基于Android與PLC的采血管貼標(biāo)系統(tǒng)的研制

李欽林

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院工學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引言

當(dāng)前,在醫(yī)院血樣采集處，采集工作基本由護(hù)士手工完成，手工完成打印標(biāo)簽、粘貼標(biāo)簽和抽血的工作。這種操作方式使護(hù)士的工作強(qiáng)度大，容易出現(xiàn)采血管標(biāo)簽錯貼和漏貼的錯誤，且效率低[1-2]。針對該情況，本文開發(fā)一套采血管貼標(biāo)系統(tǒng)用于減輕護(hù)士工作強(qiáng)度，提高自動化水平，減少出錯情況。該控制系統(tǒng)采用安卓工控機(jī)連接掃碼槍[3-4]、醫(yī)院信息系統(tǒng)、PLC和打印機(jī)，作為控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和信息中樞；采用板式PLC作為控制核心[5]，依據(jù)工控機(jī)信息控制機(jī)械手、電磁鐵夾爪和電動夾爪等部件協(xié)調(diào)動作；小型電動夾爪作為抓取機(jī)構(gòu)，從不同滑槽抓取采血管；熱敏打印機(jī)作為不干膠標(biāo)簽打印設(shè)備。經(jīng)測試，該系統(tǒng)各部件動作協(xié)調(diào)，整體穩(wěn)定可靠，可完成病人編號掃碼、網(wǎng)絡(luò)讀取檢測項目信息、標(biāo)簽打印和自動貼標(biāo)等過程。

1 真空采血管自動貼標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動貼標(biāo)設(shè)備由滑槽、機(jī)械手、打印機(jī)1號、打印機(jī)2號、夾爪及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)組成；其中，機(jī)械手由提升機(jī)構(gòu)、電動夾爪和旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂組成；夾爪為三爪結(jié)構(gòu)，一根在電機(jī)帶動下進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動采血管轉(zhuǎn)動，起到關(guān)鍵的貼標(biāo)作用，一根在電磁鐵帶動下繞點旋轉(zhuǎn)，起到夾緊作用，最后一根為從動，輔助另外2根完成動作。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制系統(tǒng)需從醫(yī)院信息系統(tǒng)獲得病人信息，從而控制機(jī)械手、打印機(jī)1號、打印機(jī)2號和夾爪協(xié)調(diào)完成標(biāo)簽打印和貼標(biāo)。系統(tǒng)主要由掃碼槍、上位機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)1號、打印機(jī)2號、PLC、電動夾爪、步進(jìn)驅(qū)動和光電開關(guān)組成，具體組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)配合設(shè)備需完成如下功能：

a.由操作人員手動把不同顏色采血管按規(guī)定放置到滑槽里。最多可放8種顏色，對應(yīng)8條滑槽。也可靈活配置滑槽顏色，即多條滑槽為同種顏色。

b.上位機(jī)通過掃描槍掃描病人的排隊二維碼，解析病人編號信息，根據(jù)編號信息通過以太網(wǎng)從醫(yī)院服務(wù)器取得病人待檢信息，然后向PLC控制器發(fā)送開始命令及滑槽號。

c.PLC依據(jù)開始命令及滑槽號，控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)到指定編號滑槽，控制提升機(jī)構(gòu)降到指定高度，控制電動夾爪閉合抓取對應(yīng)顏色采血管，通過光電開關(guān)判定成功抓取試管，成功則提升到上限位；然后旋轉(zhuǎn)送達(dá)夾爪工位，PLC控制電磁鐵動作，夾緊采血管，并向上位機(jī)反饋完成信號。

d.上位機(jī)向打印機(jī)1號和PLC發(fā)送打印開始信號，并向打印機(jī)發(fā)送需打印信息，打印機(jī)開始打印；同時PLC控制夾爪處的主動輥帶動采血管滾動，打印機(jī)適時打印剝離標(biāo)簽。

e.采血管在主動輥帶動下，標(biāo)簽粘貼在采血管上。

f.粘貼完成，PLC控制電磁鐵松開夾爪，釋放采血管，采血管從出料槽處滑落。

g.經(jīng)人工判斷，需補(bǔ)打病人標(biāo)簽，可通過鍵盤和鼠標(biāo)操作上位機(jī)完成信息設(shè)置，通過打印機(jī)2號進(jìn)行補(bǔ)打。

h.設(shè)置顯示器對病人信息、打印信息和通信信息進(jìn)行顯示或配置。

2 主要模塊選型

貼標(biāo)機(jī)為置于普通辦公桌上使用的小型設(shè)備，所以在選型時優(yōu)先選用體積小的模塊。上位機(jī)采用MC-B301安卓嵌入式工控機(jī)，完成醫(yī)院信息系統(tǒng)與PLC之間的信息傳遞，向打印機(jī)發(fā)送打印信息。

