基于PLC自动售药机的设计

黄晓冉，董小雷

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063009)



基于PLC自动售药机的设计

黄晓冉，董小雷

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063009)

售药机；PLC；矩阵控制

针对我国现在无人售药存在的问题，设计了一种小型可移动自动售药机。主要介绍了自动售药机的机械结构、工作原理和工作过程，结合自动售药机的机械结构设计了其基于PLC的机电控制系统和上位机软件系统，对电磁铁采用矩阵控制，并对自动售药机控制系统的硬件和软件部分做了详细阐述。

随着我国经济的快速发展，医药技术也是突飞猛进[1]，很大程度上提高了全民的医疗服务水平，一些自动化售药设备进入了市场，为人们的生活带来了方便。如何使得自动化售药设备能够为人们提供更加人性化、便捷化的服务，成为需要思考的问题。

传统的售药方式是：人工到药店或者医院门诊购买，可以满足人们对药品的日常需求。但是对于一些居住较偏僻、交通不发达的地区或者夜间急需用药的情况，往往由于购药不及时而延误病情。市场上现有的自动售药机大多存在体积庞大、机械结构复杂、不方便维护等问题，为了解决上述问题，设计了一种小型可移动的自动售药机，此售药机采用新的机械结构和控制系统，为其更有效地解决自动售药问题提供了方案。

1自动售药机机械系统设计

自动售药机主要由上下双传送带、上下双层发药槽、光电计数器、针孔摄像头、触摸屏、微信支付端、投币机 、电磁铁、挡板、万向轮、推手等部分组成，如图1所示。

售药机的整体尺寸是1 200 mm(L)×1 000 mm(W)×1 200 mm(H)，体积和占地空间小，采用底部安装4个万向轮和双侧面安装2个推手相配合的方式，使得药房移动非常灵活[2]。万向轮减小了售药机与地面的摩擦，旋转推手能以固定旋转扣为中心从凹槽中旋转出来，供人工推动，这样一个人就能够轻松地实现售药机的移动。

为了提高售药机存储药品的数量和种类，采用上下双层斜坡储药槽，预计可以一次性存放64种非处方药。将盒装药品侧立放置在储药槽中，每一个储药槽的前端开矩形孔，并且安装镶有挡板的电磁铁，如图2所示。挡板穿过矩形孔实现药品的定位，电磁铁每得电一次挡板收缩一次，一盒药品从储药槽中利用重力原理滑落，通过控制电磁铁得电次数，来控制出药的数量。

采用常闭型光电对射装置对药品的出药数量进行准确记录。每一层储药槽的每个挡板前端均开有圆孔并且相通，在每一层储药槽最两侧的挡板上的圆孔处安装光电对射装置，实现一层储药槽出药数量的记录。

上下双层储药槽与上下双层传送带共同配合实现药品的发送。药品滑落至传送带，传送带将药品经出药口运送至取药口。传送带还具有缓冲的作用，可避免药品滑落时与底面冲击太大而造成的药品损坏。人们可在针孔摄像头的监视下通过触摸屏来选择所需的药品，并可采用现金支付和微信支付2种方式，使得支付手段更加丰富和便捷，并提高售药的效率。

1.底部传送带 2.上部传送带 3.侧面挡板 4.底部发药槽 5.光电计数器 6.通孔 7.上部储药槽 8.针孔摄像头 9.触摸屏 10.现金支付口 11.微信支付码 12.硬币找零口 13.上部出药口14.底部出药口15.取药口16.电磁铁17.万向轮

1.电磁铁 2.电磁铁推杆 3.挡板 4.矩形孔 5.通孔 6.储药槽

2自动售药机控制系统设计

自动售药机的控制系统由其硬件系统和软件系统两部分组成。

2.1硬件系统设计

图3为自动售药机控制系统的硬件组成框图。上位机硬件系统主要由触摸屏组成，其作用是供人工操作，对所需药品的相关信息进行查询和确认购买。下位机硬件系统主要由PLC主模块、扩展模块、交流电机驱动器、交流电机、继电器、电磁铁、传送带等组成，其相互配合使得自动售药机有条不紊地运行。

图3　硬件控制系统的总体设计

自动售药机的工作过程如下：通过触摸屏选择所需药品的种类和数量，并付款确认购买，PLC接到上位机的指令后，控制相应槽道的电磁地铁得电，使得药品沿着储药槽滑落，此时光电对射装置实现对所出药品数量的记录，并传递给PLC。当所购买的药品从储药槽滑落后，PLC控制电机M1或者M2工作带动相应的传送带转动，使得药品通过出药口滑落至取药口。如果需要找零钱，上位机控制投币器通过找零口找出相应数量的硬币。待人工从取药口拿走药品后，购药过程完毕。

