一種用于中藥配方顆粒固液分離中的控制系統(tǒng)

向宏儒*

（ 海申機電總廠（象山））

0 引言

中藥產品是“健康中國”戰(zhàn)略中的一個重要組成部分，約占整個醫(yī)藥行業(yè)市場份額的1/3。中藥配方顆粒生產因藥品種繁多、成份復雜，對工藝系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、分離效果提出了較高的要求。就分離動態(tài)提取環(huán)節(jié)而言，傳統(tǒng)繼電器控制方式的離心機控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)場工藝要求，用PLC 可編程邏輯控制替代傳統(tǒng)繼電器控制，是當前普遍的解決方法。但是，采用控制系統(tǒng)進行制造會使成本大幅提高。針對這種情況，提出了一種觸摸屏直接與變頻器通訊的控制方式，既克服了傳統(tǒng)繼電器控制的缺點，同時也擁有PLC 控制系統(tǒng)所具備的功能，還能有效降低生產成本。

1 中藥配方顆粒生產工藝流程

中藥配方顆粒的生產是依據(jù)傳統(tǒng)中藥湯劑的煎煮要求，根據(jù)不同品種分別制定生產工藝規(guī)程，其基本工藝路線是：中藥經篩選、破碎，在80 ～90 ℃的溫度下高溫蒸煮、保溫，然后由輸送泵輸送至動態(tài)提取設備進行固液分離，分離后的渣相棄用，液相經蒸發(fā)、濃縮、烘干、結晶、殺菌后得到成品。圖1為中藥配方顆粒生產工藝流程。

圖1 中藥配方顆粒生產工藝流程

2 離心機控制方式用于中藥配方顆粒分離提取的發(fā)展狀況

2.1 傳統(tǒng)繼電器控制模式

早期中藥配方顆粒分離提取過程中的離心機控制系統(tǒng)采用常規(guī)繼電器控制模式，在設計控制系統(tǒng)時，一個簡單的啟動停止保護電路也需要連接多條電線線路，配置很多按鈕、繼電器、指示燈、顯示儀表等元器件，各種元件布置在控制柜操作面板上，工藝相當繁雜。

2.2 可編程邏輯控制器（PLC）自動控制模式

隨著技術不斷發(fā)展，可編程控制器在邏輯控制、過程控制等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。由PLC和觸摸屏（HMI）組成的離心機控制系統(tǒng)在中藥配方顆粒自動化生產技術中得到廣泛應用與發(fā)展，大大提高了生產效率。

離心機中藥顆粒自控系統(tǒng)中，觸摸屏負責顯示和操作，而設備運行則是通過PLC 進行程序邏輯控制和數(shù)據(jù)運算，二者缺一不可。利用PLC 的兩個COM端口，分別通過RS485 連接變頻器，用Modbus RTU通訊協(xié)議對變頻器進行啟動/停止和調速控制，連接HMI 進行電機操作和設備狀態(tài)及數(shù)據(jù)顯示，PLC 自動控制系統(tǒng)配置可見圖2。

圖2 PLC自控控制系統(tǒng)配置示意圖

2.3 中藥配方顆粒生產用離心機自動控制方式的改進設計

2.3.1 系統(tǒng)配置

為了進一步簡化操作，降低離心機控制系統(tǒng)生產成本，提出了觸摸屏與變頻器直接通訊技術的改進設計方案，舍棄了可編程（PLC）邏輯控制器CPU 和I/O 模塊，采用觸摸屏內置的宏語言編程來實現(xiàn)PLC的邏輯控制和數(shù)據(jù)處理及運算功能，改進系統(tǒng)的配置可見圖3。

圖3 改進系統(tǒng)配置示意圖

2.3.2 RS485連接

通過屏蔽線纜，將主、副變頻器的485+、485-串接后連接至觸摸屏的COM2 串行端口。需要注意的是，應采用菊花鏈拓撲結構進行連接，因為RS485只支持菊花鏈拓撲，不支持任何具有分支關系的拓撲，RS485 連接可見圖4。

