控制技術(shù)在中藥智能配藥系統(tǒng)中的應(yīng)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(guò)程是：首先通過(guò)醫(yī)院內(nèi)部局域網(wǎng)將在終端電腦上開(kāi)出的處方傳至藥房配藥主控計(jì)算機(jī)，然后由主控計(jì)算機(jī)在查詢藥品數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程。同時(shí)，主控計(jì)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(dòng)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(jí)和監(jiān)控調(diào)度級(jí)的控制。上位機(jī)不采用工控機(jī)的原因是因系統(tǒng)對(duì)于界面、數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)RS-232串口傳送給下位機(jī)，并對(duì)下位機(jī)的工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(guò)醫(yī)院內(nèi)部的局域網(wǎng)來(lái)進(jìn)行并采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。

(2)下位機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)備級(jí)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(dòng)相應(yīng)集成電路板進(jìn)行下藥控制，并驅(qū)動(dòng)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(méi)有選擇價(jià)格相對(duì)低廉的單片機(jī)，原因之一是為了滿足中藥配藥機(jī)對(duì)高速運(yùn)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(dòng)，而單片機(jī)對(duì)伺服電機(jī)的控制能力相對(duì)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(duì)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(dòng)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(lái)完成。在該芯片中集成了在Max+plus II開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中用VHDL語(yǔ)言編寫的控制、計(jì)數(shù)和定時(shí)功能。該電路板的功能是接收從PLC發(fā)來(lái)的命令和藥品質(zhì)量數(shù)，控制電動(dòng)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(gè)下藥直流電機(jī)，因此采用可減少I/O點(diǎn)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(duì)獨(dú)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(jià)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(gè)16點(diǎn)繼電器型開(kāi)關(guān)量輸出模塊C200H-OC225、一個(gè)32點(diǎn)晶體管型開(kāi)關(guān)量輸出模塊C200H-OD215、兩個(gè)16點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入模塊C200H-ID212和一個(gè)四軸位置控制模塊C200HE-NC413。各模塊的作用為：

(1)兩個(gè)輸入模塊用來(lái)接收配藥機(jī)器中各種接觸器的位置反饋或動(dòng)作的故障反饋，對(duì)其配置無(wú)特別要求;

(2)兩個(gè)輸出模塊發(fā)出指令，用來(lái)操作配藥機(jī)器。繼電器型開(kāi)關(guān)量輸出模塊驅(qū)動(dòng)電流大，但不能頻繁動(dòng)作，因此用來(lái)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(kāi)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(diǎn)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)集成電路完成下藥操作。

(3)四軸位置控制模塊用來(lái)控制四軸(X、Y、Z、U)互相獨(dú)立的兩個(gè)伺服電機(jī)和三個(gè)步進(jìn)電機(jī)。在X、Y軸上分別配置了兩個(gè)伺服電機(jī)，而三個(gè)步進(jìn)電機(jī)由于工作時(shí)間互相錯(cuò)開(kāi)，全部配置在U軸上。另外，X、Y軸上各有左右限位開(kāi)關(guān)和原點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)3個(gè)，Z軸有原點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)1個(gè)，這樣，共7個(gè)接近開(kāi)關(guān)接到C200HENC413上。該模塊以不超過(guò)10ms的響應(yīng)時(shí)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(guò)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(guò)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(gè)OMRON公司的SMARTSTEP A伺服系統(tǒng)，對(duì)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(dòng)器R7D-AP04H、伺服電機(jī)R7M-A40030-BS1(為帶制動(dòng)器的帶鍵直軸圓柱形電機(jī))。圖中，CN1代表伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力制動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)的速率為60mm/轉(zhuǎn)。因此，伺服電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)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(hào)，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NC413在PLC中的脈沖數(shù)據(jù);然后通過(guò)通用控制電纜輸出高速脈沖給伺服驅(qū)動(dòng)器，由其驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使之根據(jù)誤差反饋?zhàn)詣?dòng)微調(diào)該數(shù)據(jù)，最終達(dá)到精確定位的目的。

