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現(xiàn)代控制技術(shù)在中藥智能配藥系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：介紹了新型中藥智能配藥系統(tǒng)的硬件和軟件控制技術(shù)。硬件部分采用ＯＭＲＯＮ的ＰＬＣ和基于ＣＰＬＤ的電路板進(jìn)行控制，軟件部分則通過組態(tài)軟件ＦＩＸ３２與界面編輯軟件ＶＢ相結(jié)合對上位機(jī)進(jìn)行控制和通訊。本系統(tǒng)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的水平，它的研制成功對中藥在世界范圍內(nèi)的進(jìn)一步推廣起到了重要的作用。中藥智能配藥系統(tǒng)（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｄｉｓｐｅｎｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）是隨著中醫(yī)院流程系統(tǒng)管理向電子化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展而產(chǎn)生的。該系統(tǒng)工作的過程是：首先通過醫(yī)院內(nèi)部局域網(wǎng)將在終端電腦上開出的處方傳至藥房配藥主控計算機(jī)，然后由主控計算機(jī)在查詢藥品數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上形成配藥指令并下達(dá)給配藥機(jī)器，完成配藥過程。同時，主控計算機(jī)在配藥機(jī)器終端的液晶顯示屏上顯示患者信息，并驅(qū)動打印機(jī)輸出處方的綜合信息，將處方綜合信息連同配藥機(jī)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(tǒng)的控制系統(tǒng)可分為機(jī)電控制系統(tǒng)和上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。
１ 機(jī)電控制系統(tǒng)
機(jī)電控制系統(tǒng)為分層分布式結(jié)構(gòu)，采用上位機(jī)＋下位機(jī)＋集成電路板的技術(shù)進(jìn)行綜合控制。其電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。具體介紹如下：
（１）上位機(jī)使用ＰＣ機(jī)，負(fù)責(zé)管理級和監(jiān)控調(diào)度級的控制。上位機(jī)不采用工控機(jī)的原因是因系統(tǒng)對于界面、數(shù)據(jù)庫處理及網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系等均有較高的要求。上位機(jī)的主要功能是將人機(jī)界面輸入的二進(jìn)制編碼信息通過ＲＳ－２３２串口傳送給下位機(jī)，并對下位機(jī)的工作狀況進(jìn)行實時監(jiān)控，完成藥方打印和液晶顯示。另外，它與藥品管理信息系統(tǒng)之間的信息交互，是通過醫(yī)院內(nèi)部的局域網(wǎng)來進(jìn)行并采用ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議實現(xiàn)的。
（２）下位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)備級控制。其功能是接收并解碼上位機(jī)發(fā)送的二進(jìn)制配藥信息，然后根據(jù)配藥信息選定所需藥品，驅(qū)動相應(yīng)集成電路板進(jìn)行下藥控制，并驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)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(jī)之所以采用ＰＬＣ而沒有選擇價格相對低廉的單片機(jī)，原因之一是為了滿足中藥配藥機(jī)對高速運作的要求，Ｘ軸導(dǎo)軌和Ｙ軸導(dǎo)軌均采用伺服電機(jī)驅(qū)動，而單片機(jī)對伺服電機(jī)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(tǒng)對可靠性的要求很高，而單片機(jī)的穩(wěn)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(jī)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(fā)系統(tǒng)中用ＶＨＤＬ語言編寫的控制、計數(shù)和定時功能。該電路板的功能是接收從ＰＬＣ發(fā)來的命令和藥品質(zhì)量數(shù)，控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，在０．０７ｇ／轉(zhuǎn)的精度下完成規(guī)定重量的下藥。由于本系統(tǒng)使用了多達(dá)４２０個下藥直流電機(jī)，因此采用可減少Ｉ／Ｏ點數(shù)及ＰＬＣ布線的集成電路板。該系統(tǒng)的所有下藥電機(jī)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(tǒng)ＰＬＣ配置采用ＯＭＲＯＮ公司的Ｃ２００ＨＥ型ＰＬＣ，并在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一個１６點繼電器型開關(guān)量輸出模塊Ｃ２００Ｈ－ＯＣ２２５、一個３２點晶體管型開關(guān)量輸出模塊Ｃ２００Ｈ－ＯＤ２１５、兩個１６點開關(guān)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(jī)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(fā)出指令，用來操作配藥機(jī)器。繼電器型開關(guān)量輸出模塊驅(qū)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(jī)、步進(jìn)電機(jī)；晶體管型開關(guān)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(yōu)點，用來驅(qū)動集成電路完成下藥操作。
圖3 伺服電機(jī)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(jī)和三個步進(jìn)電機(jī)。在Ｘ、Ｙ軸上分別配置了兩個伺服電機(jī)，而三個步進(jìn)電機(jī)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(guān)和原點接近開關(guān)３個，Ｚ軸有原點接近開關(guān)１個，這樣，共７個接近開關(guān)接到Ｃ２００ＨＥＮＣ４１３上。該模塊以不超過１０ｍｓ的響應(yīng)時間從ＰＬＣ內(nèi)存取得命令，在５００ｋｐ／ｓ的高頻脈沖下與ＰＬＣ內(nèi)存數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系，完成通過修改內(nèi)存數(shù)據(jù)定位伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的位置以及通過內(nèi)存數(shù)據(jù)反饋伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的位置情況的功能。
１．１．２ 伺服電機(jī)控制電路
在本系統(tǒng)中，配置了兩個ＯＭＲＯＮ公司的ＳＭＡＲＴＳＴＥＰ Ａ伺服系統(tǒng)，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(qū)動器Ｒ７Ｄ－ＡＰ０４Ｈ、伺服電機(jī)Ｒ７Ｍ－Ａ４００３０－ＢＳ１（為帶制動器的帶鍵直軸圓柱形電機(jī)）。圖中，ＣＮ１代表伺服驅(qū)動器，ＣＮ２代表與伺服電機(jī)同軸的分辨率為２０００脈沖／轉(zhuǎn)的光學(xué)增量型編碼器用連接器，它可以完成從驅(qū)動器到伺服電機(jī)的具有位置反饋和速度反饋的閉環(huán)控制。在伺服電機(jī)中，Ｍ代表電機(jī)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(dāng)伺服電機(jī)接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的若干條脈沖指令后，就可以完成預(yù)定的定位。在本系統(tǒng)中，設(shè)置電機(jī)的分辨率為５０００脈沖／轉(zhuǎn)（０．０７２度／步），伺服電機(jī)連接的同軸減速器比例為３?１，其帶動導(dǎo)軌移動的速率為６０ｍｍ／轉(zhuǎn)。因此，伺服電機(jī)帶動導(dǎo)軌移動的速率為２０ｍｍ／５０００脈沖。伺服電機(jī)控制電路的控制原理為：位置控制單元從設(shè)備處得到各種控制信號，并根據(jù)不同藥罐間的距離與２０ｍｍ／５０００脈沖的數(shù)據(jù)大致算出映射到四軸位置控制模塊ＮＣ４
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