基于Android與PLC的采血管貼標系統的研制

李欽林

(電子科技大學成都學院工學院，四川 成都 611731)

0 引言

當前,在醫院血樣采集處，采集工作基本由護士手工完成，手工完成打印標簽、粘貼標簽和抽血的工作。這種操作方式使護士的工作強度大，容易出現采血管標簽錯貼和漏貼的錯誤，且效率低[1-2]。針對該情況，本文開發一套采血管貼標系統用于減輕護士工作強度，提高自動化水平，減少出錯情況。該控制系統采用安卓工控機連接掃碼槍[3-4]、醫院信息系統、PLC和打印機，作為控制系統的聯網設備和信息中樞；采用板式PLC作為控制核心[5]，依據工控機信息控制機械手、電磁鐵夾爪和電動夾爪等部件協調動作；小型電動夾爪作為抓取機構，從不同滑槽抓取采血管；熱敏打印機作為不干膠標簽打印設備。經測試，該系統各部件動作協調，整體穩定可靠，可完成病人編號掃碼、網絡讀取檢測項目信息、標簽打印和自動貼標等過程。

1 真空采血管自動貼標系統的設計

1.1 機械結構設計

自動貼標設備由滑槽、機械手、打印機1號、打印機2號、夾爪及其他機械結構組成；其中，機械手由提升機構、電動夾爪和旋轉機械臂組成；夾爪為三爪結構，一根在電機帶動下進行逆時針旋轉，帶動采血管轉動，起到關鍵的貼標作用，一根在電磁鐵帶動下繞點旋轉，起到夾緊作用，最后一根為從動，輔助另外2根完成動作。根據上述結構，構建了機械結構的三維模型，如圖1所示。

圖1 設備結構

1.2 控制系統結構設計

控制系統需從醫院信息系統獲得病人信息，從而控制機械手、打印機1號、打印機2號和夾爪協調完成標簽打印和貼標。系統主要由掃碼槍、上位機、鍵盤、鼠標、顯示器、打印機1號、打印機2號、PLC、電動夾爪、步進驅動和光電開關組成，具體組成如圖2所示。

圖2 控制系統結構

控制系統配合設備需完成如下功能：

a.由操作人員手動把不同顏色采血管按規定放置到滑槽里。最多可放8種顏色，對應8條滑槽。也可靈活配置滑槽顏色，即多條滑槽為同種顏色。

b.上位機通過掃描槍掃描病人的排隊二維碼，解析病人編號信息，根據編號信息通過以太網從醫院服務器取得病人待檢信息，然后向PLC控制器發送開始命令及滑槽號。

c.PLC依據開始命令及滑槽號，控制旋轉機械臂旋轉到指定編號滑槽，控制提升機構降到指定高度，控制電動夾爪閉合抓取對應顏色采血管，通過光電開關判定成功抓取試管，成功則提升到上限位；然后旋轉送達夾爪工位，PLC控制電磁鐵動作，夾緊采血管，并向上位機反饋完成信號。

d.上位機向打印機1號和PLC發送打印開始信號，并向打印機發送需打印信息，打印機開始打??；同時PLC控制夾爪處的主動輥帶動采血管滾動，打印機適時打印剝離標簽。

e.采血管在主動輥帶動下，標簽粘貼在采血管上。

f.粘貼完成，PLC控制電磁鐵松開夾爪，釋放采血管，采血管從出料槽處滑落。

g.經人工判斷，需補打病人標簽，可通過鍵盤和鼠標操作上位機完成信息設置，通過打印機2號進行補打。

h.設置顯示器對病人信息、打印信息和通信信息進行顯示或配置。

2 主要模塊選型

貼標機為置于普通辦公桌上使用的小型設備，所以在選型時優先選用體積小的模塊。上位機采用MC-B301安卓嵌入式工控機，完成醫院信息系統與PLC之間的信息傳遞，向打印機發送打印信息。

