多通道注射泵电磁阀失电检测装置的设计及应用.pdf

第55卷第4 期2023年7 月智能物联技术Technology of IoT&AlVol.55,No.4Jul.,2023物联网技术与应用多通道注射泵电磁阀失电检测装置的设计及应用秦新月（河北鑫乐医疗器械科技股份有限公司，河北石家庄0 50 7 9 9)摘要：帝肯(Tecan)模块化多通道注射泵在实际使用中存在因换向电磁阀失电造成注射无药剂的现象。本文基于对注射泵注液原理、故障现象和故障可能原因的分析，设计了一种基于霍尔传感器的注射泵电磁阀失电检测装置。该装置能准确检测到换向阀掉电并能反馈到设备系统PLC，由PLC输出信号发出告警，提示工作人员进行检查，避免注射无药剂产品流人市场。关键词：注射泵；换向电磁阀失电；霍尔传感器；电磁阀检测【中图分类号】TP23【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 6-6 0 59(2 0 2 3)0 4-0 6 2-0 5Design and Application of Solenoid Valve Power-off DetectionDevice for Multi-channel Injection PumpQIN xinyue(Hebei Xinle Science&Technology Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050799,China)Abstract:Tecans modular multi-channel syringe pump may inject no medicine due to the loss of power in the revers-ing solenoid valve.Based on the analysis of the syringe pump injection principle,fault phenomena and possible causes offaults,this paper designed a syringe pump solenoid valve power loss detection device based on Hall sensors.The device canaccurately detect the power loss of the reversing valve and feed it back to the PLC.The PLC output signal will send out analarm,prompting staff to conduct inspections to avoid injection of drug-free products into the market.Key words:pump;reversing solenoid valve power loss;Hall sensor;solenoid valve test高，但是在批量生产中连续工作会产生注射无药剂的现象。本文通过对帝肯注射泵的原理及结构分析0引言近年来医疗和制药行业自动程度不断提高，国内很多自动化设备都采用进口元件。进口元件有质量好、精度高等优点，但是在国内使用时总会遇到一些因设计等原因造成的难题,而且与国外工程师存在沟通不方便、耗时长等问题。因此，在实际使用中往往要结合各方面的要求来进行改进，从而提高设备可靠性和产品稳定性。帝肯注射泵在精密注射领域属于业界高端品牌，在精度和准确度方面非常进而找到一个解决此问题的方案，在出现问题时发出告警提示，联动设备停机，从而解决实际生产中的难题。1微量注射泵注液原理及故障分析1.1注射泵结构及注液原理如图1所示为注射泵结构图。注射泵的运行原理是通过主板控制注射驱动电机带动注射器拉杆收稿日期:2 0 2 3-0 7-0 1作者简介：秦新月（19 8 6-），男，本科，工程师，主要从事设备自动化相关工作。62秦新月：多通道注射泵电磁阀失电检测装置的设计及应用1.2问题现象注射泵的应用场合有生物和化学研究、药物生换向阀组一换向阀驱动板注射器主板推杆注射驱动电机图1注射泵结构图Figure 1 Structural diagram of injection pump进行抽液和注射动作，通过主板给换向驱动板发信号，由换向驱动板驱动换向阀进行换向，从而完成抽液和注液的转换。端口1端口3端口2图2 换向阀结构图Figure 2 Structural diagram of directional valve如图2 所示为换向阀结构图。注射器安装在端口2,在抽液时换向阀不得电,端口2 和端口3连通，注射器从端口3抽液。当电磁阀得电时端口2和端口1连通，注射器从端口1注液。产添加、材料研究、试剂生产配置、环境保护、食品安全、医疗诊断等领域。该应用场合是药物生产添加，在实际批量生产使用中发现在注射中换向阀有突然断电的现象，而且掉电几秒又恢复得电。如果在注射的同时掉电，会造成注射器的药剂由端口2注射到抽液端口3，致使产生有注射无药液的现象。经实际生产测试，不同设备出现该问题的频率不同，一般在百万分之一到千万分之一。