基于PLC的呼叫及药物传递系统.pdf

90|电子制作2023 年 7 月应用技术基于 PLC 的呼叫及药物传递系统於瀚文（南京信息工程大学，江苏南京，210044）摘要：为缓解由于疫情放开导致的购买退烧药难的问题，多地政府每日向市场投放大量退烧药，然而在市民领取退烧药时往往因为药店开设服务窗口少、工作人员短缺等原因使得药店排队并交叉感染问题严重。针对此背景设计了一款呼叫及药物传递系统，根据目前药店的面对的实际问题设计软件程序并搭建实物模拟系统功能，旨在提高药物发放效率的同时免去药店工作者与市民的接触。经过试验验证了该系统适用于当前负载轻、使用频率高等场景且操作简单，便于使用。关键词：CCW；PLC；药物传递；梯形图；步进电机随着疫情的放开，新冠病毒对人们生活和工作造成了巨大影响。大量的市民感染后出现症状急需服用退烧药，同时药店工作者的相继感染很大程度拖缓了药物发放的效率，未感染的市民面对药店门口的长队也望而却步。可编程控制器（PLC）可以模块化装配，使用接线端子接线，因此安装便捷，适用于当前亟须投入使用解决问题的背景。为解决当前“取药难，发药难”的问题，本文设计了一款基于 PLC 的呼叫及药物传递系统。该系统针对传递药物重量小、行程短但重复次数多的特点进行了软硬件规划并优化了药物传递系统的加减速控制算法，同时根据工作人员是否在窗口内工作的情况做出了不同的设计，以保证系统达到设计目的，从而发挥实际使用价值。1 系统总体方案本文根据目前药房的主要困难和实际需求的功能对系统的硬件电路进行了针对性规划与设计。系统硬件设计主要是以 PLC 可编程控制器为核心，并由按键、显示、蜂鸣器、步进电机模块等部分组成。系统工作流程简述如下：当工作人员在窗口内工作时，则应按下“工作中”按键，此时当有市民在窗口外按下按键时，该窗口的指示灯亮，工作人员通过按键操纵步进电机带动同步带将药物传送至该窗口。当工作人员需要暂时离开工作窗口时，应再次按下“工作中”按键使状态指示灯熄灭，则此时市民在窗口外按下按键时，该窗口指示灯闪烁且工作室内蜂鸣器响起，工作人员听到提示后可立即返回工作室内通过复位按键关闭蜂鸣器并继续工作。整体系统框图如图 1 所示1。2 系统硬件设计 2.1PLC 控制器PLC 可编程控制器作为呼叫及药物传递系统的主控单元，其选型尤为重要。罗克韦尔的 PLC 控制器操作方便、较为稳定且灵活性较高。根据系统功能需求，本系统选用罗克韦尔的 micro800 系列小型 PLC 控制器 2080-LC50-48QBB。罗克韦尔 2080-LC50-48QBB 是一款紧凑但性能优异的小型 PLC 控制器。此款 PLC 控制器完全适用于呼叫及药物传递系统的主控硬件需求2。2.2 显示与按键模块系统设置了四个窗口的呼叫按键以及四个对应的指示灯，工作人员的系统复位按键、步进电机传送按键、“工作中”状态按键及其指示灯以及蜂鸣器。根据系统设计内容为该模块分配I/O地址，显示与按键模块 I/O 地址分配表如表 1 所示。2.3 步进电机模块 该系统的步进电机模块由驱动器、步进电机、编码器、同步带等构成。步进电机工作原理是用电脉冲进行控制，将数字信号转变为电机滚筒的转动角度从而带动同步带传递药物，由于滚筒转过一定角度或距离的次数由接收到的脉冲的数量决定，而其运动状态的变化则完全根据脉冲频率的增大或减小而定。脉冲频率匀速增加或者匀速减小时步进电机图 1系统总体框图 表1显示与按键模块I/O地址分配表地址功能O-11一号窗口指示灯O-12二号窗口指示灯O-13三号窗口指示灯O-14四号窗口指示灯O-16复位指示灯O-17“工作中”指示灯O-18蜂鸣器O-19一号窗口按键O-20二号窗口按键O-21三号窗口按键O-22四号窗口按键O-23步进电机按键O-24复位按键O-25“工作中”按键wwwele169com|91应用技术随之匀加速或匀减速运动3。