萬翔,周曉迪
(鎮(zhèn)江技師學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江,212000)
硬膠囊是以藥用明膠為原料,添加食用色素、遮光劑和其他的添加劑為輔料而制成的一種廣泛用于藥品包裝的產(chǎn)品,其生產(chǎn)過程主要包括:溶膠、配色、模具蘸膠、風(fēng)道烘干、脫模、切割、對接成型等[1],這些過程都通過可編程控制器來控制??删幊炭刂破鳎≒LC)可以實時控制工業(yè)現(xiàn)場的各類設(shè)備,很方便地完成各類控制要求,是電氣控制系統(tǒng)的控制核心。通過幾十年的發(fā)展,PLC已經(jīng)在生活中占據(jù)越來越重要的作用,各類學(xué)校電氣專業(yè)也開設(shè)了相關(guān)的課程。本文以膠囊自動生產(chǎn)線中溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計為例,給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、溫度控制單元參數(shù)設(shè)定和軟件設(shè)計,有效體現(xiàn)了PLC、觸摸屏和特殊單元模塊的聯(lián)合設(shè)計思想,本文可以作為電學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的參考。
風(fēng)道烘干的主要功能是對膠囊自動線機架上層和下層蘸完膠液的模條進(jìn)行風(fēng)干脫水處理。一般膠囊體側(cè)和膠囊帽側(cè)各有六個風(fēng)干區(qū),分為機架上層的上前區(qū)、上中區(qū)、上后區(qū)和下層的下前區(qū)、下中區(qū)、下后區(qū)。風(fēng)道溫度是決定膠囊成形的一個重要因素,風(fēng)道溫度的高低及穩(wěn)定性將對膠囊的各項外形尺寸起著重要作用。如果溫度高,則生產(chǎn)的膠囊脆且壁??;溫度低,則造成到達(dá)切割工位的膠囊水分多且壁厚[2]。每個風(fēng)干區(qū)的溫度均需獨立控制。
膠囊自動生產(chǎn)線風(fēng)道的每個風(fēng)干區(qū)都裝有一臺風(fēng)機、一個溫度傳感器和一臺電加熱器。風(fēng)機和電加熱器在風(fēng)區(qū)的一端,傳感器安裝在熱風(fēng)出風(fēng)口,風(fēng)機以恒定轉(zhuǎn)速運行。溫度控制系統(tǒng)是設(shè)定的溫度值與溫度傳感器的測量值不斷進(jìn)行比較,通過控制器輸出信號控制固態(tài)繼電器從而控制加熱器的通斷最終達(dá)到控制風(fēng)道溫度。自動線溫度控制系統(tǒng)采用了歐姆龍溫控單元CJ1W-TC101,方便地實現(xiàn)了溫度的控制。CJ1W-TC101溫度控制單元是特殊I/O單元,它直接接受來自鉑電阻傳感器的輸入,提供4個控制回路,可進(jìn)行PID控制及自動調(diào)整,且執(zhí)行PID控制時與CPU單元的循環(huán)時間無關(guān)[3]。該溫度控制系統(tǒng)的硬件還包括:OMRON公司CJ系列CPU單元CJ2H-CPU64、CJ1W-OD211輸出單元、海泰克PWS6600觸摸屏,固態(tài)繼電器。系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的經(jīng)典閉環(huán)控制系統(tǒng)模型,在測溫過程中,出現(xiàn)溫度超限需立即報警以防損壞設(shè)備影響生產(chǎn),在觸摸屏上要能顯示當(dāng)前溫度和調(diào)整溫度設(shè)定值,系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖
在編寫PLC程序前需要對溫度控制單元進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定[4],主要包括單元號、所用傳感器的輸入類型和溫度控制單元的功能項,以下進(jìn)行具體介紹:
(1)設(shè)定單元號
在CJ1W-TC101單元的面板上設(shè)定的單元號決定了CPU單元CIO和DM區(qū)分配給溫度控制單元的字。溫度控制單元在CIO區(qū)需用20字,在DM區(qū)用100字。例如在面板上設(shè)定單元號為8,CJ1W-TC101單元將作為特殊I/O單元,分配到的字是CIO2080~CIO2099和D20800~D20899。
(2)設(shè)定所用溫度傳感器的輸入類型
在單元面板上有“輸入類型”轉(zhuǎn)動開關(guān),用來設(shè)定所選擇的溫度傳感器和其測量溫度范圍。本系統(tǒng)將開關(guān)設(shè)定到0,表示采用鉑電阻傳感器,測量溫度范圍為-200.0℃~650.00℃。
(3)設(shè)定溫度控制單元的功能
在CJ1W-TC101單元面板上有DIP開關(guān),帶有8針,每一針設(shè)定不同的功能,具體如表1所示。針在右邊代表選擇OFF所對應(yīng)的功能。本系統(tǒng)溫度單位選擇℃,反向控制操作,PID控制,數(shù)據(jù)格式選擇BCD。
表1 DIP開關(guān)功能表
