張 靜，張海榮，湯 池，吳小明

新型行列式醫(yī)用制瓶機軟件控制系統(tǒng)的研究

張 靜，張海榮，湯 池，吳小明

目的：針對目前制瓶機控制系統(tǒng)存在的問題與不足，設計一種新型行列式醫(yī)用制瓶機軟件控制系統(tǒng)。方法：在前期硬件系統(tǒng)研發(fā)的基礎上，重點對控制系統(tǒng)中的電子配時和同步控制進行軟件設計?？刂葡到y(tǒng)由上位機裝置、同步控制板、電子定時控制板、變頻器單元等組成；集成開發(fā)環(huán)境為MPLAB IDE調(diào)試軟件（使用v7.51以上版本），編譯軟件選用C30編譯器，在線調(diào)試器選用ProICD2。結(jié)果：該系統(tǒng)已成功運用于工業(yè)過程控制中，顯著提高了工作效率。結(jié)論：該系統(tǒng)配置合理、操作簡單、運行可靠、成本低廉，具有廣闊的市場前景和良好的經(jīng)濟效益。

行列式制瓶機；軟件控制；電子配時；同步控制

0 引言

隨著科學技術的進步和人們消費水平的提高，醫(yī)療行業(yè)對高質(zhì)量玻璃容器的需求量越來越大。但是我國的醫(yī)用制瓶廠家中，能達到國際先進水平的還不多，大多數(shù)廠家只能生產(chǎn)中低檔醫(yī)用玻璃瓶。因此，醫(yī)用玻璃制造行業(yè)中醫(yī)用玻璃制瓶技術革新非常緊迫。

電子配時式行列式制瓶機出現(xiàn)于1974年，標志著玻璃制瓶技術進入了嶄新的時代[1]。近些年來，國外的制瓶技術向著電氣化、智能化、高度自動化的方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下3個方面：

（1）計算機控制系統(tǒng)引入電子配時和同步控制系統(tǒng)中[2]；（2）同步控制系統(tǒng)越發(fā)先進，自動化程度越來越高[3]；（3）采用伺服驅(qū)動的機構(gòu)日益增加[4]。

目前，我國醫(yī)用玻璃制瓶機主要有3種模式：一是手工式制瓶機，主要依靠工人的技術，制瓶速度較慢、合格率較低，適合于少量生產(chǎn)；二是半自動化數(shù)控式制瓶機，主要依靠人工操作機器，是中小型玻璃瓶罐生產(chǎn)廠家的第一選擇；三是行列式制瓶機，制瓶速度快、合格率高、人工投入少，適于對工藝要求較高的大批量生產(chǎn)。相比較而言，自動化程度最高的行列式制瓶機因其絕對優(yōu)勢成為玻璃制瓶行業(yè)發(fā)展的必然方向。

本文針對目前醫(yī)用行列式制瓶機存在的問題與不足，旨在設計開發(fā)一套成本低廉、配置合理、操作簡單、工作可靠的醫(yī)用行列式制瓶控制系統(tǒng)，在前期硬件系統(tǒng)研發(fā)的基礎上[5]，開發(fā)新型行列式制瓶機的軟件控制系統(tǒng)，具有廣闊的市場前景。

1 醫(yī)用行列式制瓶機控制系統(tǒng)總體設計

1.1 醫(yī)用行列式制瓶機控制流程

行列式制瓶機由各自獨立的單組機拼裝而成，每一組機稱為分部或段[6]。醫(yī)用行列式制瓶機系統(tǒng)主要有熔爐、分料器、制瓶機、供料機和退火爐五大部分。制作過程為：首先將生產(chǎn)玻璃瓶的主要原料（石英砂、白云石、石灰石等材料）倒入高溫熔爐內(nèi)，待其熔化為黏稠狀的玻璃液體后，倒入供料機進行剪沖，再將剪沖下的料滴按順序分給各導料槽。通過調(diào)節(jié)機械手旋轉(zhuǎn)度將初型機生產(chǎn)出的玻璃毛胚放入成型機中進行吹氣，成為成品。最后，再通過機械手送到輸送帶上，輸送帶再將其送到退火爐口，進行多級冷卻，待冷卻到常溫后進行裝箱。

