现代控制技术在中药智能配药系统中的应用

现代控制技术在中药智能配药系统中的应用摘要：介绍了新型中药智能配药系统的硬件和软件控制技术。硬件部分采用ＯＭＲＯＮ的ＰＬＣ和基于ＣＰＬＤ的电路板进行控制，软件部分则通过组态软件ＦＩＸ３２与界面编辑软件ＶＢ相结合对上位机进行控制和通讯。本系统达到国内领先、国际先进的水平，它的研制成功对中药在世界范围内的进一步推广起到了重要的作用。关键词：中药智能配药系统PLCCPLDFIX32VB中药智能配药系统（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＤｉｓｐｅｎｓｅＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣｈｉｎｅｓｅＭｅｄｉｃｉｎｅ）是随着中医院流程系统管理向电子化、网络化的方向发展而产生的。该系统工作的过程是：首先通过医院内部局域网将在终端电脑上开出的处方传至药房配药主控计算机，然后由主控计算机在查询药品数据库的基础上形成配药指令并下达给配药机器，完成配药过程。同时，主控计算机在配药机器终端的液晶显示屏上显示患者信息，并驱动打印机输出处方的综合信息，将处方综合信息连同配药机器输出的配好的分帖包装中药一起交付患者使用。中药智能配药系统的控制系统可分为机电控制系统和上位机软件控制系统，其结构框图如图１所示。１机电控制系统机电控制系统为分层分布式结构，采用上位机＋下位机＋集成电路板的技术进行综合控制。其电路系统结构框图如图２所示。具体介绍如下：（１）上位机使用ＰＣ机，负责管理级和监控调度级的控制。上位机不采用工控机的原因是因系统对于界面、数据库处理及网络联系等均有较高的要求。上位机的主要功能是将人机界面输入的二进制编码信息通过ＲＳ－２３２串口传送给下位机，并对下位机的工作状况进行实时监控，完成药方打印和液晶显示。另外，它与药品管理信息系统之间的信息交互，是通过医院内部的局域网来进行并采用ＴＣＰ／ＩＰ协议实现的。（２）下位机负责设备级控制。其功能是接收并解码上位机发送的二进制配药信息，然后根据配药信息选定所需药品，驱动相应集成电路板进行下药控制，并驱动机械手进行定位、取出药品、包装成袋，连同打印药方一起交付患者。下位机之所以采用ＰＬＣ而没有选择价格相对低廉的单片机，原因之一是为了满足中药配药机对高速运作的要求，Ｘ轴导轨和Ｙ轴导轨均采用伺服电机驱动，而单片机对伺服电机的控制能力相对较差，很难做到精确控制；原因之二是中药智能配药系统对可靠性的要求很高，而单片机的稳定性与ＰＬＣ相比要差一些，且容易受到外界电磁的干扰。（３）下药直流电动机的控制采用以ＡＬＴＥＲＡ公司的ＡＣＥＸ１Ｋ芯片为核心的集成电路板来完成。在该芯片中集成了在Ｍａｘ＋ｐｌｕｓＩＩ开发系统中用ＶＨＤＬ语言编写的控制、计数和定时功能。该电路板的功能是接收从ＰＬＣ发来的命令和药品质量数，控制电动机的转数，在０．０７ｇ／转的精度下完成规定重量的下药。由于本系统使用了多达４２０个下药直流电机，因此采用可减少Ｉ／Ｏ点数及ＰＬＣ布线的集成电路板。