基于PLC的微量流体监控系统的设计.pdf

2 0 1 1 年第 2期 工业 仪表与 自动化装嚣 9 l 基 于 P LC 的微 量 流 体 监 控 系 统 的 设 计 孙旭 ， 张微 英之杰建筑工程有限公司， 辽宁 大连 1 1 6 6 2 2 摘要 输液 时安 全非 常 重要 ， 但 微 流量 液 体 的检 测 十分 困难 。该 文 介 绍 了一种 基 于松 下 F P I 系列 P L C的 医用 吊瓶 输液 流量监 控 装置 ⋯ ， 该装 置 可以 自动监控 医用 吊瓶 的流 量 、 液 位 ， 并 可以 实 现医疗信息的远程监控 。文中重点解决 了小流量液体的检测及控制 问题 ， 整个 系统安全可靠， 解决 了长久以来输液病人监护费时费力且 医疗事故频发的问题。 关 键词 流 量控 制 ； P L C； 远 程监 控 ；直流 电机 中图分 类号 T P 2 7 7 文献标 志码 B 文章 编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 2 0 0 9 1 0 3 De s i g n o f t he PLC a ut o m a t i c c o n t r o l l e r f o r l i g h t l i qu i d SUN Xu，ZHANG W e i E G C o n s t r u c t i o n C o ， ， i a o n i n g D a l i a n 1 1 6 6 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s v e r y i mp o a n t t o p a t i e n t s w h e n t h e me d i c i n a l l i q u o r i s i n j e c t e d i n t o b o d y ．I n g e n e r a l i t i s d i ffic u l t t o d e t e c t i n g t h e qu a n t i t i e s o f me d i c i n a l l i q u o r ． F h e l a s e r s e n s o r i s s e l e c t e d t o d e t e c t i n g t h e q u a n t i t i e s o 1 l i q u o r a n d i s c o n t r o l l e d i t w i t h a d j u s t i n g i t s p o s i t i o n ．I n a d d i t i o n a l ， P L C i s u s e d a s t h e e e n t r a l o f c o nt r o l a nd c o mmu n i c a t i o n． Ke y wor ds c o n t r o l l e r f o r l i q u o r； PLC；r e mo t e mo n i t o r i n g；DC mo t o r 0 引言 传统医疗输液完全 由人 监护 ， 既不安全又浪 费人 力， 文中介绍了一套采用 叮编程控制器 的医用 吊瓶流量 、 液位 自动监控装置 ， 可以白动控制输液流 量 ， 输液完成 自动呼叫报警 ， 借助于分布式远程临控 系统 ， 医 生在办公 室 可 以实时远 程监 控 医疗 情 况 ， 分 析处 理并 形成数 据报 表 。 1 流量监控装置的原理 1 ． 1通讯 硬件 配置 输液吊瓶体积小 ， 输液为透明液体 ， 流量小 ， 要 求无 污 染检 测 ，因此 传 统 的T 业 流量 汁无 法使 用 。分析图 1的输液吊瓶 ， 在输液斗处以液滴形 式流过 ， 液滴球形表面对光有很强的反射性 ， 按此特 点采用干涉性和集束性都非常好的激光传感器安装 在吊瓶液斗两侧 ， 液滴经过 时传感器的激 光束被反 射 ， 二极管接收电路产生一脉冲信 号， 每 一个液滴的 收 稿 日期 2 0 1 1 一O 1 2 4 作者简介 孙旭 1 9 7 4 ， 男 ， 英之杰 建筑 程有限公 州电气部经 理 ， T程0 巾， 研究方向为 自动检测及控制技术 质量 南液体的密度 、 表面张力等因素决定， 医用液体 液滴的苇量为 1 ． 