可编程控制器在干热高温灭菌机中的应用研究1.doc

题 目：可编程控制器在干热灭菌干燥机中的应用研究内容摘要本文介绍了以松下PFO 系列可编程控制器（又称PLC）为控制系统，选用瑞典铱诺（INOR）温度传感器等元器件组成的干热高温灭菌干燥机控制系统，实现了PLC技术在干热高温灭菌干燥机的控制。分析PLC控制的特点，结合实际情况，设计出一套满足自动/手动操作的高效的PLC控制系统。通过采用PLC控制方式来达到提高工作效率，减少故障的发生概率，同时针对改造过程中所出现的问题提出了解决的方法。关键词：可编程控制器；铱诺（INOR）温度传感器；干热高温灭菌温度控制。目 录内容摘要I引言11 问题的提出与分析21.1 问题：21.2 分析：21.3 技术要求22 系统方案的设计32.1 PLC的特点32.2 主要配件的选用52.3 设计示意图83 系统硬件的设计与安装93.1 PLC安装设计93.1.1 PLC工作环境的要求93.1.2 PLC的安装93.2 温度检测探头的安装103.3 触摸屏的安装103.4 电气安装接线103.5 其它硬件设备具体选用型号,安装位置124 程序的设计134.1 程序设计的思路134.2 控制方法134.2.1 手动控制134.2.2自动控制134.3 PLC I/O分配144.5 编程说明155 系统的调试165.1 检查接线165.2 操作说明165.3 调试195.4 调试过程中碰到的问题216 结 论237 致 谢24参考文献25附录1 PLC程序26引言可编程序控制器，英文为programmable controller简称PC，又称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的编程类似继电控制梯型图，且具有在线修改能力，功能易于扩展。 PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。1 问题的提出与分析1.1 问题：公司原有一台干热高温灭菌机，采用PID控制器控制温度的升降及鼓风机的运行。原系统工作点少，无打印机，单温度探头。2010年6月，根据国家新的GMP要求，灭菌设备应配备打印机，且控制的温度探头应与显示的温度探头分别设置。原系统满足不了上述要求，故须进行设备改造。1.2 分析：考虑到干热高温灭菌机的安全性、稳定性，以及该系统本身的技术要求，决定采用PLC控制系统，代替原来的PID控制系统。设计时重点考虑以下要点：1.增加微型打印机，以记录温度运行曲线；2.增加温度探头；3.采用触摸屏来显示温度和控制设备运行。1.3 技术要求 经过与生产人员、品质部人员的商讨，对新系统提出几点要求:a: 控制温度可设定，显示的温度探头应安装于控制温度探头附近，温度应能动态显示和记录。b: 机内压力应保持正压，并有显示和记录c: 能定时打印温度和压力值d: 温度设定和显示应方便操作f: 温度波动范围应在5以内2 系统方案的设计2.1 PLC的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点1：1. 可靠性高，抗干扰能力强工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。硬件措施：主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。 屏蔽对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。 滤波对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或型滤波网络，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。 电源调整与保护对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。 隔离在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。 采用模块式结构这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。软件措施：有极强的自检及保护功能。故障检测软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。信息保护与恢复当偶发性故障条件出现时，不破坏PLC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PLC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。设置警戒时钟WDT（看门狗）如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。加强对程序的检查和校验一旦程序有错，立即报警，并停止执行。