戴飛銘，范清榮，王晶晶

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

過床移位是病患術(shù)后常見的護(hù)理工序，目前臨床上經(jīng)常是2人及以上的護(hù)理人員共同采用簡(jiǎn)易輔助裝置(過床器)、人工等方式完成過床，存在護(hù)理強(qiáng)度大、操作不慎可導(dǎo)致患者二次傷害以及醫(yī)護(hù)人員與患者交叉?zhèn)魅镜入[患因素[1-2].因此為了解決以上問題，提高病患過床移位的平穩(wěn)性以及降低醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度和操作失誤風(fēng)險(xiǎn)，本產(chǎn)品提出采用西門子PLC控制技術(shù)，全程監(jiān)控手/自動(dòng)控制轉(zhuǎn)運(yùn)移位床的升降、滑移、傾斜以及回收等功能，并進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)啟停的加減速優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好，保證病人靜態(tài)移位，提高安全平穩(wěn)性，提升移位過床效率，可為相關(guān)領(lǐng)域的企業(yè)開發(fā)先進(jìn)的過床設(shè)備提供有效的理論技術(shù)支持.

1 工作原理及控制要求

1.1 工作原理

智能轉(zhuǎn)運(yùn)移位床的控制方案設(shè)計(jì)由平移、同步帶旋轉(zhuǎn)移位、升降及傾斜4大結(jié)構(gòu)模塊和控制系統(tǒng)組成.平移模塊的設(shè)計(jì)方案采用定位精度及安全性高的帶抱閘步進(jìn)電機(jī)，并通過絲桿螺母副帶動(dòng)直線圓柱導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)同步帶移位模塊前后運(yùn)動(dòng)，滑臺(tái)配有限位保護(hù)開關(guān).同步帶旋轉(zhuǎn)移位模塊設(shè)計(jì)采用帶抱閘步進(jìn)電機(jī)，通過變速器驅(qū)動(dòng)同步齒形帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)病人在同步帶上前后靜態(tài)移位，傳動(dòng)平穩(wěn)，消除振動(dòng).升降模塊采用步進(jìn)電機(jī)+渦輪蝸桿驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)而控制床體的剪叉式升降動(dòng)作，該方案利用蝸輪蝸桿的自鎖功能和雙向同步螺桿裝置，保證升降的安全性、平穩(wěn)性.傾斜模塊采用高效的電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，配有位置和速度傳感器，可自動(dòng)勻速抬升，放油卸荷可根據(jù)工況提前設(shè)置.其設(shè)計(jì)工作原理(如圖1所示)為：a.升降模塊(Z軸)，轉(zhuǎn)運(yùn)移位床與病床水平緊靠，高度位置固定→b.平移模塊(X軸)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)圓柱導(dǎo)軌滑移模塊并帶動(dòng)同步帶旋轉(zhuǎn)模塊至病床中間處→c.同步帶旋轉(zhuǎn)移位模塊(B軸)，啟動(dòng)同步帶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)病人移位至兩床接縫處→d.傾斜模塊(W軸)，控制電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)裝置將病人輕微傾斜，利用病人自重增加病人與病床的靜態(tài)摩擦力，收回滑移轉(zhuǎn)運(yùn)組件，歸位→完成轉(zhuǎn)移.

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床工作原理

1.2 控制要求

轉(zhuǎn)運(yùn)移位床配套3組步進(jìn)電機(jī)和1組電動(dòng)液壓裝置，可手動(dòng)或自動(dòng)依次完成4道移位工序，同時(shí)配套相應(yīng)的傳感器、自鎖裝置等，并可根據(jù)過床實(shí)際狀況要求調(diào)節(jié)各項(xiàng)工作參數(shù)，配有故障自診斷功能.具體控制要求如下所示：

1) 設(shè)備3組步進(jìn)電機(jī)都配有剎車抱閘，一旦驅(qū)動(dòng)器或電機(jī)出現(xiàn)故障、斷電，驅(qū)動(dòng)器會(huì)立即剎車并報(bào)警，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，剎車抱閘將機(jī)構(gòu)固定在安全位置.

2) 設(shè)備4個(gè)移位工序都可獨(dú)立調(diào)節(jié)其速度、位移距離等參數(shù).

3) 設(shè)備各工序都配有限位開關(guān)，升降模塊配有上下2處紅外線位置傳感器，可根據(jù)病床高度自行檢測(cè)，完成水平找正.

4) 內(nèi)部設(shè)置有自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)模塊出現(xiàn)故障(漏電、亂碼等問題)會(huì)自動(dòng)切斷電源并鎖死，保障患者與護(hù)理人員的安全.

5) 產(chǎn)品安裝應(yīng)急按鈕，過床或其他過程中遇突發(fā)狀況，可緊急按停設(shè)備.

6) 控制系統(tǒng)能夠自主進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)故障診斷存儲(chǔ)，并在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示.

