基于S7-1200PLC 的小便池尿液檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮越，李自成，張恒瑜，黃孝鈔，廖國(guó)寧

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 641000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活質(zhì)量的提升以及人口的增加，人民對(duì)于自身健康的認(rèn)知有著顯著的提高。所以人們需要體檢來(lái)了解自己身體的情況，而人的尿液狀況可以直接反映諸多身體的健康狀況，尿液可以反映是否存在腎臟疾病、腎外病變、肝膽疾病、糖尿病等疾病，尿液檢測(cè)對(duì)于提前發(fā)現(xiàn)這些疾病以及健康狀態(tài)評(píng)估有較大的作用，所以定期尿檢是非常重要的，但現(xiàn)代人覺(jué)得尿檢耗費(fèi)時(shí)間多，尿檢過(guò)程繁瑣，提取尿檢過(guò)程尷尬，從而對(duì)尿檢避而遠(yuǎn)之，如果將小便池與尿液檢測(cè)裝置結(jié)合在一起，更能提起人們對(duì)尿液檢測(cè)的積極性，并且，相當(dāng)于醫(yī)院的尿液檢測(cè)，更加簡(jiǎn)便，節(jié)約成本，耗時(shí)短。本文基于S7-1200PLC 模塊設(shè)計(jì)具有尿液檢測(cè)功能的小便池，系統(tǒng)能夠在人們小便時(shí)自動(dòng)完成尿液檢測(cè)，并通過(guò)S7-1200PLC 控制檢測(cè)模塊將檢測(cè)結(jié)果反饋在顯示屏上，人們可以通過(guò)觀看顯示屏上反饋的數(shù)據(jù)來(lái)了解自己身體的狀況，系統(tǒng)制造以及運(yùn)行成本低，實(shí)時(shí)通信可靠，操作便捷。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于S7-1200PLC 的小便池尿液檢測(cè)系統(tǒng)主要由控制模塊與硬件模塊構(gòu)成，控制模塊主要由S7-1200CPU控制器模塊、電源模塊、通信模塊、信號(hào)模塊構(gòu)成，而硬件模塊主要由電機(jī)模塊、舵機(jī)模塊、檢測(cè)模塊和清潔消毒模塊構(gòu)成[1]。模塊化能夠方便模塊間組合、分解，方便單個(gè)模塊功能調(diào)試、升級(jí)，通過(guò)S7-1200CPU控制器對(duì)電源模塊、通信模塊和信號(hào)模塊進(jìn)行相連，通過(guò)控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)模塊、舵機(jī)模塊的啟動(dòng)，使尿液試紙進(jìn)入檢測(cè)模塊中，檢測(cè)模塊將檢測(cè)結(jié)果反饋在顯示屏上，最后清潔消毒模塊進(jìn)行清洗消毒。

1.1.1 S7-1200CPU 控制器

S7-1200CPU 控制器可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的自動(dòng)化任務(wù)，S7-1200CPU 控制器實(shí)現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大，適用于各種應(yīng)用，可拓展性強(qiáng)，具有集成的PROFINET 接口，并提供10/100 兆比特/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。S7-1200CPU 系統(tǒng)有三種不同的模塊，分別為CPU 1211C、CPU 1212C 和CPU 1214C，其中的每種模塊都可以進(jìn)行擴(kuò)展，可將信號(hào)模塊連接至CPU 的右側(cè)，CPU 1212C 可連接2 個(gè)信號(hào)模塊，CPU 1214C 可連接8 個(gè)信號(hào)模塊，為了節(jié)省控制面板的空間，經(jīng)過(guò)測(cè)量CPU 1214C 的寬度僅為110mm，CPU 1212C 和CPU 1211C 的寬度僅為90mm，在安裝過(guò)程中，該模塊化的緊密系統(tǒng)節(jié)省了寶貴的空間，S7-1200CPU 為用戶程序界提供多達(dá)50KB 的集成工作內(nèi)存[2]。同時(shí)提供多達(dá)2MB 的集成加載內(nèi)存和2KB 的集成記憶內(nèi)存。在本設(shè)計(jì)中S7-1200CPU 控制器作為整個(gè)裝置的核心。

1.1.2 電源模塊

電源模塊的穩(wěn)壓電源輸入120/230V AC，輸出24V DC/2.5 A，有著連接到工業(yè)以太網(wǎng)的4 個(gè)RJ45 插口，連接頂部的外部24V 直流電源的3 插入式端子排，增加多達(dá)3 個(gè)的連接節(jié)點(diǎn)。集成的autocrossover 功能允許使用非交叉連接電纜。電源模塊作為此設(shè)計(jì)的電源輸入、輸出。

1.1.3 通信模塊

通信模塊簡(jiǎn)單遠(yuǎn)程控制應(yīng)用，使用通信處理器CP 1242-7 可以通過(guò)簡(jiǎn)單的集線器或互聯(lián)網(wǎng)同時(shí)監(jiān)視和控制分布式的S7-1200 單元。集成的PROFINET 接口用于編程、HMI 通信和PLC 間的通信。

提供10/100Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率[3]，此模塊作為連接S7-1200PLC 間的通信。

1.1.4 信號(hào)模塊

信號(hào)模塊作為PLC 的信號(hào)輸入、輸出，除了現(xiàn)有的集成數(shù)字量輸入/輸出之外，數(shù)字?jǐn)U展模塊還可以提供更多的數(shù)字量輸入/輸出使用選項(xiàng)，信號(hào)模塊可以使用帶有8 個(gè)、16 個(gè)和32 個(gè)輸入/輸出通道的模塊，通過(guò)信號(hào)板可以對(duì)S7-1200 CPU 進(jìn)行模塊化擴(kuò)展[4]，信號(hào)模塊作為此設(shè)計(jì)的信號(hào)輸入、輸出。

