基于可编程逻辑控制器自动控制系统的内窥镜自动洗镜机系统设计

黄小坪　郭展熊

基于可编程逻辑控制器自动控制系统的内窥镜自动洗镜机系统设计

黄小坪①郭展熊①

目的：设计基于可编程逻辑控制器(PLC)自动控制系统的内窥镜自动洗镜机系统，以提高洗镜机性能。方法：通过研究自动化洗镜机的设计原理，分析临床清洗消毒的需求，结合维修洗镜机的实践方法，设计基于PLC自动控制系统的内窥镜自动洗镜机系统。针对单片机的缺陷，采用PLC控制系统来稳定机器性能，尝试采用改善硬件材料质量，改良电气控制系统等方法提高洗镜机控制系统性能的可靠性和稳定性。结果：采用可靠性和抗干扰性高的PLC自动控制系统，实现了PLC对多个执行机构稳定的控制，提高了整个系统的实时性、抗干扰性和可靠性，提高自动化洗镜机的稳定性，感控细菌培养合格。结论：基于PLC自动控制系统的可编程控制器能够实现多个执行机构系统中稳定控制，能够满足实际内窥镜清洗消毒过程中的需要。

可编程逻辑控制器；内窥镜；洗镜机；设计；可靠性

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

目前，内镜洗镜消毒机已经成为医院中常见的医疗设备，由于内窥镜常与食道消化物和排泄物接触，病毒交叉传染性极高，故内窥镜需经过严格和复杂的消毒程序，以保障临床的安全使用[1-3]。因此，需设计一款智能运行、操作方便，又保护医护人员自身的专业洗镜设备[4-8]。

国产洗镜机与进口洗镜机性能相比差异巨大。国产洗镜机故障率较多，金属材料易腐锈，电子电路经常烧坏，控制系统经常紊乱，感控细菌培养不合格。而洗镜机功能需求复杂，内部环境和外部环境要求防腐蚀、防潮湿，故硬件和软件均要求必须运行稳定、耐用可靠。本研究根据医院在用国产洗镜机有较大改进空间的现状，通过改善硬件材料质量，改良电气控制系统等方法提高洗镜机性能，并尝试采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)控制系统来稳定机器性能[9]。

1　内窥镜自动洗镜机设计需求

根据自动化清洗消毒机的设计原理，将功能设计从手工操作的“次洗→酶洗→消毒→水洗→吹干”等复杂工作流程中解放出来[10]。内窥镜自动洗镜机设计采用如下洗镜步骤。

(1)内窥镜接上水气管。开启自动清洗消毒功能，首先启动初洗程序，进水电磁阀打开，纯净水注入水箱，由水位信号探头控制进水结束，全管道灌流冲洗3 min后将排水电池阀开启，排水后气泵工作，吹干内窥镜内部钳子管道的多余水珠。

(2)酶洗程序启动。酶泵抽酶液送入喷头对内窥镜进行冲洗，酶液和水混合全管道灌流冲洗3 min，并开启排水阀排入下水道。

(3)重复水洗功能。酶洗完成后进行重复水洗，避免遗留的酶液污染消毒液。

(4)启动消毒程序。由消毒液泵将储药箱内的消毒液送入喷头，对内窥镜进行灌流冲洗消毒5 min，回收消毒液重复使用，最后用水洗程序将残余药液冲尽，并加酒精消毒吹干[11]。清洗消毒流程如图1所示。

图1　内窥镜自动洗镜机清洗消毒流程图

2　内窥镜自动洗镜机硬件系统

内窥镜清洗过程包括自动测漏、酶洗、内部及外部管道冲洗、消毒液浸泡、灌流、漂洗、内外管道酒精冲洗以及空气吹干等步骤，以完成内窥镜清洗程序[12-14]。硬件系统为：①水气管路，包括进水管路、酶液管路、消毒液管路、酒精管路、循环灌流管路以及排水管路；②水泵，包括循环泵、酒精泵、酶泵以及消毒液泵；③电磁阀，包括进水阀、排水阀和回收阀；④吹气泵，是空气泵的一种，代表水流单向阀(止回阀)，当酶泵抽酶液时酶液不会进入消毒液泵，而单向泵进洗镜槽[15-16]。内窥镜自动清镜机水气管路如图2所示。

