三菱PLC融合HMI在食品工業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)中的應(yīng)用

楊家興

摘 要：三菱PLC技術(shù)由于能夠極大的提升各種工作的效率，并降低工業(yè)操作過程中可能存在的人員安全，因而在工業(yè)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。在這種背景下，文章將三菱PLC產(chǎn)品與人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩項(xiàng)技術(shù)加以融合，探討兩者在食品工業(yè)自動(dòng)化檢驗(yàn)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者的結(jié)合能夠完全滿足實(shí)驗(yàn)的要求，可以進(jìn)行推廣。

關(guān)鍵詞：三菱PLC；HMI系統(tǒng)；食品工業(yè)；自動(dòng)化檢驗(yàn)；應(yīng)用

引言

微生物試驗(yàn)的進(jìn)行需要在各種不同條件的環(huán)境中，對(duì)于極微小單位的菌液及溶劑進(jìn)行反應(yīng)試驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)過程中，傳統(tǒng)上均以人力來進(jìn)行操作，以人力操作微量滴管、量杯，并以目測(cè)的方式進(jìn)行取樣。然而，由于微生物實(shí)驗(yàn)所容許的誤差值微乎其微，而且往往進(jìn)行一項(xiàng)試驗(yàn)需長(zhǎng)時(shí)間等待其反應(yīng)并重復(fù)多次相同的操作，加上許多試驗(yàn)環(huán)境并不容許人力開展，且許多試驗(yàn)樣本溶劑具有毒性、揮發(fā)性等，會(huì)對(duì)試驗(yàn)者的人身安全構(gòu)成一定程度的威脅等，因而文章利用三菱PLC的特性，加上精密機(jī)構(gòu)的搭配組裝，建構(gòu)出一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，配合對(duì)象導(dǎo)向人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)圖形監(jiān)控軟件的開發(fā)，設(shè)計(jì)出可由使用者在觸碰屏幕上輸入?yún)?shù)值后，直接由人機(jī)界面上的按鈕控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的一套自動(dòng)取樣系統(tǒng)，并針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試，將結(jié)果提供給實(shí)驗(yàn)單位，作為實(shí)施自動(dòng)化的參考。

1 PLC及HMI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 PLC設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。三菱PLC采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。在文章的PLC設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，除了機(jī)器的動(dòng)作外，還需具備使用者在操作上可自行設(shè)定的功能，這些功能均應(yīng)通過參數(shù)的設(shè)定而完成。PLC暫存器的配置以及緩存器編號(hào)，都應(yīng)和下述所提到之使用者接口設(shè)計(jì)加以配合，才能正確的讀取輸出參數(shù)，達(dá)到使用者的需求。

1.2 人機(jī)界面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面（HMI），是一種智能型的觸碰式圖形顯示屏幕，其主要功能是讓使用者在開發(fā)后的接口上以圖形式對(duì)話窗口的操作取代直接面對(duì)程序原始碼修改各項(xiàng)參數(shù)以控制機(jī)器的窘境。HMI的開發(fā)除了圖片的編輯外，還需配合PLC階梯圖程序中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)規(guī)劃、操作數(shù)、變量等相關(guān)設(shè)定，將PLC程序中的各個(gè)組件以圖片形式按鈕取代。運(yùn)行狀態(tài)畫面有自動(dòng)運(yùn)行畫面和手動(dòng)運(yùn)行畫面，以及系統(tǒng)各部分動(dòng)作故障的報(bào)警提示畫面和故障解除畫面，這樣才能順利與PLC進(jìn)行通訊，完成監(jiān)控的功能。因此，人機(jī)界面的開發(fā)大致上可分為三個(gè)步驟：系統(tǒng)規(guī)劃、操作接口開發(fā)、系統(tǒng)通訊。

