黃小坪　郭展熊

基于可編程邏輯控制器自動控制系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

黃小坪①郭展熊①

目的：設(shè)計基于可編程邏輯控制器(PLC)自動控制系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)系統(tǒng)，以提高洗鏡機(jī)性能。方法：通過研究自動化洗鏡機(jī)的設(shè)計原理，分析臨床清洗消毒的需求，結(jié)合維修洗鏡機(jī)的實(shí)踐方法，設(shè)計基于PLC自動控制系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)系統(tǒng)。針對單片機(jī)的缺陷，采用PLC控制系統(tǒng)來穩(wěn)定機(jī)器性能，嘗試采用改善硬件材料質(zhì)量，改良電氣控制系統(tǒng)等方法提高洗鏡機(jī)控制系統(tǒng)性能的可靠性和穩(wěn)定性。結(jié)果：采用可靠性和抗干擾性高的PLC自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PLC對多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定的控制，提高了整個系統(tǒng)的實(shí)時性、抗干擾性和可靠性，提高自動化洗鏡機(jī)的穩(wěn)定性，感控細(xì)菌培養(yǎng)合格。結(jié)論：基于PLC自動控制系統(tǒng)的可編程控制器能夠?qū)崿F(xiàn)多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中穩(wěn)定控制，能夠滿足實(shí)際內(nèi)窺鏡清洗消毒過程中的需要。

可編程邏輯控制器；內(nèi)窺鏡；洗鏡機(jī)；設(shè)計；可靠性

[First-author’s address] Department of Medical Equipment, Panyu District Central Hospital in Guangzhou, Guangzhou 511400, China.

目前，內(nèi)鏡洗鏡消毒機(jī)已經(jīng)成為醫(yī)院中常見的醫(yī)療設(shè)備，由于內(nèi)窺鏡常與食道消化物和排泄物接觸，病毒交叉?zhèn)魅拘詷O高，故內(nèi)窺鏡需經(jīng)過嚴(yán)格和復(fù)雜的消毒程序，以保障臨床的安全使用[1-3]。因此，需設(shè)計一款智能運(yùn)行、操作方便，又保護(hù)醫(yī)護(hù)人員自身的專業(yè)洗鏡設(shè)備[4-8]。

國產(chǎn)洗鏡機(jī)與進(jìn)口洗鏡機(jī)性能相比差異巨大。國產(chǎn)洗鏡機(jī)故障率較多，金屬材料易腐銹，電子電路經(jīng)常燒壞，控制系統(tǒng)經(jīng)常紊亂，感控細(xì)菌培養(yǎng)不合格。而洗鏡機(jī)功能需求復(fù)雜，內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境要求防腐蝕、防潮濕，故硬件和軟件均要求必須運(yùn)行穩(wěn)定、耐用可靠。本研究根據(jù)醫(yī)院在用國產(chǎn)洗鏡機(jī)有較大改進(jìn)空間的現(xiàn)狀，通過改善硬件材料質(zhì)量，改良電氣控制系統(tǒng)等方法提高洗鏡機(jī)性能，并嘗試采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制系統(tǒng)來穩(wěn)定機(jī)器性能[9]。

1　內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)設(shè)計需求

根據(jù)自動化清洗消毒機(jī)的設(shè)計原理，將功能設(shè)計從手工操作的“次洗→酶洗→消毒→水洗→吹干”等復(fù)雜工作流程中解放出來[10]。內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)設(shè)計采用如下洗鏡步驟。

(1)內(nèi)窺鏡接上水氣管。開啟自動清洗消毒功能，首先啟動初洗程序，進(jìn)水電磁閥打開，純凈水注入水箱，由水位信號探頭控制進(jìn)水結(jié)束，全管道灌流沖洗3 min后將排水電池閥開啟，排水后氣泵工作，吹干內(nèi)窺鏡內(nèi)部鉗子管道的多余水珠。

