—自动控制系统与装置 皇 苎 ！ ！竺！：兰竺兰竺 Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＣｏｎｔｒｏＩ Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ 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ａ．机械工程学院；ｂ．电气工程学院，河北唐山０６３０００） 摘要：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。 关键词：ＰＬＣ；自动化药房；出药系统；上药系统；位置同步 １３０１：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３８８６．２０１５．０５．０３２ ［中图分类号］ＴＨ一３９［文献标志码］Ａ［文章编号］１０（Ｏ一３８８６（２０１５）０５—００９９—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｐｈａｒｍａｃｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ．ＬＩ Ｃｈｅｎｇ—ｑｕｎ ，ＨＵＡＮＧ Ｂａｏ－ｗａｎｇ ，ＦＡＮ Ｈｏｎｇ－ｗｅｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ—ｘｉａ （ａ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｂ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｆＥｌｏｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｅｅｒｎｉｎｇ， Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｔｅｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｈｅｂｅｉ ０６３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：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 ｉｎｄｕｓｔｒｉｌ ｐｅｒｓｏｎａａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ＰＬＣ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ．Ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉｌ ｐｅｒａｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｍａｋｅｓ ｄａｔａ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄａｔａｂａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌａｙｅｒ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｅ ｌｔｏｗｅｒ ＰＬＣ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｌａｙｅｒ．Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｍａｎｄｓ ｓｅｎｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｆｉ￣ＰＣ，ｔｈｅ ＰＬＣ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｕｓ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｈａｒｍａｃｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｐｈａｒｍａｃｙ；ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｄｒｕｇ ｄｅｌｉｖｅｒｙ；ｄｒｕｇ・ｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ 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 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。 药品信息处理系统等几个部分组成ｎ Ｊ。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 Ｊ。 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 ，横向下 面导轨为 ，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 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ｘ 、ｘ ，纵向导轨Ｙ，伺服电 机Ｍ。、Ｍ：、Ｍ 、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。 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 ２ 自动化药房出药机构设计 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 定稿日期：２０１４—０９—０７ 《电气自动化｝２０１５年第３７卷第五期 动控制系统与装置 Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＣｏｎｔｒｏＩ Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｅｑｕｉｐｍｅ 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。 １．电磁铁２．外壳３．挡板４．弹簧 图２出药机构 ３自动化 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ＣＰＩＷ－－－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。 图３插补定位流程图 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Ｘ，、ｘ：同时带动导轨Ｙ横向运动，因此必须保证 伺服电机Ｍ 、Ｍ 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Ｅ ３１，ＰＬＣ接收到横坐标信息 后，向Ｘ 、Ｘ 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 完成最终的定位操作。软件流程图如图３所示。 图４ 自动化药房控制系统框图 ３．３出药控制系统设计 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 Ｊ，控制系统首先通过条形码扫描 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 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ 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。 时置位一组 ２４ Ｖ相连的 ’ 扫描通过以后，根据触摸屏提示进行操作，将药品按顺序放 ＰＬＣ端子和 接地的ＰＬＣ ／ ‘ 一 ‘ 一 ／ ‘ － － ’ 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 一 ， 端子，则对 一 。 一 ・一 一 。 一 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ｘ 、ｘ 、 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 应的行与列 的交点处线 圈得电。如 图５所示。 一 ‘ ＇ 。。 一 。 ＇ 。 ｒ ’ Ｉ － － 。 一 一 ｒ， ’ 。 ‘ ’ ‘ 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 图中每 个行与列交 图５矩阵式出药控制示意图 药操作。控制系统框图如图４所示。 １ ００ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｌｏｎ —自动控制系统与装置 ！ 皇 ！！竺 ： 竺三竺 Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ 点处线圈代 表电磁铁线 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 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 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。 参考文献： ［１］刘相权，负超．基于ＰＭＡＣ和ＰＬＣ的自动化药房出药系统的研究 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。。 ，通过 ＰＬＣ控制对 应的出药机 构即可实现 对处方药物 ［Ｊ］．制造业自动化，２００８，３０（１１）：２０—２１． ［２］付波，负超，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，负超，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． 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 图６出药控制流程图 ［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． 【作者简介】李成群（１９６３一），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（１９８９一）， 男，河北人，硕士生，主要研究运动控制。 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．ｓ Ｓ未接收到反馈信 （上接第８Ｏ页） ４结束语 配电自动化系统设备时标的准确性不仅在系统故障的分析 具有很大的工程意义。 参考文献： ［１］王飞雪．ＳＮＴＰ协议在嵌人式Ｌｉｎｕｘ中的实现［Ｊ］．电脑与信息技术， ２００７，１５（２）：１１—１２． 和处理过程中起到非常重要的作用，还是配电自动化系统许多智 能化应用的基础，在今后配电自动化的发展过程中，系统对所有 参与设备时标准确性的依赖将会越来越高，一旦配电自动化系统 授时系统遭受到恶意的攻击机篡改，将会对配电自动化系统的安 全运行带来严重的影响，使相关智能化功能无法正确运行，甚至 有可能给电力系统带来重大损失。因此，必须使配电自动化系统 ［２］胡巨，高新华．ＳＮＴＰ对时方式在数字化变电站中应用［Ｊ］．电力自动 化设备，２００９，３７（３）：１４３—１４５． ［３］王勇，岑荣伟，郭红，等．国家电子政务外网电子认证系统ＳＭ２国密 算法升级改造方案研究［Ｊ］．信息网络安全，２０１２，１２（１ｏ）：８３—８５． ［４］王佳昱．椭圆曲线与实二次函数域的ＤＬＰ等价［Ｄ］．成都：四川大 学，２００６． ［５］张志华．非对称数字签名技术在配电自动化系统的应用［Ｊ］．电气自 动化，２０１２，３４（３）：３９—４１． ［６］国家电网公司．国家电网调［２０１１］１６８［Ｓ］．北京：国家电网公 司，２０１１． 授时的准确性、安全性及可靠性得到充分的保证。 ＳＮＴＰ简单网络对时协议实现较为简单且其对时精度能够满 足配电自动化系统应用要求，但是常规ＳＮＴＰ的身份认证方法安 全数据区数据量大且其安全性较非对称数字签名低；ＳＭ２非对称 数字签名技术具有安全性高、计算量较小，使用该算法对ＳＮＴＰ 对时协议进行安全防护所形成的安全数据区数据量较小，能够减 ［７］国家密码管理局．ＳＭ２椭圆曲线公钥密码算法推荐曲线参数［ｓ］．北 京：国家密码管理局，２０１０． 轻网络传输负担，且其算法容易在硬件性能相对较低配电终端上 得以实现，因此使用ＳＭ２非对称数字签名技术实现配电自动化 系统ＳＮＴＰ对时协议进行安全防护的方法在配电自动化建设中 【作者简介】张志华，（１９８７一）男，云南人，国电南瑞科技股份有限公司农 电分公司研发主管，主要从事嵌入式ｌｉｎｕｘ操作系统内核戡剪、设备驱动、 信息安全及通信软件开发工作。 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ １０１