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對(duì)本研究所設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)機(jī)臺(tái)加以測(cè)試，并驗(yàn)證以該自動(dòng)化設(shè)備執(zhí)行的結(jié)果符合誤差容許標(biāo)準(zhǔn)，這里將以容許實(shí)驗(yàn)誤差為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自動(dòng)化操作的體積誤差，并選擇水做為實(shí)驗(yàn)溶液進(jìn)行試驗(yàn)。最后，為求實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合大樣本原則，每項(xiàng)試驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行30次，并分別記錄其量測(cè)值后，計(jì)算其平均數(shù)、誤差值、絕對(duì)誤差值、誤差比，并以Cp值、Ca值作為衡量指標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)先分別針對(duì)P1、P2、P3、P4泵浦各自獨(dú)立進(jìn)行定量體積抽取試驗(yàn)。使用開發(fā)完成的HMI控制各個(gè)泵浦，使其單獨(dú)運(yùn)行，依據(jù)HMI內(nèi)輸入的設(shè)定值抽取出該泵浦應(yīng)達(dá)到的溶劑體積，再以微量天平量測(cè)抽出溶劑的重量并將該量測(cè)值換算成體積，重復(fù)進(jìn)行該步驟30次，并分別紀(jì)錄量測(cè)值。根據(jù)文章實(shí)驗(yàn)的定義，各泵浦標(biāo)準(zhǔn)抽取量應(yīng)為P1：1ml，P2：9ml，P3：1ml，P4：9ml。完成各別試驗(yàn)后，再對(duì)系統(tǒng)的流程，進(jìn)行完整的系統(tǒng)整體取樣試驗(yàn)，將文章所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)值輸入HMI后，讓系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行，并完成取樣30次，再以微量天平量測(cè)各取樣試管內(nèi)溶劑的重量，將該量測(cè)值換算成體積，并分別紀(jì)錄量測(cè)值。根據(jù)文章實(shí)驗(yàn)的定義系統(tǒng)完成取樣后分化收集器內(nèi)各試管溶液標(biāo)準(zhǔn)體積應(yīng)為10ml。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

在這一節(jié)中將分別針對(duì)食品工業(yè)部門制定的規(guī)章，評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性的Ca值、Cp值。Ca值用在衡量實(shí)驗(yàn)結(jié)果中接近規(guī)格中心的程度。個(gè)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分別為：P1：0.040727、P2：0.011532、P3：0.038935、P4：0.025184；總體系統(tǒng)取樣值為0.09507。根據(jù)文章所定義的分級(jí)，P1、P2、P3、P4泵浦個(gè)別實(shí)驗(yàn)數(shù)值均屬于A級(jí)（0<絕對(duì)值（Ca）<0.0625），該結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)值與規(guī)格中心十分接近；而總體系統(tǒng)取樣值判定為B級(jí)（0.0625<絕對(duì)值（Ca）<0.125），原因如上述的系統(tǒng)總體取樣試驗(yàn)的誤差值為各泵浦累加值，故誤差值于累加后相對(duì)較大，因此Ca值也隨之增加。Cp值用于衡量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的離散差符合規(guī)格公差的程度。個(gè)別試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分別為：P1：1.103776、P2：1.57405、P3：1.834158、P4：1.682714，而系統(tǒng)總體取樣試驗(yàn)數(shù)值為：1.102582。由數(shù)據(jù)可見各個(gè)試驗(yàn)的Cp值均大于1，代表制程散差在規(guī)格之內(nèi)，再根據(jù)文章所定義的分級(jí)加以探討，P2泵浦屬于B級(jí)（1.33

由上述分析可見，在個(gè)別試驗(yàn)中，P1泵浦的Cp值明顯較低，探究其因素發(fā)現(xiàn)，由于本試驗(yàn)容許的體積誤差極小，而設(shè)計(jì)的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)是以電流控制轉(zhuǎn)速，因此試驗(yàn)環(huán)境周圍的電流干擾以及電流本身的穩(wěn)定性均會(huì)干擾系統(tǒng)產(chǎn)生些許誤差，加上P1泵浦抽取量較少（1ml），在毛細(xì)現(xiàn)象及表面張力的影響下誤差所占的百分比較大，因而數(shù)據(jù)離散程度變大，Cp值隨之降低。

3 結(jié)束語

根據(jù)定量體積試驗(yàn)結(jié)果得知，文章基于三菱PLC和人機(jī)界面所開發(fā)的自動(dòng)化檢驗(yàn)系統(tǒng)，無論在個(gè)別泵浦試驗(yàn)或是整體流程取樣試驗(yàn)的結(jié)果其誤差值均于允收容許誤差范圍（小于1%）內(nèi)，顯示該系統(tǒng)的精準(zhǔn)度可適用于食品工業(yè)部門規(guī)定相關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中。文中提及的泵浦啟動(dòng)時(shí)間及緩沖時(shí)間所造成的誤差對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果有相當(dāng)程度的影響。此外，本研究中所使用的P1、P2、P4泵浦其轉(zhuǎn)速依出廠設(shè)計(jì)僅可微調(diào)至小數(shù)點(diǎn)下1位，而P3泵浦因精密度需求較高，因而選擇較高規(guī)格的泵浦，其轉(zhuǎn)速設(shè)定可微調(diào)至小數(shù)點(diǎn)下2位；而由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可見P3泵浦雖然抽取量較少，但相較于P2泵浦卻有明顯的精準(zhǔn)度，由此可知，選用高規(guī)格的泵浦進(jìn)行試驗(yàn)特是提高精準(zhǔn)度的重要因素。

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