蔣 偉, 謝 斌, 呂洪善, 孫式運(yùn), 馬靈珍, 吳 飛

(1. 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系, 安徽 亳州 236800; 2.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 藥學(xué)院, 安徽 亳州 236800)

中藥炮制機(jī)械智能炒藥機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣 偉1, 謝 斌1, 呂洪善1, 孫式運(yùn)1, 馬靈珍2, 吳 飛2

(1. 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與電氣工程系, 安徽 亳州 236800; 2.亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 藥學(xué)院, 安徽 亳州 236800)

針對傳統(tǒng)中藥飲片炮制機(jī)械炒藥機(jī)溫度控制難題, 通過對中藥炮制過程炒制單元的工藝進(jìn)行分析研究, 設(shè)計(jì)了一種基于觸摸屏與可編程控制器的溫度控制系統(tǒng), 可根據(jù)炒制中藥飲片的品種、規(guī)格、投料量等因素實(shí)現(xiàn)對溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、超溫報(bào)警以及配方處理. 介紹了溫控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及PID算法原理, 詳細(xì)敘述了利用三菱PLC自帶指令實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制的方法. 試驗(yàn)結(jié)果表明, 該溫度控制系統(tǒng)控制精確穩(wěn)定, 操作簡單, 畫面直觀, 系統(tǒng)維護(hù)方便.

炒藥機(jī); 可編程邏輯控制器; 溫度控制系統(tǒng); PID算法

中藥飲片作為中藥行業(yè)3大支柱的中間環(huán)節(jié), 為中醫(yī)臨床用藥、中成藥生產(chǎn)提供重要原料. 中藥炮制是一套根據(jù)中醫(yī)藥理論和藥材自身的性質(zhì)對中藥材實(shí)施生產(chǎn)加工的技術(shù), 體現(xiàn)中藥傳統(tǒng)技藝, 注重長期醫(yī)療實(shí)踐積累. 炒制作為中藥飲片炮制中的重要一環(huán)同時(shí)又是中藥生產(chǎn)中最為薄弱的環(huán)節(jié), 千百年來一直沿用簡單落后的手工生產(chǎn)方式. 隨著近幾年技術(shù)的發(fā)展, 各飲片廠大面積采用炒藥機(jī)為主要生產(chǎn)設(shè)備, 但這些設(shè)備大多存在自動(dòng)化程度低、穩(wěn)定性差的問題, 溫度、時(shí)間和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)依靠人工調(diào)整, 這與現(xiàn)代先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)過程的要求存在較大的差距和不足. 而且傳統(tǒng)人工操作的隨意性與情緒化, 也會(huì)對中藥飲片的產(chǎn)量和質(zhì)量有著很大的影響, 致使中藥標(biāo)準(zhǔn)體系無法廣泛應(yīng)用, 這也是造成中醫(yī)這塊瑰寶無法為世界上更多國家和人們所接受、享用的主要原因. 因此, 在遵從傳統(tǒng)炒制方法的基礎(chǔ)上, 借助于一種技術(shù)含量高、控制效果好的自動(dòng)控制技術(shù)來滿足生產(chǎn)過程中對溫度和時(shí)間的控制要求是炒藥機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)[1].

本文主要針對中藥炮制過程中的溫度控制難題, 在原有炒制機(jī)械的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一種基于觸摸屏與PLC的溫度PID算法閉環(huán)控制系統(tǒng). 本設(shè)計(jì)可根據(jù)炒制中藥飲片的品種、規(guī)格、投料量等不同的因素實(shí)現(xiàn)對溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)監(jiān)控、超溫報(bào)警以及配方處理, 擺脫傳統(tǒng)炒藥過程純粹憑經(jīng)驗(yàn)、肉眼觀察而帶來的質(zhì)量不穩(wěn)定性, 達(dá)到了產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化和環(huán)保等的要求[2]. 并詳細(xì)介紹了中藥炮制過程炒制單元的工藝流程、溫控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及PID算法等軟件系統(tǒng)開發(fā). 該溫控系統(tǒng)對于其他恒溫閉環(huán)系統(tǒng)的改造具有一定的借鑒價(jià)值.

1 中藥飲片炒制流程

該智能炒藥機(jī)由滾筒式炒鍋、電加熱器、固態(tài)繼電器、PLC控制箱、觸摸屏、電動(dòng)機(jī)、小帶輪、減速箱、變頻器和溫度傳感器等組成, 具體結(jié)構(gòu)如圖1所示. 系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式, 可手動(dòng)設(shè)定參數(shù)或者系統(tǒng)根據(jù)待炒制品種自主選擇溫度值、炒制時(shí)間和滾筒轉(zhuǎn)速.

