基于PLC的呼叫及藥物傳遞系統

於瀚文

（南京信息工程大學，江蘇南京，210044）

隨著疫情的放開，新冠病毒對人們生活和工作造成了巨大影響。大量的市民感染后出現癥狀急需服用退燒藥，同時藥店工作者的相繼感染很大程度拖緩了藥物發放的效率，未感染的市民面對藥店門口的長隊也望而卻步。

可編程控制器（PLC）可以模塊化裝配，使用接線端子接線，因此安裝便捷，適用于當前亟須投入使用解決問題的背景。為解決當前 “取藥難，發藥難”的問題，本文設計了一款基于PLC的呼叫及藥物傳遞系統。該系統針對傳遞藥物重量小、行程短但重復次數多的特點進行了軟硬件規劃并優化了藥物傳遞系統的加減速控制算法，同時根據工作人員是否在窗口內工作的情況做出了不同的設計，以保證系統達到設計目的，從而發揮實際使用價值。

1 系統總體方案

本文根據目前藥房的主要困難和實際需求的功能對系統的硬件電路進行了針對性規劃與設計。系統硬件設計主要是以PLC可編程控制器為核心，并由按鍵、顯示、蜂鳴器、步進電機模塊等部分組成。系統工作流程簡述如下：當工作人員在窗口內工作時，則應按下“工作中”按鍵，此時當有市民在窗口外按下按鍵時，該窗口的指示燈亮，工作人員通過按鍵操縱步進電機帶動同步帶將藥物傳送至該窗口。當工作人員需要暫時離開工作窗口時，應再次按下“工作中”按鍵使狀態指示燈熄滅，則此時市民在窗口外按下按鍵時，該窗口指示燈閃爍且工作室內蜂鳴器響起，工作人員聽到提示后可立即返回工作室內通過復位按鍵關閉蜂鳴器并繼續工作。整體系統框圖如圖1所示[1]。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

■2.1 PLC控制器

PLC可編程控制器作為呼叫及藥物傳遞系統的主控單元，其選型尤為重要。羅克韋爾的PLC控制器操作方便、較為穩定且靈活性較高。根據系統功能需求，本系統選用羅克韋爾的micro800系列小型PLC控制器2080-LC50-48QBB。羅克韋爾2080-LC50-48QBB是一款緊湊但性能優異的小型PLC控制器。此款PLC控制器完全適用于呼叫及藥物傳遞系統的主控硬件需求[2]。

■2.2 顯示與按鍵模塊

系統設置了四個窗口的呼叫按鍵以及四個對應的指示燈，工作人員的系統復位按鍵、步進電機傳送按鍵、“工作中”狀態按鍵及其指示燈以及蜂鳴器。

根據系統設計內容為該模塊分配I/O地址，顯示與按鍵模塊I/O地址分配表如表1所示。

表1 顯示與按鍵模塊I/O地址分配表

■2.3 步進電機模塊

該系統的步進電機模塊由驅動器、步進電機、編碼器、同步帶等構成。步進電機工作原理是用電脈沖進行控制，將數字信號轉變為電機滾筒的轉動角度從而帶動同步帶傳遞藥物，由于滾筒轉過一定角度或距離的次數由接收到的脈沖的數量決定，而其運動狀態的變化則完全根據脈沖頻率的增大或減小而定。脈沖頻率勻速增加或者勻速減小時步進電機隨之勻加速或勻減速運動[3]。由于不能直接接至電源上工作，因此需要通過一個步進電機驅動器，當該驅動器接收到信號時就會驅動步進電機實現一定的角位移。該模塊以PLC為主控單元使步進電機驅動器驅動步進電機通過滾筒旋轉摩擦帶動同步帶執行往復運動，同時在高頻率往復運動時電機會出現誤差，應通過安裝編碼器并以編碼器的實時脈沖數反饋以進行位置補償[4]。

目前常用的傳遞系統如用于物流分揀站或流水線上的系統在實際使用中常優先考慮傳遞貨物的效率和最大負載量等而對平穩性以及噪音等要求不高，在傳遞貨物時傳送帶為周期旋轉運動，精度造成的誤差不易對工作造成影響。而在設計本系統時考慮到所使用的場景中同步帶傳送藥物時負載較小，在保證速度的同時應減小工作時的震動和噪音使之將藥物平穩傳遞。同時，本系統在步進電機帶動同步帶傳遞藥物時采用往復運動，為減小多次往復運動后由于正負行程不一致累積導致的誤差，應提高電機控制的精度，選擇較大細分。本系統選用普菲德TB660驅動器和型號為42BYGH24的電機，該驅動器的細分精度支持從200到6400的按級調整，可通過波動驅動器上的撥碼開關對其細分進行設定，本系統中細分為1600份，即撥動S2開關，而保持S1和S3的“OFF”狀態[5]。

3 軟件設計及結果

■3.1 軟件編程環境及語言

PLC系統軟件設計是實現系統功能的核心，PLC 的編程語言種類較多。其中梯形圖語言編程最為簡單，程序可讀性極佳，在此次系統程序編程過程中，我們采用較為直觀的梯形圖語言進行編寫。同時，根據所選PLC型號，PLC系統軟件開發環境采用CCW。

