微型干法制粒机控制系统设计

常宏杰，杨 光，岳彦芳

（河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018）

0 引言

干法制粒机是在制药、食品和保健品行业应用的一种生产设备，其功能是将粉末状的原料进行挤压、破碎、筛分后得到一定颗粒度的物料，目的是增加物料密度，改善流动性，方便后续生产工艺的进行[1]。目前，正式生产用的干法制粒机均采用连续送料，最小给料量都在几十千克以上，且设备体积庞大，不适合在实验室使用。现根据客户需求，设计开发了一种适合进行药品工艺实验的微型干法制粒机，其最小给料量低至1千克左右，采用单相电源供电。本文详细介绍该设备控制系统的设计内容。

1 干法制粒工作原理及控制要求

微型干法制粒机外观如图1所示，其制粒工艺过程如图2所示。粉末状原料经竖直螺杆和水平螺杆输送到压辊处，螺杆具有输送和预压缩双重作用。由于压辊后端有液压缸对压辊施加一定作用力，当物料经过压辊时被挤压成薄片，再经过整粒装置将薄片破碎并通过指定目数的筛网得到颗粒状物料。

图1 微型干法制粒机设备

图2 干法制粒机工艺过程

由于影响制粒效果的因素主要有送料转速、压辊转速和压辊压力，因此要求竖直螺杆、水平螺杆及压辊要能实现无极调速，压辊处液压缸压力应连续可调。另外，作为实验机，需要将实验数据实时记录下来，并能存档和打印。

2 硬件设计

基于以上工艺过程和控制要求，设计了如图3所示的控制系统。该系统选用西门子S7-200 Smart系列PLC作为主控单元[2]，其中CPU模块选用SR20，其集成有12个数字量输入，8个数字量输出。选用一个模拟量扩展模块EM AI04接收压辊位移传感器和液压缸压力传感器的测量信号。变频器选择西门子V20系列单相变频器，便于实验室电源供电。

为尽量减少控制系统占用空间，使设备结构紧凑，同时降低硬件成本，利用CPU模块集成的RS485通信口和三台西门子V20单相变频器RS485通信口连接构成Modbus通信网络[3]。变频器的启停、速度给定及故障报警等信号都通过网络通信实现，减少了PLC输入输出通道数量和硬件连线。为避免电磁干扰对通信的影响，通信总线两端需连接终端电阻，各通信站点做好共地连线。

压辊上压制力通过检测液压管路压力间接获得，选用杭州美控公司的MIK-P300系列，量程0～30MPA，输出0～10V电压信号。

压辊位移测量用于监测压片厚度，选用德国VOLFA公司LTD-10电子尺，量程10mm，重复精度0.01mm，输出0～10V电压信号。

图3 控制系统硬件结构

同样基于减少空间的考虑，选用Pro-face公司5.7英寸GP-4301TW触摸屏，其和PLC之间利用各自集成的以太网口通讯。

3 软件设计

3.1 PLC程序设计

PLC程序采用模块化设计，主要包括主程序、手动子程序、自动子程序、通讯子程序、压力控制子程序和报警处理子程序。其中，手动子程序主要在检修和调试时使用，可单独启停每一电机；自动子程序主要实现自动模式下各电机的顺序延时启停；压力控制主要通过液压泵的启停和泄压电磁阀的开关实现压辊上的压力稳定，并能连续可调。报警处理子程序用于故障发生时的紧急停止和触发文字、声光报警信号。上述程序主要是常规的逻辑控制，在此不再赘述，现介绍一下PLC和三台变频器之间的通信程序。

在该Modbus通信网络中，设定PLC为通信主站，三台变频器分别为1号、2号和3号从站。S7-200 Smart系列PLC提供有Modbus RTU主站指令库，通过在用户程序中调用该指令库中各种子程序即可实现和从站的通信。编程时最基本的通讯指令有MBUS_CTRL指令和MBUS_MSG指令，如图4所示。其中MBUS_CTRL指令完成主站通讯参数的初始化设置，如协议选择、波特率、校验方式等，需要在每个扫描周期调用。MBUS_MSG指令用来读写从站数据，每次只能有一个读写请求，因此，三个从站数据需要轮流读写。

3.2 变频器参数设置

三台变频器作为从站，需要设置好相关的通信参数，如站地址、波特率和校验方式，同时选择RS485网络为启停命令源和频率给定源，各参数如表1所示。

图4 MODBUS通讯指令

表1 变频器参数设置

3.3 触摸屏界面设计

作为人机交互的界面，触摸屏程序利用Pro-face公司的GP-Pro EX4.0组态软件设计，主要包括手动模式界面、自动模式界面和数据记录界面等，如图5所示。所有画面的上半部分为设备状态信息，可以直接观察到各部件的当前运行状态及主要参数；下半部分为操作区域，可以通过按钮触发控制指令。

图5 触摸屏界面

作为一台实验设备，实验数据的记录非常必要，该功能通过触摸屏的“数据采样”功能实现。如图6(a)所示，在组态软件“采样设置”相应选项中设置好数据采集的地址、采样模式、显示格式等，即可实现数据记录功能。

为方便将记录的数据永久保存，开发了“输出到U盘”功能。需要在组态软件的“采样设置”相应选项中指定CSV控制字地址及存储介质，如图6(b)所示，然后在触摸屏画面的“输出到U盘”按钮中通过写入控制字即可将数据以CSV格式文件的形式保存到U盘。

图6 数据记录功能实现

4 结束语

该干法制粒机控制系统以PLC为控制核心，触摸屏为人机界面，采用Modbus网络实现PLC和三台变频器的通讯，占用空间小，硬件成本低，具有数据记录功能，操作方便，非常适合实验室使用，目前，已在多家制药企业推广应用。