1.2 總體硬件結(jié)構(gòu)設計

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由虛線框中的部分構(gòu)成，包括上位機裝置、1塊同步控制板、10組電子定時控制板、5個變頻器單元等。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機裝置主要完成整個控制系統(tǒng)的人機界面功能，負責將操作人員設定的系統(tǒng)工作參數(shù)通過串行口傳遞給同步板，并實時顯示系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)和各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

同步板是整個制瓶機控制系統(tǒng)的中樞，不僅協(xié)調(diào)整個制瓶系統(tǒng)的同步動作，還是整個系統(tǒng)的通信中樞，主要實現(xiàn)以下四大功能：

（1）接收來自上位機裝置的工作參數(shù)，這些工作參數(shù)既有同步板的，也有各組配時板的，配時板的工作參數(shù)再由同步板通過控制器局域網(wǎng)絡（controller area network，CAN）總線下傳；

（2）各配時板通過CAN總線將自己的工作狀態(tài)和各類參數(shù)設置上傳給同步板，再由同步板通過串口上傳給上位機裝置；

（3）接收來自現(xiàn)場的各個接近開關信號，并通過變頻器控制制瓶機流水線上異步電動機的轉(zhuǎn)速，從而協(xié)調(diào)整個流水線的工作；

（4）通過CAN總線分發(fā)同步信號給各配時板，使各配時板控制的制瓶動作與流水線上的其他環(huán)節(jié)同步。

電子配時板的主要任務是按照預先設定好的工作參數(shù)，控制各組制瓶機的制瓶動作。變頻器通過RS485總線接收同步板的指令，去控制異步電動機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)供料、剪料和玻璃瓶在制瓶流水線上傳輸?shù)乃俣取？刂葡到y(tǒng)各部分相互配合，從而實現(xiàn)制瓶機的完整控制流程。本系統(tǒng)中均選用PIC24HJxxxGP510型單片機作為電子配時板和同步板的主控單元。

2 制瓶機控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件調(diào)試環(huán)境與編譯器

集成開發(fā)環(huán)境、在線調(diào)試器和編譯軟件是調(diào)試環(huán)境的主要3個部分，其中集成開發(fā)環(huán)境為MPLAB IDE調(diào)試軟件（使用v7.51以上的版本），編譯軟件選用C30編譯器，在線調(diào)試器選用ProICD2。

2.2 電子配時板軟件設計

電子配時板主程序框架如圖2所示。在配時板主程序中，首先檢測撥碼開關的狀態(tài)，確定配時板的物理地址，該地址即為同步板與各配時板進行通信時的通信地址。其次，初始化各個變量至輸入和輸出端口，接下來配置對接口電路中用到的相關模塊，如I2C模塊的初始化、定時器模塊的初始化等[7]，并在電可擦可編程只讀存儲器（electrical erasable programmable read-only memory，EEPROM）中讀取相關存儲參數(shù)值。最終，依次這樣進行無限循環(huán)去實現(xiàn)需要完成的指標任務。

圖2 電子配時板主程序流程圖

電子配時板任務處理流程如圖3所示。第一步進行CAN通信的處理，分析所接收的報文內(nèi)容或組織需要上傳的各種數(shù)據(jù)，具體每一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均在中斷中完成。然后，對現(xiàn)場控制信號進行查詢，從而確定當前該執(zhí)行什么任務。首先判斷擋料鍵是否按下，如果是，則打開擋料開關，擋住分料器所分的料滴，否則使擋料開關處于關閉狀態(tài)，該功能在制瓶設備發(fā)生故障或進行設備檢修時非常實用。然后判斷工作鍵是否按下，如果按下則制瓶機準備工作，開始等待同步信號，同步信號到來后，啟動定時器開始工作，依次輸出開關量。如果工作鍵沒有按下，則制瓶機處于停止狀態(tài)，不檢測同步信號。所有開關量的定時輸出均在定時器中斷處理子程序中完成。