2.1.1光电计数器的工作原理

常闭型光电计数器由发射端和接收端组成，并将接收端的信号反馈线接入PLC输入端。发射端和接收端均由24 V直流电源供电，发射端发出光线，供接收端接受。当药盒未遮挡发射光线时，接收端处于低电平状态；当发送的药盒遮挡住发射端发出的光线时，接收端会被激发出高电平[3]，并通过信号线反馈给PLC处理，从而记录出药的数量。其工作原理图如图4所示。

图4　光电计数器的工作原理图

2.1.2 PLC对电磁铁的控制

自动售药机一次性可存放64种非处方药，每一种药品都由一个电磁铁挡板实现定位，为了节约控制系统的硬件资源，对电磁铁采用矩阵控制的方式[4]。用16个输出点来控制64个电磁铁，通过控制继电器的通断来实现电磁铁的得电和失电。选择西门子S7-200 226CN CPU，输入为24点，输出为16点，并配合EM223扩展模块，可以满足设计所需端子要求。将16个输出点分为2组，一组接24 V直流电源，一组接地。将64个电磁铁分为8组，每8个电磁铁共用一个输出端子，每个电磁铁都分别与PLC通直流电的端子引出的8根线相接，并在每个电磁铁后端串联一个二极管，防止电流形成局部回路对电路的稳定性造成影响[5]。其接线原理图如图5所示。

图5　PLC矩阵接线原理图

根据矩阵接线原理图所示，一个电磁铁需要2个输出端的继电器同时闭合即可。在编程时，要让2个输出点同时为1。根据控制原理图总结出其主单元控制输出点如表1所示。

表1　主单元输出控制点

2.1.3 PLC对交流电机的控制

交流电机在驱动器的驱动下带动传送带转动发送药品。通过西门子EM223扩展模块控制继电器的通断，实现对交流电机正反转的控制。扩展模块输出功能分配如表2所示。

表2　EM223扩展模块输出功能分配表

2.2软件系统设计

自动售药机的软件系统采用模块化设计[6]，主要包括开机检测模块、实时监控模块、发药管理模块、通讯模块和数据库管理模块5大部分，如图6所示。

图6　售药机软件系统的组成模块

开机检测模块对自动售药机的各硬件组态部分的进行开机测试，并将检测信息反馈给触摸屏的人机界面。实时监控模块对售药机的整个作业过程进行实时监控。发药管理模块实现药品的发送。通讯模块用来实现上位机与下位机的沟通，保证售药机有条不紊地工作。数据库管理模块采用SQL语句对药品数量进行匹配。软件系统的出药工作流程图如图7所示。

图7　出药工作流程图

3结　论

本文所设计的自动售药机，是机电一体化技术和计算机技术在自动售药设备中的实际应用。自动售药机体积小，机械结构简单、合理，PLC本身的稳定性与模块化设计的软件系统配合保证了控制系统稳定可靠，为其提供了便捷的运营管理，也为顾客带了很大的方便，具有很大的市场推广价值。

[1]龚从扬，臧铁钢，袁金虎. 药房快速自动发药机单元的研发[J]. 中国制造业信息化,2012，41(05)：64-66.

[2]谢霞，严雷，贾巨民. 万向轮螺旋滚子受压变形的有限元分析[J]. 中国工程机械学报，013,11(02):152-156.

[3]姚正武. 基于AT89S51的双红外激光对射开关实现智能照明控制[J].工业仪表与自动化装置.2014,12(06):56-60.

[4]王硕禾，万健如，蔡承才. 矩阵电路实现PLC输出口的扩展[J]. 电气应用,2005,24(06):51-53.

[5]罗毅飞，肖飞，唐勇等.续流二极管续流瞬态反向恢复电压尖峰机理研究[J].物理学报,2014,11(21),333-341.

[6]夏明忠，夏以轩，李兵元. 软件模块化设计和模块化管理[J]. 中国信息界,2012,19(11):56-59.

Design of Automatic Drug Selling Machine Based on PLC

HUANG Xiao-ran,DONG Xiao-lei

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063000, China)

drug selling machine;PLC;matrix control

According to problem of automatic drug selling in our country, a small-sized movable automatic drug selling machine was designed. The mechanical structure, working principle and working process of the machine were mainly introduced in the paper. Combined with the structure of the automatic drug selling machine, the electrical control system based on PLC and PC software system were designed. The electromagnets were controlled by matrix method, and the hardware and software of the control system were elaborated in detail.

2095-2716(2015)04-0053-06

TP241.3

A