醫(yī)用內(nèi)窺鏡清消機的自動控制系統(tǒng)

　醫(yī)用內(nèi)窺鏡是一種深入人體內(nèi)部進行觀察的精密光學(xué)儀器，它臨床應(yīng)用廣泛、使用方便，并能準確快捷地診斷出病情，深受廣大患者和醫(yī)療工作者的歡迎。因此，建立方便、快捷、安全、衛(wèi)生的內(nèi)窺鏡清洗消毒系統(tǒng)，提高其使用效率，更好地為患者服務(wù)，是醫(yī)療工作者的迫切愿望。我們與某公司合作開發(fā)的內(nèi)窺鏡自動清消機是集清洗、消毒于一身的機電一體化產(chǎn)品，它采用新穎的高壓自動噴淋方式，運用噴頭上下行走對鏡身內(nèi)外進行清洗、消毒，并利用可編程序控制器控制整個系統(tǒng)的工作。整個系統(tǒng)功能完善、運行穩(wěn)定、工作可靠，具有實用價值。
1 清消機的結(jié)構(gòu)與基本原理
　　內(nèi)窺鏡清消機由立柱和機柜組成。清消機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。立柱上裝有能夠上下運動的噴碗、高壓水碗、防濺水罩；機柜上有控制面板，機柜內(nèi)部裝有水箱、藥箱、水泵、藥泵及升降電機等，在排水/藥處還有水、藥分離裝置，通過控制水/藥分離電機達到切換排水、排藥閥門的目的。

　　清洗內(nèi)窺鏡的過程就是高壓噴嘴上下運動對鏡身內(nèi)外進行清洗的過程?？刂泼姘迳涎b有模式選擇開關(guān)，可以選擇清洗消毒的程序。每種模式下都是首先進行一次水洗，然后進行藥洗，最后再進行一次水洗。不同的是，模式一、二、三進行藥洗的次數(shù)分別為二、三、四次。清洗時，內(nèi)窺鏡掛在立柱頂端的掛鉤上，由于不同用途的內(nèi)窺鏡的鏡身長度不同，所以在掛鉤下方0.6m、0.8m、1.0m、1.2m處分別裝有限位開關(guān)，用以控制升降電機的行程和運行方向，可以通過控制面板上的“內(nèi)鏡長度選擇”按鈕來選擇相應(yīng)的限位開關(guān)。
2 動作要求
　　(1)準備工作：注水、注藥液。
　　(2)內(nèi)鏡長度選擇：可以選擇0.6m、0.8m、1.0m或1.2m。
　　(3)運行模式選擇：可以選擇自動清洗模式一、二、三或排藥模式。
　　(4)清洗：選擇模式一、二、三后，按啟動/停止按鈕，水藥分離電機開始工作，使水/藥閥門到位；相應(yīng)的水泵或藥泵開始工作，水泵或藥泵工作2秒后，上升電機開始工作，上升到零位后開始下降，到設(shè)定的長度；每次水/藥/水轉(zhuǎn)換時，有5秒的間隔，以便于排空水或藥液。工作過程中，可以按下啟動/停止按鈕停止工作，再次按下啟動/停止按鈕，系統(tǒng)按原狀態(tài)工作。
　　(5)排藥：按下排藥按鈕后，再按啟動/停止按鈕，開始排藥液。第一步，水閥打開，藥泵工作15秒，排空藥液；第二步，藥閥打開，水泵工作15秒，向藥箱里注水；第三步，水閥打開，藥泵工作25秒，將水排空。
　　(6)吹風、加熱：應(yīng)在清洗工作模式下進行。
3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　內(nèi)窺鏡清消機的工作環(huán)境惡劣，內(nèi)部裝有水泵、藥泵和多個電機，干擾很大，而且工作環(huán)境的溫度高、濕度大，這給清消機的控制部分提出了很高的要求。同時，有清洗、排藥、吹風和加熱等多種工作模式，需要進行順序控制、定時控制和聯(lián)鎖保護等。在本系統(tǒng)中，我們選用了SIEMENS公司的微型PLC S7－214作為控制器，它設(shè)計緊湊、可靠性高、抗干擾能力強、指令功能豐富、運算速度快，能很好地完成控制任務(wù)。利用相應(yīng)的編程軟件SETP7 Microwin32，可在計算機上進行編程和調(diào)試，并可快速下載程序，適于規(guī)模生產(chǎn)。
　　按照動作要求，控制系統(tǒng)共需要12個輸入點、10個輸出點。而S7－214有14個輸入點、10個輸出點，恰好能滿足輸入、輸出點數(shù)的要求，并且輸入有一定的余量，以便進行擴展。
　　在輸入信號中，“零位信號”和“下行限位開關(guān)信號”為立柱上的上、下行限位開關(guān)信號。對應(yīng)于不同的內(nèi)窺鏡長度，立柱下方距離零位0.6m、0.8m、1.0m和1.2m處分別裝有四個限位開關(guān)。為了節(jié)省輸入點，四個限位開關(guān)通過二極管隔離后共用一個輸入點，并且四個限位開關(guān)的設(shè)置信號也通過二極管隔離后共用一個輸入點，這樣不僅可以節(jié)省6個輸入點，而且便于編程處理。“水閥開信號”和“藥閥開信號”為排水、排藥轉(zhuǎn)換裝置上的限位開關(guān)產(chǎn)生的信號。
　　S7－214的輸出分為三組，可以分別接不同的工作電源，以適應(yīng)不同負載的要求。其中Q0.0～Q0.6的工作電源為DC24V，分別接指示燈、報警器以及控制上升、下降、水閥、藥閥和加熱的繼電器；Q0.7～Q1.1的工作電源為AC220V，分別接吹風機、水泵和藥泵。
　　S7－214的I/O分配示意圖如圖2所示。

