中藥炮制機械智能炒藥機溫控系統(tǒng)設計

蔣 偉, 謝 斌, 呂洪善, 孫式運, 馬靈珍, 吳 飛

(1. 亳州職業(yè)技術學院 電子與電氣工程系, 安徽 亳州 236800; 2.亳州職業(yè)技術學院 藥學院, 安徽 亳州 236800)

中藥炮制機械智能炒藥機溫控系統(tǒng)設計

蔣 偉1, 謝 斌1, 呂洪善1, 孫式運1, 馬靈珍2, 吳 飛2

(1. 亳州職業(yè)技術學院 電子與電氣工程系, 安徽 亳州 236800; 2.亳州職業(yè)技術學院 藥學院, 安徽 亳州 236800)

針對傳統(tǒng)中藥飲片炮制機械炒藥機溫度控制難題, 通過對中藥炮制過程炒制單元的工藝進行分析研究, 設計了一種基于觸摸屏與可編程控制器的溫度控制系統(tǒng), 可根據(jù)炒制中藥飲片的品種、規(guī)格、投料量等因素實現(xiàn)對溫度的自動調(diào)節(jié)、實時監(jiān)控、超溫報警以及配方處理. 介紹了溫控系統(tǒng)的硬件構成及PID算法原理, 詳細敘述了利用三菱PLC自帶指令實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制的方法. 試驗結果表明, 該溫度控制系統(tǒng)控制精確穩(wěn)定, 操作簡單, 畫面直觀, 系統(tǒng)維護方便.

炒藥機; 可編程邏輯控制器; 溫度控制系統(tǒng); PID算法

中藥飲片作為中藥行業(yè)3大支柱的中間環(huán)節(jié), 為中醫(yī)臨床用藥、中成藥生產(chǎn)提供重要原料. 中藥炮制是一套根據(jù)中醫(yī)藥理論和藥材自身的性質(zhì)對中藥材實施生產(chǎn)加工的技術, 體現(xiàn)中藥傳統(tǒng)技藝, 注重長期醫(yī)療實踐積累. 炒制作為中藥飲片炮制中的重要一環(huán)同時又是中藥生產(chǎn)中最為薄弱的環(huán)節(jié), 千百年來一直沿用簡單落后的手工生產(chǎn)方式. 隨著近幾年技術的發(fā)展, 各飲片廠大面積采用炒藥機為主要生產(chǎn)設備, 但這些設備大多存在自動化程度低、穩(wěn)定性差的問題, 溫度、時間和轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速等關鍵參數(shù)依靠人工調(diào)整, 這與現(xiàn)代先進工業(yè)生產(chǎn)過程的要求存在較大的差距和不足. 而且傳統(tǒng)人工操作的隨意性與情緒化, 也會對中藥飲片的產(chǎn)量和質(zhì)量有著很大的影響, 致使中藥標準體系無法廣泛應用, 這也是造成中醫(yī)這塊瑰寶無法為世界上更多國家和人們所接受、享用的主要原因. 因此, 在遵從傳統(tǒng)炒制方法的基礎上, 借助于一種技術含量高、控制效果好的自動控制技術來滿足生產(chǎn)過程中對溫度和時間的控制要求是炒藥機的關鍵技術[1].

本文主要針對中藥炮制過程中的溫度控制難題, 在原有炒制機械的基礎上, 設計了一種基于觸摸屏與PLC的溫度PID算法閉環(huán)控制系統(tǒng). 本設計可根據(jù)炒制中藥飲片的品種、規(guī)格、投料量等不同的因素實現(xiàn)對溫度的自動調(diào)節(jié)、實時監(jiān)控、超溫報警以及配方處理, 擺脫傳統(tǒng)炒藥過程純粹憑經(jīng)驗、肉眼觀察而帶來的質(zhì)量不穩(wěn)定性, 達到了產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)化、標準化、規(guī)?；铜h(huán)保等的要求[2]. 并詳細介紹了中藥炮制過程炒制單元的工藝流程、溫控系統(tǒng)的硬件構成及PID算法等軟件系統(tǒng)開發(fā). 該溫控系統(tǒng)對于其他恒溫閉環(huán)系統(tǒng)的改造具有一定的借鑒價值.

1 中藥飲片炒制流程

該智能炒藥機由滾筒式炒鍋、電加熱器、固態(tài)繼電器、PLC控制箱、觸摸屏、電動機、小帶輪、減速箱、變頻器和溫度傳感器等組成, 具體結構如圖1所示. 系統(tǒng)有手動和自動兩種工作模式, 可手動設定參數(shù)或者系統(tǒng)根據(jù)待炒制品種自主選擇溫度值、炒制時間和滾筒轉(zhuǎn)速.