■3.2 軟件設計總流程

軟件的設計流程如圖2所示。顯示與按鍵部分和步進電機同步帶部分可分別考慮與設計。

圖2 軟件設計流程圖

若市民按下對應窗口按鍵時工作人員不在值班室內，則電路接通并自鎖使得中間變量D01常開觸點閉合并且使四個窗口對應的中間變量D03，D05，D07, D09常開觸點閉合并自鎖，因此圖3所示梯級開始工作，每接通一秒，對應窗口的指示燈就閃爍一次。例如1號窗口在無人值班時按下按鍵，則D01與D03常開觸點閉合，剛開始輸入時TON定時器是延時閉合，閉合前D02進行了自鎖，使得電路中1號窗口輸出的燈亮。當延時時間達到，D02斷開使得1號窗口輸出的燈熄滅，TON_3.Q和TON_2.Q下接直接線圈，并在D01后接反向線圈，使得蜂鳴器隨著指示燈的閃爍而不斷響起，同時實現了閃爍以及響鈴的功能。當工作人員在值班室內時，則按下“工作中”按鍵后DO_17閉合，在此條件下當哪個窗口外的呼叫按鍵被市民按下，那么值班室內對應窗口指示燈亮并且自鎖，除此以外互鎖另三個窗口的市民呼叫電路，當完成該輪呼叫與藥物傳遞整個工作流程后，工作人員通過按下復位按鈕使得所有電路斷開，電路恢復到最開始的狀態

圖3 部分梯形圖

設計步進電機同步帶部分程序時，傳送藥物距離的最大值應根據實際設置，本系統模擬運行時暫時設定為步進電機驅動同步帶傳送正負行程各半圈。

插入相應指令塊后當給定位置且寫入變量后，通過按鍵導通上電模塊促使步進電機開始正向運動一定距離，該正向運動指令塊驅動運動結束后經過延時，再進行反向絕對運動。一個傳送周期包括正行程和負行程，正行程傳遞藥物，負行程使之歸位，一次傳遞結束后觀察步進電機是否正常工作。

■3.3 加減速控制算法優化

由于同步帶在步進電機的帶動下工作，在作業過程中通過摩擦作用傳遞負載。鑒于藥物通常為膠囊狀或顆粒狀，具有易滾動的特點，在傳遞過程中可能由于震動或速度突變等使得藥物掉出同步帶或傳遞距離不準導致傳遞失敗，所以在傳遞系統進行正行程傳遞時在啟動和結束過程中應盡量減小由于突然加速或減速所造成的慣性力以及剛性沖擊的作用。通過PLC控制器可以根據速度或者加速度的實際需求相應改變輸出頻率，使之穩定變化從而確保電機平穩啟動并停下，穩定地將藥物傳遞到對應窗口。在傳遞系統進行到負行程階段時，由于所需傳遞的藥物已取出，故無需過于注重同步帶在負行程時的震動和沖擊，可簡化該過程的運動控制曲線，提高系統在傳遞過程的整體效率。工業上常用的加減速控制算法包括指數型、梯型、S型曲線加減速控制算法等。傳統的S型曲線如圖4所示，其中加速段的三個階段分別為加加速、勻加速、減價速，減速段的三個階段分別為加減速、勻減速、減減速。由圖可見，S型曲線的各個階段之間速度的變化率較小，速度曲線十分平滑，無明顯的速度突變。但缺點是具有七個加減速階段使之過于復雜，且在較短的傳遞距離時沒有意義[6]。

圖4 傳統S型曲線

針對呼叫及藥物傳遞系統的主要使用場景和硬件特點對傳統S型曲線做出一定的優化處理，使之在更加精簡易用的同時符合實際要求，優化后系統的加減速控制曲線如圖5所示。本文中該系統在正行程時所應用的優化型S曲線有4個階段，分別為加加速階段、減加速階段、加減速階段、減減速階段，使之可以保證電機在啟動和停止時仍然平穩的同時省略去勻加速階段和勻減速階段。由于同步帶傳遞藥物距離較短，故此情況下可去除勻速運動階段。當進行完成減加速階段后直接反向增加加速度。

圖5 優化運動控制曲線

梯形加減速控制算法是較為常用的加減速控制算法，在勻加速階段結束即將開始勻速運動和勻速運動結束即將開始勻減速時加速度可控但會跳變，速度轉變時不能平滑過渡，產生剛性沖擊，引起所負載的藥物震動。但采用梯形速度控制較快也最簡易，在負行程過程中當藥物已取走時同步帶上無負載，可采用梯形加減速運動控制完成負行程運動[7]。

■3.4 實驗結果

為了驗證呼叫及藥物傳送系統的可用性以及在相應場景的適用性，按照上述軟硬件設計完成了該系統的實際搭建如圖6所示。所示情況為市民在2號窗口通過該系統成功取藥。

圖6 實物圖

4 結論

本文依據目前藥店與市民的實際需求設計了基于PLC的呼叫及藥物傳遞系統。充分考慮了由于工作人員短缺或者顧客較少的時間段使得暫無工作人員在值班室的情況。同時相較于傳統的傳遞系統，該系統更適合完成“小量多次短距”的傳遞任務，優化后的加減速算法兼顧傳遞效率與穩定性，整個系統具有較高的易用性和實用性。