基于PLC的输液监控系统设计

崔少晨

摘要

门诊输液是一种常用的治疗方法，但时间较长，反复查看输液进度则占用医护人员较多的工作时间。PLC是一种可靠成熟的可编程控制技术，本课题利用重力传感器构建了基于PLC的输液监控系统，可根据吊瓶质量变化计算剩余液体量，并及时通过声光报警提醒医护人员，简便可靠，适用性强，减轻了门诊工作量，改善了患者就诊体验。

【关键词】输液监控 PLC 重力 感应 声光报警

每到冬春季节，流行性感冒、上呼吸道感染等疾病发病率上升，输液是一种有效的治疗手段。但是学生，白领，公务员等群体，限于时间要求，只能选择夜晚去医院输液，以避免影响次日的学习工作。输液过程中，患者需要时刻留意液体是否输完，在心理上不能得到放松，也难以安心入睡;而负责输液的护士则需要不断查看各患者的输液进度，占用了原本就不充裕的医护人员更多时间。可编程控制技术（PLC）成熟可靠，在各行业应用广泛，医疗行业也逐步引入，以提高工作效率，减轻医护人员工作负担。

针对传统输液方式存在的问题，基于PLC的输液监控系统是一种有效解决策略。有文献[4]提出了根据激光脉冲计量液滴的输液监控系统，但逐滴计量体积的方法易受各种因素干扰，如不同浓度的葡萄糖注射液、生理盐水以及不同的添加药物、不同的滴速等，均会影响液滴表面张力和液滴体积，导致误差增大2-3cm的液面检测装置极易液面的波动干扰，且每次更换吊瓶后均需重新安装，也不适用于形状不规则的塑料吊瓶，限制了其实际应用和广泛推广。输液尤其是夜间输液，护士工作繁忙，急需开发新的更加可靠、简便的设备。

1 设计思路

临床常用的输液瓶的一般有两种规格：250mL和500mL，但是注射液仅是药物溶剂，不同患者根據病情需要掺入不同剂量的药物;另外，不同厂家的注射液包装材料、规格不同，不能仅根据吊瓶总重量来判断液体的剩余量。因此，为保证该系统的通用性和可操作性，医护人员可在配药完成、输液开始前设置注射液规格并一键进入开始状态。在输液开始后，系统通过重力传感器检测质量变化，并根据液体重量的减少量（AW）判断液体剩余量（因注射液的密度接近1g/mL，可根据质量改变计算剩余注射液体积）。以500mL规格的吊瓶为例，当编号为1的输液瓶内液体剩余20m1即质量的减少量ΔW=480g时，护士站1号指示灯闪烁并发出时间间隔为2s的报警声，提醒护士将1号病输液瓶内插头稍向外拔出;当编号为1的输液瓶内液体大约剩余10mL即质量的减少量ΔW-490g时，护士站1号指示灯间隔1s闪烁并发出时间间隔为1s的报警声，提醒护士1号病人输液即将完成，需更换吊瓶或结束输液。结束输液后，可手动关闭系统，或在更换吊瓶期间重力为零时，系统不报警。

为了保证输液报警系统的可靠性，除了根据吊瓶重量的减少量来判断液体是否流完外，在吊瓶口夹装一个非接触式液面传感器，当连续5S检测没有液体通过时，系统认定输液结束，发出报警信号。此时报警方式与液体剩余10G时报警方式相同。

2 输液监控器的硬件设计

本设计的硬件原理图如图1所示，由重力传感器、液面传感器、可编程控制器、声光报警装置四大部分组成。

2.1 重力传感器

重力传感器是根据压电效应来进行工作的。重力传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于晶体变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。

2.2 液位感应器

液位感应器由电容式传感器构成，将液面位置变化变为电容量的交化。当若连续5秒检测无液体通过，系统记录此时数据，认为输液结束。

2.3 可编程控制器

可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展而来的一种新型工业控制装置，具有硬件配置方便、安装方便、使用方便、维护方便的特点，在工业自动化领域有着广泛的应用。重力传感器和液位感应器将输液液体重量的变化和状态实时发送给可编程控制器，可编程控制器根据内部编程软件输出结果，使声光报警系统进行相应的操作。

2.4 声光报警系统

报警灯和报警声装置直接与PLC的输出装置相连接，根据输出情况作出相应的反应。

3 输液监控器控制系统设计

输液监控器控制系统由PLC控制，完成相关要求。

3.1 确定PLC的I/O点数

通过对输液监控器控制系统硬件设计分析后，可得出PLC接受到信号有：输液开始信号、输液液体剩余20g信号、输液液体剩余10G信号、液位感应器检测5s内无液体信号、重力传感器无重量感应信号共5点输入。PLC需要输出的信号有报警灯点亮和报警声音共2点输出。编程元件和其对应的功能如表1所示。

3.2 控制系统硬件接线图

监控器控制系统的硬件接线图如图2所示。

3.2 单一输液杆输液监控PLC程序设计

单一输液杆输液监控的控制要求在设计思路里进行了详细阐述，根据控制要求，编写单一输液杆输液监控PLC程序如下所示：

LD I0.0

A I0.4

LPS

A I0.1

AN I0.2

AN T37

TON T37，20

LPP

LD T37

LD I0.2

O I0.3

A SM0.5

OLD

AID

=Q0.0

AN I0.1

=Q0.1

3.3 多个输液杆输液监控PLC程序设计

在实际应用时，输液室有多个椅位供病人输液，护士站需要监测多个输液杆输液状态。在设计程序时，使用跳转指令跳过没有正在工作的输液杆，CPU只扫描工作状态下的程序，减小CPU的扫描时间。根据跳转指令的特点，绘制CPU扫描逻辑图，如图3所示。

按照CPU扫描逻辑图设计多个椅位输液报警PLC程序，如下所示：

LDN I0.0

imp 1

1号椅位输液报警PLC程序

LBL 1

LDN I0.5

JMP 2

2号椅位输液报警PLC程序

LBL 2

4 结束语

本文设计了一种基于PLC控制的通过重力感应方式监控输液进度的控制系统，可在配药完成、输液开始前设置注射液规格并一键进入开始状态，保证了该系统的通用性和可操作性。在输液开始后，系统通过重力传感器检测质量变化，并根据液体重量的减少量（ΔW）判断液体剩余量，附带电容式传感器构成的液位感应器提供双重保障，可在接近结束时将信号传递给护士站，通过报警灯和报警声呼叫护士。该系统更加可靠、简便，适用于输液室的特殊工作环境，改善了患者的就诊体验，减轻了医护人员的工作负担。

参考文献

[1]王磊，单亚军，单佳炜等.智能膀脱冲洗器控制系统设计[J].机械工程师，2014（05）：111-113.

[2]水宏杰.基于PLC医院输液室输液药水配送系统设计[J].医疗装备，2013，26（07）：23-24.

[3]马彬彬，赵安.OMRONPLC在医院输液室呼叫系统中的应用[J].机械制造与自动化，2015，44（06）：206-207.

[4]滕鹏飞.液体微小流量计量方法和标准装置的研究[D].中国计量学院，2013.

[5]杨锦尊.可编程控制器的特点及其发展动向[J].现代电子技术，2007，30（14）：1-2.