1.1.5 電機(jī)模塊

電機(jī)模塊使用42 步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為TB6600，輸入電壓為DC 9-42V，電流為4A 以下二相步進(jìn)電機(jī)，有著過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、短路等保護(hù)。

1.1.6 舵機(jī)模塊

舵機(jī)模塊使用數(shù)字舵機(jī)，最小控制角度達(dá)到0.9°以下，型號(hào)為RDS3115，電壓為4.8V～6.8V，工作頻率在50Hz～330Hz，控制精度在3us，重量約為60g，舵機(jī)控制精度高、線性度好、與控制協(xié)議嚴(yán)格一致，散熱塊，耐用更高。

1.1.7 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊使用尿液分享儀CMU-060，測(cè)定原理為冷光源反射測(cè)定原理，工作環(huán)境為0℃～40℃，RH 為30%～50%，重量約為0.4kg，可測(cè)試的項(xiàng)目為：白細(xì)胞、尿膽原、蛋白質(zhì)、膽紅素、葡萄糖、抗壞血酸、尿比重、亞硝酸鹽、隱血、pH 值以及尿微量白蛋白和肌酐等，適應(yīng)尿試紙型號(hào)為11T/10T/8T/2T/2CE[5]。可存儲(chǔ)20000份樣本。

1.2 工作原理

在需要檢測(cè)尿液成分的用戶如廁過(guò)后，尿液會(huì)進(jìn)入收集箱的內(nèi)部，并且此時(shí)第三步進(jìn)電機(jī)工作進(jìn)而帶動(dòng)第一齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將存儲(chǔ)盒內(nèi)試紙帶到主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間，之后第二步進(jìn)電機(jī)工作帶動(dòng)第二齒輪旋轉(zhuǎn)[6]，從而將試紙送到檢測(cè)板上，此時(shí)水泵工作將尿液通過(guò)排尿管輸送到試紙上，之后第一步進(jìn)電機(jī)工作進(jìn)而通過(guò)螺紋桿來(lái)帶動(dòng)活動(dòng)塊向左側(cè)移動(dòng)，從而將試紙輸送到檢測(cè)裝置內(nèi)部通過(guò)尿液分析儀進(jìn)行尿液檢測(cè)[7]，檢測(cè)完畢之后第一步進(jìn)電機(jī)回轉(zhuǎn)從而將檢測(cè)板上的試紙取出，之后通過(guò)第一步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的配合左右從而將檢測(cè)板移動(dòng)到垃圾桶上方并傾倒，該裝置位置復(fù)原后，沖水管出消毒水沖洗檢測(cè)板，并且沖洗消毒水通過(guò)檢測(cè)框和導(dǎo)管進(jìn)入尿液收集箱內(nèi)部，此時(shí)電磁閥打開(kāi)，從而可以對(duì)集液箱進(jìn)行沖洗消毒[8]。具體工作原理圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 使用流程

此設(shè)計(jì)在用戶進(jìn)行小便時(shí)。根據(jù)用戶的需要來(lái)選擇是否進(jìn)行尿液檢測(cè)，當(dāng)用戶需要尿檢時(shí)，用戶可以手動(dòng)按鈕來(lái)進(jìn)行尿檢，S7-1200PLC 發(fā)布指令，開(kāi)始控制各個(gè)模塊，尿檢進(jìn)入收集箱，最終與滑動(dòng)塊上的試紙相結(jié)合進(jìn)入尿檢裝置中，等待尿檢結(jié)果反饋給S7-1200CPU 再顯示在顯示屏上，用戶就可以看見(jiàn)自己尿液中的各項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)與正常的指標(biāo)含量進(jìn)行對(duì)比，用戶就可以了解自己的身體狀況，然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)的治療，完成尿液檢測(cè)后，S7-1200CPU 收到信號(hào)，開(kāi)始進(jìn)行沖水消毒，保障下一個(gè)用戶進(jìn)行尿液檢測(cè)時(shí)不會(huì)發(fā)生交叉感染。此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小便池的改革創(chuàng)新，把小便池從一個(gè)如廁工具變成了一個(gè)醫(yī)療器具，節(jié)省了人力物力，節(jié)約了時(shí)間，讓更多人都能盡快了解自己的狀況，及時(shí)對(duì)癥下藥[9]。具體流程如圖2 所示。

圖2 用戶使用尿檢小便池流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于S7-1200PLC 的小便池尿液檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用S7-1200CPU 作為控制器，利用紅外傳感器控制電磁閥收集尿液，利用舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)完成試紙的推出和檢測(cè)板的移動(dòng)，利用尿液檢測(cè)儀來(lái)進(jìn)行尿液檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果將反饋給S7-1200PLC，結(jié)果顯示在顯示屏上，最后S7-1200CPU 控制清潔裝置，對(duì)小便池進(jìn)行清潔、消毒。在S7-1200CPU 的控制下，各模塊順利工作，完美聯(lián)動(dòng)，讓用戶在小便時(shí)就能順利、輕松地完成尿液檢測(cè)，有效地提高了人們的尿檢積極性，也節(jié)省了人力成本，讓用戶能更快地了解自己的身體狀況。