图2　内窥镜自动洗镜机水气管路示意图

3　内窥镜自动洗镜机控制系统

(1)以单片机为控制系统的传统洗镜机存在的主要缺陷为：①控制指令相对复杂，对于具有复杂功能的洗镜机而言，单片机控制系统不可重负；②单片机需要多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护和欠压保护等，导致运行系统不稳定，并隐含较高的故障率。

(2)PLC控制系统是可编程逻辑控制器，其功能日益强大，采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时以及计数与算术操作等，并通过数字或模拟I/O控制各种类型的机械运动过程。PLC控制系统将能克服传统洗镜机缺点，能够保证复杂繁琐的消毒程序可靠运行。本研究设计利用可编程控制器西门子PLC S7-200系列的CPU-226实现控制，对自动化洗镜机整个系统按照指令要求有条不紊地执行。电气控制系统如图3所示。

图3　内窥镜自动洗镜机电气控制系统示意图

(3)PLC控制系统在实现控制过程中，各种采样信息均通过由PLC给定的信号来决定其工作状态，再经信息线路反馈各洗镜机控制执行机构。水位开关是PLC的输入信号感应开关，进水阀、排水阀和水泵气泵是洗镜机各种动作的执行机构。水位选择有一个水位传感器用来采样水位信息，由于水位传感器输出的信号是模拟信号，通过模数转换器，再输入PLC来控制进水阀和各种水泵动作[17]。在次洗、酶洗、消毒液洗以及末洗的流程中，其时间是由PLC内的计数器和定时器中的参数控制，只要改变参数大小即可改变流程的时间长短，见表1。

表1　可编程序控制器S7-200 CPU-226 I/O分配表

4　内窥镜自动洗镜机实验效果评价

提供应用实践评价基于PLC控制系统设计的内窥镜自动洗镜机的效果，内窥镜自动洗镜机系统设计已达到预期目的，主要体现在以下方面。

(1)有效提高系统的整体性能。由西门子公司提供的PLC S7-200系列工业产品组成的自动控制系统具有自动化程度高、控制精度高、丰富的I/O接口、可靠性高、安装简单以及维修方便等优点。按照电气控制系统结构图将PLC、驱动板和所有执行机构连接好，建立PLC与执行机构之间的通讯，通过对该系统的通信设计调试，实现了PLC对多个执行机构稳定的控制，提高了整个系统的实时性、抗干扰性和可靠性，内窥镜自动洗镜机系统设计达到了预期的目的。

(2)有效避免系统设计的各项弊端。完整的内窥镜自动洗镜机系统不仅需要考虑控制系统稳定耐用，也要考虑执行机构运行经久耐用，而自动洗镜机设计中普遍存在的问题为：①由于清洗消毒机处于非常潮湿的环境中，且机器内部长期浸有消毒液和酶液，对机器钢铁架构、PCB电路板及电机运动部分的腐蚀性极强，易导致铁铜等金属性材料很快生锈，故在防潮防湿、耐腐蚀的金属材料设计中采取相关解决方案；②由于机器内部水气管路复杂，且长期在腐蚀性极高的环境中，水气管路经常破裂漏水，可能会喷到电路板上，引起电路板烧坏，故选用确保质量可靠耐用的水管气管材料；③由于消毒槽通常置于机器的顶端，电路电机置于机器的底端，消毒槽里的水和消毒液受自然重力影响，水和消毒液顺管道灌到水泵或气泵，导致水泵或气泵短路烧坏，故设计中增加了水单向阀的应用[18]。

5　结语

本研究在分析功能需求及总结对洗镜机故障维修实践的基础上，对洗镜机做出改进，设计出基于PLC控制系统、可提高循环泵功率以及更换质量较好的管道材料的内窥镜自动洗镜机系统，机器稳定性能明显提高，感控细菌培养合格。

内窥镜自动洗镜机功能需求复杂，内部环境要防腐蚀，外部环境要防潮湿，因此硬件和软件必须运行稳定和耐用可靠，而要设计一款高智能化、运行稳定的控制系统，实践表明PLC控制系统是提高内镜消毒系统自动化性能的一种优越和可靠的方法。

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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

黄小坪,男,(1988- ),本科学历，工程师。广州市番禺区中心医院设备科，从事医疗装备维修与管理工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.003

①广州市番禺区中心医院设备科 广东 广州 511400

2016-06-20