PLC控制器采用DCX2N-24MT型板式PLC，完成機(jī)械手控制[6-7]和打印夾爪控制等。

打印機(jī)1號需使用帶剝標(biāo)功能的熱敏打印機(jī)，故選用MS-LP212B；打印機(jī)2號選用MS-NP802型熱敏打印機(jī)；電動夾爪選用EFG-8小型機(jī)械手[8]；掃碼槍選用NLS-HR32 PLUS V5。

3 軟件設(shè)計

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)采用Android Studio作為軟件開發(fā)平臺，軟件主要由5個部分組成，具體如圖3所示。所有模塊的控制、采集信息匯總到主交互界面和通信設(shè)置界面。

圖3 上位機(jī)軟件總體結(jié)構(gòu)

3.2 PLC軟件設(shè)計

根據(jù)本控制系統(tǒng)的功能和要求，對PLC的I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

采用三菱的GX Works2對PLC進(jìn)行編程，利用梯形圖語言進(jìn)行編程，采用結(jié)構(gòu)化程序法進(jìn)行設(shè)計。通過主程序調(diào)用抓取和打印子程序完成整個流程，主程序流程如圖4所示。其中，機(jī)械手控制模塊使用絕對定位指令來完成機(jī)械手的定位控制[9-11]。

圖4 主程序流程

抓取子程序主要完成采血管抓取，并送到電磁鐵夾爪處，控制夾爪準(zhǔn)確夾住采血管，然后把結(jié)果反饋給上位機(jī)。程序流程如圖5所示。

圖5 采血管抓取子程序

打印子程序主要完成采血管打印，并釋出采血管到流轉(zhuǎn)盒，然后把結(jié)果反饋給上位機(jī)。程序流程如圖6所示。

圖6 打印子程序

4 設(shè)備性能測試對比

設(shè)備在某醫(yī)院現(xiàn)場經(jīng)過1個月測試運行，已達(dá)到文中所述功能要求。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)：單根采血管打印貼標(biāo)完成時間為9 s；連續(xù)打印超過2根采血管，第1根采血管打印完成時間為9 s，后續(xù)每根平均出管時間縮短為6 s。設(shè)備基本滿足現(xiàn)場使用要求。

在測試中做了部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計，具體如表2所示，總失誤率為所有失敗情況總數(shù)與總打印量的比值。從表2可知，打印過程中存在抓管不成功、抓起后掉落和貼標(biāo)不符合標(biāo)準(zhǔn)等失敗情況，由于控制系統(tǒng)合理配置相應(yīng)傳感器以及相互通信確認(rèn)，可準(zhǔn)確判斷各種失敗情況，并進(jìn)行自動補(bǔ)打，始終保證可獲得正確數(shù)量和正確貼標(biāo)的采血管。

表2 可靠性統(tǒng)計分析表

相比人工方式，本設(shè)備打印貼標(biāo)效率有顯著提升。人工打印貼標(biāo)方式，平均打印貼標(biāo)時間超過53 s，因護(hù)士6采血時間過長而排除，其余護(hù)士平均打印貼標(biāo)時間占總時間的占比超過34%[12]；應(yīng)用本設(shè)備后平均時間為15.1 s，占比降低到12.6%，具體數(shù)據(jù)如表3所示。在護(hù)士采血時間不變的情況下，同樣采血工作量，本設(shè)備可縮短打印貼標(biāo)時間，顯著降低護(hù)士的工作總時長，降低護(hù)士工作強(qiáng)度。在現(xiàn)今采血護(hù)士普遍工作強(qiáng)度很大的情況下[1]，降低護(hù)士工作強(qiáng)度具有重要意義。

表3 人工與設(shè)備打印貼標(biāo)效率對比

相比人工方式，應(yīng)用本設(shè)備后錯誤率有顯著降低，人工方式出錯率超過17.7%[12]，本設(shè)備出錯率降低到0，具體數(shù)據(jù)如表4所示。表4中,人工操作，即由護(hù)士完成病人信息錄入、打印標(biāo)簽和粘貼標(biāo)簽工作；設(shè)備操作，即由本文論述設(shè)備進(jìn)行掃碼錄入信息、打印標(biāo)簽和粘貼標(biāo)簽工作。錯誤數(shù)是采血管選取錯誤數(shù)、錯貼試管條碼數(shù)、漏貼試管條碼數(shù)之和，其他錯誤不歸入本表。錯誤率為上述錯誤數(shù)與不合格總數(shù)的比值。

表4 人工與設(shè)備打印貼標(biāo)錯誤率對比表

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了采血管貼標(biāo)設(shè)備配套的控制系統(tǒng)，采用安卓工控機(jī)，相比傳統(tǒng)Windows系統(tǒng)工控機(jī)，具有成本低的優(yōu)勢；采用板式PLC，相比傳統(tǒng)PLC具有體積小的優(yōu)勢。通過Android Studio和GX Works2軟件平臺開發(fā)了控制核心的配套程序。經(jīng)驗證，整個系統(tǒng)控制貼標(biāo)機(jī)協(xié)調(diào)動作，達(dá)到預(yù)想目標(biāo)，顯著提高了效率，降低了出錯概率。該設(shè)備具有較高的應(yīng)用價值。