从问题出现的频率上来看，虽然比例不是很大，但在医疗行业，出现错误后需随机叫停产线，并对整个批次的产品进行追溯，确认出现无药剂产品之前的产品是否有异常。这个过程需要投人大量人力物力对产品进行检验、返工，甚至报废。如果产品流人终端用户后，会造成检测结果偏离或出错，因无药液甚至会造成病情误判，给患者带来无法估量的影响。问题严重时，会被药监系统记录为不良事件，对企业业务和未来发展造成直接影响。1.3问题原因分析1.3.1电源不稳定XMP6000产品手册对单个产品的2 4 V直流电源要求为：输出电压：2 4 V2%；输出电流：三路旁路电流至少为2.5A；输出电压纹波：满载时最大电压VRMs为10 0 mV。现场使用的为欧姆龙S8VK-G60W通用型电源，此型号开关电源2 0 MHz时的纹波参数为50 mv以下,输出电压和电流都能达到要求。用示波器测量叠加在直流电压信号上的交流纹波电压信号，测试时使用电压探头测量输出到负载上的电压，在设备运行时纹波电压偶然能达到10 0 mV。因此在现场环境下，电源的纹波存在不稳定性。1.3.2线路干扰换向阀的控制电路主要由主板芯片64F2612FA20和TPIC6B595芯片构成。64F2612FA20是基于ARMCortex-M3内核的32位架构的微控制器芯片。TPIC6B595是一种串行至并行移位寄存器芯片，常用于数字电路中的控制和驱动应用。它具有8 位移位寄存器和8 位并行输出寄存器，可以通过串行数据输人来控制并行输出的状态。此注射泵的换向阀控制是采用主芯片通过排633.1霍尔传感器型号选择智能物联技术线将串行信号传送至TPIC6B595，然后由霍尔传感器可以避免对电磁阀结构的干扰，提高了TPIC6B595将串行至并行移位寄存器方式输出给测量的准确性和可靠性。换向阀。注射泵内部从主芯片到换向阀控制芯片信高灵敏度：霍尔传感器对磁场的测量具有较号连接线不足30 0 mm长，但采用排线方式，并没有高的灵敏度，可以检测到微弱的磁场变化。这对于采取屏蔽措施。因此，有可能受到外界信号干扰，导电磁阀的工作状态监测和控制非常重要，可以及致换向阀打开时存在不稳定的状况。时发现电磁阀的异常情况，如磁场强度偏低或磁1.3.3换向阀插头接触不良场方向错误，从而实现对电磁阀的准确控制和故注射泵换向阀ASCOSCS067A094插头采用间障诊断。距2.54 mm、长度5mm的排针，换向阀驱动板插座快速响应：霍尔传感器的响应速度较快，可以采用MXS90147。虽然在尺寸上插座与插头有6 mm实时监测电磁阀磁场的变化。这对于需要快速调节的插入距离，但是由于空间设计原因，当阀插到位和控制的应用场景非常重要，如工业自动化系统中后只有4 mm的接触距离,因此有接触不良的隐患。的流量控制、液压系统中的压力控制等。通过实时1.3.4注射泵本身问题监测电磁阀的磁场变化，可以及时调整电磁阀的工经过实际生产测试发现，注射泵有突然停止换作状态，保证系统的稳定性和可靠性。向阀供电的现象，大概错误比例在百万分之一，之尺寸小巧：霍尔传感器通常具有较小的尺寸和后自动恢复正常,期间并未断电（因为断电后注射体积,适合应用于空间受限的场景。对于电磁阀而泵需初始化，未初始化设备是不动作的）。因此，此言，通常需要在有限的空间内进行安装和布置，使注射泵的稳定性也存在一定隐患。用小型的霍尔传感器可以更好地适应这种需求。综上所述，这些问题总是不可避免和难以预料综上所述，使用霍尔传感器检测电磁阀磁场具地会发生。笔者的解决措施是设计一个方案能准确有非接触性、高灵敏度、快速响应和尺寸小巧等优检测到换向阀掉电并且能反馈到设备系统PLC，由点，可以实现对电磁阀磁场的的准确监测。PLC输出信号发出告警，提示人员检查产品。3检测装置设计2检测装置要求及其原理分析2.1检测装置要求分析为了避免影响注射泵的稳定性,设计的检测装置不能与注射泵本身发生电气连接。根据多通道的电磁阀数量及空间,必须为每一路提供单独检测并且应确保霍尔传感器能准确安装到换向阀强磁场的部位。在对电路设计的同时，还要对检测装置的尺寸及结构进行设计，做到安装准确，位置精准。同时，考虑到传感器的位置及运行稳定性，检测的灵敏度能够单独调节并且有指示灯做输出指示。2.2检测原理在换向阀通电的时候，经多次测试发现，恰好在换向阀线圈尾部有较强的磁场，因此可以通过霍尔传感器检测换向阀的磁场来侦测换向阀是否有掉电现象。霍尔元件优点及检测电磁磁场方式的可行性分析如下：非接触性：霍尔传感器可以在不接触被测物体的情况下检测其磁场。对于电磁阀而言，传统的接触式检测方法需要直接接触电磁阀的部件，而使用64考虑到传感器与换向阀的接触距离需要微调，根据表1霍尔传感器参数，选择传感器的封装为TO92-3L最为合适；线性度越高检测灵敏度越高，WSH138在同样封装形式下达到了8.15mV/G,因此最终选用WSH138(T092-3L)。3.2电源和检测电路设计由于传感器、运算放大器为12 V电压供电，而设备为2 4 V供电，根据6 路霍尔传感器的电流可知，所需电流约1A，同时考虑空间问题，选用LM7812来完成降压及稳压。稳压电路如图3所示。单通道检测电路方案如图4 所示。