膠囊上料機(jī)控制及防干擾措施

黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所 陳剛 陳洪林 曹小燕 白廣利

    摘  要：采用歐姆龍的CPMIA型可編程控制器進(jìn)行電氣控制，實(shí)現(xiàn)膠囊上料機(jī)的全自動(dòng)運(yùn)行。并介紹了去除運(yùn)行過程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)的幾種方法。
    關(guān)鍵詞：PLC 干擾信號(hào) 延時(shí)濾波



1引言
   近年來，我國制藥工業(yè)在飛速發(fā)展，新型的制藥設(shè)備以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)在人們面前，而這些設(shè)備的進(jìn)料與出料卻成了實(shí)施GMP規(guī)范的一大障礙。最具代表性的應(yīng)屬全自動(dòng)膠囊充填機(jī)，工作能力從300粒/分提高到2000粒/分，在國內(nèi)外得到了較好的推廣應(yīng)用。但至今膠整充填機(jī)上料國內(nèi)一直采用手工上料方式，能力高的機(jī)型大都在10萬粒/小時(shí)以上，幾分鐘就得上一次膠囊。料口高達(dá)18米以上，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，給生產(chǎn)帶來極大不便。關(guān)鍵是手工操作還會(huì)增加交叉污染的機(jī)會(huì)，這與全自動(dòng)膠囊充填機(jī)極不相稱，弊端很多。
    其它一些制藥設(shè)備，如大型自動(dòng)化程度高的壓片機(jī)、數(shù)粒機(jī)、膠囊掉頭機(jī)等，目前也同樣存在上料自動(dòng)化的問題。
    我們研制的膠囊上料機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)上料，基本替代傳統(tǒng)的人工上膠囊方式，過程中無卡堵膠囊現(xiàn)象，對(duì)膠囊無損傷，在其它相關(guān)領(lǐng)域也有著極廣泛的應(yīng)用范圍。
    本設(shè)備的控制系統(tǒng)采用歐姆龍的CPM1A型可編程控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)過程的全自動(dòng)運(yùn)行。應(yīng)用上位機(jī)編制的程序通過串行通訊電纜和PLC進(jìn)行通訊，并實(shí)現(xiàn)程序的在線編制和調(diào)試。
2工作原理及控制要求
    本設(shè)備采用氣力輸送方式，利用過濾的空氣正壓在物料管道內(nèi)輸送，通過可形成“氣墊”保護(hù)的柔性進(jìn)料機(jī)構(gòu)，使膠囊進(jìn)入管道而不被破壞；在管道末端的出料器，能將膠囊和風(fēng)分離，使膠囊順利落入充填機(jī)的膠囊斗內(nèi)。
    過程控制要求：開機(jī)后，風(fēng)機(jī)M1先啟動(dòng)，經(jīng)過t1(s)后進(jìn)料電機(jī)M2啟動(dòng)；當(dāng)膠囊上升到設(shè)定位置(H)，高位傳感器動(dòng)作，經(jīng)過t2(s)后進(jìn)料電機(jī)停止，t3(s)后風(fēng)機(jī)停止。t3＞t2，即風(fēng)機(jī)在進(jìn)料電機(jī)停止后，仍持續(xù)工作(t3-t2)秒。當(dāng)膠囊回落到設(shè)定位置(L)時(shí)，低位傳感器動(dòng)作，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，過程重新開始，周而復(fù)始，直到停機(jī)。
3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)
    該控制系統(tǒng)硬件部分，是以歐姆龍的CPM1A型可編程控制器(PLC)為控制核心，I/O點(diǎn)數(shù)共10點(diǎn)，其中輸入6點(diǎn)，輸出4點(diǎn)。該控制器體積小，性能可靠，編程簡單，使用方便。硬件構(gòu)成如圖1所示。輸入接口以開關(guān)量(常開/常閉)輸入檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)，輸出接口控制接觸器和高位指示燈。



3.2軟件設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)采用循環(huán)掃描工作方式，對(duì)輸入進(jìn)行讀取，將變量狀態(tài)存入內(nèi)部寄存器，同時(shí)將新的運(yùn)算結(jié)果送到輸出端，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令，完成預(yù)定的控制任務(wù)PLC的梯形圖通過上位機(jī)進(jìn)行編輯，其編輯環(huán)境為SYSMAC軟件，此軟件是一套基于bbbbbbS的工作平臺(tái)，可與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)梯形圖的在線編輯、修改，并監(jiān)督PLC的運(yùn)行情況。
    控制方式為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，整個(gè)控制過程默認(rèn)為自動(dòng)方式，如需要進(jìn)行調(diào)試或接近開關(guān)失效時(shí)，可選擇手動(dòng)方式。流程圖如圖2所示。梯形圖如圖3所示。

