1、PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 1 页 共 27 页摘要可编程序控制器(PLC)是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微型处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，是一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。本文介绍了药品制粒干燥机（以下简称干燥机）加工的基本原理以及系统控制的设计方法，从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证加工安全、快捷、可靠。引风机恒压供风控制系统保证了产品的质量，以 PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制
2、功能，提高了系统的可靠性。关键词:药品制粒干燥机 PLC 变频器 恒压供风。PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 2 页 共 27 页引 言药品制粒干燥机（以下简称干燥机）是用于实验室或小批量生产小丸颗粒的制药设备。由于实验室原有的控制系统使用的是十年前的人机界面和 PLC，故其硬件均已老化，性能下降，在运行的过程中经常出现死机、黑屏、重启动，甚至某些画面参数不能修改；同时由于无相应的 PLC编程器、编程软件和人机界面软件，因此可维修性也差。为了解决这些问题，本文采用 PLC 和负压变频器闭环控制方案对干燥机的控制系统进行改造，从而实现生产过程的自动控制。使用此方法进行的控制系统设计可改进现有
3、技术的不足，简化结构，有利于降低成本和提高可靠性，解决了原有系统的缺点。改进后的系统既可以制粒又可快速干燥，制粒、混合、干燥在同一个密闭的室内完成，防止与外界接触而引起污染。确保药物颗粒内在质量上符合“GMP” 的要求。PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 3 页 共 27 页第一章 PLC 控制系统设计1.1 PLC 的特点可编程序控制器（PLC）是采用微机技术的通用工业自动化装置，近几年来，在国内已得到迅速推广普及。PLC 正改变着工厂自动控制的面貌，对传统产业的技术改造，发展新型工业具有重大的意义。1.1.1 编程方法简单易学，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工
4、矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。1.1.2 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上
5、 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。1.1.3 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现
6、故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样使整个系统具有了极高的可靠性。1.1.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。1.1.5 体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，
7、是实现机电一体化的理想控制设备。PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 4 页 共 27 页1.2 PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则：1.2.1 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 PLC 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定
8、控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。1.2.2 保证 PLC 控制系统安全可靠保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等） ，也能正常工作。1.2.3 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工
9、程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。1.2.4 适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择 PLC、输入/输出模块、I/O 点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。1.3 PLC I/O 模块的选择步骤与原则 一般 I/O 模块的价格占 PLC 价格的一半以上。PLC 的 I/O 模块有开关量 I/O 模块、模拟量 I/O模块及各种特殊功能模块等。不同的 I
10、/O 模块，其电路及功能也不同，直接影响 PLC 的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。1.3.1 开关量 I/O 模块的选择 1. 开关量输入模块的选择开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为 PLC 内部接受的低电压信号，并实现 PLC 内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：（1） 输入信号的类型及电压等级开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 5 页 共 27 页子输入设备连接；交流输入
11、模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流 5V、12V、24V、48V、60V 等；交流110V、220V 等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般 5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如 5V 输入模块最远不得超过 10 米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。（2） 输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式： 汇点式输入 分组式输入汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM） ；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。
12、分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。（3） 注意同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块(如 32 点、48 点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的 60%。（4） 输入门槛电平为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅 PLC 说明书。2. 开关量输出模块的选择开关量输出模块是将 PLC 内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现 PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：（1） 输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体
13、管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过 1HZ） 、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。（2） 输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式： 分组式输出 分隔式输出 分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不
