基于可編程邏輯控制器自動控制系統的內窺鏡自動洗鏡機系統設計

黃小坪　郭展熊

基于可編程邏輯控制器自動控制系統的內窺鏡自動洗鏡機系統設計

黃小坪①郭展熊①

目的：設計基于可編程邏輯控制器(PLC)自動控制系統的內窺鏡自動洗鏡機系統，以提高洗鏡機性能。方法：通過研究自動化洗鏡機的設計原理，分析臨床清洗消毒的需求，結合維修洗鏡機的實踐方法，設計基于PLC自動控制系統的內窺鏡自動洗鏡機系統。針對單片機的缺陷，采用PLC控制系統來穩定機器性能，嘗試采用改善硬件材料質量，改良電氣控制系統等方法提高洗鏡機控制系統性能的可靠性和穩定性。結果：采用可靠性和抗干擾性高的PLC自動控制系統，實現了PLC對多個執行機構穩定的控制，提高了整個系統的實時性、抗干擾性和可靠性，提高自動化洗鏡機的穩定性，感控細菌培養合格。結論：基于PLC自動控制系統的可編程控制器能夠實現多個執行機構系統中穩定控制，能夠滿足實際內窺鏡清洗消毒過程中的需要。

可編程邏輯控制器；內窺鏡；洗鏡機；設計；可靠性

[First-author’s address] Department of Medical Equipment, Panyu District Central Hospital in Guangzhou, Guangzhou 511400, China.

目前，內鏡洗鏡消毒機已經成為醫院中常見的醫療設備，由于內窺鏡常與食道消化物和排泄物接觸，病毒交叉傳染性極高，故內窺鏡需經過嚴格和復雜的消毒程序，以保障臨床的安全使用[1-3]。因此，需設計一款智能運行、操作方便，又保護醫護人員自身的專業洗鏡設備[4-8]。

國產洗鏡機與進口洗鏡機性能相比差異巨大。國產洗鏡機故障率較多，金屬材料易腐銹，電子電路經常燒壞，控制系統經常紊亂，感控細菌培養不合格。而洗鏡機功能需求復雜，內部環境和外部環境要求防腐蝕、防潮濕，故硬件和軟件均要求必須運行穩定、耐用可靠。本研究根據醫院在用國產洗鏡機有較大改進空間的現狀，通過改善硬件材料質量，改良電氣控制系統等方法提高洗鏡機性能，并嘗試采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制系統來穩定機器性能[9]。

1　內窺鏡自動洗鏡機設計需求

根據自動化清洗消毒機的設計原理，將功能設計從手工操作的“次洗→酶洗→消毒→水洗→吹干”等復雜工作流程中解放出來[10]。內窺鏡自動洗鏡機設計采用如下洗鏡步驟。

(1)內窺鏡接上水氣管。開啟自動清洗消毒功能，首先啟動初洗程序，進水電磁閥打開，純凈水注入水箱，由水位信號探頭控制進水結束，全管道灌流沖洗3 min后將排水電池閥開啟，排水后氣泵工作，吹干內窺鏡內部鉗子管道的多余水珠。

(2)酶洗程序啟動。酶泵抽酶液送入噴頭對內窺鏡進行沖洗，酶液和水混合全管道灌流沖洗3 min，并開啟排水閥排入下水道。

(3)重復水洗功能。酶洗完成后進行重復水洗，避免遺留的酶液污染消毒液。

(4)啟動消毒程序。由消毒液泵將儲藥箱內的消毒液送入噴頭，對內窺鏡進行灌流沖洗消毒5 min，回收消毒液重復使用，最后用水洗程序將殘余藥液沖盡，并加酒精消毒吹干[11]。清洗消毒流程如圖1所示。

圖1　內窺鏡自動洗鏡機清洗消毒流程圖

2　內窺鏡自動洗鏡機硬件系統

內窺鏡清洗過程包括自動測漏、酶洗、內部及外部管道沖洗、消毒液浸泡、灌流、漂洗、內外管道酒精沖洗以及空氣吹干等步驟，以完成內窺鏡清洗程序[12-14]。硬件系統為：①水氣管路，包括進水管路、酶液管路、消毒液管路、酒精管路、循環灌流管路以及排水管路；②水泵，包括循環泵、酒精泵、酶泵以及消毒液泵；③電磁閥，包括進水閥、排水閥和回收閥；④吹氣泵，是空氣泵的一種，代表水流單向閥(止回閥)，當酶泵抽酶液時酶液不會進入消毒液泵，而單向泵進洗鏡槽[15-16]。內窺鏡自動清鏡機水氣管路如圖2所示。

圖2　內窺鏡自動洗鏡機水氣管路示意圖

3　內窺鏡自動洗鏡機控制系統

(1)以單片機為控制系統的傳統洗鏡機存在的主要缺陷為：①控制指令相對復雜，對于具有復雜功能的洗鏡機而言，單片機控制系統不可重負；②單片機需要多種電路保護裝置，如電流保護、電壓保護、過載保護、過熱保護和欠壓保護等，導致運行系統不穩定，并隱含較高的故障率。

