現代控制技術在中藥智能配藥系統中的應用

現代控制技術在中藥智能配藥系統中的應用

摘要：介紹了新型中藥智能配藥系統的硬件和軟件控制技術。硬件部分采用ＯＭＲＯＮ的ＰＬＣ和基于ＣＰＬＤ的電路板進行控制，軟件部分則通過組態軟件ＦＩＸ３２與界面編輯軟件ＶＢ相結合對上位機進行控制和通訊。本系統達到國內領先、國際先進的水平，它的研制成功對中藥在世界范圍內的進一步推廣起到了重要的作用。

中藥智能配藥系統（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｄｉｓｐｅｎｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）是隨著中醫院流程系統管理向電子化、網絡化的方向發展而產生的。該系統工作的過程是：首先通過醫院內部局域網將在終端電腦上開出的處方傳至藥房配藥主控計算機，然后由主控計算機在查詢藥品數據庫的基礎上形成配藥指令并下達給配藥機器，完成配藥過程。同時，主控計算機在配藥機器終端的液晶顯示屏上顯示患者信息，并驅動打印機輸出處方的綜合信息，將處方綜合信息連同配藥機器輸出的配好的分帖包裝中藥一起交付患者使用。中藥智能配藥系統的控制系統可分為機電控制系統和上位機軟件控制系統，其結構框圖如圖１所示。

１ 機電控制系統

機電控制系統為分層分布式結構，采用上位機＋下位機＋集成電路板的技術進行綜合控制。其電路系統結構框圖如圖２所示。具體介紹如下：

（１）上位機使用ＰＣ機，負責管理級和監控調度級的控制。上位機不采用工控機的原因是因系統對于界面、數據庫處理及網絡聯系等均有較高的要求。上位機的主要功能是將人機界面輸入的二進制編碼信息通過ＲＳ－２３２串口傳送給下位機，并對下位機的工作狀況進行實時監控，完成藥方打印和液晶顯示。另外，它與藥品管理信息系統之間的信息交互，是通過醫院內部的局域網來進行并采用ＴＣＰ／ＩＰ協議實現的。

（２）下位機負責設備級控制。其功能是接收并解碼上位機發送的二進制配藥信息，然后根據配藥信息選定所需藥品，驅動相應集成電路板進行下藥控制，并驅動機械手進行定位、取出藥品、包裝成袋，連同打印藥方一起交付患者。下位機之所以采用ＰＬＣ而沒有選擇價格相對低廉的單片機，原因之一是為了滿足中藥配藥機對高速運作的要求，Ｘ軸導軌和Ｙ軸導軌均采用伺服電機驅動，而單片機對伺服電機的控制能力相對較差，很難做到精確控制；原因之二是中藥智能配藥系統對可靠性的要求很高，而單片機的穩定性與ＰＬＣ相比要差一些，且容易受到外界電磁的干擾。

（３）下藥直流電動機的控制采用以ＡＬＴＥＲＡ

公司的ＡＣＥＸ１Ｋ芯片為核心的集成電路板來完成。在該芯片中集成了在Ｍａｘ＋ｐｌｕｓ ＩＩ開發系統中用ＶＨＤＬ語言編寫的控制、計數和定時功能。該電路板的功能是接收從ＰＬＣ發來的命令和藥品質量數，控制電動機的轉數，在０．０７ｇ／轉的精度下完成規定重量的下藥。由于本系統使用了多達４２０個下藥直流電機，因此采用可減少Ｉ／Ｏ點數及ＰＬＣ布線的集成電路板。該系統的所有下藥電機由２８塊集成電路板分別控制，每塊集成電路板控制的下藥部分相對獨立。這樣，檢查和維修不受位置限制，具有較高的可靠性和性價比。

１．１ ＰＬＣ控制

１．１．１ ＰＬＣ配置

本系統ＰＬＣ配置采用ＯＭＲＯＮ公司的Ｃ２００ＨＥ型ＰＬＣ，并在其基礎上擴展了一個１６點繼電器型開關量輸出模塊Ｃ２００Ｈ－ＯＣ２２５、一個３２點晶體管型開關量輸出模塊Ｃ２００Ｈ－ＯＤ２１５、兩個１６點開關量輸入模塊Ｃ２００Ｈ－ＩＤ２１２和一個四軸位置控制模塊Ｃ２００ＨＥ－ＮＣ４１３。各模塊的作用為：

（１）兩個輸入模塊用來接收配藥機器中各種接觸器的位置反饋或動作的故障反饋，對其配置無特別要求；

（２）兩個輸出模塊發出指令，用來操作配藥機器。繼電器型開關量輸出模塊驅動電流大，但不能頻繁動作，因此用來控制所有電磁閥和各種直流電機、步進電機；晶體管型開關量輸出模塊則正好相反，且其輸出為ＴＴＬ電平，具有可以與其它集成電路接口的優點，用來驅動集成電路完成下藥操作。

圖3 伺服電機控制電路

（３）四軸位置控制模塊用來控制四軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｕ）互相獨立的兩個伺服電機和三個步進電機。在Ｘ、Ｙ軸上分別配置了兩個伺服電機，而三個步進電機由于工作時間互相錯開，全部配置在Ｕ軸上。另外，Ｘ、Ｙ軸上各有左右限位開關和原點接近開關３個，Ｚ軸有原點接近開關１個，這樣，共７個接近開關接到Ｃ２００ＨＥＮＣ４１３上。該模塊以不超過１０ｍｓ的響應時間從ＰＬＣ內存取得命令，在５００ｋｐ／ｓ的高頻脈沖下與ＰＬＣ內存數據建立映射關系，完成通過修改內存數據定位伺服電機和步進電機的位置以及通過內存數據反饋伺服電機和步進電機的位置情況的功能。

１．１．２ 伺服電機控制電路

在本系統中，配置了兩個ＯＭＲＯＮ公司的ＳＭＡＲＴＳＴＥＰ Ａ伺服系統，對Ｘ、Ｙ軸完成定位操作，具體控制電路如圖３所示。其中包括四軸位置控制模塊Ｃ２００ＨＥ－ＮＣ４１３、通用控制電纜Ｒ８８Ａ－ＣＰＵ００２Ｓ、伺服驅動器Ｒ７Ｄ－ＡＰ０４Ｈ、伺服電機Ｒ７Ｍ－Ａ４００３０－ＢＳ１（為帶制動器的帶鍵直軸圓柱形電機）。圖中，ＣＮ１代表伺服驅動器，ＣＮ２代表與伺服電機同軸的分辨率為２０００脈沖／轉的光學增量型編碼器用連接器，它可以完成從驅動器到伺服電機的具有位置反饋和速度反饋的閉環控制。在伺服電機中，Ｍ代表電機本身，Ｅ代表編碼器，Ｂ代表動力制動器。由于固定脈沖代表固定距離，因此當伺服電機接收到控制系統發出的若干條脈沖指令后，就可以完成預定的定位。在本系統中，設置電機的分辨率為５０００脈沖／轉（０．０７２度／步），伺服電機連接的同軸減速器比例為３?１，其帶動導軌移動的速率為６０ｍｍ／轉。因此，伺服電機帶動導軌移動的速率為２０ｍｍ／５０００脈沖。伺服電機控制電路的控制原理為：位置控制單元從設備處得到各種控制信號，并根據不同藥罐間的距離與２０ｍｍ／５０００脈沖的數據大致算出映射到四軸位置控制模塊ＮＣ４

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