歐姆龍溫度控制單元在膠囊自動生產線上的應用

萬翔，周曉迪

（鎮江技師學院，江蘇鎮江，212000）

0 引言

硬膠囊是以藥用明膠為原料，添加食用色素、遮光劑和其他的添加劑為輔料而制成的一種廣泛用于藥品包裝的產品，其生產過程主要包括：溶膠、配色、模具蘸膠、風道烘干、脫模、切割、對接成型等[1]，這些過程都通過可編程控制器來控制。可編程控制器（PLC）可以實時控制工業現場的各類設備，很方便地完成各類控制要求，是電氣控制系統的控制核心。通過幾十年的發展，PLC已經在生活中占據越來越重要的作用，各類學校電氣專業也開設了相關的課程。本文以膠囊自動生產線中溫度控制系統的設計為例，給出了系統的硬件設計、溫度控制單元參數設定和軟件設計，有效體現了PLC、觸摸屏和特殊單元模塊的聯合設計思想，本文可以作為電學專業學生學習的參考。

1 溫度控制要求和系統硬件組成

■1.1 溫度控制要求

風道烘干的主要功能是對膠囊自動線機架上層和下層蘸完膠液的模條進行風干脫水處理。一般膠囊體側和膠囊帽側各有六個風干區，分為機架上層的上前區、上中區、上后區和下層的下前區、下中區、下后區。風道溫度是決定膠囊成形的一個重要因素，風道溫度的高低及穩定性將對膠囊的各項外形尺寸起著重要作用。如果溫度高，則生產的膠囊脆且壁薄；溫度低，則造成到達切割工位的膠囊水分多且壁厚[2]。每個風干區的溫度均需獨立控制。

■1.2 系統硬件組成

膠囊自動生產線風道的每個風干區都裝有一臺風機、一個溫度傳感器和一臺電加熱器。風機和電加熱器在風區的一端，傳感器安裝在熱風出風口，風機以恒定轉速運行。溫度控制系統是設定的溫度值與溫度傳感器的測量值不斷進行比較，通過控制器輸出信號控制固態繼電器從而控制加熱器的通斷最終達到控制風道溫度。自動線溫度控制系統采用了歐姆龍溫控單元CJ1W-TC101，方便地實現了溫度的控制。CJ1W-TC101溫度控制單元是特殊I/O單元，它直接接受來自鉑電阻傳感器的輸入，提供4個控制回路，可進行PID控制及自動調整，且執行PID控制時與CPU單元的循環時間無關[3]。該溫度控制系統的硬件還包括：OMRON公司CJ系列CPU單元CJ2H-CPU64、CJ1W-OD211輸出單元、海泰克PWS6600觸摸屏，固態繼電器。系統采用了傳統的經典閉環控制系統模型，在測溫過程中，出現溫度超限需立即報警以防損壞設備影響生產，在觸摸屏上要能顯示當前溫度和調整溫度設定值，系統硬件組成如圖1所示。

圖1 系統硬件組成框圖

2 溫度控制單元參數設定

在編寫PLC程序前需要對溫度控制單元進行相關參數的設定[4]，主要包括單元號、所用傳感器的輸入類型和溫度控制單元的功能項，以下進行具體介紹：

(1)設定單元號

在CJ1W-TC101單元的面板上設定的單元號決定了CPU單元CIO和DM區分配給溫度控制單元的字。溫度控制單元在CIO區需用20字，在DM區用100字。例如在面板上設定單元號為8，CJ1W-TC101單元將作為特殊I/O單元，分配到的字是CIO2080~CIO2099和D20800~D20899。

(2)設定所用溫度傳感器的輸入類型

在單元面板上有“輸入類型”轉動開關，用來設定所選擇的溫度傳感器和其測量溫度范圍。本系統將開關設定到0，表示采用鉑電阻傳感器，測量溫度范圍為-200.0℃~650.00℃。

(3)設定溫度控制單元的功能

在CJ1W-TC101單元面板上有DIP開關，帶有8針，每一針設定不同的功能，具體如表1所示。針在右邊代表選擇OFF所對應的功能。本系統溫度單位選擇℃，反向控制操作，PID控制，數據格式選擇BCD。