圖3 電子配時板任務處理程序流程圖

2.3 同步板軟件設計

同步板的主程序和電子配時板相似，主要增加了串行通信初始化模塊。由于各個模塊的功能與配時板不同，因此，在初始化的過程中，需要配置的參數(shù)信息也有所區(qū)別。比如，同步板用到的I/O端口沒有配時板多；同步板的EEPROM主要存儲制瓶速度、當前制瓶機組數(shù)等生產(chǎn)信息，而配時板主要存儲各通道的開閉值等。

在同步板的任務處理程序中，主要完成以下2項任務：

（1）計算流水線上異步電動機的控制參數(shù)，然后與各個變頻器進行通信；（2）與上位機或觸摸顯示屏通信，建立良好的人機交互功能。

3 新型行列式制瓶機的特色和優(yōu)勢

（1）取消機控板，提高系統(tǒng)工作效率。傳統(tǒng)的行列式制瓶機在傳遞同步信號時，首先通過同步板傳遞給機控板，再由機控板分發(fā)給各組電子配時板。本文設計的新型行列式制瓶機控制系統(tǒng)，其同步信號直接通過同步板傳遞給電子定時板，顯著提高了系統(tǒng)工作效率。

（2）優(yōu)化系統(tǒng)總線設計。傳統(tǒng)的制瓶機控制系統(tǒng)通常采用RS485總線設計，本文提出了CAN總線控制的新方法[8]，性能和效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法：一是有效降低了系統(tǒng)和硬件投資的復雜程度[9]；二是有效提高了技術的穩(wěn)定性。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)方法。本文設計中，首先確定好每分鐘的制瓶個數(shù)，由此計算控制參數(shù)再去調(diào)節(jié)供料機的速度，使之盡量與預先設定的制瓶速度相匹配，而流水線上的其他電動機轉(zhuǎn)速以及實際同步信號的發(fā)送頻率都以供料機的速度為基準進行調(diào)節(jié)。這樣同步信號的發(fā)送頻率能很好地反映流水線的實際制瓶速度，既增強了制瓶機應對復雜情況的能力，而且可以使用異步電動機，降低了設備的制造成本。

（4）設計參數(shù)調(diào)節(jié)專家系統(tǒng)。本系統(tǒng)中開發(fā)了一套智能調(diào)參專家系統(tǒng)，并將其固化在上位機軟件中，操作人員填寫幾項基本生產(chǎn)信息后，上位機軟件即可生成一套優(yōu)化的工作參數(shù)供參考，操作人員在試運行后，微調(diào)其中幾個工作參數(shù)即可，大大方便了用戶的調(diào)試使用過程。

4 結(jié)語

當前，國內(nèi)醫(yī)用制瓶機行業(yè)亟待解決的瓶頸問題之一，就是如何進一步優(yōu)化醫(yī)用行列式制瓶機控制系統(tǒng)方面的設計。在前期硬件系統(tǒng)研究的基礎上，本文重點針對該機器軟件控制系統(tǒng)設計存在的缺點和不足，借鑒國內(nèi)外先進的研究成果，有效利用計算機控制技術，提出了基于CAN總線的新型醫(yī)用行列式制瓶機軟件控制系統(tǒng)，不僅增強了設備的耐用性，降低了成本，還減少了人力的投入，市場前景和社會效益比較明顯。下一步將向高速優(yōu)質(zhì)化、薄壁輕量化2個方向繼續(xù)加大研究。

[1] Japenga R J.Computer controlled glass forming：past，present and future[J].Adv Instrum，1978，33：111-112.

[2] Sasso D.Main advantages in the use of servo mechanisms in the I.S. machine[J].Int Glass J，2002，122：24-27.

