基于PLC药房自动化系统设计

李成群， 黄宝旺， 樊鸿伟， 张净霞(河北联合大学 .机械工程学院; .电气工程学院,河北 唐山 063000)

基于PLC药房自动化系统设计

李成群a， 黄宝旺b， 樊鸿伟a， 张净霞a
(河北联合大学 a.机械工程学院; b.电气工程学院,河北 唐山 063000)

介绍了整个自动化药房的组成，包括自动上药系统、储药柜和自动出药系统。分别就其结构进行了设计，根据其工作原理设计了相应的控制系统。控制系统以工控机和PLC为核心，其中工控机在上层与数据库进行数据的交互，在底层与下位机PLC进行实时通讯，PLC根据工控机发送的指令数据，对外围执行机构进行控制。实现整个药房的自动化和信息化管理。

PLC；自动化药房；出药系统；上药系统；位置同步

0 引 言

自动化药房主要由自动上药系统、储药柜、自动出药系统和药品信息处理系统等几个部分组成[1]。分别对自动上药系统、储药柜、自动出药系统的结构组成及其自动化控制进行设计。控制系统包括工控机、PLC、伺服电机驱动器等，以工控机为核心，并作为底层PLC与上层数据库数据交互的桥梁，完成整个自动化药房的信息化管理[2]。

1 自动化药房上药系统

上药系统主要包括上药平台、上药机构和定位系统。其中上药平台用于操作人员摆放药盒，由触摸屏、条形码扫描模块和放药装置组成；定位系统由横向上下两个导轨和纵向一个导轨组成，这里把横向导轨称作X方向，其中横向上导轨为X1，横向下面导轨为X2，纵向导轨称作Y方向。

1.1 上药机构设计

上药机构如图1所示，由出药挡板1、轴2、滑槽3、底座4、电动缸5和光电开关组成。其中滑槽3可以绕轴2旋转，当与人机交互平台对接时，绕轴2旋转侧倾25度，确保放药机构上的药盒顺利滑至上药机构并自动与一侧对齐；当上药时，滑槽3复位，与储药柜中的储药槽对接。上药机构通过定位系统首先对一个滑道进行定位，定位完成后打开挡板1，药盒滑至储药柜指定槽位，通过光电开关管进行计数，所有药盒均滑至储药槽后关闭翻板1。重复上述动作完成另外三个滑道的上药操作。最后回到原点——放药机构处，等待下一次上药操作。

1.挡板 2.轴 3.滑槽 4.底座 5.电动缸图1 上药机构

1.2 定位系统

定位系统包括横向上下两导轨X1、X2，纵向导轨Y，伺服电机M1、M2、M3、同步带和三个限位开关。上药机构安装在定位系统的Y轴上，伺服电机通过同步带，驱动上药机构在导轨确定的平面上运动，限位开关防止导轨Y和上药机构超出行程范围。

2 自动化药房出药机构设计

1.电磁铁 2.外壳 3.挡板 4.弹簧图2 出药机构

出药机构如图2所示，包括电磁铁1、外壳2、挡板3和弹簧4组成。装置安装在储药槽前端的出药口处，挡板3将药盒档在出药口处，当某个储药槽需要出药时，电磁铁控制挡板打开，并随后复位。也就是当药盒未完全滑出时挡板复位并将药盒顶起，这样既可以使药盒顺利滑落，又可以挡住下一个药盒，防止其跟随上一个滑落。

3 自动化药房控制系统

自动化控制系统以工控机为上位机， PLC为下位机， 其中工控机作为数据交互的枢纽，实现数据库、工控机、PLC和其他外围设备之间的数据交互，从而实现自动化药房信息化管理。考虑到系统包括对三个伺服电机的闭环控制，需要三轴高速脉冲输出和三轴高速脉冲计数器用于接收伺服电机的码盘信息，因此选择性价比较高的欧姆龙CP1H漏极输出型PLC。选定继电器输出型的CP1W—40EDR I/O扩展模块，作为电磁铁、电动缸、光电开关等外围设备的控制端口；SGDV—5R5A01A伺服控制单元三个，与PLC共同控制伺服电机。

3.1 定位系统自动控制

定位系统的控制设计是由PLC通过伺服驱动器控制三个伺服电机而实现的。PLC通过接收工控机下发的药品坐标信息，PLC通过伺服电机驱动器同时控制三个伺服电机动作。三个伺服电机驱动上药装置在导轨上运动，完成上药机构的定位操作。其中横向导轨X1、X2同时带动导轨Y横向运动，因此必须保证伺服电机M1、M2保持位置同步，否则严重时会对机械结构造成损坏。这里采用并联式闭环同步控制[3]，PLC接收到横坐标信息后，向X1、X2发送相同频率和相同数量的脉冲，同时将伺服电机编码盘信息作为电机实际运行的反馈信号。通过对比两个伺服电机实际运行情况得到同步位置误差，通过控制器输出补偿脉冲信号，确保二者位置同步。X轴与Y轴之间采用平面插补算法[4]完成最终的定位操作。软件流程图如图3所示。

