基于PLC食品檢測實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)加液裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓 慧 倪榮軍 孫計(jì)贊

H AN Hui 1 NI Rong－jun 2 SUN Ji－zan 2

（1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049；2.淄博出入境檢驗(yàn)檢疫局，山東 淄博 255031）

（1.Shandong University of Technology，Zibo，Shandong 255049，China；2.Zibo Entry－Exit Inspection and Quarantine Bureau，Zibo，Shandong 255031，China）

近年來，食品安全是世界各國較為關(guān)注的問題，對各類食品及與食品接觸有關(guān)的產(chǎn)品的檢測需求日益增加，檢測時(shí)需要對大批量的樣品加液浸泡，以完成前期處理工作?，F(xiàn)行的浸泡裝置主要是在浸泡柜中對樣品進(jìn)行浸泡液的添加，由操作人員將調(diào)配好的浸泡液手工傾倒到盛放樣品的容器中，沒有實(shí)現(xiàn)過程的自動(dòng)化，由于浸泡液大多具有較大的毒性，人工添加會(huì)對操作人員的身體造成較大的危害，同時(shí)有機(jī)溶劑揮發(fā)的幾率增大，污染環(huán)境。因此設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)加液的裝置，利用PLC的工業(yè)控制，可以實(shí)現(xiàn)從溶液稀釋配置到定量定點(diǎn)添加以及廢液自動(dòng)中和的全自動(dòng)化。這樣就可以盡量減少有毒有害的物質(zhì)對人的危害，又可以改善工作環(huán)境，從而提高檢測效率。

1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該裝置主要由3部分組成，溶液配制、體積計(jì)量及輸送裝置、自動(dòng)加注裝置和廢液中和裝置。采用防腐蝕材料存貯去離子水、標(biāo)準(zhǔn)溶液、配制后溶液以及浸泡后廢液，通過液晶顯示屏輸入計(jì)算好的標(biāo)準(zhǔn)溶液以及去離子水的體積，使用陶瓷原料的輸送泵在配制容器中配制一定濃度的溶液，延遲后進(jìn)行攪拌，并設(shè)計(jì)輔助裝置檢測水及標(biāo)準(zhǔn)溶液的余量，確保所需溶液的供給并保證其濃度值。將需要加液樣品的位置固定，裝置具體可以通過行數(shù)、列數(shù)、行間距、列間距等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算［1］，確定坐標(biāo)后輸入?yún)?shù)，用可控流量的加液槍實(shí)現(xiàn)依次加液。

圖1 裝置組成結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溶液配制裝置

配制試驗(yàn)所需要的一定濃度的溶液，并有專門的容器盛放標(biāo)準(zhǔn)的高濃度母液和去離子水，配有攪拌器和攪拌箱體及存儲(chǔ)容器。按照配制溶液的濃度計(jì)算好所需高濃度母液和去離子水的比例，通過液晶顯示屏輸入數(shù)據(jù)，抽取裝置會(huì)按照要求抽取母液和水進(jìn)入攪拌箱體，延遲后進(jìn)行攪拌，攪拌后送入存儲(chǔ)容器中。存儲(chǔ)容器內(nèi)置液位傳感器，當(dāng)剩余量不足容器容積的一半時(shí)進(jìn)行新一輪的溶液配制。攪拌箱體的容積為存儲(chǔ)容器容積的1／2，這樣可以保證存儲(chǔ)容器內(nèi)溶液既不會(huì)為空也不會(huì)外溢。同時(shí)也設(shè)計(jì)程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測高濃度母液及去離子水的剩余量［2］，以保證配置工作的順利進(jìn)行。

2.2 加液體積計(jì)量及輸送裝置

將精密流量計(jì)分別安裝在輸送去離子水的管路和輸送配制母液的管路以及配置好溶液的輸送管路上。此部分的核心部件為可以控制流量的加液槍，其內(nèi)部為步進(jìn)電機(jī)控制的磁力驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵，通過設(shè)定的流量和流過時(shí)間精確的控制加液量。操作人員在外部的觸摸屏上按照條件鍵入需要加注的加液量，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，并將計(jì)算值送入軟件程序?qū)崿F(xiàn)控制。如圖2所示對模塊M7.3的plc編程可以固定磁力驅(qū)動(dòng)泵的流量為一個(gè)固定值，網(wǎng)絡(luò)3中可調(diào)模塊輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)使加液時(shí)間為可調(diào)值，T130及T121分別輸送固定參數(shù)和可調(diào)時(shí)間參數(shù)，按規(guī)定的送入管道內(nèi)的溶液通過加液槍對每個(gè)點(diǎn)的樣品進(jìn)行加液，并通過定位參數(shù)規(guī)定加液槍的運(yùn)行軌跡［3］。