由于不能直接接至电源上工作，因此需要通过一个步进电机驱动器，当该驱动器接收到信号时就会驱动步进电机实现一定的角位移。该模块以 PLC 为主控单元使步进电机驱动器驱动步进电机通过滚筒旋转摩擦带动同步带执行往复运动，同时在高频率往复运动时电机会出现误差，应通过安装编码器并以编码器的实时脉冲数反馈以进行位置补偿4。目前常用的传递系统如用于物流分拣站或流水线上的系统在实际使用中常优先考虑传递货物的效率和最大负载量等而对平稳性以及噪音等要求不高，在传递货物时传送带为周期旋转运动，精度造成的误差不易对工作造成影响。而在设计本系统时考虑到所使用的场景中同步带传送药物时负载较小，在保证速度的同时应减小工作时的震动和噪音使之将药物平稳传递。同时，本系统在步进电机带动同步带传递药物时采用往复运动，为减小多次往复运动后由于正负行程不一致累积导致的误差，应提高电机控制的精度，选择较大细分。本系统选用普菲德 TB660 驱动器和型号为 42BYGH24 的电机，该驱动器的细分精度支持从 200到 6400 的按级调整，可通过波动驱动器上的拨码开关对其细分进行设定，本系统中细分为 1600 份，即拨动 S2 开关，而保持 S1 和 S3 的“OFF”状态5。3 软件设计及结果 3.1 软件编程环境及语言PLC 系统软件设计是实现系统功能的核心，PLC的编程语言种类较多。其中梯形图语言编程最为简单，程序可读性极佳，在此次系统程序编程过程中，我们采用较为直观的梯形图语言进行编写。同时，根据所选 PLC 型号，PLC 系统软件开发环境采用 CCW。3.2 软件设计总流程软件的设计流程如图 2 所示。显示与按键部分和步进电机同步带部分可分别考虑与设计。若市民按下对应窗口按键时工作人员不在值班室内，则电路接通并自锁使得中间变量 D01 常开触点闭合并且使四个窗口对应的中间变量 D03，D05，D07,D09 常开触点闭合并自锁，因此图 3 所示梯级开始工作，每接通一秒，对应窗口的指示灯就闪烁一次。例如 1 号窗口在无人值班时按下按键，则 D01 与 D03 常开触点闭合，刚开始输入时 TON定时器是延时闭合，闭合前 D02 进行了自锁，使得电路中1 号窗口输出的灯亮。当延时时间达到，D02 断开使得 1 号窗口输出的灯熄灭，TON_3.Q 和 TON_2.Q 下接直接线圈，并在 D01 后接反向线圈，使得蜂鸣器随着指示灯的闪烁而不断响起，同时实现了闪烁以及响铃的功能。当工作人员在值班室内时，则按下“工作中”按键后 DO_17 闭合，在此条件下当哪个窗口外的呼叫按键被市民按下，那么值班室内对应窗口指示灯亮并且自锁，除此以外互锁另三个窗口的市民呼叫电路，当完成该轮呼叫与药物传递整个工作流程后，工作人员通过按下复位按钮使得所有电路断开，电路恢复到最开始的状态设计步进电机同步带部分程序时，传送药物距离的最大值应根据实际设置，本系统模拟运行时暂时设定为步进电机驱动同步带传送正负行程各半圈。插入相应指令块后当给定位置且写入变量后，通过按键导通上电模块促使步进电机开始正向运动一定距离，该正向运动指令块驱动运动结束后经过延时，再进行反向绝对运动。一个传送周期包括正行程和负行程，正行程传递药物，负行图 2软件设计流程图 图 3部分梯形图 92|电子制作2023 年 7 月应用技术程使之归位，一次传递结束后观察步进电机是否正常工作。3.3 加减速控制算法优化由于同步带在步进电机的 带 动 下 工作，在作业过程中通过摩擦作用传递负载。