微型干法制粒機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常宏杰，楊 光，岳彥芳

（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

干法制粒機(jī)是在制藥、食品和保健品行業(yè)應(yīng)用的一種生產(chǎn)設(shè)備，其功能是將粉末狀的原料進(jìn)行擠壓、破碎、篩分后得到一定顆粒度的物料，目的是增加物料密度，改善流動(dòng)性，方便后續(xù)生產(chǎn)工藝的進(jìn)行[1]。目前，正式生產(chǎn)用的干法制粒機(jī)均采用連續(xù)送料，最小給料量都在幾十千克以上，且設(shè)備體積龐大，不適合在實(shí)驗(yàn)室使用。現(xiàn)根據(jù)客戶需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適合進(jìn)行藥品工藝實(shí)驗(yàn)的微型干法制粒機(jī)，其最小給料量低至1千克左右，采用單相電源供電。本文詳細(xì)介紹該設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1 干法制粒工作原理及控制要求

微型干法制粒機(jī)外觀如圖1所示，其制粒工藝過(guò)程如圖2所示。粉末狀原料經(jīng)豎直螺桿和水平螺桿輸送到壓輥處，螺桿具有輸送和預(yù)壓縮雙重作用。由于壓輥后端有液壓缸對(duì)壓輥施加一定作用力，當(dāng)物料經(jīng)過(guò)壓輥時(shí)被擠壓成薄片，再經(jīng)過(guò)整粒裝置將薄片破碎并通過(guò)指定目數(shù)的篩網(wǎng)得到顆粒狀物料。

圖1 微型干法制粒機(jī)設(shè)備

圖2 干法制粒機(jī)工藝過(guò)程

由于影響制粒效果的因素主要有送料轉(zhuǎn)速、壓輥轉(zhuǎn)速和壓輥壓力，因此要求豎直螺桿、水平螺桿及壓輥要能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，壓輥處液壓缸壓力應(yīng)連續(xù)可調(diào)。另外，作為實(shí)驗(yàn)機(jī)，需要將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄下來(lái)，并能存檔和打印。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于以上工藝過(guò)程和控制要求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用西門子S7-200 Smart系列PLC作為主控單元[2]，其中CPU模塊選用SR20，其集成有12個(gè)數(shù)字量輸入，8個(gè)數(shù)字量輸出。選用一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊EM AI04接收壓輥位移傳感器和液壓缸壓力傳感器的測(cè)量信號(hào)。變頻器選擇西門子V20系列單相變頻器，便于實(shí)驗(yàn)室電源供電。

為盡量減少控制系統(tǒng)占用空間，使設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)降低硬件成本，利用CPU模塊集成的RS485通信口和三臺(tái)西門子V20單相變頻器RS485通信口連接構(gòu)成Modbus通信網(wǎng)絡(luò)[3]。變頻器的啟停、速度給定及故障報(bào)警等信號(hào)都通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)，減少了PLC輸入輸出通道數(shù)量和硬件連線。為避免電磁干擾對(duì)通信的影響，通信總線兩端需連接終端電阻，各通信站點(diǎn)做好共地連線。

壓輥上壓制力通過(guò)檢測(cè)液壓管路壓力間接獲得，選用杭州美控公司的MIK-P300系列，量程0～30MPA，輸出0～10V電壓信號(hào)。

壓輥位移測(cè)量用于監(jiān)測(cè)壓片厚度，選用德國(guó)VOLFA公司LTD-10電子尺，量程10mm，重復(fù)精度0.01mm，輸出0～10V電壓信號(hào)。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

同樣基于減少空間的考慮，選用Pro-face公司5.7英寸GP-4301TW觸摸屏，其和PLC之間利用各自集成的以太網(wǎng)口通訊。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序、手動(dòng)子程序、自動(dòng)子程序、通訊子程序、壓力控制子程序和報(bào)警處理子程序。其中，手動(dòng)子程序主要在檢修和調(diào)試時(shí)使用，可單獨(dú)啟停每一電機(jī)；自動(dòng)子程序主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下各電機(jī)的順序延時(shí)啟停；壓力控制主要通過(guò)液壓泵的啟停和泄壓電磁閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)壓輥上的壓力穩(wěn)定，并能連續(xù)可調(diào)。報(bào)警處理子程序用于故障發(fā)生時(shí)的緊急停止和觸發(fā)文字、聲光報(bào)警信號(hào)。上述程序主要是常規(guī)的邏輯控制，在此不再贅述，現(xiàn)介紹一下PLC和三臺(tái)變頻器之間的通信程序。

在該Modbus通信網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)定PLC為通信主站，三臺(tái)變頻器分別為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)從站。S7-200 Smart系列PLC提供有Modbus RTU主站指令庫(kù)，通過(guò)在用戶程序中調(diào)用該指令庫(kù)中各種子程序即可實(shí)現(xiàn)和從站的通信。編程時(shí)最基本的通訊指令有MBUS_CTRL指令和MBUS_MSG指令，如圖4所示。其中MBUS_CTRL指令完成主站通訊參數(shù)的初始化設(shè)置，如協(xié)議選擇、波特率、校驗(yàn)方式等，需要在每個(gè)掃描周期調(diào)用。MBUS_MSG指令用來(lái)讀寫從站數(shù)據(jù)，每次只能有一個(gè)讀寫請(qǐng)求，因此，三個(gè)從站數(shù)據(jù)需要輪流讀寫。

3.2 變頻器參數(shù)設(shè)置

三臺(tái)變頻器作為從站，需要設(shè)置好相關(guān)的通信參數(shù)，如站地址、波特率和校驗(yàn)方式，同時(shí)選擇RS485網(wǎng)絡(luò)為啟停命令源和頻率給定源，各參數(shù)如表1所示。

圖4 MODBUS通訊指令

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

3.3 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

作為人機(jī)交互的界面，觸摸屏程序利用Pro-face公司的GP-Pro EX4.0組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，主要包括手動(dòng)模式界面、自動(dòng)模式界面和數(shù)據(jù)記錄界面等，如圖5所示。所有畫面的上半部分為設(shè)備狀態(tài)信息，可以直接觀察到各部件的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及主要參數(shù)；下半部分為操作區(qū)域，可以通過(guò)按鈕觸發(fā)控制指令。

圖5 觸摸屏界面

作為一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄非常必要，該功能通過(guò)觸摸屏的“數(shù)據(jù)采樣”功能實(shí)現(xiàn)。如圖6(a)所示，在組態(tài)軟件“采樣設(shè)置”相應(yīng)選項(xiàng)中設(shè)置好數(shù)據(jù)采集的地址、采樣模式、顯示格式等，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄功能。

為方便將記錄的數(shù)據(jù)永久保存，開(kāi)發(fā)了“輸出到U盤”功能。需要在組態(tài)軟件的“采樣設(shè)置”相應(yīng)選項(xiàng)中指定CSV控制字地址及存儲(chǔ)介質(zhì)，如圖6(b)所示，然后在觸摸屏畫面的“輸出到U盤”按鈕中通過(guò)寫入控制字即可將數(shù)據(jù)以CSV格式文件的形式保存到U盤。

圖6 數(shù)據(jù)記錄功能實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

該干法制粒機(jī)控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，觸摸屏為人機(jī)界面，采用Modbus網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC和三臺(tái)變頻器的通訊，占用空間小，硬件成本低，具有數(shù)據(jù)記錄功能，操作方便，非常適合實(shí)驗(yàn)室使用，目前，已在多家制藥企業(yè)推廣應(yīng)用。