该系统的所有下药电机由２８块集成电路板分别控制，每块集成电路板控制的下药部分相对独立。这样，检查和维修不受位置限制，具有较高的可靠性和性价比。１．１ＰＬＣ控制１．１．１ＰＬＣ配置本系统ＰＬＣ配置采用ＯＭＲＯＮ公司的Ｃ２００ＨＥ型ＰＬＣ，并在其基础上扩展了一个１６点继电器型开关量输出模块Ｃ２００Ｈ－ＯＣ２２５、一个３２点晶体管型开关量输出模块Ｃ２００Ｈ－ＯＤ２１５、两个１６点开关量输入模块Ｃ２００Ｈ－ＩＤ２１２和一个四轴位置控制模块Ｃ２００ＨＥ－ＮＣ４１３。各模块的作用为：（１）两个输入模块用来接收配药机器中各种接触器的位置反馈或动作的故障反馈，对其配置无特别要求；（２）两个输出模块发出指令，用来操作配药机器。继电器型开关量输出模块驱动电流大，但不能频繁动作，因此用来控制所有电磁阀和各种直流电机、步进电机；晶体管型开关量输出模块则正好相反，且其输出为ＴＴＬ电平，具有可以与其它集成电路接口的优点，用来驱动集成电路完成下药操作。图3伺服电机控制电路（３）四轴位置控制模块用来控制四轴（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｕ）互相独立的两个伺服电机和三个步进电机。在Ｘ、Ｙ轴上分别配置了两个伺服电机，而三个步进电机由于工作时间互相错开，全部配置在Ｕ轴上。另外，Ｘ、Ｙ轴上各有左右限位开关和原点接近开关３个，Ｚ轴有原点接近开关１个，这样，共７个接近开关接到Ｃ２００ＨＥＮＣ４１３上。该模块以不超过１０ｍｓ的响应时间从ＰＬＣ内存取得命令，在５００ｋｐ／ｓ的高频脉冲下与ＰＬＣ内存数据建立映射关系，完成通过修改内存数据定位伺服电机和步进电机的位置以及通过内存数据反馈伺服电机和步进电机的位置情况的功能。１．１．２伺服电机控制电路腿在本松系统污中，冈配置缘了两专个Ｏ喂ＭＲ啊ＯＮ花公司严的Ｓ犁ＭＡ上ＲＴ崖ＳＴ排ＥＰ领Ａ南伺服剃系统泪，对究Ｘ、蛙Ｙ轴索完成摊定位热操作难，具亿体控禁制电让路如洒图３较所示婚。其历中包觉括四剃轴位娇置控车制模鞋块Ｃ头２０啦０Ｈ荡Ｅ－铅ＮＣ唤４１龙３、圈通用秋控制席电缆鸽Ｒ８押８Ａ疗－Ｃ运ＰＵ啦００管２Ｓ宴、伺瓦服驱歉动器爽Ｒ７嗽Ｄ－汽ＡＰ快０４剪Ｈ、陈伺服逢电机浅Ｒ７验Ｍ－演Ａ４盘００肯３０猛－Ｂ巨Ｓ１箱（为歉带制价动器相的带甘键直拉轴圆章柱形沙电机葱）。槐图中摩，Ｃ惕Ｎ１后代表着伺服熔驱动条器，票ＣＮ惨２代腹表与伶伺服校电机覆同轴签的分彻辨率伪为２施００瘦０脉画冲／鸣转的选光学明增量哨型编昨码器贱用连习接器同，它辩可以舱完成怖从驱赚动器收到伺灿服电蔽机的杂具有怒位置群反馈装和速蚕度反渔馈的气闭环练控制甲。在醉伺服寿电机哀中，糖Ｍ代由表电贞机本田身，哗Ｅ代员表编辣码器捎，Ｂ械代表贝动力施制动浸器。镰由于妨固定掉脉冲驴代表权固定焰距离谦，因鸦此当兰伺服融电机潜接收泪到控吨制系下统发羊出的迎若干敲条脉汗冲指饱令后扫，就厌可以虾完成垃预定羡的定穷位。谋在本园系统堤中，扇设置朋电机鼠的分至辨率篇为５肉００粪０脉悼冲／丰转（燕０．借０７显２度旧／步述），瓣伺服妖电机境连接绍的同溉轴减脚速器刃比例眠为３墨恶１，壮其带峡动导短轨移腊动的计速率常为６间０ｍ液ｍ／妙转。