14、同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据 PLC 输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式 PLC 既有分组式输出，也有分隔式输出。（3） 驱动能力PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 6 页 共 27 页开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于 PLC 外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。（4） 注意同时接通的输出点数量选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小
15、于公共端所允许通过的电流值，如一个 220V/2A 的 8 点输出模块，每个输出点可承受 2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是 16A(82A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的 60%。（5） 输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。1.3.2 模拟量 I/O 模块的选择模拟量 I/O 模块的主要功能是数据转换，并与 PLC 内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（A/D）模块是将
16、现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成 PLC 内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将 PLC 内部的数字量转换为模拟量信号输出。典型模拟量 I/O 模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA 等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些 PLC 制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如 RTD、热电偶等信号） 。1.3.3 特殊功能模块的选择目前，PLC 制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的 I/O 模块，有的还推出了自带 CPU 的智能型 I/O 模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID 控制模块、通信模块
17、等。PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 7 页 共 27 页第二章 药品制粒干燥机系统 PLC 硬件设计图 2-1 药品制粒干燥机示意图2.1 药品制粒干燥机生产过程主电路图 2-2 主电路PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第 8 页 共 27 页部分硬件的选择：1. 交流接触器接触器是应用非常广泛的电磁式电器，可以频繁的接通和分断交、直流主电路，并可以实现远距离控制，主要用来控制电动机，其选择方式如下：（1）根据负载的性质，控制交流选择交流接触器，控制直流选择直流接触器。（2）接触器的工作任务类别应与负载的类别相一致。（3）主触点的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。（4）主触点的额定
18、工作电流应大于或等于负载的电流。接触器主触点的额定工作电流（按经验公式 计算 ,其中 K=11.4）是在规定条件（额定工作电压、使用类别、操作频率等）NKUPI310下能正常工作的直流值，电动机主触点电流 。AIN35.24)0.1(5.73根据电器控制与 PLC选用 CJ20-25 220V。2. 按钮选择按钮主要考虑按钮的结构形式、操作方式、触点对数等要求。本设计中有 8 个控制按钮，不需要指示灯，按钮的主要参数有额定电压（380V AC/220V DC）和额定电流（5A） 。所以选择LA2-11 型号的按钮。3. 电动机电动机是一种根据电磁感应原理将电能转变为旋转的机械能并输出机械转矩的
19、动力设备，可分为交流电动机和直流电动机，交流电动机又分为同步电动机和异步电动机，接法：3KW 及以下为 Y 接法，4KW 及以上为接法。根据电机维修与拆装技术选用电动机型号为 Y132S-4。4. 导线导线是用来连接主电路和控制电路的元件，导线的种类很多，本设计中电动机功率是7.5KW，额定电压 380V。对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：（式中 ）,推出 。由于电机的起动电流很cos732.1UIP8.0csAUIPI24.1cos732.1大，是工作电流的 4 到 7 倍，所以还应考虑电机的起动。5. 熔断器熔断器的选择主要是选择熔断器的类型，额定电压和熔体的额定电流等。额定
20、电压应大于或等于实际电路的工作电压，熔体额定电流的计算原则有：（1）对于照明电路或电阻炉等没有冲击性的电流的负载，熔体的额定电流 应大于或等于fNI电路的工作电流 I。（2）保护一台异步电动机时，考虑电动机起动冲击电流的影响，熔体的额定电流按公式：计算。NfNI)5.(由经验公式 ， 。API15.72 AIINfN 5.37.215).()5.21( 根据电器控制与 PLC选用 RT18-63。6. 热继电器热继电器是用来对连续运行的电动机进行过载保护的保护电器，以防止电动机因过热而烧毁。热继电器的整定值一般按电动机额定电流的 0.951.05 倍选用。PLC 在药品制粒干燥机方面的应用第
21、9 页 共 27 页即, 。AIIN 75.12.45)0.19.()05.19.( 根据电器控制与 PLC选用 JR36-20/3 整定值 15。7. 变频器根据电动机额定功率为 7.5kw，额定电压 380v，工作时间 15-30min。引风机的负载特性、电动机额定功率、环境温度和年工作天数等工作条件以及 PLC 的型号选用艾默生公司产品 p 型变频器，型号为 EV2000-4T0075G 。8. 元件明细表表 2-1 元件明细表代号 名称 型号 数量 作用M 电动机 Y132S-4 1 输出机械转矩QS 组合开关 HZ10-25/3 380v 1 不频繁接通主电路FU 熔断器 RT18-
22、63 3 短路保护KM 交流接触器 CJ20-25 220V 3 频繁通断主电路FR 热继电器 JR36-20/3 1 过载保护JX 端子板 TB-25/2 1 软硬线间的转换连接SB 按钮 LA2-11 4 发布控制命令BV 单股铜硬线 6mm2若干 连接控制电路BLV 单股铝硬线 10mm 若干 连接主电路BVR 多股铜芯软导线 2.5mm2若干 连接按钮盒PLC 可编程序控制器 FX2N-48MR 1VVVF 变频器 EV2000-4T0075G 12.2 PLC 控制系统设计与调试药品制粒干燥机用来将粉末状的药剂及添加剂制成洗衣粉状的小颗粒（其示意图如图 2-1） 。引风机抽出热风，在
23、干燥机内形成负压，使药剂和添加剂悬浮于空中呈药品状，干燥机出口用隔离袋隔离。出口设左右两个闸门，一般同时只打开一个闸门。经过一定时间后，隔离袋被粉末阻塞，需要启动抖动隔离袋的电磁阀，将隔离袋上的粉末抖掉。抖动右隔离袋时，右阀门关闭，左阀门打开；抖动左隔离袋时，左阀门关闭，右阀门打开。左右抖动结束后喷嘴喷入添加剂，完成一次循环。药品制粒干燥机系统属于典型的时序控制系统，系统有手动和自动两种工作方式。起动风机电机时先用星形接法运行 10s，然后改为三角形接法，如果当时处于自动状态，15min 后进入循环工作流程，先左抖动 3min，左抖动时左闸门电磁阀一直接通，左闸门关闭，左抖动电磁阀断开 3sP
24、LC 在药品制粒干燥机方面的应用第 10 页 共 27 页接通 2s，如此循环至 3min 到。左抖动结束时开始右抖动 ，其工作方式同左抖动，然后进入喷射工作状态，喷射电磁阀通电 3min，最后返回左抖动步，如此循环往复，直到按下风机停止按钮，风机停转，设备停止工作。2.3 加工过程输入/输出分配2.3.1 系统的输入/输出设备这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有 8 个开关量，开关量输出触点有 8 个，输入、输出触点数共有 16 个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可以对输入、输出点作出地址分配，干燥机 PLC 控制系统的 I/O 接线图如下(采用三菱公司的 FX2N-48MR 型微型可编程序控制器)：图 2-3 干燥机 PLC 控制系统的 I/O 接线图2.3.2 控制系统 PLC 的输入/输出接口分配表表 2-2 PLC 的输入/输出接口分配表输入继电器 输入变量名 输出继电器 输出变量名X0 引风机开 Y0 引风机起动X1 引风机停 Y1 引风机星形X2 自动 Y2 引风机三角形X3 左抖动 Y3 左阀门电磁阀线圈X4 右抖动 Y4 左抖动电磁阀线圈X5 抖动停 Y5 右阀门电磁阀线圈X6 喷射开 Y6 右抖动电磁阀线圈