圖4 RS485連接示意圖

2.3.3 觸摸屏宏語言編程

使用組態(tài)軟件EasyBuilder Pro 的宏指令進行數(shù)據(jù)換算，差轉速的計算及調用宏語言編輯程序如下：

3 改進設計后的技術優(yōu)勢

根據(jù)離心機工作原理，系統(tǒng)控制的對象是兩臺交流異步電動機（稱為主電機和副電機），主、副電機需通過變頻器實現(xiàn)無極調速功能；系統(tǒng)應具備對設備左右兩端軸承進行溫度和振動的測量、顯示和保護功能。所以PLC 控制系統(tǒng)需要配置主要元件為：CPU、I/O 模塊，HMI 觸摸屏及變頻器；設計改進后系統(tǒng)主要元件為HMI 觸摸屏及變頻器。

3.1 與PLC控制系統(tǒng)比較

在兩種方案中，選用的是威綸通MT8071IE 觸摸屏、匯川MD380 變頻器，該變頻器具有Modbus-RTU通訊協(xié)議，通過RS485連接可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊傳輸，性價比高，穩(wěn)定性等其他方面也都能滿足設計要求。

本案系統(tǒng)充分利用了觸摸屏的宏指令功能，通過簡單的宏指令編程，采用RS485 直接通訊的方式，實現(xiàn)觸摸屏和變頻器之間的數(shù)據(jù)采集和傳送、變頻器的啟動/停止控制，有效達到設備的自動控制功能。與PLC 控制系統(tǒng)相比較，具有以下優(yōu)點：（1）設計原理更簡單，不需要設計控制流程圖、計算PLC 系統(tǒng)I/O 點數(shù)，簡化了設計圖紙，減少了控制柜接線工作量，縮減了車間生產周期；（2）編寫程序簡單，通過觸摸屏軟件系統(tǒng)的宏指令，可以實現(xiàn)大量的邏輯運算、函數(shù)運算功能，無需編制PLC 邏輯控制程序；（3）現(xiàn)場調試方便，在現(xiàn)場調試時，調試工程師也不需要帶電腦調試程序、設置參數(shù)，減少了現(xiàn)場調試人員的工作量；（4）省略了自動控制系統(tǒng)必需的PLC 及其擴展模塊，最大程度節(jié)省了生產成本；（5）節(jié)省了設備的后續(xù)維護成本，由于本系統(tǒng)沒有采用PLC,對設備維護人員的自動化專業(yè)知識要求不高，便于用戶對設備進行日常維護和故障修理工作。

3.2 與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)比較

傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)采用面板按鈕操作，系統(tǒng)雖然原理簡單，但連接線路工作量大，故障隱患較多，無論從生產成本，還是后續(xù)設備維護成本考慮，均無優(yōu)勢。本案系統(tǒng)與其相比，具有相當明顯的優(yōu)勢：（1）觸摸屏本身具有非常強大的功能，如可以單獨和第三方設備通訊，大大減少了控制電路，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力，保障了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性；（2）設備的操作、運行數(shù)據(jù)顯示等功能均可在一塊屏上實現(xiàn)，簡潔明了，視覺效果完美；（3）電路設計簡單，能進行大量的數(shù)據(jù)處理和配方數(shù)據(jù)保存，具體較強的自動控制功能，且操作簡單、維修方便。

4 改進后的離心機控制方式在中藥配方顆粒生產現(xiàn)場實際應用

采用無PLC 的觸摸屏控制系統(tǒng)具有操作簡單、自動化程度較高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、生產成本低等優(yōu)點。改進后無PLC 系統(tǒng)的離心機自動控制方式在中藥配方顆粒生產現(xiàn)場實際應用中，解決了常規(guī)PLC 控制器系統(tǒng)在空間輻射場內產生的輻射干擾問題；解決了PLC 控制器控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O 模件損壞的問題；解決了由于系統(tǒng)內部原件及電路間的相互電磁輻射，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等嚴重問題；上述這些都屬于PLC 控制制造廠對系統(tǒng)內部進行電磁兼容設計的內容，比較復雜，在現(xiàn)場應用中是無法改變的，我們只能選擇具有較多應用實際或經過考驗的系統(tǒng)來避免。圖5 為離心機實際應用工藝圖。

圖5 離心機實際應用工藝圖

5 結論

設計時，在充分考慮系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的基礎上，著重考慮了產品的性價比要求，以節(jié)省成本為原則，相比PLC 控制系統(tǒng)節(jié)省25%，比傳統(tǒng)繼電器控制節(jié)省6%。觸摸屏與變頻器直接進行RS485 通訊的控制方式，已經通過離心機在中藥配方顆粒分離提取實際項目中多次應用，該設計方案不僅節(jié)省了生產成本，還縮短了產品生產周期，達到了降本增效效果。