圖1 智能炒藥機(jī)結(jié)構(gòu)圖

中藥飲片炒制流程如圖2所示. 具體而言, 由PLC構(gòu)成的控制器通過對來自觸摸屏的輸入值和傳感器的檢測值進(jìn)行比較, 采用PID算法得出系統(tǒng)輸出值, 控制固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間, 改變電加熱器的工作狀態(tài), 達(dá)到不同品種中藥飲片炒制過程中溫度精確控制的目的. 變頻器一方面控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向, 烘炒時(shí),滾筒式炒鍋正轉(zhuǎn), 滾筒邊旋轉(zhuǎn)邊受熱, 凸片將藥材拋向炒鍋內(nèi)端并充分?jǐn)嚢杷幉? 使?jié)L筒內(nèi)的物料均勻受熱, 從而達(dá)到翻炒的目的; 出料時(shí), 滾筒式炒鍋反轉(zhuǎn),凸片將藥材拋向炒鍋外端, 藥材通過出料口自動(dòng)流出,完成出料. 變頻器另一方面還可控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 根據(jù)中藥飲片品種、投料量等因素使之工作于多段速或變頻調(diào)速運(yùn)行狀態(tài), 達(dá)到節(jié)能減排的要求[3].

2 炒藥機(jī)溫控系統(tǒng)的硬件組成

炒藥機(jī)溫控系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示. 采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心, 溫度變送器將溫度值變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電流信號, 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送給PLC作為測量值, 運(yùn)用PLC自帶的PID指令將測量值與設(shè)定值進(jìn)行PID運(yùn)算處理,得到輸出值, 控制固態(tài)繼電器的通斷, 驅(qū)動(dòng)炒藥機(jī)電加熱管, 實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制[4]. 上位機(jī)采用觸摸屏控制, 設(shè)定的加熱溫度值可通過觸摸屏輸入, 同時(shí)通過觸摸屏的組態(tài)功能存儲(chǔ)不同工藝要求的加熱控制曲線. 當(dāng)突發(fā)事故時(shí), 發(fā)出警報(bào), 并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)控制的切換.

圖2 中藥飲片炒制流程圖

圖3 炒藥機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 PLC選擇

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng), 專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì). 它采用可編程的存儲(chǔ)器, 用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等的操作指令, 并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出, 控制各種類型的機(jī)械動(dòng)作過程[5]. 根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求, 選用三菱FX1N-40MR作為下位機(jī), 選用兩輸入通道的特殊功能模塊FX0N-3A進(jìn)行溫度采集; 上位機(jī)選用MCGS彩色液晶觸摸屏TPC7062K, 實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟停、PID參數(shù)整定、溫度設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、溫度超限報(bào)警等.

2.2 測溫裝置

根據(jù)炒藥機(jī)的加熱溫度范圍, 溫度傳感器選用PT100, 溫度變送器選用SBWZ, 供電為+24V, 測量范圍0～400℃, 將熱電阻信號轉(zhuǎn)換成與溫度信號成線性的4～20mA電流信號, 當(dāng)使用FX0N-3A的電流輸入時(shí),確保將VIN和IIN的端子連接[6].

3 炒藥機(jī)溫控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID控制算法原理

PID運(yùn)算是閉環(huán)模擬量控制中較成熟的調(diào)節(jié)方式, 它在改善控制系統(tǒng)品質(zhì), 保證系統(tǒng)偏差e(設(shè)定值和過程變量的差)達(dá)到預(yù)定指標(biāo), 使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)方面具有良好的效果. 典型的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示[7].

圖4 PID控制原理框圖

三菱FX1N-40MR可編程控制器有自己的PID指令, 只需進(jìn)行一些簡單的參數(shù)設(shè)置即可, 在本系統(tǒng)PID中, 只是用了比例和積分控制, 其回路增益和時(shí)間常數(shù)使用自動(dòng)調(diào)諧求得[8], 初步得到的參數(shù)為:, 但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果.

3.2 PlD算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)

在使用PID指令前, 需事先對目標(biāo)值、測定值及控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定. 其中, 測定值是溫度變送器在PLC中產(chǎn)生的數(shù)字量值, 它是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的期望值. 表1給出了該溫控系統(tǒng)PID控制參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器設(shè)定值.

表1 PID運(yùn)算設(shè)定內(nèi)容

炒藥機(jī)溫控系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)諧設(shè)置說明: ①確認(rèn)目標(biāo)值與檢測值的差值大于150, 否則, 不能正確自動(dòng)調(diào)諧. 調(diào)試時(shí)檢測值為30(+16.8℃), 所以目標(biāo)值設(shè)為185. ②程序初始化時(shí)要設(shè)定自動(dòng)調(diào)諧不能設(shè)定的參數(shù)(采樣時(shí)間、輸入濾波、微分增益等), 采樣時(shí)間要求設(shè)置大于1s, 盡量設(shè)置成比輸出變化周期大的數(shù)值,本系統(tǒng)中, 輸出變化周期取2s, 所以采樣時(shí)間設(shè)為3s. ③人為往系統(tǒng)輸出50%～100%的輸出值, 本系統(tǒng)輸出值設(shè)為1.8s, 最大輸出的90%. ④自動(dòng)調(diào)諧設(shè)置為有效, 即< [S3]+1 > bit4取1, 自動(dòng)調(diào)諧開始, 當(dāng)檢測值達(dá)到自動(dòng)調(diào)諧開始時(shí)的檢測值與目標(biāo)值的差值的以上時(shí), 自動(dòng)調(diào)諧結(jié)束, < [S3]+1 > bit4自動(dòng)變?yōu)镺FF,比例增益KP和積分時(shí)間Ti存于相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中, 當(dāng)PID控制運(yùn)行時(shí), 將按照得到的值進(jìn)行運(yùn)算[9].