觸摸屏作為人機操作界面,具有操作簡便、直觀等優(yōu)點。觸摸屏與PLC之間通過串口進(jìn)行通信。本系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能的包括:溫度值設(shè)定和實際溫度顯示、PID參數(shù)自整定、PID參數(shù)手動調(diào)節(jié)、加熱器開關(guān)控制、報警設(shè)置等。在觸摸屏界面設(shè)計時,盡量把功能相同的放在同一界面,如膠囊帽和膠囊體的六個風(fēng)區(qū)溫度值的設(shè)定和顯示,PID值的顯示和調(diào)整界面以及報警界面,如圖2、圖3、圖4所示。
圖2 溫度設(shè)定值與顯示值界面
圖3 PID參數(shù)自整定及手動調(diào)整界面
圖4 溫度報警界面
界面上C1~C6表示膠囊帽側(cè)的六個風(fēng)區(qū),B1~B6表示體側(cè)的六個風(fēng)區(qū)。為了實現(xiàn)觸摸屏的功能,要對觸摸屏上各元件的元件屬性進(jìn)行設(shè)定,與PLC編程中用到的軟元件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如C1顯示值與PLC的D320軟元件關(guān)聯(lián),C1設(shè)定值與D300軟元件關(guān)聯(lián)。在實際使用時,觸摸屏的界面可根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)整設(shè)計。
CPU單元和溫度控制單元之間的數(shù)據(jù)交換是通過分配給作為特殊I/O單元的CIO和DM區(qū)中的字和位來執(zhí)行的。它們之間交換三種數(shù)據(jù):操作數(shù)據(jù)、初始化數(shù)據(jù)和操作參數(shù)。操作數(shù)據(jù)包括過程值、設(shè)定值、停止位、AT啟動位、AT停止位和其他數(shù)據(jù);初始化數(shù)據(jù)包括報警模式、報警遲滯和其他數(shù)據(jù);操作參數(shù)包括報警SV、控制周期、比例帶、積分時間和其他參數(shù)。本溫度控制系統(tǒng)在編程時先確定每個控制回路對應(yīng)的操作字和位,然后編程時使用MOV或XFER指令讀寫過程值、設(shè)定值和操作參數(shù)(控制周期或PID常數(shù))或操作數(shù)據(jù)(運行/停止控制或啟動/停止自動調(diào)整)。限于篇幅,下面僅介紹帽上前區(qū)(C1)溫度的設(shè)定值、過程值和PID參數(shù)的自整定程序以及溫度控制的啟動、停止程序。
3.2.1 溫度設(shè)定值和顯示過程值程序
風(fēng)道帽上前區(qū)(C1)的溫度控制回路是第八單元第1回路,因此有關(guān)帽上前區(qū)的操作字和位各功能如表2所示。
表2 風(fēng)道帽上前區(qū)CIO控制字和位的功能
從表2可知,溫度設(shè)定值對應(yīng)PLC中的Q2080,實際測量溫度在Q2083通道,那么PLC程序則用MOV指令,將觸摸屏對應(yīng)的D300的數(shù)據(jù)傳送到Q2080,用MOV指令將Q2083上的實際值傳輸?shù)紻320,再顯示到觸摸屏上。
圖5 溫度設(shè)定值和顯示過程值程序
3.2.2 PID參數(shù)的自整定程序
在本例中采用CJ1W-TC101的自動調(diào)整功能(AT)自動計算溫度設(shè)定值運行的最佳PID常數(shù)。它使用有限周期法,通過強制改變PID參數(shù)來測定并控制系統(tǒng)的特性[5]。啟動自動調(diào)整具體操作方法如下:
(1)將AT啟動位從OFF轉(zhuǎn)為ON以啟動自動調(diào)整,AT位在CIO區(qū)中分配給溫度控制單元的字中,帽上前區(qū)的AT啟動位如表2所示是Q2082.02。
(2)自動調(diào)整完成后,用計算的PID常數(shù)替換當(dāng)前的PID常數(shù),以使單元用計算的PID常數(shù)來操作,在分配給單元的DM字中操作參數(shù)(D20813~D20833)的輸入?yún)^(qū)中儲存計算的PID常數(shù),而且同時將PID常數(shù)計算標(biāo)志(Q2088.10)轉(zhuǎn)為ON,用此標(biāo)志作為CPU單元梯形圖的一個輸入條件將PID常數(shù)從操作參數(shù)輸入?yún)^(qū)傳送到儲存PID常數(shù)(Q2082.15)的輸出區(qū)。
(3)傳送PID常數(shù)后,將改變PID常數(shù)位(Q2082.13)從OFF轉(zhuǎn)為ON,反復(fù)操作這控制位,使溫度控制器的PID常數(shù)由輸出區(qū)中新的PID常數(shù)來刷新。
PID參數(shù)自整定程序如圖6所示。
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3.2.3 溫度控制的啟動和停止程序
在本例中,將分配給帽上前區(qū)的停止位(Q2088.06)轉(zhuǎn)為OFF,用以啟動回路的溫度控制;將停止位轉(zhuǎn)為ON用以停止回路的溫度控制,溫度控制的啟動及停止程序如圖7所示。
圖7 溫度控制的啟動及停止程序
本文在膠囊自動生產(chǎn)線的溫控系統(tǒng)中使用了歐姆龍溫度控制單元,從以上編程實例中可以看出,對PLC特殊功能模塊的使用方法,首先是進(jìn)行其單元參數(shù)的設(shè)定,然后確定它與CPU單元之間數(shù)據(jù)交換的CIO和DM區(qū)中的字,再在PLC程序中對這些字進(jìn)行編程就能實現(xiàn)功能要求,非常簡便,大大減少了控溫程序的編寫和調(diào)試的工作量,也使溫度控制精度和可靠性提高。該系統(tǒng)投入運行后,運行穩(wěn)定可靠,有較高的實用和推廣價值。