(2)酶洗程序啟動。酶泵抽酶液送入噴頭對內(nèi)窺鏡進(jìn)行沖洗，酶液和水混合全管道灌流沖洗3 min，并開啟排水閥排入下水道。

(3)重復(fù)水洗功能。酶洗完成后進(jìn)行重復(fù)水洗，避免遺留的酶液污染消毒液。

(4)啟動消毒程序。由消毒液泵將儲藥箱內(nèi)的消毒液送入噴頭，對內(nèi)窺鏡進(jìn)行灌流沖洗消毒5 min，回收消毒液重復(fù)使用，最后用水洗程序?qū)堄嗨幰簺_盡，并加酒精消毒吹干[11]。清洗消毒流程如圖1所示。

圖1　內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)清洗消毒流程圖

2　內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)硬件系統(tǒng)

內(nèi)窺鏡清洗過程包括自動測漏、酶洗、內(nèi)部及外部管道沖洗、消毒液浸泡、灌流、漂洗、內(nèi)外管道酒精沖洗以及空氣吹干等步驟，以完成內(nèi)窺鏡清洗程序[12-14]。硬件系統(tǒng)為：①水氣管路，包括進(jìn)水管路、酶液管路、消毒液管路、酒精管路、循環(huán)灌流管路以及排水管路；②水泵，包括循環(huán)泵、酒精泵、酶泵以及消毒液泵；③電磁閥，包括進(jìn)水閥、排水閥和回收閥；④吹氣泵，是空氣泵的一種，代表水流單向閥(止回閥)，當(dāng)酶泵抽酶液時酶液不會進(jìn)入消毒液泵，而單向泵進(jìn)洗鏡槽[15-16]。內(nèi)窺鏡自動清鏡機(jī)水氣管路如圖2所示。

圖2　內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)水氣管路示意圖

3　內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)控制系統(tǒng)

(1)以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)洗鏡機(jī)存在的主要缺陷為：①控制指令相對復(fù)雜，對于具有復(fù)雜功能的洗鏡機(jī)而言，單片機(jī)控制系統(tǒng)不可重負(fù)；②單片機(jī)需要多種電路保護(hù)裝置，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)和欠壓保護(hù)等，導(dǎo)致運(yùn)行系統(tǒng)不穩(wěn)定，并隱含較高的故障率。

(2)PLC控制系統(tǒng)是可編程邏輯控制器，其功能日益強(qiáng)大，采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時以及計數(shù)與算術(shù)操作等，并通過數(shù)字或模擬I/O控制各種類型的機(jī)械運(yùn)動過程。PLC控制系統(tǒng)將能克服傳統(tǒng)洗鏡機(jī)缺點(diǎn)，能夠保證復(fù)雜繁瑣的消毒程序可靠運(yùn)行。本研究設(shè)計利用可編程控制器西門子PLC S7-200系列的CPU-226實(shí)現(xiàn)控制，對自動化洗鏡機(jī)整個系統(tǒng)按照指令要求有條不紊地執(zhí)行。電氣控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)電氣控制系統(tǒng)示意圖

(3)PLC控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)控制過程中，各種采樣信息均通過由PLC給定的信號來決定其工作狀態(tài)，再經(jīng)信息線路反饋各洗鏡機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。水位開關(guān)是PLC的輸入信號感應(yīng)開關(guān)，進(jìn)水閥、排水閥和水泵氣泵是洗鏡機(jī)各種動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。水位選擇有一個水位傳感器用來采樣水位信息，由于水位傳感器輸出的信號是模擬信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再輸入PLC來控制進(jìn)水閥和各種水泵動作[17]。在次洗、酶洗、消毒液洗以及末洗的流程中，其時間是由PLC內(nèi)的計數(shù)器和定時器中的參數(shù)控制，只要改變參數(shù)大小即可改變流程的時間長短，見表1。