4 炒藥機(jī)PLC溫控系統(tǒng)的調(diào)試

分別取三種中藥飲片進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試, 得到的結(jié)果如表2所示. 以炒白芍為例進(jìn)行說明, 取30kg白芍裝入炒藥滾筒內(nèi), 當(dāng)前溫度為16.8℃, 溫度變送器輸出信號4.9mA, 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后的數(shù)字量為30, 溫度設(shè)定為200℃, 滾筒設(shè)定23r/min的中速旋轉(zhuǎn). 當(dāng)將開關(guān)置于啟動(dòng)時(shí), 開始炒藥, 爐體升溫, 系統(tǒng)進(jìn)行溫度當(dāng)前值實(shí)時(shí)采集和PID運(yùn)算, 當(dāng)溫度升高到50℃時(shí), PID運(yùn)算輸出2000, 電熱管持續(xù)導(dǎo)通, 物料在滾筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)持續(xù)升溫; 當(dāng)溫度上升到150℃, PID運(yùn)算后輸出1450, 電熱管每2s導(dǎo)通1.45s, 使溫度緩慢上升; 加溫到198℃時(shí), PID輸出為200, 即電熱管在2s的周期里導(dǎo)通0.2s, 持續(xù)翻炒15～20min, 藥物開始變化. 經(jīng)過從低溫到200℃的持續(xù)翻炒, 當(dāng)白芍的外觀顏色和散發(fā)出的藥香味達(dá)到炒炙的要求時(shí)?；鸪鏊? 按下反轉(zhuǎn)按鈕, 藥物從炒藥筒內(nèi)反轉(zhuǎn)運(yùn)行0.5min, 藥物從筒內(nèi)出凈, 取樣檢查質(zhì)量. 圖5為炒藥機(jī)溫控系統(tǒng)主畫面.

表2 系統(tǒng)調(diào)試記錄

圖5 控制系統(tǒng)主畫面

表2記錄了系統(tǒng)調(diào)試過程, 試驗(yàn)結(jié)果表明, 上升時(shí)間在3min之內(nèi), 超調(diào)量不超過10%, 控制效果很好,滿足了系統(tǒng)的控制要求. 圖6為實(shí)時(shí)溫度檢測的一條曲線.

圖6 實(shí)時(shí)溫度檢測曲線

5 結(jié)語

基于觸摸屏和PLC的炒藥機(jī)控制系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了中藥飲片炮制中炒藥機(jī)的溫度自動(dòng)檢測、顯示與控制,借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的PID控制, 成本低, 控制精確穩(wěn)定, 操作簡單, 畫面直觀, 系統(tǒng)維護(hù)方便. 數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及上傳有利于中藥飲片自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；l(fā)展.

[1] 許 江, 余鴻飛, 付成喜．炒藥機(jī)[P]．中國: 201320515372.9, 2013-08-22

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The Design of Temperature Control System Applied in Smart Frying Machine of Traditional Chinese Medicine Processing

JIANG Wei1, XIE Bin1, LV Hong-shan1, SUN Shi-yun1, MA Ling-zhen2, WU Fei2
(1. Department of Electronic and Electrical Engineering, Bozhou Vocational and Technical College, Bozhou 236800, China; 2. College of Pharmacy, Bozhou Vocational and Technical College, Bozhou 236800, China)

Aiming at the temperature control difficulties in the traditional frying machine of Traditional Chinese Medicine processing, through analysis and study of existing temperature control system on the frying process, the temperature control system based on programmable controller with touch screen is designed. It can be used for automatic temperature adjustment, real-time monitoring, over-temperature alarm and recipe handling according to frying varieties, specifications, weight and other factors. The hardware structure and principle of PID algorithm is produced. The method for using instructions comes with Mitsubishi PLC to achieve closed-loop temperature control is described in detail. The test results show that the temperature control system has the advantage of control precision and stability, simple operation, the screen intuitive and easy system maintenance.

frying machine; PLC; temperature control system; PID control algorithm

R282.72; TP273

A

1672-5298(2014)04-0058-05

2014-07-21

安徽省2013年質(zhì)量工程項(xiàng)目 “特色專業(yè)——機(jī)電一體化技術(shù)” (2013tszy066); 安徽省亳州市市委組織部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目“智能控制與節(jié)能技術(shù)”

蔣 偉(1982? ), 男, 安徽亳州人, 碩士, 亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程系講師. 主要研究方向: 電力電子與電力傳動(dòng)