(2)PLC控制系統是可編程邏輯控制器，其功能日益強大，采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時以及計數與算術操作等，并通過數字或模擬I/O控制各種類型的機械運動過程。PLC控制系統將能克服傳統洗鏡機缺點，能夠保證復雜繁瑣的消毒程序可靠運行。本研究設計利用可編程控制器西門子PLC S7-200系列的CPU-226實現控制，對自動化洗鏡機整個系統按照指令要求有條不紊地執行。電氣控制系統如圖3所示。

圖3　內窺鏡自動洗鏡機電氣控制系統示意圖

(3)PLC控制系統在實現控制過程中，各種采樣信息均通過由PLC給定的信號來決定其工作狀態，再經信息線路反饋各洗鏡機控制執行機構。水位開關是PLC的輸入信號感應開關，進水閥、排水閥和水泵氣泵是洗鏡機各種動作的執行機構。水位選擇有一個水位傳感器用來采樣水位信息，由于水位傳感器輸出的信號是模擬信號，通過模數轉換器，再輸入PLC來控制進水閥和各種水泵動作[17]。在次洗、酶洗、消毒液洗以及末洗的流程中，其時間是由PLC內的計數器和定時器中的參數控制，只要改變參數大小即可改變流程的時間長短，見表1。

表1　可編程序控制器S7-200 CPU-226 I/O分配表

4　內窺鏡自動洗鏡機實驗效果評價

提供應用實踐評價基于PLC控制系統設計的內窺鏡自動洗鏡機的效果，內窺鏡自動洗鏡機系統設計已達到預期目的，主要體現在以下方面。

(1)有效提高系統的整體性能。由西門子公司提供的PLC S7-200系列工業產品組成的自動控制系統具有自動化程度高、控制精度高、豐富的I/O接口、可靠性高、安裝簡單以及維修方便等優點。按照電氣控制系統結構圖將PLC、驅動板和所有執行機構連接好，建立PLC與執行機構之間的通訊，通過對該系統的通信設計調試，實現了PLC對多個執行機構穩定的控制，提高了整個系統的實時性、抗干擾性和可靠性，內窺鏡自動洗鏡機系統設計達到了預期的目的。

(2)有效避免系統設計的各項弊端。完整的內窺鏡自動洗鏡機系統不僅需要考慮控制系統穩定耐用，也要考慮執行機構運行經久耐用，而自動洗鏡機設計中普遍存在的問題為：①由于清洗消毒機處于非常潮濕的環境中，且機器內部長期浸有消毒液和酶液，對機器鋼鐵架構、PCB電路板及電機運動部分的腐蝕性極強，易導致鐵銅等金屬性材料很快生銹，故在防潮防濕、耐腐蝕的金屬材料設計中采取相關解決方案；②由于機器內部水氣管路復雜，且長期在腐蝕性極高的環境中，水氣管路經常破裂漏水，可能會噴到電路板上，引起電路板燒壞，故選用確保質量可靠耐用的水管氣管材料；③由于消毒槽通常置于機器的頂端，電路電機置于機器的底端，消毒槽里的水和消毒液受自然重力影響，水和消毒液順管道灌到水泵或氣泵，導致水泵或氣泵短路燒壞，故設計中增加了水單向閥的應用[18]。

5　結語

本研究在分析功能需求及總結對洗鏡機故障維修實踐的基礎上，對洗鏡機做出改進，設計出基于PLC控制系統、可提高循環泵功率以及更換質量較好的管道材料的內窺鏡自動洗鏡機系統，機器穩定性能明顯提高，感控細菌培養合格。

內窺鏡自動洗鏡機功能需求復雜，內部環境要防腐蝕，外部環境要防潮濕，因此硬件和軟件必須運行穩定和耐用可靠，而要設計一款高智能化、運行穩定的控制系統，實踐表明PLC控制系統是提高內鏡消毒系統自動化性能的一種優越和可靠的方法。

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Design of the automatic endoscope washing machine system based on PLC automatic control system

HUANG Xiao-ping, GUO Zhan-xiong// China Medical Equipment,2016,13(11):7-9.

Objective: To improve the performance of the automatic endoscope washing machine based on PLC automatic control system. Results: washing machine is not stable which the control performance of single chip computer. So it is necessary to consider the reliability and stability to the control system of the washing machine. Methods: We controlled the performance of the machine based on PLC control system, and improved the quality of hardware material and electrical control system to enhance the reliability and stability of the washing machine system, through the need for clinical cleaning and disinfection and the experience of many years of repair washing machine. Results: With high reliability and anti-interference of the PLC automatic control system, it can improve the stability of the automatic washing machine, control the multi actuators and improve the real-time capability, reliability and antiinterference of the whole system. Conclusion: The programmable logic controller of PLC can achieve the stability in the multi actuators system and meet the needs of cleaning and disinfection process of the actual endoscope.

Programmable logic controller; Endoscope; Washing machine; Design; Reliability

1672-8270(2016)11-0007-03

R197.324

A

黃小坪,男,(1988- ),本科學歷，工程師。廣州市番禺區中心醫院設備科，從事醫療裝備維修與管理工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.003

①廣州市番禺區中心醫院設備科 廣東 廣州 511400

2016-06-20