圖1 智能炒藥機結構圖

中藥飲片炒制流程如圖2所示. 具體而言, 由PLC構成的控制器通過對來自觸摸屏的輸入值和傳感器的檢測值進行比較, 采用PID算法得出系統(tǒng)輸出值, 控制固態(tài)繼電器的通斷時間, 改變電加熱器的工作狀態(tài), 達到不同品種中藥飲片炒制過程中溫度精確控制的目的. 變頻器一方面控制電動機的轉(zhuǎn)向, 烘炒時,滾筒式炒鍋正轉(zhuǎn), 滾筒邊旋轉(zhuǎn)邊受熱, 凸片將藥材拋向炒鍋內(nèi)端并充分攪拌藥材, 使?jié)L筒內(nèi)的物料均勻受熱, 從而達到翻炒的目的; 出料時, 滾筒式炒鍋反轉(zhuǎn),凸片將藥材拋向炒鍋外端, 藥材通過出料口自動流出,完成出料. 變頻器另一方面還可控制電動機的轉(zhuǎn)速, 根據(jù)中藥飲片品種、投料量等因素使之工作于多段速或變頻調(diào)速運行狀態(tài), 達到節(jié)能減排的要求[3].

2 炒藥機溫控系統(tǒng)的硬件組成

炒藥機溫控系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示. 采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心, 溫度變送器將溫度值變?yōu)闃藴孰娏餍盘? 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊送給PLC作為測量值, 運用PLC自帶的PID指令將測量值與設定值進行PID運算處理,得到輸出值, 控制固態(tài)繼電器的通斷, 驅(qū)動炒藥機電加熱管, 實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制[4]. 上位機采用觸摸屏控制, 設定的加熱溫度值可通過觸摸屏輸入, 同時通過觸摸屏的組態(tài)功能存儲不同工藝要求的加熱控制曲線. 當突發(fā)事故時, 發(fā)出警報, 并能實現(xiàn)自動/手動控制的切換.

圖2 中藥飲片炒制流程圖

圖3 炒藥機溫度控制系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 PLC選擇

PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng), 專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計. 它采用可編程的存儲器, 用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等的操作指令, 并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出, 控制各種類型的機械動作過程[5]. 根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求, 選用三菱FX1N-40MR作為下位機, 選用兩輸入通道的特殊功能模塊FX0N-3A進行溫度采集; 上位機選用MCGS彩色液晶觸摸屏TPC7062K, 實現(xiàn)控制系統(tǒng)的啟停、PID參數(shù)整定、溫度設定、實時數(shù)據(jù)顯示、溫度超限報警等.

2.2 測溫裝置

根據(jù)炒藥機的加熱溫度范圍, 溫度傳感器選用PT100, 溫度變送器選用SBWZ, 供電為+24V, 測量范圍0～400℃, 將熱電阻信號轉(zhuǎn)換成與溫度信號成線性的4～20mA電流信號, 當使用FX0N-3A的電流輸入時,確保將VIN和IIN的端子連接[6].

3 炒藥機溫控系統(tǒng)的軟件設計

3.1 PID控制算法原理

PID運算是閉環(huán)模擬量控制中較成熟的調(diào)節(jié)方式, 它在改善控制系統(tǒng)品質(zhì), 保證系統(tǒng)偏差e(設定值和過程變量的差)達到預定指標, 使系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)方面具有良好的效果. 典型的PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示[7].

圖4 PID控制原理框圖

三菱FX1N-40MR可編程控制器有自己的PID指令, 只需進行一些簡單的參數(shù)設置即可, 在本系統(tǒng)PID中, 只是用了比例和積分控制, 其回路增益和時間常數(shù)使用自動調(diào)諧求得[8], 初步得到的參數(shù)為:, 但還需要進一步調(diào)整以達到最優(yōu)控制效果.

3.2 PlD算法在PLC中的實現(xiàn)

在使用PID指令前, 需事先對目標值、測定值及控制參數(shù)進行設定. 其中, 測定值是溫度變送器在PLC中產(chǎn)生的數(shù)字量值, 它是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的期望值. 表1給出了該溫控系統(tǒng)PID控制參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲器設定值.

表1 PID運算設定內(nèi)容

炒藥機溫控系統(tǒng)中自動調(diào)諧設置說明: ①確認目標值與檢測值的差值大于150, 否則, 不能正確自動調(diào)諧. 調(diào)試時檢測值為30(+16.8℃), 所以目標值設為185. ②程序初始化時要設定自動調(diào)諧不能設定的參數(shù)(采樣時間、輸入濾波、微分增益等), 采樣時間要求設置大于1s, 盡量設置成比輸出變化周期大的數(shù)值,本系統(tǒng)中, 輸出變化周期取2s, 所以采樣時間設為3s. ③人為往系統(tǒng)輸出50%～100%的輸出值, 本系統(tǒng)輸出值設為1.8s, 最大輸出的90%. ④自動調(diào)諧設置為有效, 即< [S3]+1 > bit4取1, 自動調(diào)諧開始, 當檢測值達到自動調(diào)諧開始時的檢測值與目標值的差值的以上時, 自動調(diào)諧結束, < [S3]+1 > bit4自動變?yōu)镺FF,比例增益KP和積分時間Ti存于相應數(shù)據(jù)存儲器中, 當PID控制運行時, 將按照得到的值進行運算[9].

