中草藥微波真空連續干燥機控制系統的設計*

徐 峰，王 蔚，王 聰，張家源

(吉林省農業機械研究院，吉林長春130022)

0 引 言

干燥是中草藥貯存的重要手段及工業化加工過程的重要工序。傳統的中草藥干燥方法和目前采用較多的干燥方法多為熱風干燥的原理，生產成本較低，但有效成分損失也大，嚴重影響了中草藥的品質和藥性。近年來，隨著微波及真空技術的發展，微波真空干燥技術在中草藥加工領域得到了一系列的應用，尤其是在中藥材干燥滅菌上。目前，國內多家研究機構和企業先后對微波真空干燥技術和設備進行了更加深入地研究和開發，并取得了諸多研究成果［1-4］。

隨著新型干燥技術及設備的開發及應用，人們對中藥材干燥質量的提高、能量單耗的降低、操作的可靠性都提出了更高的要求，干燥將朝著提高產品質量、有效利用能源、減少環境影響、提高自控水平、操作簡單等方向發展［5］。

針對中草藥微波真空連續干燥過程復雜、自動化程度要求高的問題，本研究介紹一種選用西門子S7-200系列PLC和MP277觸摸屏開發的中草藥干燥控制系統。該控制系統可對中草藥干燥設備運行狀態進行實時監控，實時檢測和顯示干燥系統的溫度、壓力、濕度和重量等控制信號，并動態管理真空泵、制冷機組等動力部件和電磁閥等終端執行機構，實現智能調控的功能。

1 干燥系統基本結構及控制原理

1.1 中草藥微波真空連續干燥系統的基本結構

中草藥微波真空連續干燥系統基本結構如圖1所示，主要由制冷機組、集水器、冷凝管、真空腔、微波組件、真空泵和控制系統組成。

圖1 微波真空連續干燥系統結構示意圖

中草藥微波真空連續干燥系統的工作過程是:將采收的中草藥經過清洗裝置清洗干凈并除去大部分游離水后送入進料倉4中，同時真空泵1開始抽氣，當真空腔內真空度達到設定值時，由進料倉逐步連續加料進真空腔14。當真空腔內有物料時，微波組件9開始工作加熱，使真空腔內物料及空氣的溫度升高。由于真空腔內的壓力較低，使得真空腔內水的沸點也隨著降低。當真空腔內的溫度與壓力達到水的沸點時，真空腔內中草藥組織內的水被汽化隨著真空泵抽氣而被帶走。隨著真空泵的連續工作，氣化的水汽被帶到集水器2中，由于集水器中的溫度被冷卻機組23降到0℃左右，相對高溫的水汽在這里極易被冷凝成水，收集到的水由集水器底部的排水閥放出。通過集水器低溫環境的集水作用，清除空氣中的大部分水汽，相對干燥的空氣被真空泵排到大氣中。

1.2 控制系統原理

該中草藥微波真空連續干燥系統工作模式有兩種:手動運行和自動運行。手動運行包括制冷機組啟動、真空泵啟動、滲氣閥開啟、放氣閥開啟和排水閥開啟、微波組件加熱運行等工況;自動運行模式通過溫度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器檢測到的溫度信號、壓力信號和濕度信號自動控制系統的微波加熱裝置的運行和滲氣閥的啟停時間，同時根據實時檢測到的冷凝管溫度信號控制制冷機組的啟停時間。

自動運行模式具體工作過程如下:制冷機組首先進入工作狀態，當集水器內冷凝管溫度下降至－1℃～5℃，冷凝管表面溫度傳感器檢測到該溫度信號，經溫度變送器傳輸給PLC，PLC系統進行數據處理并輸出控制指令控制中間繼電器開啟真空泵。制冷機組在集水器冷凝管溫度降至－1℃自動停止，在集水器冷凝管溫度上升至5℃自動啟動;當真空腔壓力達到設定值時，上料裝置開始工作，物料進入真空腔內部微波組件開始加熱;當真空腔內物料溫度達到設定值時，微波組件進入脈沖間斷工作狀態，以免高溫對中草藥造成損害。隨著水汽的蒸發，中草藥物料溫度下降，微波組件持續脈沖加熱，維持中草藥物料溫度在一定范圍內。重量傳感器實時監測真空腔中草藥物料重量信號，當達到設定值時，干燥過程結束。微波組件停止加熱，真空泵和制冷機組停止工作。滲氣閥和放氣閥打開釋放真空腔壓力，集水器放水閥打開排出集結的水分，干燥過程結束。