表1 DIP開關功能表

3 軟件設計

■3.1 觸摸屏軟件設計

觸摸屏作為人機操作界面，具有操作簡便、直觀等優點。觸摸屏與PLC之間通過串口進行通信。本系統需要實現的功能的包括：溫度值設定和實際溫度顯示、PID參數自整定、PID參數手動調節、加熱器開關控制、報警設置等。在觸摸屏界面設計時，盡量把功能相同的放在同一界面，如膠囊帽和膠囊體的六個風區溫度值的設定和顯示，PID值的顯示和調整界面以及報警界面，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 溫度設定值與顯示值界面

圖3 PID參數自整定及手動調整界面

圖4 溫度報警界面

界面上C1～C6表示膠囊帽側的六個風區，B1～B6表示體側的六個風區。為了實現觸摸屏的功能，要對觸摸屏上各元件的元件屬性進行設定，與PLC編程中用到的軟元件進行關聯。如C1顯示值與PLC的D320軟元件關聯，C1設定值與D300軟元件關聯。在實際使用時，觸摸屏的界面可根據生產需求進行調整設計。

■3.2 PLC軟件設計

CPU單元和溫度控制單元之間的數據交換是通過分配給作為特殊I/O單元的CIO和DM區中的字和位來執行的。它們之間交換三種數據：操作數據、初始化數據和操作參數。操作數據包括過程值、設定值、停止位、AT啟動位、AT停止位和其他數據；初始化數據包括報警模式、報警遲滯和其他數據；操作參數包括報警SV、控制周期、比例帶、積分時間和其他參數。本溫度控制系統在編程時先確定每個控制回路對應的操作字和位，然后編程時使用MOV或XFER指令讀寫過程值、設定值和操作參數（控制周期或PID常數）或操作數據（運行/停止控制或啟動/停止自動調整）。限于篇幅，下面僅介紹帽上前區（C1）溫度的設定值、過程值和PID參數的自整定程序以及溫度控制的啟動、停止程序。

3.2.1 溫度設定值和顯示過程值程序

風道帽上前區（C1）的溫度控制回路是第八單元第1回路，因此有關帽上前區的操作字和位各功能如表2所示。

表2 風道帽上前區CIO控制字和位的功能

從表2可知，溫度設定值對應PLC中的Q2080，實際測量溫度在Q2083通道，那么PLC程序則用MOV指令，將觸摸屏對應的D300的數據傳送到Q2080，用MOV指令將Q2083上的實際值傳輸到D320，再顯示到觸摸屏上。

圖5 溫度設定值和顯示過程值程序

3.2.2 PID參數的自整定程序

在本例中采用CJ1W-TC101的自動調整功能（AT）自動計算溫度設定值運行的最佳PID常數。它使用有限周期法，通過強制改變PID參數來測定并控制系統的特性[5]。啟動自動調整具體操作方法如下：

(1)將AT啟動位從OFF轉為ON以啟動自動調整，AT位在CIO區中分配給溫度控制單元的字中，帽上前區的AT啟動位如表2所示是Q2082.02。

(2)自動調整完成后，用計算的PID常數替換當前的PID常數，以使單元用計算的PID常數來操作，在分配給單元的DM字中操作參數（D20813~D20833）的輸入區中儲存計算的PID常數，而且同時將PID常數計算標志（Q2088.10）轉為ON，用此標志作為CPU單元梯形圖的一個輸入條件將PID常數從操作參數輸入區傳送到儲存PID常數（Q2082.15）的輸出區。

(3)傳送PID常數后，將改變PID常數位（Q2082.13）從OFF轉為ON，反復操作這控制位，使溫度控制器的PID常數由輸出區中新的PID常數來刷新。

PID參數自整定程序如圖6所示。

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3.2.3 溫度控制的啟動和停止程序

在本例中，將分配給帽上前區的停止位（Q2088.06）轉為OFF，用以啟動回路的溫度控制；將停止位轉為ON用以停止回路的溫度控制，溫度控制的啟動及停止程序如圖7所示。

圖7 溫度控制的啟動及停止程序

4 結束語

本文在膠囊自動生產線的溫控系統中使用了歐姆龍溫度控制單元，從以上編程實例中可以看出，對PLC特殊功能模塊的使用方法，首先是進行其單元參數的設定，然后確定它與CPU單元之間數據交換的CIO和DM區中的字，再在PLC程序中對這些字進行編程就能實現功能要求，非常簡便，大大減少了控溫程序的編寫和調試的工作量，也使溫度控制精度和可靠性提高。該系統投入運行后，運行穩定可靠，有較高的實用和推廣價值。