对程序及动态数据进行电池后备停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。PLC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1S的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万上千万小时；制成系统亦可达45万小时甚至更长时间。2 .通用性强，控制程序可变，使用方便PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。3.功能强，适应面广现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。4.编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。5.减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305110110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24128点。2.2 主要配件的选用新控制系统选用的主要硬件如下，(详见附录2)，表中列出了本次改造电气元件的代号、名称、型号、安装位置。系统主控制采用松下公司FP0系列的PLC，型号FP0-C16CT，它是公司松下推出的超小型可编程序控制器2,I/O点数各8个点，可扩展。它具有紧凑的机身设计，电源、CPU、存储器、输出输入组成一个单元的可编程序控制器，同时在AC电源DC输入型中DC24V供应电源。具有一定的扩展单元，强大的指令功能，支持输入输出高速处理，如高速计数、脉冲输出功能。可进行各种链接，配以相应的特殊功能模块，很容易就可实现各种特殊功能控制，运行可靠，性价比高。（见图2.1） 图2.1微型打印机采用炜煌的RMDIV40SH微型打印机，能同时打印两个温度值及一个压力值，能有效记录灭菌过程的温度和压力值。（见图2.2）图2.2温度检测探头采用瑞典依诺公司温度传感器 MEJ-10-112-230-3，该传感器是适用于各种在线高温控制的环境或设备，具有耐高温、稳定性强等特点。图2.3温度模块采用8通道专用温度模块，型号为JT-TC202-8PT-80U，该温度模块将多个温度信号和压力信号进行汇总并与PLC进行通讯。（见图2.3）图2.4触摸屏采用威伦公司的MT506MV。此触摸屏亮度、分辨率均较好，应用广泛，能满足本次选型要求。（见图2.4）压差传感器选用美国DWYER公司的MS-111变送器，该变送器带有LCD显示，同时有4-20mA 输出，最大压差值1250Pa，能通过温度变送模块与PLC通讯。（见图2.5）图2.52.3 设计示意图按升温灭菌降温的过程，配套PLC、触摸屏、温度传感器、压力传感器、温度变送器等电气元件，配合主体硬件-主体外壳、鼓风机、加热管等，组成一套完整的高温灭菌设备。（图2.6） 温度传感器触摸屏PLC 鼓风机加热管压力传感器信号变送模块图2.63 系统硬件的设计与安装3.1 PLC安装设计3.1.1 PLC工作环境的要求温度PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔。湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。震动应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避 免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。电源PLC供电电源为50Hz、220（110%）V的交流电，对于电源线来的干扰， PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。上述15的问题，因为温度控制系统是安装在密封性良好且带有洁净空调电控箱中，可以得到很好的解决。另外，考虑到控制可靠性，加装隔离变压器。3.1.2 PLC的安装(1)在安装FX2NPLC或其所连接之设备时，必须将所有电源全部关闭，否则会触电或损坏机器设备的可能。(2)在安装未完成前，切勿将PLC散热孔上的防尘纸撕下，以防止施工时钻孔铁屑配线之线头掉入PLC内部造成火灾、故障或误动。(3) 在完成所有安装配线作业后，必须将端子保护盖板装上，方可通电测试,避免触电。(4)良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100，FX2N-4AD其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制干扰，PLC接专用地线。安装线路有铁线管、柜体、机器外壳等都有可靠接地，接地电阻不大于。(5)在安装完成后，必须将PLC散热孔上之防尘纸撕下，以保证PLC良好的散热。(6)在PLC输出控制继电器线圈之间反向并接二极管，保护PLC的输出点。3.2 温度检测探头的安装温度检测探头的安装，要注意以下问题：1. 