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1.1.3 步進(jìn)電機(jī)控制電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與C200HE-NC413的連線類似于圖3中伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與C200HE-NC413的連線，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)間的連線則如圖4所示。本系統(tǒng)中控制機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)采用STONE公司的86BYG250B，驅(qū)動(dòng)器采用STONE公司的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH20806C;控制送袋與推袋的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)采用SANYO公司的103H548，驅(qū)動(dòng)器采用STEP公司的四相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器ST4HB03X。步進(jìn)電機(jī)的控制類型為不具有位置反饋功能的開(kāi)環(huán)控制，控制方法為在確定運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)與終點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將位移或角度改變以200脈沖/轉(zhuǎn)(0.18度/步)為分辨率轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖數(shù)，寫入映射在NC413中的內(nèi)存位置，從而控制步進(jìn)電機(jī)完成定位。

1.2 系統(tǒng)工作步驟

系統(tǒng)中有各種電機(jī)、限位、定位用傳感器以及與真空氣泵連接的電磁閥，可以完成取空藥袋、打開(kāi)空藥袋及封裝、輸送藥袋等功能，其工作時(shí)序見(jiàn)圖5。

1.3 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

利用OMRON的編程軟件CX-Programmer完成梯形圖的編寫，程序包括如下六個(gè)模塊：

(1)初始化模塊，其功能是將PLC的內(nèi)存單元初始化，進(jìn)行電氣部分的歸零操作，目的是為配藥系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)做好準(zhǔn)備，防止誤操作對(duì)系統(tǒng)造成不可挽回的破壞;

(2)接收模塊，其功能是接收上位機(jī)界面中輸入的二進(jìn)制編碼的信息(包括藥品種類、數(shù)量、貼數(shù)等)，存入預(yù)先定義的內(nèi)存單元;

(3)發(fā)送模塊，其功能是將藥品種類、數(shù)量等按照數(shù)據(jù)庫(kù)與伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)中已定義的方式分別轉(zhuǎn)變?yōu)橄滤幹绷麟姍C(jī)位置和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，并發(fā)送到集成電路板，完成下藥操作;

(4)反饋模塊，其功能是接收來(lái)自集成電路板的直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止(即規(guī)定重量下藥動(dòng)作完成)的反饋信號(hào);

(5)控制模塊，其功能是在確定下藥過(guò)程完成后，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成取空藥袋、打開(kāi)空藥袋、定位及集藥等任務(wù)，并驅(qū)動(dòng)藥袋封口裝置動(dòng)作，觸發(fā)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，送出藥品;

(6)故障處理模塊，其功能是接收各處傳感器反饋的接近或故障信號(hào)，隨時(shí)停止系統(tǒng)的配藥動(dòng)作，以進(jìn)行故障處理。

此外，在發(fā)送模塊和控制模塊中建立時(shí)間聯(lián)系，使得在一次多貼藥配藥過(guò)程中，下一貼藥的下藥、取空藥袋動(dòng)作與上一貼藥的封口、傳輸動(dòng)作并行進(jìn)行，縮短了配藥時(shí)間。

2 上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)

上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)包括藥品信息數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)對(duì)話界面，前者主要存儲(chǔ)醫(yī)院的藥品信息，包括名稱、數(shù)量、價(jià)格、藥性、有效期等;后者則與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，可以實(shí)現(xiàn)查詢、開(kāi)處方、藥品管理、處方管理、打印、液晶顯示等功能。其流程圖如圖6所示。

2.1 工控組態(tài)軟件FIX32

FIX32是美國(guó) IntelluTIon公司開(kāi)發(fā)的基于視窗的大型應(yīng)用軟件，包含動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警、趨勢(shì)、控制策略、控制網(wǎng)絡(luò)通信等組件。在本系統(tǒng)中，應(yīng)用FIX32編寫了主界面和系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模擬顯示程序。