2.3 自動(dòng)加注裝置

整個(gè)系統(tǒng)在X、Y方向安裝了兩臺(tái)高達(dá)100 k Hz的高速脈沖輸出控制步進(jìn)電機(jī)，與PLC控制模塊相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場高精度的位置定位，兩套步進(jìn)電機(jī)結(jié)合絲桿、連桿以及滑桿的控制方式，可以保證注射口穩(wěn)定勻速運(yùn)動(dòng)。采用步進(jìn)電機(jī)和x、y、z導(dǎo)軌相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)多個(gè)檢測樣品的加液工作。x、y、z定位通過控制模塊加以設(shè)計(jì)，圖3為z方向的定位原理，通過對c30模塊的參數(shù)設(shè)定，自動(dòng)控制z方向?qū)к壍倪\(yùn)行軌跡。同樣可以控制x、y方向的精確定位［4，5］。

圖2 加液計(jì)量控制原理圖Figure 2 Liquid metering control principle diagram

圖3 z方向?qū)к壙刂圃韴DFigure 3 The Z direction guide rail control principle

步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)［6］，它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或角位移的開環(huán)控制元件。它的工作原理是利用電子電路，分時(shí)供電和多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，不過載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而負(fù)載的變化對其沒有任何影響。正是這一線性關(guān)系的存在，以及步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差卻無誤差累積等特點(diǎn)。使步進(jìn)電機(jī)在速度調(diào)節(jié)、位置的精確控制領(lǐng)域的應(yīng)用變得十分簡單。選用步進(jìn)電機(jī)來調(diào)速范圍一般較大，并且功率是不固定的，所以只用力矩作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量步進(jìn)電機(jī)。通過計(jì)算力矩與功率間的線性關(guān)系，選用了電感小電流大的步進(jìn)電機(jī)。

2.4 廢液中和裝置

實(shí)驗(yàn)室對各類食品及接觸材料樣品進(jìn)行浸泡，液體中揮發(fā)性的有毒物質(zhì)會(huì)對工作人員和實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境造成影響，采用單個(gè)浸泡室側(cè)壁頂部開孔抽風(fēng)排氣，動(dòng)力采用氟塑料排氣扇，通過管道將廢氣排入裝有中和液體的密閉容器，避免了溶液的揮發(fā)氣。同時(shí)對于檢測后廢液的排放設(shè)計(jì)安裝了廢液回收裝置，該裝置上層為穿孔不銹鋼板，下層為后傾斜式不銹鋼斜面，后側(cè)為廢液集中槽。當(dāng)余液倒入工作臺(tái)上后，余液將通過工作臺(tái)上的小孔進(jìn)入廢液集中槽，廢液集中槽中安裝有液位檢測裝置，到達(dá)預(yù)設(shè)液位則排入中和系統(tǒng)進(jìn)行廢液中和［7］。中和后溶液達(dá)到液位檢測裝置的設(shè)置高度后，PLC根據(jù)信號反饋?zhàn)詣?dòng)控制排液電磁閥門工作，將中和后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的廢液排放到排水管道，避免了廢液隨意排放對環(huán)境的影響。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

采用如今國際上最為流行的德國西門子公司的PLC S7－300作為控制核心部件，是具有可編程性，有其自己的軟件編程語言，主要來完成邏輯控制的工業(yè)控制器。其自身帶有可存儲(chǔ)程序的ROM，可以隨時(shí)通過軟件語言進(jìn)行修改固化，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適用性強(qiáng)，能耗低，維護(hù)方便，容易改造。軟件模塊化設(shè)計(jì)見圖4，分功能模塊、監(jiān)測模塊和錯(cuò)誤修正模塊3個(gè)功能部分，KA0及KA1部分為功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)加液裝置的各個(gè)必要功能，包括稀釋、計(jì)量輸送、定位及中和等；KA2及KA3部分為檢測模塊，主要對各部分裝置的液位及中和部分的酸堿性進(jìn)行監(jiān)測；KA4及KA5部分為錯(cuò)誤修正模塊，程序運(yùn)行錯(cuò)誤自動(dòng)轉(zhuǎn)到此部分進(jìn)行修正，防止進(jìn)入死循環(huán)。各模塊使用24 V電壓供電，各部分使用高效可移植的plc語言進(jìn)行串聯(lián)及控制。

圖4 軟件模塊設(shè)計(jì)圖Figure 4 The software module design

4 結(jié)語

本裝置的核心控制部件為PLC主控單元，最直接的對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析；操作部分使用觸摸屏作為人機(jī)界面，直觀化和人性化設(shè)計(jì)，操作比較簡便可靠；執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用步進(jìn)電機(jī)和燕尾型軌道來對動(dòng)作進(jìn)行精確的定位，這樣可以減少誤差；采用全部密封、無液體泄漏、且耐腐蝕性高的磁力計(jì)量驅(qū)動(dòng)泵來完成精確計(jì)量輸送，能夠?qū)崿F(xiàn)從溶液的混合到精確加注的自動(dòng)化過程，能夠?qū)崿F(xiàn)溶液配制的自動(dòng)稀釋和自動(dòng)中和，能夠?qū)崿F(xiàn)食品及接觸材料在不同位置的多點(diǎn)控制加液。本裝置可以較好的替代以前人力所從事的工作，減少人力成本，最為關(guān)鍵的是對試驗(yàn)人員的人身安全起到防護(hù)作用，且已在國家質(zhì)檢系統(tǒng)食品及食品接觸材料實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)應(yīng)用，反映良好。

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