3.3PCB布局及设计方案PCB布局设计需解决的问题：要充分利用原有PCB板和电磁阀之间的空隙，不改动原有位置前提下充分利用已有空间；安装完成后，使原有PCB板和新设计PCB板之间有有效绝缘；考虑温度的影响,应距离每路通道传感器的尾部1mm左右；传感器的检测面安装方向需根据换向阀通电后磁场方秦新月：多通道注射泵电磁阀失电检测装置的设计及应用表1常用霍尔传感器参数Table 1 Common Hall Sensor Parameters型号工作温度WSH49E-20100WSH135-40125WSH315-40125WSH136-40125WSH137-40125WSH138-40125WSH201-20100封装TO92-3L,SOT-23TO92-3L,SOT-23TO92-3L,SOT-23TO92-3L,SOT-23TO92-3L,SOT-23TO92-3L,SOT-23TO94,SOT23-5工作电压3.06.5V3.012V3.012V3.012V3.012V3.012V2.212V线性度1.45mV/G1.5mV/G1.5mV/G3.0mV/G4.4mV/G8.15mV/G10mV/GU424VD7ss24NC24+35V/100UF=LM7812CT1VinC2210412VR193丁+12V4kAND+C2525V/470UF2C23104LED/RD8图3稳压电路图Figure 3 Voltage stabilizing circuit diagramVCCC1123WSH138VCCR220KC4 1045C36104R85R1工R14 4KD2LED/G+7C6104HC1OUT图4 检测电路图Figure 4 Detection circuit diagram向进行匹配，否则无法检测到磁场；方便通过电位器调整每一路的感应灵敏度；当每一路磁场强度达到设定值后发出明显的状态指示，这样有利于判断和调整。原注射泵换向阀的尺寸如图5所示。利用原有板子的3个无用安装孔定位新板子的安装孔，孔中心安装塑料垫高柱和塑料固定螺丝垫高的同时进行绝缘；充分利用板子的凹口放置精密可调电阻；根据换向阀阀芯中心距定位霍尔传感器的中心距。65智能物联技术失电后都会输出信号，输出信号传至PLC，联动设备告警。3.4换向检测触发程序设计4Comment换向阀失电触发部分M00530P0020HPH主程序：注输入：告警液运行中信触发端口图5原装换向阀驱动板图号P00021Figure 5 Original reversing solenoid valve drive plate输入：告警输入：告警复位信号触发端口diagram5MO030设备停机及吉警信号MO030设备停机及10吉警信号图6 换向阀检测板的成品图Figure 8 PLC linkage ladder programFigure 6 Finished product diagram of detection plate如图8 所示，增加设备端PLC的检测程序：当for reversing solenoid valve注液时M00530同为换向阀打开的时候，一旦有换图6 为换向阀检测板的成品图，并通过软件向阀掉电，掉电检测信号P00020上升沿触发停机模拟PCB图：充分利用空间和考虑各个元件的干告警信号M00030，触发告警信号同时传递给主程涉，双面布置元件，其中贴近原有换向阀板的部位序设备停机信号M00001,同时发给PLC输出端口保持贴片元件，不放置比较器等小信号易受干扰P00100告警信号。当人工发现停机后，检查排除问的元件。题，按复位键P00021解除告警，同时主机部分可以启动。换向阀线圈灵敏度调节鑫图7 安装检测PCB后的实物图Figure 7 Physical image after installing PCB安装检测PCB后的实物图如图7 所示。将换向阀通电后，调整霍尔传感器的灵敏度，使每一路能准确检测到磁场，并且指示灯亮；将换向阀断电，检测每一路指示灯都能灭，避免误感应。每个传感器调整至灵敏度中值。传感器与PLC输出为PNP(Positive Negative Positive)并联连接：只要有一路MO030设备停机及告警信号P00020MO0030/R设备停机及告警信号MO001R-设备运行中控制信号P000（编出：吉警信号图8 PLC联动梯形图程序霍尔元件4结语通过此装置的检测，设备运行时偶有检测到设备告警的现象，经检查确实发生了注射无药液现象，这样就不至于形成最终的无药液成品，从源头上杜绝了不合格品的产生。参考文献：1 王昱皓，钟贻兵，时圣利.高可靠霍尔电流传感器的研究和应用 J新型工业化，2 0 15,5(11):8-12.2 陈俊颖.注射泵的预防性维护和常见故障分析 J.医疗装备,2 0 2 2,35(0 1):151-152.3陆迅，牛智林，蒋会仙.输注设备原理与不报警故障分析 J.中国医学装备,2 0 18,15(0 6):16 6-16 7.4闫晓梅.基于LM7812集成稳压电路的改进 J.机械管理开发,2 0 12(0 3):7-8+10.5 李爱丽.基于PLC的工业机床自动控制系统设计分析J.电子元器件与信息技术,2 0 2 2,6(11):2 5-2 8.66