0 m l ／ 滴 ， 所以可以通过计量液滴数 确定输 液 流量 的大小 。 1 挎 制 系 统 1 ． 2液位报警 输液用尽时非常危险 ， 液位的检测是根据液体 有表面张力 ， 从侧面看液面部分透光性要差很多 ， 在 距底为 2～ 3 c m处设一液位报警激光传感器。 1 ． 3输 液流量 控 制 在 输液过 程 巾 ， 随着 瓶 内液 位 降低 ， 输 液流量 也 会 变小 ， 控制 图 1 所示 直流 电机 ， 提升 吊瓶 的高度 可 以增 加输 液 的流量 ， 为 了保 证控 制系统 稳定 ， 采用 比 例带 结合 闭环 比例 渊 节 的控 制 方法 ， 流量 偏 差 在 比 例带 内变电压连续测速， 比例带外电机分段控制。 9 2 工业仪 表与 自动化装置 2 0 1 1 年第 2 期 1 ． 3 ． 1 直流电机的降压调速控制 控制电机的 3种方法是降压 、 串电阻 、 弱磁。文 中采用降压调速 ， 它具有调速均匀 、 控制简单 、 成本 低等优点 。 按直流电机机械特性方程 ， 电机转速 n UN 一 T 1 一C C , q 2 L J 式 中 为 电源 电压 ； R 。为 电枢 电阻 ； T为 电机 转 矩； 其余参数为常数。 ， I 广 _ ] r _] r _ ] I ， I 图 2 输 出电压 由图 2可知 ， 通过控 制 的 占空 比 ， 可 以控 制 电机转速 n ， 则开环输 电压 ， UU Ⅳ 2 式中 为一个输出周期时问； T ， 为导通时问。 按图 1闭环控制系统电压输出 U s x 3 式中 Q 。 为给定流量值 ； Q为检测流量值 。 调速控制 由 P L C实现， 其 输 出占空比可调 的脉冲电压。文中以 6 0滴／ m i n给定， 大于给定值 时， P L C输出 Y l 通正转 ， 下放吊瓶； 小于给定值时 通反转。 1 ． 3 ． 2 直流电机降压分段控制 在 比例段 外直接频 繁启停 电机会产 生较大 的电 流， 又要保证快速启动 ， 为此设计采用三级降压启动 工作方式。驱动电路如图 3所示。7 1 驱动， 过流 保护。 图 3 P I C及电机驱动电路 电机选用 S K 5 2 2 0 直流电机 ， 取样 电阻 R o 0 ． 1 Q， U N 2 4 V， I N 1 ． 9 A， n 1 7 5 0 r ／ m i n ， P 2 8 W。要求 最大启动电流 I M 2 1 ， 则求得电枢电阻 ． 3 Q 4 启动 电流 I K 7 l A 5 启动电流远大于电机额定电流 ， 保护电路 导 通 ， 截止起保护作用， 电机无法启动 ， 所以采用 电 机三级降压启动方式。图 4是启动过渡曲线 ， 要求 每 次切换 电枢 电流不 超过 2 ， Ⅳ ， 一级 减压启动 开始时 电机电磁转矩 T ， 电机加速转动， 随着转速升高， 反电动势 E 增加， 电枢电流 ／ R 。逐渐 减少， 相应电磁转矩减少， 直到接近平衡点 ， 切换 到下一级 。 图 4 三级降压启 动 要求每一级启动时最大转换电流 2 1 N ， 计算各 级切 换 电压 U 、 U 2 、 U 3 U1 ≤2 6 U ≤2 ， ～ R 1 3 V ≤ 2 1 、 g21 9． 2 7 V 旦 ≤ 2 I R Ⅱ 、 』、 U 3 2 5 ． 5 V， 取为 2 4 V 。 其中 n 、 n 对应第一 、 二级平衡点电机转速。 2分布式远程 医疗监视 系统 7 8 如图 5所示， 通过网络系统 ， 上位机可以监控各 个病房数据 ， 也可以在任意一台计算机上远程监控 病人。上位计算机可 与多台 最多可 以带 3 2台 F P 1系列 P L C通过 CN E T模块通讯 1 N ， 而一 台 P L C A F 1 2 1 1 3 B 8 ／ 8 可以监控 8个点 ， 若配扩展 单元 A F P 1 3 l 1 0 0 ／ 1 6 ， 可以扩展到 2 4个点。图中 上位 机与 CN E T间采 用 R S 2 3 2接 口方 式 ， P L C与 CN E T间一 般 采 用 R S 4 2 2 或 R S 2 3 2 。