图3 插补定位流程图

图4 自动化药房控制系统框图

3.2 上药系统自动控制

上药控制系统包括三个伺服电机、四对光电开关管、两个电动缸和一个电磁铁，其中，条形码扫描、触摸屏和如图1所示的上药装置共同构成人机交互平台[5]，控制系统首先通过条形码扫描模块获得药品相关信息，与上药信息进行比对，如果比对成功，也就是所上药品对应的储药槽内药盒数量少于二盒，则操作正确，进入下一步，否则提示药品错误。

扫描通过以后，根据触摸屏提示进行操作，将药品按顺序放入放药装置，电机触摸屏上的确认键。首先检测上药装置是否到位，如果到达指定位置，则电动缸动作，药品沿放药板滑至上药装置的滑槽中，分别通过光电开关1和光电开关2检测放药板两个滑道的药品是否全部滑至上药装置。如果是则PLC控制X1、X2、Y三个伺服电机进行定位操作。定位完成后电磁铁动作，打开上药装置滑道前端的挡板，等待药品滑至储药槽。通过检测光电开关管信号确定动作完成，复位电磁铁。重复上述操作完成整个上药操作。控制系统框图如图4所示。

3.3 出药控制系统设计

图5 矩阵式出药控制示意图

出药控制系统中，每个储药槽安装一个出药装置，如果分别控制每个出药装置需要占用大量PLC I/O，同时需要耗费大量导线，因此这里采用矩阵式输出方式，也就是把整个储药柜中的每一个储药槽看成是矩阵中的每一个点，横向坐标代表行，通过PLC输出端子接24 V；纵向坐标代表列，通过PLC输出端子接地。如果同时置位一组24 V相连的PLC端子和接地的PLC 端子，则对应的行与列的交点处线圈得电。如图5所示。

图6 出药控制流程图

图中每个行与列交点处线圈代表电磁铁线圈，如当第3行第C列同时导通，则图中3C位置电磁铁导通。在出药过程中，只需要由工控机将所需药品所在的行号和列号发送给PLC[6]，通过PLC控制对应的出药机构即可实现对处方药物的出药操作。为了避免在出药过程中出现卡药现象，在储药柜每列储药槽上端安装一个光电开关管，当有药物落下会使对应的光电开关发出信号，以确认出药成功，如果出药指令发送结束后0.5 s未接收到反馈信息，则说明没有出药成功，则再次发送该点的出药指令，重复三次如果仍然出药故障则报警。为了防止相邻两列的光电开关相互干扰，这里采用相邻列光束对射的接法，也就是其中一列发光端在上，接收端在下，那么其相邻两列均为发光端在下，接收端在上。软件流程图如图6所示。

4 结束语

介绍了自动化药房的组成，包括自动上药系统、储药柜和自动出药系统，对三个组成部分的结构进行了设计与介绍，分别就其工作原理、动作流程进行了控制系统的设计，控制系统以工控机为上位机，PLC作为下位机。工控机通过与数据库和PLC之间进行数据交互，PLC根据工控机的指令控制伺服电机、电磁铁等外围设备进行相应的动作，完成整个药房的自动化管理。

[1] 刘相权,贠超. 基于PMAC和PLC的自动化药房出药系统的研究 [J]. 制造业自动化,2008,30(11):20-21.

[2] 付波,贠超,车洪磊,等.基于PMAC的智能药房上药控制系统设计[J]. 工业控制计算机,2012,25(4):41-42.

[3] 马永波,贠超,刘相权,等. 基于PMAC的自动化药房出药升降机的同步控制[J]. 机械工程与自动化, 2008,37(3):122-124,128.

[4] 宋伯生.PLC编程理论·算法及技巧[M]. 北京：机械工程出版社,2009.

[5] 周恒恒,全泉,朱志青.基于嵌入式的物流管理无线PDA终端[J].电子科技,2012,26(9):49-51.

[6] 赵伟.中药自动配送控制系统的关键技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.

Design of a Pharmacy Automation System Based on PLC

LI Cheng-quna, HUANG Bao-wangb, FAN Hong-weia, ZHANG Jing-xiaa
(a.College of Mechanical Engineering, b. College of Electrical Engineering, Hebei United University, Tangshan Hebei 063000, China)

This paper introduces the composition of the entire automated pharmacy, including automatic drug-loading system, drug cupboard and automatic drug delivery system. The structure of the three parts is designed respectively, and corresponding control systems are also designed according to the operating principle. The control system uses the industrial personal computer and PLC as the core. The industrial personal computer makes data interaction with the database in the upper layer, and realizes real-time communication with the lower PLC in the lower layer. Following the commands sent from the industrial PC, the PLC controls the peripheral execution elements, thus realizing automation and information management of the whole pharmacy.

PLC;automated pharmacy;system of drug delivery;drug-loading system;position synchronization

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.032

TH-39

A

1000-3886(2015)05-0099-03

李成群(1963-),男，河北人，副教授，博士，研究方向为机器人技术，机械系统动力学和工业控制和测试技术。 黄宝旺(1989-)，男，河北人，硕士生，主要研究运动控制。

定稿日期: 2014-09-07