鉴于药物通常为胶囊状或颗粒状，具有易滚动的特点，在传递过程中可能由于震动或速度突变等使得药物掉出同步带或传递距离不准导致传递失败，所以在传递系统进行正行程传递时在启动和结束过程中应尽量减小由于突然加速或减速所造成的惯性力以及刚性冲击的作用。通过PLC 控制器可以根据速度或者加速度的实际需求相应改变输出频率，使之稳定变化从而确保电机平稳启动并停下，稳定地将药物传递到对应窗口。在传递系统进行到负行程阶段时，由于所需传递的药物已取出，故无需过于注重同步带在负行程时的震动和冲击，可简化该过程的运动控制曲线，提高系统在传递过程的整体效率。工业上常用的加减速控制算法包括指数型、梯型、S 型曲线加减速控制算法等。传统的S型曲线如图4所示，其中加速段的三个阶段分别为加加速、匀加速、减价速，减速段的三个阶段分别为加减速、匀减速、减减速。由图可见，S 型曲线的各个阶段之间速度的变化率较小，速度曲线十分平滑，无明显的速度突变。但缺点是具有七个加减速阶段使之过于复杂，且在较短的传递距离时没有意义6。针对呼叫及药物传递系统的主要使用场景和硬件特点对传统 S 型曲线做出一定的优化处理，使之在更加精简易用的同时符合实际要求，优化后系统的加减速控制曲线如图5 所示。本文中该系统在正行程时所应用的优化型 S 曲线有4 个阶段，分别为加加速阶段、减加速阶段、加减速阶段、减减速阶段，使之可以保证电机在启动和停止时仍然平稳的同时省略去匀加速阶段和匀减速阶段。由于同步带传递药物距离较短，故此情况下可去除匀速运动阶段。当进行完成减加速阶段后直接反向增加加速度。梯形加减速控制算法是较为常用的加减速控制算法，在匀加速阶段结束即将开始匀速运动和匀速运动结束即将开始匀减速时加速度可控但会跳变，速度转变时不能平滑过渡，产生刚性冲击，引起所负载的药物震动。但采用梯形速度控制较快也最简易，在负行程过程中当药物已取走时同步带上无负载，可采用梯形加减速运动控制完成负行程运动7。图 5优化运动控制曲线 3.4 实验结果为了验证呼叫及药物传送系统的可用性以及在相应场景的适用性，按照上述软硬件设计完成了该系统的实际搭建如图 6 所示。所示情况为市民在 2 号窗口通过该系统成功取药。4 结论本文依据目前药店与市民的实际需 求 设 计 了 基 于PLC 的呼叫及药物传递系统。充分考虑了由于工作人员短缺或者顾客较少的时间段使得暂无工作人员在值班室的情况。同时相较于传统的传递系统，该系统更适合完成“小量多次短距”的传递任务，优化后的加减速算法兼顾传递效率与稳定性，整个系统具有较高的易用性和实用性。参考文献 1 黎一强.基于 PLC 控制的病床呼叫系统设计与应用 J.机电工程技术,2020,49(06):109-112.2 刘恒超.基于 AB PLC 和工业机器人的汽车天窗自动排序上料系统设计 J.制造业自动化,2022,44(12):102-106.3 季明丽,熊渊琳.基于 PLC 的智能收割机传送带电气控制系统设计 J.农机化研究,2022,44(08):210-214 4 杜晓妮.基于西门子 S7-200PLC 的货物传送与入库生产线中步进电机的使用方法的探究 J.经贸实践,2018(16):305-308.5 王中山.带式输送机电气控制系统的设计与应用 J.机械管理开发,2020,35(04):196-197+261 6 朱耀麟,孙博文,任学勤,武桐,李文雅.一种改进的 S 型曲线花式纺纱机调速方法 J.毛纺科技,2020,48(06):72-76 7 刘媛.基于 PLC 与组态软件的工业生产线柔性加工自动控制系统 J.湖南文理学院学报(自然科学版),2022,34(04):31-37.图 6实物图图 4传统 S 型曲线