新型行列式醫(yī)用制瓶機(jī)軟件控制系統(tǒng)的研究

張 靜，張海榮，湯 池，吳小明

新型行列式醫(yī)用制瓶機(jī)軟件控制系統(tǒng)的研究

張 靜，張海榮，湯 池，吳小明

目的：針對(duì)目前制瓶機(jī)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題與不足，設(shè)計(jì)一種新型行列式醫(yī)用制瓶機(jī)軟件控制系統(tǒng)。方法：在前期硬件系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)中的電子配時(shí)和同步控制進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)由上位機(jī)裝置、同步控制板、電子定時(shí)控制板、變頻器單元等組成；集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為MPLAB IDE調(diào)試軟件（使用v7.51以上版本），編譯軟件選用C30編譯器，在線調(diào)試器選用ProICD2。結(jié)果：該系統(tǒng)已成功運(yùn)用于工業(yè)過(guò)程控制中，顯著提高了工作效率。結(jié)論：該系統(tǒng)配置合理、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉，具有廣闊的市場(chǎng)前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

行列式制瓶機(jī)；軟件控制；電子配時(shí)；同步控制

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們消費(fèi)水平的提高，醫(yī)療行業(yè)對(duì)高質(zhì)量玻璃容器的需求量越來(lái)越大。但是我國(guó)的醫(yī)用制瓶廠家中，能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的還不多，大多數(shù)廠家只能生產(chǎn)中低檔醫(yī)用玻璃瓶。因此，醫(yī)用玻璃制造行業(yè)中醫(yī)用玻璃制瓶技術(shù)革新非常緊迫。

電子配時(shí)式行列式制瓶機(jī)出現(xiàn)于1974年，標(biāo)志著玻璃制瓶技術(shù)進(jìn)入了嶄新的時(shí)代[1]。近些年來(lái)，國(guó)外的制瓶技術(shù)向著電氣化、智能化、高度自動(dòng)化的方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)引入電子配時(shí)和同步控制系統(tǒng)中[2]；（2）同步控制系統(tǒng)越發(fā)先進(jìn)，自動(dòng)化程度越來(lái)越高[3]；（3）采用伺服驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)日益增加[4]。

目前，我國(guó)醫(yī)用玻璃制瓶機(jī)主要有3種模式：一是手工式制瓶機(jī)，主要依靠工人的技術(shù)，制瓶速度較慢、合格率較低，適合于少量生產(chǎn)；二是半自動(dòng)化數(shù)控式制瓶機(jī)，主要依靠人工操作機(jī)器，是中小型玻璃瓶罐生產(chǎn)廠家的第一選擇；三是行列式制瓶機(jī)，制瓶速度快、合格率高、人工投入少，適于對(duì)工藝要求較高的大批量生產(chǎn)。相比較而言，自動(dòng)化程度最高的行列式制瓶機(jī)因其絕對(duì)優(yōu)勢(shì)成為玻璃制瓶行業(yè)發(fā)展的必然方向。

本文針對(duì)目前醫(yī)用行列式制瓶機(jī)存在的問(wèn)題與不足，旨在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套成本低廉、配置合理、操作簡(jiǎn)單、工作可靠的醫(yī)用行列式制瓶控制系統(tǒng)，在前期硬件系統(tǒng)研發(fā)的基礎(chǔ)上[5]，開(kāi)發(fā)新型行列式制瓶機(jī)的軟件控制系統(tǒng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 醫(yī)用行列式制瓶機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 醫(yī)用行列式制瓶機(jī)控制流程

行列式制瓶機(jī)由各自獨(dú)立的單組機(jī)拼裝而成，每一組機(jī)稱為分部或段[6]。醫(yī)用行列式制瓶機(jī)系統(tǒng)主要有熔爐、分料器、制瓶機(jī)、供料機(jī)和退火爐五大部分。制作過(guò)程為：首先將生產(chǎn)玻璃瓶的主要原料（石英砂、白云石、石灰石等材料）倒入高溫熔爐內(nèi)，待其熔化為黏稠狀的玻璃液體后，倒入供料機(jī)進(jìn)行剪沖，再將剪沖下的料滴按順序分給各導(dǎo)料槽。通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)度將初型機(jī)生產(chǎn)出的玻璃毛胚放入成型機(jī)中進(jìn)行吹氣，成為成品。最后，再通過(guò)機(jī)械手送到輸送帶上，輸送帶再將其送到退火爐口，進(jìn)行多級(jí)冷卻，待冷卻到常溫后進(jìn)行裝箱。

1.2 總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由虛線框中的部分構(gòu)成，包括上位機(jī)裝置、1塊同步控制板、10組電子定時(shí)控制板、5個(gè)變頻器單元等。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)裝置主要完成整個(gè)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面功能，負(fù)責(zé)將操作人員設(shè)定的系統(tǒng)工作參數(shù)通過(guò)串行口傳遞給同步板，并實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)和各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