干燥系統的工作過程通過觸摸屏實現實時監控，系統的工作電流和干燥腔內部的溫度、濕度、壓力及中草藥物料的重量等數據，以及輸送電機、制冷機組、真空泵、放氣閥和排水閥和微波組件等執行機構的運行狀態等信息均可通過觸摸屏實現在線顯示。

2 控制系統硬件配置

西門子S7-200系列PLC性價比高，在各個行業中的運用非常普遍［6-7］，所以根據中草藥微波真空連續干燥系統的功能控制要求，控制系統選用西門子公司的S7-200系列PLC(CPU226)。本研究采用PLC來開發該設備，具有成本低、適應性廣、可移植和升級的優點［8］，該中草藥干燥系統的控制結構配置如圖2所示。

圖2 控制結構配置圖

2.1 PLC 的特點

相比傳統的繼電器控制，PLC控制具有諸多優點，避免了以往繼電器控制系統不穩定、可靠性差等缺陷和不足，同時抗干擾能力有了明顯增強。另外，系統具有分析和運算的功能，大大提升了系統的工作性能。

2.1.1 抗干擾能力強，可靠性好

PLC的輸入/輸出系統設計有完善的通道保護與信號調理電路;在結構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個方面:

(1)隔離:這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入/輸出接口電路一般采用光電耦合器來傳遞信號，有效地抑制了外部干擾源對于PLC的影響。

(2)濾波:這是抗干擾的另一個主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進行有效地抑制。

(3)對內部電源采用了屏蔽、穩壓、保護等措施，以減少外界干擾。另外輸入/輸出接口電路電源彼此獨立，避免了電源之間的干擾。

(4)采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構，以適應工作現場的惡劣環境。

(5)以集成電路為基本元件，內部處理過程不依賴于機械觸點，以保障高可靠性。而采用循環掃描的工作循環方式，也提高了抗干擾能力。

2.1.2 控制系統結構簡單，通用性強

PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統。

2.1.3 功能完備，編程方便，易于使用

PLC的各項功能完備，性能可靠，內部采用了微處理器，能夠實現延時、比較和強制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術運算以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監控、打印及報表生成等功能。編程語言形象直觀，容易掌握，便于推廣應用。

2.2 PLC硬件配置

由上所述，該中草藥干燥機控制系統選用的西門子PLC(CPU 226)，集成有24個數字量輸入點和16個數字量輸出點，根據實際需要選配有微存儲卡(MMC)。該控制系統的數字量輸入信號有5個:制冷機組過載保護、水泵過載保護、真空泵過載保護、輸送電機過載保護和微波組件異常保護，共5個報警信號。該控制系統的數字量輸出信號有13個:制冷機組、水泵、微波組件和真空泵等4個動力部件啟動信號以及9個電磁閥(滲氣閥、放氣閥、排水閥、進料閥門、出料閥門)的開啟信號。干燥系統的物料輸送電機的控制采用西門子變頻器(MM420)無極調速控制。

該干燥系統的模擬量輸入信號有10個:分別是1個水汽凝結器表面溫度信號，3個真空冷卻室內溫度信號，2個中草藥物料的溫度信號，1個真空室內壓力信號，2個真空室內濕度信號，1個中草藥物料的重量信號。所以本研究系統配置了1個熱電耦輸入型EM231模塊、1個熱電阻輸入型EM231模塊和1個EM235模塊，共有12通道隔離輸入，可以滿足系統使用。

PLC、變頻器等不具有方便、親切的人機界面，增加了使用者的操作難度［9］，為了便于操作與顯示，筆者配置了MP277彩色觸摸屏，通過MP277進行人機交互，實現了對設備的狀態監測和設置必要的工作參數，為用戶提供了完備的系統報警和處理方案，以便迅速排除故障，智能化的控制方式保證了設備的自動化運行［10］。

2.3 傳感器選擇與配置

在中草藥真空微波干燥控制系統中，共選用了溫度、濕度、壓力和重量4種傳感器。溫度傳感器選擇探針式鉑溫度傳感器Pt100和T型熱電耦，測量范圍分別為－50℃ ～180℃和－200℃ ～350℃。在集水器內部安裝1根T型熱電耦，用來檢測冷凝管表面的溫度;在真空干燥腔內部安裝2根探針式Pt100，用來檢測真空干燥腔內部空氣溫度，在真空干燥腔內部物料中間安裝3根T型熱電耦，用來檢測中草藥物料內部的溫度。真空腔內部的壓力選用電容式薄膜規測量，選用的電容式薄膜規由上海振太儀表有限公司生產，型號為CPCA-140Z，量程為100 Pa～100 kPa，輸出信號為0～5 VDC，可以直接傳送給控制系統并在觸摸屏上顯示。中草藥物料重量的測量選用南京精久電子衡器有限公司生產的的電阻應變式傳感器KM03，輸出信號為1 V～5 VDC，使用環境溫度－20℃ ～80℃。真空腔內部空氣濕度的測量選用S302H5V7型濕度測量模塊，輸出信號為0～3.3 VDC，使用環境溫度－40℃ ～80℃。