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該轉(zhuǎn)運(yùn)移位床的控制流程如圖2所示.設(shè)備點(diǎn)擊開始按鍵，通電后會(huì)自動(dòng)校驗(yàn)是否初始化，初始化后自動(dòng)進(jìn)入選擇模式程序[3-4].運(yùn)行模式分為手/自動(dòng)2種控制方法，手動(dòng)模式可獨(dú)立選擇4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸Z、X、B、W中任何一軸，具備啟停、回零、點(diǎn)進(jìn)、點(diǎn)退、加速以及減速控制功能，加減速控制采用無(wú)級(jí)調(diào)速方式.當(dāng)手動(dòng)控制結(jié)束后，可選擇各軸的回零功能和系統(tǒng)總復(fù)位回零功能.當(dāng)選擇自動(dòng)控制模式，設(shè)備會(huì)依次順序完成升降、平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜以及回收工序.自動(dòng)模式結(jié)束后，經(jīng)確認(rèn)是否正常完成，收到信號(hào)自動(dòng)歸位回零，并停止運(yùn)行后，控制結(jié)束系統(tǒng)復(fù)位.

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床控制流程

2.1 硬件構(gòu)建

PLC作為控制系統(tǒng)運(yùn)行的核心部件，其機(jī)型的選擇就顯得重要.S7-200 Smart作為西門子公司旗下一款小型PLC，其性價(jià)比高，穩(wěn)定性好，具備強(qiáng)大的編程及邏輯運(yùn)算能力，且其單體I/O點(diǎn)數(shù)最高達(dá)60點(diǎn)，基本滿足各種小型設(shè)備的控制需求.因此，智能轉(zhuǎn)運(yùn)移位床采用1臺(tái)S7-200 Smart PLC為控制器，搭配3臺(tái)24 V直流大扭矩步進(jìn)電機(jī)和1臺(tái)電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)裝置，并連接各模塊傳感器裝置來(lái)完成對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)控檢測(cè).其中，步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)控制信號(hào)采用脈沖信號(hào)，移動(dòng)位置采用脈沖數(shù)來(lái)控制，移動(dòng)速度脈沖頻率來(lái)控制.單個(gè)S7-200 Smart PLC具有3軸控制能力，將給定指定代碼和數(shù)據(jù)發(fā)送給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，控制1 臺(tái)升降模塊(Z軸)步進(jìn)電機(jī)、1 臺(tái)平移模塊(X軸)步進(jìn)電機(jī)和1臺(tái)同步帶旋轉(zhuǎn)模塊(B軸)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速或停止功能，另外通過通/斷輸出信號(hào)控制1臺(tái)電動(dòng)液壓升降設(shè)備，其PLC電氣控制線路如圖3所示.同時(shí)在各個(gè)模塊上都配有針對(duì)該工況的檢測(cè)/感應(yīng)傳感器，其中傳感器與PLC輸入端相連接，傳感器輸出信號(hào)均由PLC讀取.在旋轉(zhuǎn)模塊(B軸)上，使用壓力傳感器對(duì)人體的傳送位置進(jìn)行移動(dòng)定位，保證人體的準(zhǔn)確位置停止.觸摸屏選用昆侖通態(tài)TPC7062K型號(hào)，通過串口RS485與PLC連接，該型號(hào)性價(jià)比高，操作性好.

圖3 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床PLC控制電路

2.2 I/O口分配

設(shè)備采用西門子S7-200系列PLC，根據(jù)模塊特性和功能要求以及控制系統(tǒng)中I/O口的要求[5]，其I/O口資源分配如表1所示.

表1 PLC的I/O口資源分配

2.3 PLC程序編寫

轉(zhuǎn)運(yùn)移位床的PLC程序設(shè)計(jì)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思路分成手/自動(dòng)控制2大塊：手動(dòng)控制模塊是可以單步控制每個(gè)動(dòng)作模塊，實(shí)現(xiàn)每個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)流程的執(zhí)行；自動(dòng)控制是由主程序調(diào)用(自動(dòng)模式)各個(gè)子程序模塊，是應(yīng)用步進(jìn)指令將每個(gè)運(yùn)動(dòng)流程按照指定的邏輯順序循環(huán)掃描，根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)觸發(fā)各個(gè)運(yùn)動(dòng)流程.設(shè)備PLC程序是通過西門子編程軟件STEP 7-Micro/Win Smart編寫，并采用常用的梯形圖編寫形式，部分控制程序如圖4所示.該流程設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)邏輯清晰，順序合理，便于程序的在線檢查更改、監(jiān)控及調(diào)試，有助于各個(gè)模塊的單獨(dú)控制與自動(dòng)控制[6-7].