蜻因此销，伺犯服电床机带锣动导窗轨移史动的猛速率戏为２盟０ｍ腹ｍ／趋５０捕００氧脉冲赛。伺改服电所机控浊制电挽路的信控制昼原理菜为：尝位置罚控制后单元夫从设黑备处束得到给各种樱控制新信号禁，并念根据仍不同据药罐疗间的诊距离培与２垫０ｍ凡ｍ／构５０冻００患脉冲术的数挑据大婆致算阴出映怀射到爪四轴念位置巾控制虑模块虫ＮＣ协４１转３在牺ＰＬ叫Ｃ中店的脉艘冲数招据；摄然后建通过山通用摧控制慧电缆柜输出饼高速趁脉冲源给伺鞠服驱培动器股，由臣其驱假动伺狼服电煌机，张使之盈根据错误差再反馈软自动涨微调涨该数栽据，槐最终割达到收精确滤定位剩的目索的。皂图4避步龙进电捡机控减制电慰路争丸颂１．拉１．蛾３诱步进趣电机雪控制醉电路镇步进观电机锅驱动黄器与旬Ｃ２亡００电ＨＥ堤－Ｎ嗽Ｃ４素１３啄的连筹线类邀似于岗图３毙中伺恢服电赖机驱绍动器梨与Ｃ州２０停０Ｈ古Ｅ－陵ＮＣ州４１早３的蛛连线验，而塌步进棕电机掠驱动棍器与宜步进龙电机叮间的另连线若则如采图４煤所示滔。本战系统孩中控奖制机途械手步摆动银的步抄进电呀机采映用Ｓ奋ＴＯ较ＮＥ兼公司累的８晚６Ｂ漏ＹＧ杜２５从０Ｂ洞，驱安动器哥采用石ＳＴ咱ＯＮ恋Ｅ公弟司的垦混合锁式步详进电饥机驱扭动器脖ＳＨ察２０百８０狠６Ｃ劣；控详制送扬袋与醉推袋孕的两巡个步货进电减机采暖用Ｓ任ＡＮ钥ＹＯ可公司杨的１夏０３慌Ｈ５名４８妙，驱筑动器免采用哀ＳＴ泻ＥＰ斤公司愈的四绢相混临合式剪步进拼电机付细分撞驱动扛器Ｓ衰Ｔ４渣ＨＢ袖０３锣Ｘ。尿步进冠电机边的控浑制类蓝型为铸不具啄有位嚷置反纠馈功供能的纸开环谎控制快，控财制方狭法为仓在确厕定运帖动起握点与蛙终点变的基挺础上膝，将来位移看或角嘴度改及变以由２０猫０脉翼冲／浊转（蛙０．然１８养度／谣步）顷为分壳辨率烧转变壮为脉今冲数规，写赌入映钞射在携ＮＣ榨４１镇３中笼的内查存位危置，绣从而民控制会步进留电机适完成泄定位当。稼１．锹２忧系统感工作岁步骤烫系统晚中有体各种笨电机餐、限贩位、蠢定位交用传答感器洒以及枯与真汉空气猜泵连滩接的脉电磁屈阀，押可以盐完成永取空竖药袋欣、打故开空爱药袋读及封煮装、卫输送绿药袋抢等功累能，宇其工汇作时湿序见廊图５谦。瓦图5残系谎统工制作时量序图盈顽逆１．本３垫ＰＬ喇Ｃ程牲序实智现胸利用孕ＯＭ过ＲＯ踩Ｎ的若编程分软件声ＣＸ挖－Ｐ句ｒｏ帆ｇｒ笋ａｍ焦ｍｅ西ｒ完偶成梯紫形图阶的编啦写，获程序桑包括今如下耳六个背模块篇：陆（１哑）初情始化愉模块隙，其前功能惭是将鼻ＰＬ谁Ｃ的惭内存遭单元滨初始友化，阴进行甜电气垃部分肤的归熔零操眯作，幅目的裙是为竞配药美系统缴进行工运转学做好遇准备弊，防河止误认操作仅对系净统造均成不炮可挽侦回的埋破坏质；匪（２岔）接肌收模虾块，肥其功证能是虽接收规上位俘机界色面中蓝输入文的二呆进制亦编码孟的信舌息（钟包括炉药品袭种类厘、数令量、廊贴数奥等）慈，存鸽入预宰先定情义的蛙内存钟单元匀；打（３烧）发芬送模馒块，舟其功屋能是领将药吨品种岛类、南数量押等按伞照数费据库芝与伺笔服电检机结轿构中谅已定闪义的较方式城分别伴转变欠为下药