两个探头的位置要在同一个检测点上，相对距离在5cm以内。2. 探头的安装应紧固，接头处不漏气，以免影响箱内的压力值。3. 探头的选用和安装均应考虑耐高温的问题，支撑件、密封件须选用耐高温材料。3.3 触摸屏的安装触摸屏的安装要求，环境要求与PLC是一样的，可参考3.1.1内容。同时注意以下问题：1. 触摸屏的安装位置应合理，应方便操作者的操作和观测。2. 触摸屏的界面设计应方便使用，温度压力等参数一目了然。3.4 电气安装接线按上述要求，设计电气图纸。要求设计的图纸，既满足本文开头所述的问题的提出和分析的要求，按2.2设计示意图的流程来设计电气线路，同时要考虑电气线路要简洁、有效，避免不必要的线路和元器件。电气图在安装过程中，应注意排线合理，元器件的布置整洁、美观，接线牢固，散热合理，无故障隐患等。设计图见下图3.1图3.13.5 其它硬件设备具体选用型号,安装位置除了以上主要硬件设备的选用外，配套的其他设备选用，不一一描述。具体选用的型号及安装位置，见表3.1。序号代号名称型号品牌数量单位安装位置1PLCPLCFP0-C16CT松下1台控制柜2MP微型打印机RMDIV40SH炜煌1只控制柜3TS温度传感器MEJ-10-112-230-3依诺2支灭菌箱4TC温度模块JT-TC202-8PT-80UJT1只控制柜5CS触摸屏MT506MV威伦1只控制柜6DP压差传感器MS-111美国DWYER1只控制柜7QF1空气开关C100N C10施耐德 1个控制柜8E隔离变压器100VA宝山1台控制柜9SB启动按钮AL6-M航天环宇1个控制柜10SA急停开关AL6-A航天环宇1个控制柜11KA继电器RH2B-UL和泉2个控制柜12KA继电器RH1B-L和泉5个控制柜13KM1、KM2 、KM3交流接触器C63N C10施耐德3个控制柜14KM4交流接触器C32N C10施耐德1个控制柜15PL指示灯AL6-P航天环宇1个控制柜16PL指示灯AP8M航天环宇1个控制柜17FU保险管1A-4个控制柜表3.14 程序的设计4.1 程序设计的思路 利用温度传感器检测灭菌箱内的温度，经温度模块的变换传输，与PLC进行通讯，并输出信号给加热管，控制加热管的加热与否，再输出信号给鼓风机和排风机，控制箱内的气流循环和送排风，以达到控制箱内温度的目的。4.2 控制方法 考虑到控制的灵活性，系统的控制方式分为手动、全自动二种。另外，系统具有监控功能，运行过程能全程监控运行参数的变化，在监控的同时，将参数打印出来，作为运行的重要依据。4.2.1 手动控制在主控制界面上，按手动模式，进入手动控制。分别按鼓风机、排风机、加热管等，可启动或停止鼓风机、排风机及加热管。在此状态下，自动运行状态下的保护功能及灭菌程序等均不起作用，所以，操作时应确保按设备正常运行程序来操控设备，以免造成设备烧坏。4.2.2自动控制在主控制界面上，按自动模式，进入自动控制。按自动运行，系统将按设定好的程序自动运行。运行过程包括升温、灭菌、降温三个阶段，运行参数可在系统设置中进行设置。自动运行时，系统有保护功能，包括超温保护、过流保护等。自动控制流程图3如下图4.1。开始风机运行加热管运行 是是否正常压力检测温度检测否 是温度是否达到设定值 否 是时间是否达到设定值报警 否停止加热 延时停机停止风机图4.14.3 PLC I/O分配根据实际使用和运行的要求,I/O分配如表4.1所示。表4.1 I/O分配表输入口输出口软元件电器元件代号软元件电器元件代号X0风机热保护Y0鼓风机X1Y1加热管X2前门Y2排湿电机X3后门Y3冷却电机X4Y4前门X5Y5后门X6Y6报警X7Y7485接口温度输入/输出/打印机/压力输入4.5 编程说明 编程主要考虑以下因素：1. 按GMP要求，温度180灭菌时间45分钟以上，编程上须确保温度、时间等主要参数设置的灵活性，并确保设备能连续在230以上高温持续运行。2. 超温保护功能一定不能失效，故程序设计上要求有两个保护点，以确保安全。3. 温度波动范围，要求在1.0以内，故要求程序设计中缩短PLC的反应时间，并采用固态继电器做为输出控制，以满足快速反应的要求。按实际要求编制的PLC程序4，见附件1。5 系统的调试系统安装完毕后，投入系统运行前还要进行必要的调试，其目的主要是检查触摸屏的控制是否正常，系统运行及各方面功能是否达到设计要求以及满足实际生产需要。5.1 检查接线(1) 接线确认，检查各接线正确，紧固(2) 清扫柜内线头等，防止短路，损坏设备。(3) 确认各保险丝，接地线等合格，有效。5.2 操作说明上电，用手点触控制面板【进入系统】。主菜单显示【系统监控】，【参数设置】，【系统操作】，【系统报警】四个模块。1. 系统监控 在主菜单中触摸进入【系统监控】页面，如图5.1。本页显示所有系统当前状态，包括当前“控制温度”、“监控温度”“运行时间”、“灭菌时间”、“系统进程”、“风机运行状态”（鼓风机、循环及排湿风机）、“系统压力”、“当前日期时间”，右上角显示当前机组的“开”或“关”状态。 图5.1 系统监控 图5.2 系统参数2. 