PLC控制器采用DCX2N-24MT型板式PLC，完成機械手控制[6-7]和打印夾爪控制等。

打印機1號需使用帶剝標功能的熱敏打印機，故選用MS-LP212B；打印機2號選用MS-NP802型熱敏打印機；電動夾爪選用EFG-8小型機械手[8]；掃碼槍選用NLS-HR32 PLUS V5。

3 軟件設計

3.1 上位機軟件設計

上位機采用Android Studio作為軟件開發平臺，軟件主要由5個部分組成，具體如圖3所示。所有模塊的控制、采集信息匯總到主交互界面和通信設置界面。

圖3 上位機軟件總體結構

3.2 PLC軟件設計

根據本控制系統的功能和要求，對PLC的I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

采用三菱的GX Works2對PLC進行編程，利用梯形圖語言進行編程，采用結構化程序法進行設計。通過主程序調用抓取和打印子程序完成整個流程，主程序流程如圖4所示。其中，機械手控制模塊使用絕對定位指令來完成機械手的定位控制[9-11]。

圖4 主程序流程

抓取子程序主要完成采血管抓取，并送到電磁鐵夾爪處，控制夾爪準確夾住采血管，然后把結果反饋給上位機。程序流程如圖5所示。

圖5 采血管抓取子程序

打印子程序主要完成采血管打印，并釋出采血管到流轉盒，然后把結果反饋給上位機。程序流程如圖6所示。

圖6 打印子程序

4 設備性能測試對比

設備在某醫院現場經過1個月測試運行，已達到文中所述功能要求。經測試發現：單根采血管打印貼標完成時間為9 s；連續打印超過2根采血管，第1根采血管打印完成時間為9 s，后續每根平均出管時間縮短為6 s。設備基本滿足現場使用要求。

在測試中做了部分關鍵數據統計，具體如表2所示，總失誤率為所有失敗情況總數與總打印量的比值。從表2可知，打印過程中存在抓管不成功、抓起后掉落和貼標不符合標準等失敗情況，由于控制系統合理配置相應傳感器以及相互通信確認，可準確判斷各種失敗情況，并進行自動補打，始終保證可獲得正確數量和正確貼標的采血管。

表2 可靠性統計分析表

相比人工方式，本設備打印貼標效率有顯著提升。人工打印貼標方式，平均打印貼標時間超過53 s，因護士6采血時間過長而排除，其余護士平均打印貼標時間占總時間的占比超過34%[12]；應用本設備后平均時間為15.1 s，占比降低到12.6%，具體數據如表3所示。在護士采血時間不變的情況下，同樣采血工作量，本設備可縮短打印貼標時間，顯著降低護士的工作總時長，降低護士工作強度。在現今采血護士普遍工作強度很大的情況下[1]，降低護士工作強度具有重要意義。

表3 人工與設備打印貼標效率對比

相比人工方式，應用本設備后錯誤率有顯著降低，人工方式出錯率超過17.7%[12]，本設備出錯率降低到0，具體數據如表4所示。表4中,人工操作，即由護士完成病人信息錄入、打印標簽和粘貼標簽工作；設備操作，即由本文論述設備進行掃碼錄入信息、打印標簽和粘貼標簽工作。錯誤數是采血管選取錯誤數、錯貼試管條碼數、漏貼試管條碼數之和，其他錯誤不歸入本表。錯誤率為上述錯誤數與不合格總數的比值。

表4 人工與設備打印貼標錯誤率對比表

5 結束語

本文設計了采血管貼標設備配套的控制系統，采用安卓工控機，相比傳統Windows系統工控機，具有成本低的優勢；采用板式PLC，相比傳統PLC具有體積小的優勢。通過Android Studio和GX Works2軟件平臺開發了控制核心的配套程序。經驗證，整個系統控制貼標機協調動作，達到預想目標，顯著提高了效率，降低了出錯概率。該設備具有較高的應用價值。