同步板是整個(gè)制瓶機(jī)控制系統(tǒng)的中樞，不僅協(xié)調(diào)整個(gè)制瓶系統(tǒng)的同步動(dòng)作，還是整個(gè)系統(tǒng)的通信中樞，主要實(shí)現(xiàn)以下四大功能：

（1）接收來(lái)自上位機(jī)裝置的工作參數(shù)，這些工作參數(shù)既有同步板的，也有各組配時(shí)板的，配時(shí)板的工作參數(shù)再由同步板通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線下傳；

（2）各配時(shí)板通過(guò)CAN總線將自己的工作狀態(tài)和各類參數(shù)設(shè)置上傳給同步板，再由同步板通過(guò)串口上傳給上位機(jī)裝置；

（3）接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)，并通過(guò)變頻器控制制瓶機(jī)流水線上異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而協(xié)調(diào)整個(gè)流水線的工作；

（4）通過(guò)CAN總線分發(fā)同步信號(hào)給各配時(shí)板，使各配時(shí)板控制的制瓶動(dòng)作與流水線上的其他環(huán)節(jié)同步。

電子配時(shí)板的主要任務(wù)是按照預(yù)先設(shè)定好的工作參數(shù)，控制各組制瓶機(jī)的制瓶動(dòng)作。變頻器通過(guò)RS485總線接收同步板的指令，去控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)供料、剪料和玻璃瓶在制瓶流水線上傳輸?shù)乃俣取？刂葡到y(tǒng)各部分相互配合，從而實(shí)現(xiàn)制瓶機(jī)的完整控制流程。本系統(tǒng)中均選用PIC24HJxxxGP510型單片機(jī)作為電子配時(shí)板和同步板的主控單元。

2 制瓶機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件調(diào)試環(huán)境與編譯器

集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、在線調(diào)試器和編譯軟件是調(diào)試環(huán)境的主要3個(gè)部分，其中集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為MPLAB IDE調(diào)試軟件（使用v7.51以上的版本），編譯軟件選用C30編譯器，在線調(diào)試器選用ProICD2。

2.2 電子配時(shí)板軟件設(shè)計(jì)

電子配時(shí)板主程序框架如圖2所示。在配時(shí)板主程序中，首先檢測(cè)撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，確定配時(shí)板的物理地址，該地址即為同步板與各配時(shí)板進(jìn)行通信時(shí)的通信地址。其次，初始化各個(gè)變量至輸入和輸出端口，接下來(lái)配置對(duì)接口電路中用到的相關(guān)模塊，如I2C模塊的初始化、定時(shí)器模塊的初始化等[7]，并在電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（electrical erasable programmable read-only memory，EEPROM）中讀取相關(guān)存儲(chǔ)參數(shù)值。最終，依次這樣進(jìn)行無(wú)限循環(huán)去實(shí)現(xiàn)需要完成的指標(biāo)任務(wù)。

圖2 電子配時(shí)板主程序流程圖

電子配時(shí)板任務(wù)處理流程如圖3所示。第一步進(jìn)行CAN通信的處理，分析所接收的報(bào)文內(nèi)容或組織需要上傳的各種數(shù)據(jù)，具體每一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均在中斷中完成。然后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)進(jìn)行查詢，從而確定當(dāng)前該執(zhí)行什么任務(wù)。首先判斷擋料鍵是否按下，如果是，則打開(kāi)擋料開(kāi)關(guān)，擋住分料器所分的料滴，否則使擋料開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，該功能在制瓶設(shè)備發(fā)生故障或進(jìn)行設(shè)備檢修時(shí)非常實(shí)用。然后判斷工作鍵是否按下，如果按下則制瓶機(jī)準(zhǔn)備工作，開(kāi)始等待同步信號(hào)，同步信號(hào)到來(lái)后，啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始工作，依次輸出開(kāi)關(guān)量。如果工作鍵沒(méi)有按下，則制瓶機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，不檢測(cè)同步信號(hào)。所有開(kāi)關(guān)量的定時(shí)輸出均在定時(shí)器中斷處理子程序中完成。

圖3 電子配時(shí)板任務(wù)處理程序流程圖

2.3 同步板軟件設(shè)計(jì)

同步板的主程序和電子配時(shí)板相似，主要增加了串行通信初始化模塊。由于各個(gè)模塊的功能與配時(shí)板不同，因此，在初始化的過(guò)程中，需要配置的參數(shù)信息也有所區(qū)別。比如，同步板用到的I/O端口沒(méi)有配時(shí)板多；同步板的EEPROM主要存儲(chǔ)制瓶速度、當(dāng)前制瓶機(jī)組數(shù)等生產(chǎn)信息，而配時(shí)板主要存儲(chǔ)各通道的開(kāi)閉值等。