【参数设置】 在主菜单中触摸进入【参数设置】页面。系统参数共有五个子模块，分别是【运行参数】、【打印参数】、【干燥参数】、【时间设置】及【压力设置】。见图5.2。【运行参数】【运行参数】可设置系统运行的主要参数，见图5.3。按【设置温度】、【恒温时间】、【冷却温度】或【报警温度】的数值处，可分别对这四个参数进行设置。见图5.3。 图5.3 运行参数设定 图5.4 干燥参数设定【干燥参数】【干燥参数】可设置运行干燥参数。见图5.4。点中干燥温度和时间的数值，可分别设置干燥温度和干燥时间。一共有【干燥温度1】，【干燥时间1】，【干燥温度2】，【干燥时间2】，【干燥温度3】，【干燥时间3】供选择。4 【打印参数】可设置【灭菌打印时间】【升温打印时间】。点中时间值，输入需要的时间值（单位是分钟），自动打印模式将按照设定的间隔时间执行打印，见图5.5。注意只有自动运行才能自动打印。运行中，若需要即时打印，需要手动打印。【时间设置】，可设置当前的日期【年】【月】【日】和时间【分】【秒】，见图5.6。【压力设置】，在【输入最大压力量程】【输入变送器下限】，【输入变送器上限】 【输入报警压力】可设置压力参数，见图5.7。3 【系统操作】在主菜单中按【系统操作】，进入系统操作页面，其中有【门操作】、【手动运行】、【自动运行】三个子模块，见图5.8。 图5.5 打印参数设定 图5.6 时间参数设定 图5.7 压力设置 图5.8 系统操作【门操作】 点触【门操作】，可直接进入前后门操作页面。见图5.9。【前后门操作和显示】页面中，显示前后门的状态，并可进行前后门的开关操作。按【前门开】或【前门关】来控制前门的开关，注意前门开关指示灯是否与操作一致。 自动操作 按【自动运行】，进入【自动操作】页面。见图5.10。直接按【自动开】或【自动关】，可开启或关闭自动运行。运行前先确认参数设置，按自动运行后，系统将按设置的参数自动运行。 手动操作按【手动运行】，进入【手动操作】页面，见图5.11。直接按【加热开】或【加热关】，可手动控制加热管的开关。同样的方法，可分别手动控制【循环风机】、【鼓风机】和【排湿风机】的开关。 图5.9 门操作 图5.10 自动操作 4. 系统报警在主菜单页面按【系统报警】，进入系统报警页面，见图5.12，本面显示所有报警信息（循环风机保护，测量温度报警，系统压力报警），可以查找报警的出处。 图5.11 手动操作 图5.12 系统报警5.3 调试1. 自动运行 在主菜单进入【参数设置】页面，设置【运行参数】。可设置温度185，恒温时间45分钟，冷却温度125，报警温度190。进入【打印参数】，见图5.5，设置【灭菌打印时间】5分钟，设定【升温打印时间】10分钟。进入【自动操作】，见图5.10，触动【自动开】，设备将根据设定参数，自动运行。打印机将打印“控制温度”P1、“监控温度”P2，同时显示检测时间、系统压力。 按【系统监控】，可回到系统操作页面，见图5.1。运行过程中，应观察系统监控情况。包括当前“控制温度”、“监控温度”“运行时间”、“灭菌时间”、“系统进程”、“风机运行状态”（鼓风机、循环及排湿风机）、“系统压力”等。 升温阶段自动运行确认后，在【系统监控】界面，显示当前“控制温度”，如32度；“监控温度”如35度；“运行时间”如0或者累计的运行时间值，即运行开始计时时间；“灭菌时间”为0分（未达到灭菌温度，系统没有计时）；“系统进程”显示“升温”；“循环风机”显示“开启”；“鼓风机”显示“开”；“排湿”显示“关”；“系统压力”将显示当前系统压力，如218Pa；右上角显示当前机组的“开”状态。见图5.13。 图5.13 升温阶段 图5.14 灭菌阶段 灭菌阶段当达到灭菌温度，即“控制温度”达到设定灭菌温度，在【系统监控】页面下，“灭菌时间”将由0分开始计时；“系统进程”显示“灭菌”；“循环风机”显示“开启”；“鼓风机”显示“开”；“排湿”显示“关”；“系统压力”将显示当前系统压力；右上角显示当前机组的“开”状态。见图5.14。 图5.15 冷却阶段 图5.16 灭菌结束 冷却阶段当灭菌时间达到，系统停止加热，在【系统监控】页面下，“灭菌时间”停止计时，显示为0分；“系统进程”显示“冷却”；“循环风机”显示“开启”；“鼓风机”显示“开”；“排湿”显示“开”；“系统压力”将显示当前系统压力；右上角显示当前机组的“关”状态。见图5.15。 灭菌结束待冷却到设定温度后，设备将停止运行。在【系统监控】页面下，显示当前“控制温度”；“监控温度”；“运行时间”、“灭菌时间”变为0分；“系统进程”显示停止；“循环风机”显示关闭；“鼓风机”显示“关”；“系统压力”将显示当前系统压力；右上角显示当前机组的“关”状态。排湿将自动关闭，打印机停止打印。见图5.16。2. 手动运行 升温阶段进入【手动操作】页面，见图5.11。直接按【加热开】、【循环风机开】、【鼓风机开】、【排湿风机关】，系统将根据设定参数运行。按【系统监控】，可进入系统监控页面，见图5.1。运行过程中，应观察系统监控情况。包括当前“控制温度”、“监控温度”“运行时间”、“灭菌时间”、“系统进程”