2.4 PLC接口電路設計

PLC與觸摸屏采用了MPI通訊協議通信，使用MPI通信電纜連接;PLC與變頻器MM440連接使用2芯屏蔽導線即可，將PLC的PORT1口的3號、8號引腳與MM440變頻器29號、30號引腳分別連接，接線電路如圖3(a)所示。數字量輸入信號為5個報警信號;數字量輸出K01～K13為13個繼電器分別控制2.3節所述的4個動力部件及9個電磁閥，分別控制13個執行機構的動作。PLC模擬量輸入接線如圖3(b)所示。

圖3 PLC與模擬模塊接線圖

其中，EM231的 DIP開關設置為 01000100，EM231-RTD的DIP開關設置為00000001，EM235的DIP開關設置為10000100。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件系統設計

根據中草藥微波真空干燥機的功能需求和系統的操作要求，可確定各執行機構動作的順序和相互之間的關系，本研究在STEP 7-Micro/WIN軟件平臺下進行PLC程序的編寫。

該中草藥微波真空連續干燥的整個程序主要由制冷機組運行循環、微波組件運行循環、放氣閥、抽氣閥、放水閥開啟等功能組成邏輯控制，系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統程序游程圖

3.2 上位機軟件設計

該系統選用西門子MP277觸摸屏作為人機交互的接口，MP277觸摸屏具有眾多優點。MP277觸摸屏使用SIMATIC WinCC flexible工程組態軟件，所以下位機系統軟件是建立在WinCC flexible工程組態軟件基礎之上的。組態軟件可實現很多功能，包括數據采集與過程控制、數據處理與存儲、人機交互、信息通訊和圖形顯示技術等等。MP277和SIMATIC WinCC flexible可提供友好的人機界面，用戶可在不編程序代碼的情況下便可生成自己需要的應用軟件［11-12］。

上位機軟件觸摸屏的初始界面如圖5所示。在該界面中，用戶可以選中草藥微波真空連續干燥系統的運行模式:手動操作或全自動運行。初始界面中各按鈕之間實現互鎖，當一個按鈕被點擊，處于激活狀態時，其他所有按鈕均在鎖死狀態。系統的運行狀態在初始界面上可以全部顯示。同時，本研究在初始界面還設置了參數設置、工作電流、真空干燥腔溫度、真空干燥腔濕度、中草藥物料溫度、真空干燥腔壓力、中草藥物料重量、冷凝管溫度、歷史數據等子界面，各個數據可以表格顯示也可以曲線顯示。例如:觸摸“參數設置”鍵，即進入設置界面:可設置物料的干燥重量，真空室壓力的上、下限。當中草藥物料重量低于設定數值時，系統自動停止工作。觸摸屏還設有“緊急停機”鍵，需要緊急停機時按下該鍵，自動運行即刻停止，同時滲氣閥、放氣閥和排水閥均會打開。

圖5 觸摸屏起始界面

4 試驗與結果

本研究選用典型中草藥—龍膽草為試驗對象，試驗時選用含水率80%左右的龍膽草，共3 kg，分成3等分，每份1 kg。共進行3次試驗，試驗條件中除了系統干燥溫度設定不一樣外，其余條件都基本一致。試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果

由表1數據可以分析出，3次試驗中干燥溫度在5 min左右達到設定干燥溫度后，系統能夠控制干燥溫度穩定在設定溫度左右，以滿足使用要求。

5 結束語

本研究介紹了應用西門子PLC和觸摸屏建立的微波真空連續干燥機的智能控制系統，避免了以往繼電器控制系統固有的缺陷和不足。系統結構及布線簡單清晰，具有較強的穩定性和抗干擾能力，同時系統的制作成本和運行成本較低，適用于國內的中小型微波真空干燥機。實際運行檢測結果表明，該控制系統結構設計合理，控制程序運行穩定，對微波真空干燥機控制系統的設計具有一定的指導意義。

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