供驅動電流；發藥電磁鐵實現藥品的定位以及自動發放。

整個系統的工作流程如下：PC機接收醫院HIS系統下發的藥品處方，主要包括藥品的編碼、名稱和數量等，由PC機上的組態軟件對藥品處方進行拆分處理，并下傳到PLC；PLC將從PC機接收到的藥品處方信息分成12行，傳送到對應DO擴展模塊的寄存器中；在檢測到PLC發出的鎖存信號后，擴展模塊DO口選中相應驅動電路驅動發藥電磁鐵動作，實現發藥動作。

2 自行開發的多DO擴展模塊

為了降低控制系統硬件成本，我們自行開發了一款多DO擴展模塊。該擴展模塊采用串行輸入并行輸出的工作方式，每塊擴展模塊級聯了4塊74HC595芯片，能夠實現32位并行輸出。

DO擴展模塊的電路原理圖如圖2所示。

圖1 發藥控制系統框圖

74HC595的16腳接DC5V并接旁路電容，8腳接地；10～14腳接下拉電阻并接對應PLC的DO，其中11腳接PLC高速脈沖輸出口，為74HC595提供高速移位時鐘脈沖；1～7腳和15腳接驅動電路，驅動發藥電磁鐵；9腳接下一級74HC595芯片的14腳。正常使用時，PLC的輸出Q1.2保持低電平，Q1.1保持高電平；Q1.3輸出當前行藥槽的發藥數據。當Q0.0出現上升沿時，74HC595移位寄存器的所有數據位左移一位并讀入SI腳當前電平值，同時Q7’串行輸出移位寄存器中高位的值輸出到下一級74HC595的SI腳。當發藥電磁鐵的控制數據全部移入DO擴展模塊移位寄存器中時，PLC的Q1.0輸出高電平，595的12腳檢測到上升沿，移位寄存器的數據被鎖存到存儲寄存器中，并從各個74HC595的Q0～Q7腳輸出，選通驅動電路，驅動對應發藥電磁鐵動作，實現發藥。

3 驅動電路設計

驅動電路原理圖如圖2所示。

DO擴展模塊必須外接電流驅動電路來驅動發藥電磁鐵動作。驅動電路對應的74HC595輸出端為高電平時發藥電磁鐵動作。驅動電路中，我們在信號輸入端采用了光電耦合器件TLP521，實現了輸入端與輸出端的電氣隔離，有效避免了電磁鐵對輸入信號的干擾，提高了電路的安全性；采用N-MOSFET功率場效應管IRF530N為發藥電磁鐵提供驅動電流；由于藥品種類不同，重量也會不同，這就要求驅動電路能夠保證電磁鐵的動作力度可以適應各種重量的藥品，通過變阻器R7調節通電時場效應管的柵極電壓，實現對場效應管漏-源極電流的調節，達到調節電磁鐵動作力度的目的，保證了發藥動作的可靠性；電阻R8起限流保護作用；與電磁鐵并聯的二極管和電阻R9用于吸收電磁鐵自感產生的電流，消除電磁鐵斷電時產生的電動勢對電路的干擾，起到保護電路的作用。

4 發藥控制系統的軟件設計

發藥控制系統的軟件設計主要包括上位機組態軟件設計和下位機PLC程序設計。

4.1 組態軟件設計

組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能、通用層級的軟件工具。本次設計采用北京亞控公司的Kingview6.52版組態王軟件。

組態王軟件實時接收醫院HIS系統數據庫中的處方信息，并將當前處方中的出藥信息拆分成“頁”數據，“頁”數與當前處方中盒數最大的藥品的數量相等，每“頁”含有720位數據，對應720個藥槽的出藥信息，每位數據只有“0”和“1”兩種狀態：“0”表示不發藥，“1”表示發一盒藥。為了減少在通訊上消耗的時間，組態王軟件通過以太網與PLC通訊。組態王將拆分后的當前處方出藥數據下傳到PLC對應的發藥數據緩沖區后，從HIS系統接收新的處方，進行拆分后等待下一次出藥數據下傳。

圖2 發藥控制電路原理圖

4.2 PLC程序設計

控制系統選用西門子晶體管型CPU226模塊一塊，CP 234-1工業以太網通訊處理器模塊一塊。系統的編程軟件采用西門子公司的Step7 MicroWIN V4.0版本，通過CP 243-1的向導程序可以方便地實現PLC與上位機組態王軟件的以太網通訊。

本系統的控制流程圖如圖3所示。

首先將程序中與出藥相關的參數初始化，然后按“頁”從組態王中接收處方出藥數據并有計數器對“頁”計數，程序中確定了十“頁”共480個字的存儲空間作為出藥數據緩沖區。程序實時檢測當前處方出藥數據接收完成標志位，若出藥數據接收完成，則啟動定時中斷和PTO脈沖輸出。在定時中斷子程序中對PLC中每行出藥數據進行左移。PTO輸出脈沖作為DO擴展模塊的移位時鐘脈沖，在PTO脈沖輸出子程序中可以方便地設定脈沖的周期及給定的脈沖個數。定時中斷的周期要與PTO脈沖的周期一致，并且定時中斷的啟動要先于PTO脈沖輸出。時序上的緊密配合才能準確、快速地將出藥數據移入到DO擴展模塊的移位寄存器中。脈沖輸出完成時斷開定時中斷，輸出鎖存信號并接通延時計時器。鎖存信號是用于將各DO擴展模塊移位寄存器中的數據鎖存到存儲寄存器中并對外輸出，選通驅動電路，實現發藥動作。延時計時器是用于設定發藥電磁鐵的通電時間，計時器計時完成時PLC將各DO擴展模塊的移位寄存器清零并輸出，電磁鐵回復初始狀態，等待下一次發藥動作。每次發藥動作結束時程序對頁計數進行減一操作并檢測其是否為零，以此來確定當前藥方出藥是否已全部完成。如當前藥方出藥未完成則對下一“頁”進行發藥；如當前藥方出藥完成，則準備從組態軟件接收新的處方出藥數據信息。

圖3 PLC控制流程圖

5 結束語

基于PLC和自行開發的多DO擴展模塊的全自動發藥機發藥控制系統，實現了快速、準確的發藥動作，同時系統具有發藥效率高、擴展能力強和硬件成本低等特點，對于全自動快速發藥機的研制以及我國藥房自動化的發展具有積極的意義。

[1] 魏曉琴. 數字化藥房分揀系統建模與仿真[D]. 濟南： 山東輕工業學院,2011.

[2] 趙陶麗. 藥房自動化是醫院藥房發展的必然趨勢[J]. 首都醫藥,2009,(12)： 31.

[3] 魏宇寧,侯永春,郭代紅,劉皈陽,廖思華. 整包裝自動發藥機應用于門診藥房的實踐與體會[J]. 中國藥物應用與檢測,2008,5(5)： 4-6.

[4] 劉相權,贠超,趙雪峰,王偉,馬永波. 藥房自動化裝置的設計與應用[J]. 機械設計,2009,26(7)： 65-67.

[5] 劉相權,贠超. 基于PMAC和PLC的自動化藥房出藥系統的研究[J]. 制造業自動化,2008,30(11)： 20-22.

[6] S7-200可編程序控制器系統手冊[Z]. 北京： 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團,2004.