[3] Dutto I.Stable，precise and continuous production using avacon′s I.S. machinecontrolsystem[J].Int GlassJ，2002，121：45-50.

[4] Bublitz A T，Rowe W H.Process controls for I.S.machines[J].Proc PN Lebedev Phys Inst，1975，58：535-538.

[5] 張靜，王煬，劉靜，等.一種新型醫(yī)用行列式制瓶機控制系統(tǒng)的設計與研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（4）：158-160.

[6] 黃益平．行列式制瓶機電子配時的發(fā)展[J]．玻璃與搪瓷，1995，23（4）：37-44．

[7] 劉波．CAN總線智能節(jié)點的兩種設計與實現(xiàn)方案[J]．國內(nèi)外機電一體化技術，2008，32（2）：19-21．

[8] 王麗，彭繼慎，初憲武．RS232C與CAN總線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換單元設計[J]．測控技術，2003，22（4）：1-3．

[9] Corsi M，Suder E C，Tran J M，et al.Design and technology requirementsofa9-channelRS485transceiverforulta-SCSIapplications[C]// Proceedings of the IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting.Washington，DC：IEEE，1995：150-153.尊敬的作者朋友：

（收稿：2015-02-04 修回：2015-05-10）

關于征集《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志刊發(fā)論文獲得各種獎勵或?qū)＠畔⒌暮?/p>

首先感謝您多年來對我刊的關注與支持！是您的關注與支持促使我們不斷改進辦刊工作，使我刊越辦越好，知名度越來越高，贏得了廣大作者與讀者的認可和贊譽。特別是近年來，我刊刊發(fā)的基金項目資助論文所占比例呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，這極大地提高了我刊的學術水平，對提升我刊影響力起到了積極的促進作用。

為了更全面地了解2010年以來我刊刊發(fā)論文的整體質(zhì)量，特向您征集相關信息。如果您在我刊刊發(fā)的論文及其所報道的科研成果在國家或軍隊的各級科研成果評比中獲得了獎勵，或獲得了國家專利，請將相關獲獎信息告訴編輯部，我們將在期刊和雜志網(wǎng)站上及時予以刊登，以便讓讀者了解反映當前本學科研究與技術發(fā)展水平。

為此，請您將獲得科研成果獎勵（專利）的證書復印件連同獲獎信息一并郵寄（或通過郵件）至編輯部，我們將及時予以刊發(fā)。

期待與您一起分享您的科研成果獲獎喜訊！

聯(lián)系方式：郵箱：2043417970@qq.com；地址：天津市河東區(qū)萬東路106號《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志社；郵政編碼：300161，電話：022-84656750/84656790（地），0251-56750/ 56790（軍）；聯(lián)系人：李編輯

《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志社編輯部

Development of software control system for paratactic bottle forming machine

ZHANG Jing1,ZHANG Hai-rong2,TANG Chi1,WU Xiao-ming1
(1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.Education and Technology Center,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

ObjectiveTo design a software control system for the paratactic bottle forming machine.MethodsSoftware design was performed for electronic timing and synchronized control based on hardware system development.The software control system was composed of the upper machine,synchronization control board,electronic timing control board,frequency conversion unit and etc,which involved in MPLAB IDE development environment,C30 compiler and ProlCD2 in-circuit debugger.ResultsThe system was applied in the industrial process control and enhanced the efficiency greatly.ConclusionThe system has easy operation,high reliability and low cost,and thus has high economic benefits.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（8）：47-49]

paratactic bottle forming machine;software control;electronic timing;synchronization control

R318；TP311.1

A

1003-8868（2015）08-0047-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.047

張 靜（1984—），女，助教，主要從事生物醫(yī)學工程方面的研究工作，E-mail：bme395@fmmu.edu.cn。

710032西安，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（張 靜，湯 池，吳小明），訓練部教育技術中心（張海榮）

吳小明，E-mail：wuxiaoming@fmmu.edu.cn