表1　可編程序控制器S7-200 CPU-226 I/O分配表

4　內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)實(shí)驗(yàn)效果評價

提供應(yīng)用實(shí)踐評價基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)的效果，內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)系統(tǒng)設(shè)計已達(dá)到預(yù)期目的，主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)有效提高系統(tǒng)的整體性能。由西門子公司提供的PLC S7-200系列工業(yè)產(chǎn)品組成的自動控制系統(tǒng)具有自動化程度高、控制精度高、豐富的I/O接口、可靠性高、安裝簡單以及維修方便等優(yōu)點(diǎn)。按照電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖將PLC、驅(qū)動板和所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接好，建立PLC與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的通訊，通過對該系統(tǒng)的通信設(shè)計調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了PLC對多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定的控制，提高了整個系統(tǒng)的實(shí)時性、抗干擾性和可靠性，內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)系統(tǒng)設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的目的。

(2)有效避免系統(tǒng)設(shè)計的各項(xiàng)弊端。完整的內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)系統(tǒng)不僅需要考慮控制系統(tǒng)穩(wěn)定耐用，也要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行經(jīng)久耐用，而自動洗鏡機(jī)設(shè)計中普遍存在的問題為：①由于清洗消毒機(jī)處于非常潮濕的環(huán)境中，且機(jī)器內(nèi)部長期浸有消毒液和酶液，對機(jī)器鋼鐵架構(gòu)、PCB電路板及電機(jī)運(yùn)動部分的腐蝕性極強(qiáng)，易導(dǎo)致鐵銅等金屬性材料很快生銹，故在防潮防濕、耐腐蝕的金屬材料設(shè)計中采取相關(guān)解決方案；②由于機(jī)器內(nèi)部水氣管路復(fù)雜，且長期在腐蝕性極高的環(huán)境中，水氣管路經(jīng)常破裂漏水，可能會噴到電路板上，引起電路板燒壞，故選用確保質(zhì)量可靠耐用的水管氣管材料；③由于消毒槽通常置于機(jī)器的頂端，電路電機(jī)置于機(jī)器的底端，消毒槽里的水和消毒液受自然重力影響，水和消毒液順管道灌到水泵或氣泵，導(dǎo)致水泵或氣泵短路燒壞，故設(shè)計中增加了水單向閥的應(yīng)用[18]。

5　結(jié)語

本研究在分析功能需求及總結(jié)對洗鏡機(jī)故障維修實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對洗鏡機(jī)做出改進(jìn)，設(shè)計出基于PLC控制系統(tǒng)、可提高循環(huán)泵功率以及更換質(zhì)量較好的管道材料的內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)系統(tǒng)，機(jī)器穩(wěn)定性能明顯提高，感控細(xì)菌培養(yǎng)合格。

內(nèi)窺鏡自動洗鏡機(jī)功能需求復(fù)雜，內(nèi)部環(huán)境要防腐蝕，外部環(huán)境要防潮濕，因此硬件和軟件必須運(yùn)行穩(wěn)定和耐用可靠，而要設(shè)計一款高智能化、運(yùn)行穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，實(shí)踐表明PLC控制系統(tǒng)是提高內(nèi)鏡消毒系統(tǒng)自動化性能的一種優(yōu)越和可靠的方法。

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Design of the automatic endoscope washing machine system based on PLC automatic control system

HUANG Xiao-ping, GUO Zhan-xiong// China Medical Equipment,2016,13(11):7-9.

Objective: To improve the performance of the automatic endoscope washing machine based on PLC automatic control system. Results: washing machine is not stable which the control performance of single chip computer. So it is necessary to consider the reliability and stability to the control system of the washing machine. Methods: We controlled the performance of the machine based on PLC control system, and improved the quality of hardware material and electrical control system to enhance the reliability and stability of the washing machine system, through the need for clinical cleaning and disinfection and the experience of many years of repair washing machine. Results: With high reliability and anti-interference of the PLC automatic control system, it can improve the stability of the automatic washing machine, control the multi actuators and improve the real-time capability, reliability and antiinterference of the whole system. Conclusion: The programmable logic controller of PLC can achieve the stability in the multi actuators system and meet the needs of cleaning and disinfection process of the actual endoscope.

Programmable logic controller; Endoscope; Washing machine; Design; Reliability

1672-8270(2016)11-0007-03

R197.324

A

黃小坪,男,(1988- ),本科學(xué)歷，工程師。廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療裝備維修與管理工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.003

①廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院設(shè)備科 廣東 廣州 511400

2016-06-20