药直锋流电评机位往置和傲转动晓圈数得，并兴发送谨到集青成电辉路板枕，完丹成下束药操伙作；麻（４桃）反吐馈模盯块，技其功贯能是恨接收捕来自煌集成全电路换板的牛直流扫电机呆转动艺停止胖（即纪规定喇重量币下药茫动作帝完成糠）的疤反馈慨信号梢；喊（５狼）控业制模糊块，醋其功务能是龙在确秀定下端药过械程完荡成后塌，驱址动机掘械手岩完成妥取空爸药袋岁、打远开空岁药袋扶、定评位及宾集药奋等任茂务，捆并驱吴动药厉袋封球口装真置动逮作，淘触发阶直流闸电动芹机带路动皮芝带转善动，代送出贤药品按；料（６劝）故穷障处奔理模汗块，恼其功饼能是幕接收挤各处漏传感早器反词馈的阀接近快或故哈障信煎号，罩随时禁停止诉系统便的配均药动格作，街以进宏行故算障处谣理。盯此外先，在顺发送喇模块滴和控隆制模蠢块中真建立悟时间估联系纠，使扮得在亲一次亡多贴瞎药配联药过痒程中羞，下坛一贴盈药的餐下药虏、取狐空药感袋动勿作与遇上一苦贴药榨的封扭口、钓传输贷动作匹并行谷进行帜，缩候短了劣配药魔时间居。布２乒上位敞机软荡件控翁制系亭统午上位纱机软驶件控某制系姥统包觉括药耻品信陪息数恋据库熟和人饭机对让话界熔面，叠前者位主要技存储腔医院永的药皆品信油息，睛包括炕名称象、数堂量、热价格肆、药蛋性、魄有效栋期等尼；后辰者则物与数帐据库鹊建立捏连接遭，可站以实跃现查歼询、境开处欠方、裕药品钳管理忙、处抖方管著理、士打印骗、液鹿晶显季示等湿功能因。其烧流程鹅图如烛图６缺所示芹。他２．锈１摔工控衔组态撇软件序ＦＩ盈Ｘ３辈２兴ＦＩ波Ｘ３输２是版美国浴Ｉ士ｎｔ泰ｅｌ承ｌｕ乐ｔｉ歉ｏｎ匙公司练开发逃的基逮于视蹲窗的厨大型筝应用标软件译，包立含动防态显池示、缘报警叶、趋钓势、话控制肚策略芝、控译制网折络通到信等植组件趴。在龟本系斥统中虫，应裳用Ｆ朗ＩＸ浮３２艰编写矮了主权界面挑和系剖统运燕行的买动态栏模拟疯显示奴程序帆。绝（１鄙）主吉界面性是上归位机从与下替位机板之间岂的连存接桥登梁，防其功厌能是棋与Ｖ鲜Ｂ编每写的辈界面腰建立溉联系什，激串活配擦药控肆制界照面和查药品西管理呀界面疲。慢（２籍）系行统运搬行动绒态模蠢拟显项示的扶实现翻方式替是首含先在今ＦＩ殃Ｘ３袋２的班ＤＲ补ＡＷ廉模式山下画乌出整桃个配玻药系战统的倍模拟鼻图，侧包括块静止撕物体撕及各昌种动梨作显庆示，拦设定障限位记与故耳障反办馈警熔报；魂然后忆在Ｆ复ＩＸ蜡３２利中对堂Ｉ／冒Ｏ点西进行虚组态议，并陆在数院据库呈中建得立各足药罐摄、各龟动作培Ｉ／民Ｏ类危型及纪其在佩下位熟机Ｐ晋ＬＣ竞中的晓地址尝。这联样，厦当Ｐ渗ＬＣ捡中的井程序刑开始浓运行债时，告相应誉地址搞中的巩模拟莲量或赏开关百量便悼发生安变化迷。这哥种变踏化可汗在配霉药系召统动流作的教同时吃显示交到动冒态模背拟界纳面，放使动葱态模往拟同忘步进谷行。近在配茶药系即统封普闭运此行的阴情况缝下，她其作熟用之箩一是佳可以体从动些态模捧拟画谢面中饮实时辩观察录到系雕统的谋运作反情况六，之妇二是歇可在魂系统作发生盗可反美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