圖4 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床部分PLC程序

2.4 觸摸屏控制界面

設(shè)備控制系統(tǒng)采用MCGS-TPC7062K工業(yè)觸摸屏作為人機(jī)界面接口，可將編譯好的程序以圖形化顯示出來(lái)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，如各軸的運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)變化和報(bào)警信息等.通過其自帶的組態(tài)軟件編輯設(shè)計(jì)其控制界面，包含主控界面和參數(shù)設(shè)置界面.觸摸屏通過以太網(wǎng)RS232 IPP協(xié)議串口與PLC 通訊連接后，可直接在觸摸屏上進(jìn)行操控PLC.在參數(shù)設(shè)置界面，可以設(shè)置各個(gè)模塊電機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置的自動(dòng)進(jìn)給速度、手動(dòng)進(jìn)給速度、回零速度和軟行程極限，也可以在控制界面倍率加減速操作，同時(shí)可顯示監(jiān)測(cè)PLC內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)及狀態(tài)[8-9].

轉(zhuǎn)運(yùn)移位床控制系統(tǒng)的主控制界面(見圖5)是人機(jī)友好互動(dòng)的主要控制窗口，主要包括系統(tǒng)啟動(dòng)初始化、停止、急停、運(yùn)行模式選擇、狀態(tài)顯示界面、加減速按鈕操作以及運(yùn)行參數(shù)顯示等.

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床觸摸屏控制界面

參數(shù)設(shè)置界面如圖6所示，是允許操作人員根據(jù)不同工況及其運(yùn)行環(huán)境和護(hù)理方法，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求.該模塊包括系統(tǒng)設(shè)備各軸應(yīng)用參數(shù)及電動(dòng)液壓參數(shù)的設(shè)置，包括了運(yùn)動(dòng)、安全等參數(shù).運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要包括點(diǎn)動(dòng)速度和回零速度.安全參數(shù)包括了正、反向軟行程和最大運(yùn)行速度以及警告提醒等.

圖6 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面

2.5 PLC的啟動(dòng)加減速控制

步進(jìn)電機(jī)由于價(jià)格便宜、精度高、無(wú)累積誤差被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)上，但步進(jìn)電機(jī)也存在輸出轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的上升而下降的問題.當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)頻率升高，其轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)降低，帶動(dòng)載荷的能力也相應(yīng)下降，從而會(huì)造成啟動(dòng)時(shí)易失步和停止時(shí)易過沖[10-11].因此，為減少步進(jìn)電機(jī)啟停時(shí)的機(jī)械振動(dòng)對(duì)病人過床的影響，需要在S7-200 Smart的運(yùn)動(dòng)向?qū)ЫM態(tài)中對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制(如圖7所示).根據(jù)實(shí)際工況測(cè)試調(diào)整電機(jī)啟動(dòng)/停止速度(SS_SPEED)、加速時(shí)間(ACCEL_TIME)、減速時(shí)間(DECEL_TIME)和急停補(bǔ)償?shù)葏?shù).

圖7 PLC加減速脈沖輸出曲線

因此，在確定最大轉(zhuǎn)速、位移和啟停速度、加減速時(shí)間以及急停補(bǔ)償?shù)葏?shù)后，可輸出相對(duì)平穩(wěn)的啟停加、減速脈沖信號(hào)，從而發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)的特性，減少了加、減速過程中對(duì)患者的振動(dòng)沖擊，提高了過床的穩(wěn)定性和可靠性.

2.6 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床試驗(yàn)平臺(tái)搭建

轉(zhuǎn)運(yùn)移位床控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)(如圖8所示)由單個(gè)S7-200 Smart ST30 PLC、2個(gè)24 V直流開關(guān)電源、3組執(zhí)行單元(驅(qū)動(dòng)器+57型步進(jìn)電機(jī))、3個(gè)軸傳感器以及觸摸屏控制組成.其中，電動(dòng)液壓升降裝置由單指令信號(hào)控制，設(shè)置在觸摸屏控制界面上模擬顯示.驗(yàn)證過程為：預(yù)先要把控制操作的指令程序通過輸入設(shè)備輸送到PLC內(nèi)存中，和觸摸屏用網(wǎng)卡接口(RS232)進(jìn)行局域網(wǎng)通信連接，觸摸屏輸出控制信號(hào)給PLC控制每一條指令進(jìn)行操作，達(dá)到控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)升降和反饋傳感器信號(hào)的目，并根據(jù)靜態(tài)移位運(yùn)動(dòng)及其抑振要求，驗(yàn)證1組使步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)加、減速的參數(shù)，減少步進(jìn)電機(jī)啟停時(shí)機(jī)械振動(dòng)對(duì)患者靜態(tài)過床的影響.

圖8 轉(zhuǎn)運(yùn)移位床試驗(yàn)平臺(tái)

3 結(jié)語(yǔ)

在分析了患者過床臨床護(hù)理準(zhǔn)則要求背景下，研發(fā)設(shè)計(jì)一款基于西門子PLC控制的患者靜態(tài)移位的器械，在其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制系統(tǒng)軟硬件搭建.對(duì)系統(tǒng)輸出、輸入信號(hào)進(jìn)行分析，完成I/O資源分配；對(duì)設(shè)備控制流程進(jìn)行分析，編程優(yōu)化PLC程序.最后，在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為樣機(jī)制造提供有效的理論數(shù)據(jù).