三菱PLC融合HMI在食品工業自動化檢驗中的應用

楊家興

摘 要：三菱PLC技術由于能夠極大的提升各種工作的效率，并降低工業操作過程中可能存在的人員安全，因而在工業領域有著十分廣泛的應用。在這種背景下，文章將三菱PLC產品與人機界面系統設計兩項技術加以融合，探討兩者在食品工業自動化檢驗中的應用。實驗結果表明，兩者的結合能夠完全滿足實驗的要求，可以進行推廣。

關鍵詞：三菱PLC；HMI系統；食品工業；自動化檢驗；應用

引言

微生物試驗的進行需要在各種不同條件的環境中，對于極微小單位的菌液及溶劑進行反應試驗。而實驗過程中，傳統上均以人力來進行操作，以人力操作微量滴管、量杯，并以目測的方式進行取樣。然而，由于微生物實驗所容許的誤差值微乎其微，而且往往進行一項試驗需長時間等待其反應并重復多次相同的操作，加上許多試驗環境并不容許人力開展，且許多試驗樣本溶劑具有毒性、揮發性等，會對試驗者的人身安全構成一定程度的威脅等，因而文章利用三菱PLC的特性，加上精密機構的搭配組裝，建構出一套實驗系統，配合對象導向人機界面（HMI）系統圖形監控軟件的開發，設計出可由使用者在觸碰屏幕上輸入參數值后，直接由人機界面上的按鈕控制實驗進行的一套自動取樣系統，并針對該系統進行實際試驗測試，將結果提供給實驗單位，作為實施自動化的參考。

1 PLC及HMI系統的設計

1.1 PLC設計

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。三菱PLC采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。在文章的PLC設計中，系統開發時，除了機器的動作外，還需具備使用者在操作上可自行設定的功能，這些功能均應通過參數的設定而完成。PLC暫存器的配置以及緩存器編號，都應和下述所提到之使用者接口設計加以配合，才能正確的讀取輸出參數，達到使用者的需求。

1.2 人機界面系統的設計

人機界面（HMI），是一種智能型的觸碰式圖形顯示屏幕，其主要功能是讓使用者在開發后的接口上以圖形式對話窗口的操作取代直接面對程序原始碼修改各項參數以控制機器的窘境。HMI的開發除了圖片的編輯外，還需配合PLC階梯圖程序中所設計的系統規劃、操作數、變量等相關設定，將PLC程序中的各個組件以圖片形式按鈕取代。運行狀態畫面有自動運行畫面和手動運行畫面，以及系統各部分動作故障的報警提示畫面和故障解除畫面，這樣才能順利與PLC進行通訊，完成監控的功能。因此，人機界面的開發大致上可分為三個步驟：系統規劃、操作接口開發、系統通訊。

2 系統測試

2.1 實驗設計

為了對本研究所設計開發的實驗機臺加以測試，并驗證以該自動化設備執行的結果符合誤差容許標準，這里將以容許實驗誤差為基礎，設計實驗驗證自動化操作的體積誤差，并選擇水做為實驗溶液進行試驗。最后，為求實驗結果符合大樣本原則，每項試驗均重復進行30次，并分別記錄其量測值后，計算其平均數、誤差值、絕對誤差值、誤差比，并以Cp值、Ca值作為衡量指標。

2.2 實驗流程

本實驗先分別針對P1、P2、P3、P4泵浦各自獨立進行定量體積抽取試驗。使用開發完成的HMI控制各個泵浦，使其單獨運行，依據HMI內輸入的設定值抽取出該泵浦應達到的溶劑體積，再以微量天平量測抽出溶劑的重量并將該量測值換算成體積，重復進行該步驟30次，并分別紀錄量測值。根據文章實驗的定義，各泵浦標準抽取量應為P1：1ml，P2：9ml，P3：1ml，P4：9ml。完成各別試驗后，再對系統的流程，進行完整的系統整體取樣試驗，將文章所設計的實驗數值輸入HMI后，讓系統全自動運行，并完成取樣30次，再以微量天平量測各取樣試管內溶劑的重量，將該量測值換算成體積，并分別紀錄量測值。根據文章實驗的定義系統完成取樣后分化收集器內各試管溶液標準體積應為10ml。

2.3 實驗分析

在這一節中將分別針對食品工業部門制定的規章，評估系統穩定性的Ca值、Cp值。Ca值用在衡量實驗結果中接近規格中心的程度。個別實驗結果數據分別為：P1：0.040727、P2：0.011532、P3：0.038935、P4：0.025184；總體系統取樣值為0.09507。根據文章所定義的分級，P1、P2、P3、P4泵浦個別實驗數值均屬于A級（0<絕對值（Ca）<0.0625），該結果顯示實驗數值與規格中心十分接近；而總體系統取樣值判定為B級（0.0625<絕對值（Ca）<0.125），原因如上述的系統總體取樣試驗的誤差值為各泵浦累加值，故誤差值于累加后相對較大，因此Ca值也隨之增加。Cp值用于衡量實驗結果的離散差符合規格公差的程度。個別試驗結果數據分別為：P1：1.103776、P2：1.57405、P3：1.834158、P4：1.682714，而系統總體取樣試驗數值為：1.102582。由數據可見各個試驗的Cp值均大于1，代表制程散差在規格之內，再根據文章所定義的分級加以探討，P2泵浦屬于B級（1.33

由上述分析可見，在個別試驗中，P1泵浦的Cp值明顯較低，探究其因素發現，由于本試驗容許的體積誤差極小，而設計的自動化機構是以電流控制轉速，因此試驗環境周圍的電流干擾以及電流本身的穩定性均會干擾系統產生些許誤差，加上P1泵浦抽取量較少（1ml），在毛細現象及表面張力的影響下誤差所占的百分比較大，因而數據離散程度變大，Cp值隨之降低。

3 結束語

根據定量體積試驗結果得知，文章基于三菱PLC和人機界面所開發的自動化檢驗系統，無論在個別泵浦試驗或是整體流程取樣試驗的結果其誤差值均于允收容許誤差范圍（小于1%）內，顯示該系統的精準度可適用于食品工業部門規定相關化學實驗中。文中提及的泵浦啟動時間及緩沖時間所造成的誤差對于實驗結果有相當程度的影響。此外，本研究中所使用的P1、P2、P4泵浦其轉速依出廠設計僅可微調至小數點下1位，而P3泵浦因精密度需求較高，因而選擇較高規格的泵浦，其轉速設定可微調至小數點下2位；而由實驗數據中可見P3泵浦雖然抽取量較少，但相較于P2泵浦卻有明顯的精準度，由此可知，選用高規格的泵浦進行試驗特是提高精準度的重要因素。

參考文獻

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