4防干擾措施
    如果測(cè)量位置選擇的是光電傳感器，那么很容易出現(xiàn)信號(hào)干擾情況。
4.1當(dāng)膠囊從出料器入充填機(jī)膠囊斗內(nèi)時(shí)，飛濺的膠囊會(huì)進(jìn)入光電測(cè)位器光路內(nèi)，高度敏感的光電開關(guān)會(huì)接收到此信號(hào)，在膠囊還沒升到高位時(shí)，電機(jī)就會(huì)突然停止，隨著信號(hào)的瞬間消失，電機(jī)又重新啟動(dòng)，從而導(dǎo)致電機(jī)的誤動(dòng)作。
    充填機(jī)料斗中的膠囊呈波形上升，臨近高位時(shí)，輸送膠囊的風(fēng)不斷將坡頂?shù)哪z囊吹到坡下，使得高位信號(hào)極不穩(wěn)定，造成電機(jī)的頻繁啟動(dòng)，從而縮短電機(jī)的使用壽命。
    如果選擇的是電容式接近開關(guān)，第一種情況可以避免，但是第二種情況依然避免不了。
4.2解決的方法大致有三種：
    (1)對(duì)第一種情況，最簡單直接的方法是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械裝置，即把高位傳感器量程的有效部分保護(hù)起來，使得膠囊無法飛濺進(jìn)入光路范圍。此裝置雖然簡單，但占用充填機(jī)膠囊斗空間，影響膠囊的儲(chǔ)存容量，而且受出料器體積的限制，裝卸極不方便。
    (2)采用門電路來控制。如圖4所示(其中圖中的門均采用標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示，捕蕕電路可采用D觸發(fā)器、T觸發(fā)器等組成)。

    a.當(dāng)處于高位傳感器量程范圍外，且確無干擾時(shí)，D觸發(fā)器輸出為0，濾波輸出為0，異或門輸出0，則與門輸出0，對(duì)高位傳感器不起作用，即高位傳感器不動(dòng)作。
    b.當(dāng)處于高位傳感器量程范圍內(nèi)，且有干擾產(chǎn)生時(shí)，D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出為1，濾波電路輸出為0，異或門輸出1，此時(shí)，對(duì)D觸發(fā)器清零，使其輸出為0。則整個(gè)與門輸出仍為0，高位傳感器不動(dòng)作。
    c.當(dāng)達(dá)到高位傳感器的最高量程時(shí)，D觸發(fā)器輸出為1，濾波電路輸出為1，異或門輸出為0，非門輸出1，則與門輸出為1，從而使高位傳感器動(dòng)作。
    單件產(chǎn)品采用此方法，開發(fā)成本相對(duì)較高，數(shù)據(jù)采集和收集不易實(shí)現(xiàn)，在產(chǎn)品大批量生產(chǎn)時(shí)，可以考慮使用。
    (3)對(duì)第二種情況采用延時(shí)濾波，即信號(hào)的通斷不是直接控制電機(jī)的啟停，而是通過時(shí)間繼電器的延時(shí)是干擾信號(hào)不起作用，其延時(shí)時(shí)間可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，本控制系統(tǒng)中采用的就是這種措施。此方法無論是用繼電器控制還是PLC控制，都較容易實(shí)現(xiàn)，比較實(shí)用。示意圖如圖5所示。

5結(jié)束語
   本控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，操作簡單，維護(hù)方便，取代了傳統(tǒng)繼電器的復(fù)雜控制，大大提高了運(yùn)行的可靠性。本設(shè)備已經(jīng)用戶(藥廠)使用，反映良好，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。而且，單機(jī)上下料自動(dòng)化的研制成功也為制藥行業(yè)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)單機(jī)聯(lián)接，形成全封閉的連續(xù)化生產(chǎn)線打下了良好的基礎(chǔ)。
6參考文獻(xiàn)
［１］OMRON,SYSMAC CPM1A可編程控制器操作手冊(cè)［Ｓ］
［２］汪曉光，陳曉瑛，王艷丹可編程控制器原理及應(yīng)用［Ｍ］機(jī)械工業(yè)出版社，1998