在同步板的任務(wù)處理程序中，主要完成以下2項(xiàng)任務(wù)：

（1）計(jì)算流水線上異步電動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)，然后與各個(gè)變頻器進(jìn)行通信；（2）與上位機(jī)或觸摸顯示屏通信，建立良好的人機(jī)交互功能。

3 新型行列式制瓶機(jī)的特色和優(yōu)勢(shì)

（1）取消機(jī)控板，提高系統(tǒng)工作效率。傳統(tǒng)的行列式制瓶機(jī)在傳遞同步信號(hào)時(shí)，首先通過(guò)同步板傳遞給機(jī)控板，再由機(jī)控板分發(fā)給各組電子配時(shí)板。本文設(shè)計(jì)的新型行列式制瓶機(jī)控制系統(tǒng)，其同步信號(hào)直接通過(guò)同步板傳遞給電子定時(shí)板，顯著提高了系統(tǒng)工作效率。

（2）優(yōu)化系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的制瓶機(jī)控制系統(tǒng)通常采用RS485總線設(shè)計(jì)，本文提出了CAN總線控制的新方法[8]，性能和效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法：一是有效降低了系統(tǒng)和硬件投資的復(fù)雜程度[9]；二是有效提高了技術(shù)的穩(wěn)定性。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)方法。本文設(shè)計(jì)中，首先確定好每分鐘的制瓶個(gè)數(shù)，由此計(jì)算控制參數(shù)再去調(diào)節(jié)供料機(jī)的速度，使之盡量與預(yù)先設(shè)定的制瓶速度相匹配，而流水線上的其他電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及實(shí)際同步信號(hào)的發(fā)送頻率都以供料機(jī)的速度為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣同步信號(hào)的發(fā)送頻率能很好地反映流水線的實(shí)際制瓶速度，既增強(qiáng)了制瓶機(jī)應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況的能力，而且可以使用異步電動(dòng)機(jī)，降低了設(shè)備的制造成本。

（4）設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)節(jié)專家系統(tǒng)。本系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)了一套智能調(diào)參專家系統(tǒng)，并將其固化在上位機(jī)軟件中，操作人員填寫(xiě)幾項(xiàng)基本生產(chǎn)信息后，上位機(jī)軟件即可生成一套優(yōu)化的工作參數(shù)供參考，操作人員在試運(yùn)行后，微調(diào)其中幾個(gè)工作參數(shù)即可，大大方便了用戶的調(diào)試使用過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)醫(yī)用制瓶機(jī)行業(yè)亟待解決的瓶頸問(wèn)題之一，就是如何進(jìn)一步優(yōu)化醫(yī)用行列式制瓶機(jī)控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)。在前期硬件系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)針對(duì)該機(jī)器軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的缺點(diǎn)和不足，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的研究成果，有效利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，提出了基于CAN總線的新型醫(yī)用行列式制瓶機(jī)軟件控制系統(tǒng)，不僅增強(qiáng)了設(shè)備的耐用性，降低了成本，還減少了人力的投入，市場(chǎng)前景和社會(huì)效益比較明顯。下一步將向高速優(yōu)質(zhì)化、薄壁輕量化2個(gè)方向繼續(xù)加大研究。

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（收稿：2015-02-04 修回：2015-05-10）

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《醫(yī)療衛(wèi)生裝備》雜志社編輯部

Development of software control system for paratactic bottle forming machine

ZHANG Jing1,ZHANG Hai-rong2,TANG Chi1,WU Xiao-ming1
(1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China; 2.Education and Technology Center,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China)

ObjectiveTo design a software control system for the paratactic bottle forming machine.MethodsSoftware design was performed for electronic timing and synchronized control based on hardware system development.The software control system was composed of the upper machine,synchronization control board,electronic timing control board,frequency conversion unit and etc,which involved in MPLAB IDE development environment,C30 compiler and ProlCD2 in-circuit debugger.ResultsThe system was applied in the industrial process control and enhanced the efficiency greatly.ConclusionThe system has easy operation,high reliability and low cost,and thus has high economic benefits.[Chinese Medical E-quipment Journal，2015，36（8）：47-49]

paratactic bottle forming machine;software control;electronic timing;synchronization control

R318；TP311.1

A

1003-8868（2015）08-0047-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.047

張 靜（1984—），女，助教，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究工作，E-mail：bme395@fmmu.edu.cn。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（張 靜，湯 池，吳小明），訓(xùn)練部教育技術(shù)中心（張海榮）

吳小明，E-mail：wuxiaoming@fmmu.edu.cn