4 炒藥機PLC溫控系統(tǒng)的調(diào)試

分別取三種中藥飲片進行系統(tǒng)調(diào)試, 得到的結果如表2所示. 以炒白芍為例進行說明, 取30kg白芍裝入炒藥滾筒內(nèi), 當前溫度為16.8℃, 溫度變送器輸出信號4.9mA, 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后的數(shù)字量為30, 溫度設定為200℃, 滾筒設定23r/min的中速旋轉(zhuǎn). 當將開關置于啟動時, 開始炒藥, 爐體升溫, 系統(tǒng)進行溫度當前值實時采集和PID運算, 當溫度升高到50℃時, PID運算輸出2000, 電熱管持續(xù)導通, 物料在滾筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)持續(xù)升溫; 當溫度上升到150℃, PID運算后輸出1450, 電熱管每2s導通1.45s, 使溫度緩慢上升; 加溫到198℃時, PID輸出為200, 即電熱管在2s的周期里導通0.2s, 持續(xù)翻炒15～20min, 藥物開始變化. 經(jīng)過從低溫到200℃的持續(xù)翻炒, 當白芍的外觀顏色和散發(fā)出的藥香味達到炒炙的要求時停火出藥, 按下反轉(zhuǎn)按鈕, 藥物從炒藥筒內(nèi)反轉(zhuǎn)運行0.5min, 藥物從筒內(nèi)出凈, 取樣檢查質(zhì)量. 圖5為炒藥機溫控系統(tǒng)主畫面.

表2 系統(tǒng)調(diào)試記錄

圖5 控制系統(tǒng)主畫面

表2記錄了系統(tǒng)調(diào)試過程, 試驗結果表明, 上升時間在3min之內(nèi), 超調(diào)量不超過10%, 控制效果很好,滿足了系統(tǒng)的控制要求. 圖6為實時溫度檢測的一條曲線.

圖6 實時溫度檢測曲線

5 結語

基于觸摸屏和PLC的炒藥機控制系統(tǒng), 實現(xiàn)了中藥飲片炮制中炒藥機的溫度自動檢測、顯示與控制,借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的PID控制, 成本低, 控制精確穩(wěn)定, 操作簡單, 畫面直觀, 系統(tǒng)維護方便. 數(shù)據(jù)的采集、存儲以及上傳有利于中藥飲片自動生產(chǎn)線系統(tǒng)化、標準化和規(guī)模化發(fā)展.

[1] 許 江, 余鴻飛, 付成喜．炒藥機[P]．中國: 201320515372.9, 2013-08-22

[2] 馬麗萍．基于PLC的干燥箱溫度控制系統(tǒng)[J]．輕工機械, 2011, 29(4): 51～53

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[4] 姚致清, 李金伴, 張喜玲．繼電器與繼電保護裝置實用技術手冊[M]．北京: 化學工業(yè)出版社, 2008, 73～122

[5] 張運剛, 宋小春．PLC職業(yè)技能培訓及視頻精講[M]．北京: 人民郵電出版社, 2010, 269～289

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The Design of Temperature Control System Applied in Smart Frying Machine of Traditional Chinese Medicine Processing

JIANG Wei1, XIE Bin1, LV Hong-shan1, SUN Shi-yun1, MA Ling-zhen2, WU Fei2
(1. Department of Electronic and Electrical Engineering, Bozhou Vocational and Technical College, Bozhou 236800, China; 2. College of Pharmacy, Bozhou Vocational and Technical College, Bozhou 236800, China)

Aiming at the temperature control difficulties in the traditional frying machine of Traditional Chinese Medicine processing, through analysis and study of existing temperature control system on the frying process, the temperature control system based on programmable controller with touch screen is designed. It can be used for automatic temperature adjustment, real-time monitoring, over-temperature alarm and recipe handling according to frying varieties, specifications, weight and other factors. The hardware structure and principle of PID algorithm is produced. The method for using instructions comes with Mitsubishi PLC to achieve closed-loop temperature control is described in detail. The test results show that the temperature control system has the advantage of control precision and stability, simple operation, the screen intuitive and easy system maintenance.

frying machine; PLC; temperature control system; PID control algorithm

R282.72; TP273

A

1672-5298(2014)04-0058-05

2014-07-21

安徽省2013年質(zhì)量工程項目 “特色專業(yè)——機電一體化技術” (2013tszy066); 安徽省亳州市市委組織部創(chuàng)新團隊項目“智能控制與節(jié)能技術”

蔣 偉(1982? ), 男, 安徽亳州人, 碩士, 亳州職業(yè)技術學院電子與電氣工程系講師. 主要研究方向: 電力電子與電力傳動