4 軟件設(shè)計
　　本系統(tǒng)中，在進行三種模式清洗和排藥時，需要升降電機、水/藥分離電機和水泵、藥泵等多個電機按一定順序協(xié)同工作，控制任務(wù)較為復(fù)雜。為了便于編程，我們對清洗模式一、模式二、模式三和排藥等工作過程進行分析，將各種工作模式中的動作歸納成對水/藥閥門的控制、水/藥泵的控制和升降電機的控制。其中，水/藥閥門和水/藥泵的轉(zhuǎn)換由各種工作模式計數(shù)器的狀態(tài)來判斷，并且在計數(shù)器達到預(yù)設(shè)值時，產(chǎn)生停止信號。清洗過程中，根據(jù)零位開關(guān)和下行限位開關(guān)的狀態(tài)進行電機上行/下行的轉(zhuǎn)換。
　　在S7－214PLC中，與計數(shù)器相關(guān)的變量有兩個：一個是當前值，為16位符號整數(shù)，存儲累積脈沖數(shù)；另一個是計數(shù)器位，當計數(shù)器的當前值大于或等于預(yù)設(shè)值時，此位置為“1”?？梢允褂糜嫈?shù)器的地址(C+計數(shù)器號)來存取這些變量。對計數(shù)器位或當前值的存取依賴于所用的指令：帶位操作指令存取計數(shù)器位，而帶字操作的指令存取計數(shù)器的當前值。
　　在編程中，利用計數(shù)器的當前值和計數(shù)器位，可以方便地進行工作狀態(tài)的判斷。例如，在清洗模式一中，水洗一次，然后藥洗兩次，再水洗一次，清洗噴頭上、下行一次，遇到下行限位開關(guān)，產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，計數(shù)器的預(yù)設(shè)值為4。利用字節(jié)比較指令，可以對工作狀態(tài)進行設(shè)定：當Cx(x為計數(shù)器號)的當前值為0、3時，進行水洗，開水閥、開水泵；當Cx的當前值為1、2時，進行藥洗，開藥閥、開藥泵。當計數(shù)器達到預(yù)設(shè)值時，Cx的計數(shù)器位置“1”，用于產(chǎn)生停止信號。利用這種方法，可以較為方便地實現(xiàn)對各種工作模式的編程，而且如果對工作模式進行修改，也非常容易實現(xiàn)。
　　為了使系統(tǒng)工作可靠，不僅在硬件和軟件中考慮了聯(lián)鎖保護和報警功能，而且為了防止傳感器斷線或電機中間被卡住，在編程中加入了系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)視。即利用看門狗定時器的原理，用四個定時器分別監(jiān)視水/藥分離電機的運行狀態(tài)和升降電機的運行狀態(tài)，如果水、藥閥門的動作時間或上行、下行的時間超過設(shè)定值，系統(tǒng)將停止電機的工作，并進行報警。程序框圖如圖3所示。

　　在整個編程工作中，我們充分利用了SIEMENS S7－214豐富的指令，如計數(shù)器的指令、置位和復(fù)位指令以及比較指令等，為程序的編制提供了很大的方便。同時，利用上位機編程軟件SETP7 Microwin32，可在計算機上進行梯形圖編輯和程序調(diào)試，提高了工作效率。
　　內(nèi)窺鏡自動清消機的控制模式較為復(fù)雜，我們利用SIEMENS S7－214可編程序控制器來控制整個系統(tǒng)的工作，圓滿地完成了控制任務(wù)。整個系統(tǒng)工作可靠、性能穩(wěn)定，并保證了內(nèi)窺鏡的清洗、消毒的效果，提高了內(nèi)窺鏡的使用效率。
參考文獻
1 SIEMENS.SIMATIC S7－214可編程序控制器系統(tǒng)手冊
2 張曉坤.可編程控制器原理及應(yīng)用.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1998