(1)主界面是上位機(jī)與下位機(jī)之間的連接橋梁，其功能是與VB編寫的界面建立聯(lián)系，激活配藥控制界面和藥品管理界面。

(2)系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬顯示的實(shí)現(xiàn)方式是首先在FIX32的DRAW模式下畫出整個(gè)配藥系統(tǒng)的模擬圖，包括靜止物體及各種動(dòng)作顯示，設(shè)定限位與故障反饋警報(bào);然后在FIX32中對(duì)I/O點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立各藥罐、各動(dòng)作I/O類型及其在下位機(jī)PLC中的地址。這樣，當(dāng)PLC中的程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)地址中的模擬量或開(kāi)關(guān)量便發(fā)生變化。這種變化可在配藥系統(tǒng)動(dòng)作的同時(shí)顯示到動(dòng)態(tài)模擬界面，使動(dòng)態(tài)模擬同步進(jìn)行。在配藥系統(tǒng)封閉運(yùn)行的情況下，其作用之一是可以從動(dòng)態(tài)模擬畫面中實(shí)時(shí)觀察到系統(tǒng)的運(yùn)作情況，之二是可在系統(tǒng)發(fā)生可反饋性故障時(shí)在第一時(shí)間得到提示，快速完成對(duì)故障的調(diào)整。

2.2 界面編輯軟件VB

該部分軟件包括取藥與加藥兩個(gè)模塊，均具有權(quán)限控制功能，用戶需輸入密碼，可保證系統(tǒng)的安全性。VB界面框架圖如圖7所示。

取藥模塊的主要任務(wù)是與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)取得聯(lián)系，將需要的藥品名、數(shù)量、貼數(shù)等通過(guò)FIX32傳入下位機(jī)中，完成取藥操作。其中，在數(shù)據(jù)庫(kù)中的藥品名采用拼音查詢，數(shù)量與貼數(shù)則可多次修改。同時(shí)，VB還要向液晶屏輸出患者及處方信息，并完成處方打印。

在取藥模塊中進(jìn)行了取藥任務(wù)優(yōu)化處理算法的設(shè)計(jì)，其目的是在醫(yī)生開(kāi)藥順序任意的情況下完成最短時(shí)間的配藥過(guò)程。由于機(jī)械手在X、Y軸伺服電機(jī)的控制下的勻速行走速度為1m/s，因此時(shí)間最短即為行走路線最短，這個(gè)問(wèn)題等價(jià)于典型的旅行商(TSP)問(wèn)題。在本系統(tǒng)中，420個(gè)藥罐分為前后兩面各14行等距排列，每一面中又分左右兩側(cè)各7行，每行15個(gè)。此外，藥罐位置每單位Y軸坐標(biāo)與三個(gè)單位X軸坐標(biāo)相同，且機(jī)械手對(duì)前后兩面的取藥由步進(jìn)電機(jī)擺動(dòng)控制。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算可以確定本系統(tǒng)中實(shí)際節(jié)點(diǎn)應(yīng)為66個(gè)。采用新的禁忌遺傳算法在VB中編程，該算法對(duì)多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)置禁忌步長(zhǎng)和松弛步長(zhǎng)。引入張弛效應(yīng)，與傳統(tǒng)遺傳算法相比，減小了可行解空間，提高了收斂速度。

加藥模塊為藥品管理員專用，主要任務(wù)是從界面中修改數(shù)據(jù)庫(kù)中貨存藥品的所有信息。

對(duì)散裝中藥實(shí)現(xiàn)定量配置的中藥智能配藥系統(tǒng)在控制方法上有多種創(chuàng)新，具有良好的人機(jī)界面，能在足夠短的時(shí)間內(nèi)對(duì)指定藥方完成配藥。該系統(tǒng)通過(guò)了上海市科委主持的專家鑒定，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)的水平，在運(yùn)行中情況良好，可靠性和安全性都得到了驗(yàn)證。