CN E T 间采 用 R S 4 8 5接 口方式 ， 所 以 网络线 采用 一 根双 绞 线即可， 传输距离 1 ． 2 k m， 传输速率可达 5 0 0 k b p s 。 2 0 1 1 午第 2期 工业仪表与 自动化装置 9 3- 圆 隳蔫囊酾 R S 2 3 2 r]R S 4 8 5 机 图 5 P L C网络监控 系统 3软件设计 3 ． 1流 量监控 梯形 图 P L C计数器对液滴计数 ， 上升沿同时触发计数 器 C T 、 定时器 T ， 经过值存入寄存器 E V， 设定 值存人 S V寄存器中， T计时 6 0 S 时 C T累计数为每 分钟 流量 。文 中以 6 0滴／ m i n给 定 ， 上 下每 1 0滴 一 个 波段 ， 通过控 制输 出脉 冲 占空 比 ， 控 制 电机 转 速 ， 比例带 2 0滴 ， 大于给定值 ， P I c输 出 Y l通正转 ， 下放吊瓶 ； 小于给定值是相反， Y 6通反转 。启 动按 三级降电压启动。流量监控部分梯形图见图6 。 冈 6流量控制梯形图 3 ． 2 P L C 与上位 机通 讯 的实现 用 P L C渎命令 R D 实现上位机对多 台 I I c状 态的读取 ， 如图 7、 图 8所示 。 目的站 弓 ‘ 读首地址 术地址 图 7 数据读发送帧格式 目的站号 第 1个数据 ⋯第 ， 个数 图 8响应 帧格 式 用计算机 C语言编写 P L C通讯程序 ， 同时读 3 个数据寄存器值 ， D T 1 0 0、 D T 1 0 1 、 D T 1 0 2 ； 分别代表 3 个 吊瓶 输 液 流 量 值 。设 在 C O M2口发 出数 据 包 应 为 ％ 0 1 R D D 0 0 1 0 0 0 0 1 0 2 5 7 C R； 其 返 回 数 据 包 为 ％0 1 R D A 6 7 8 3 F 1 2 8 5 6 F 6 5 C R 。 主要 C语言程序清单如下 i n c l u d e i n c l u d e i n c l u d e ma i n { i n t k ， i ； u n s i g n e d c h a r q [ 5 0] ， P[ 5 0 ]{ ‘ ‘ ％O 1 R D D 0 0 1 0 0 0 0 1 0 2 ” } ； ／ ／ 读 K 0 f o r i 0 ； P [ i ] ； i k P [ i ] ； ／ ／ 箅 B B C码 b i o s c o m 0 ， 0 x c e b ， 1 ； 设 t o m 2口参数 f o r i 0 ； P [ i ] ； i b i o s c o m 1 ， P [ i ] ， 1 ； ／ ／ 发送数据包 {q [ i ]b i o s c o m 2 ， 0 ， 1 ； ／ ／ 接收并显示 p r i n t f “ ％c ” ， q [ i ] ； } 4 结束语 该 设计 解决 了 小流 量 、 透 明液体 检 测 和控 制 的 问题 ， 设 计 了分布 式 P L C远 程 监 控 和 医疗 系统 ，按 P L C T业标准设计保证 了整个 系统安全可靠 、 与病 人完全隔离 ， 流量控制范围2 0～1 5 0滴／ ra i n ， 控制误 差范围为设定值 1滴 ， 吊瓶更换方便 ， 良好的性能 价格 比 ， 每个 点 5 0左 右 ， 可 以广 泛应 用 在 各类 医疗 机 构 。 参 考文献 1 ] 任 齐． 基于 P L C的输液流量 自动监控装置 [ J ] ． 组合机 床 与 自动化加工技术 ， 2 0 0 4 1 0 7 8 7 9 ． 2 ] 江琳 ， 李 宏． 基 于 P L C的 电解 电源监控 系统设 计 [ J ] ． 电子设计工程 ， 2 0 0 9 0 2 3 2 3 3 ． [ 3 ] 孙建 国， 任齐． 电机 及拖 动 [ M] ． 北京 机 械 T业 出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 李树勋． 可编程控制 器原理 及应用教 材 [ M] ． 北 京 北 京航空航天大学 ⋯版社 ， 2 0 0 3 ．