基于PLC和组态王的真空冷冻干燥机控制系统研究

真基于PLC和组态王的真空冷冻干燥机控制系统研宄*赵国性，张锁怀（上海应用技术学院机械与自动化工程学院，上海统，经现场运行实践证明系统的可靠性、稳定性较好，深受用户好评。
*基金项目：上海市高等学校科学技术发展基金资助项目（编号：04OB03）真空冷冻干燥机是一种制药保健行业典型新型工艺设备，主要用于新药特效药生化制品的后期干燥，它是冻干制品生产线上的主要设备它将含水物料速冻至共晶点温度以下，然后给物料创造一个合适的真空和低温环境，使水分在固态下升华，从而使物料干燥随着电子技术的不断发展，真空冷冻干燥机的自动控制也日趋完善，干燥过程的计算机控制正在逐步取代以往的继电器控制。本文介绍了一种基于组态软件平台，采用三菱公司生产的FX2N型plc等进行控制的真空冷冻干燥机监控系统1控制对象简介真空冷冻干燥机的基本组成有以下几个部分：干燥箱是一种能抽真空和加热的密封容器，用于放置需要干燥的药品；冷凝器可捕捉从干燥箱升华出来的水蒸气并冷却排出；加热系统对干燥箱内物料进行加热，以提供药品中水分升华所需热量；制冷系统为干燥箱和冷凝器提供冷源；真空系统提供干燥箱和冷凝器所需的真空度；循环系统为干燥箱和冷凝器中的传热媒质提供循环动力。冻干机控制系统应该具备以下功能：①按制定好的冻干时序控制开关真空系统的真空泵和阀门；开关制冷系统的压缩机和阀门；开关加热系统上的电加热电源或流体加热的循环泵和阀门；开关液压系统上的泵和阀门；开关测量系统上的各种仪表的电源等，使各系统完成协调运行。②按制定好的冻干工艺曲线实时采集、显示和输出冻干机的运行状态和数据，保证冻干工艺曲线的正确实施③随时存取和打印历史数据，能存取一定数量的冻干工艺曲线④对事故给出监测，报警和打印⑤保证设备安全运行，实现对产品质量和设备运行的保护，能实现自动和手动控制切换由于冻干机系统经常对不同药品进行干燥，而不同的药品又有不同的干燥工艺，这就要求控制系统的监控软件具有编写冻干程序的功能，实现不同真空度大小加热温度和冻干时间的控制2系统结构该真空冷冻干燥机由pc机和plc组成上位机（内装工业控制用组态软件）采用工控pc机或性能较好的家庭计算机，下位机采用几台智能控制仪表可编程控制器（plc）和应急手动操作控制台组成，上下位机之间和其他周边设备采用工业RS-485总线连接。PLC本身具有独立的连锁保护和部分程控定时功能，可配合手动操作控制台实现应急操作。
所示为系统结构图系统结构框图系统中电网检测应用UPS（不间断电源）以保证控制系统在一定时间内保持运行过程信息。真空计是检测元件，以实现冻干机前后箱真空度的控制。温度仪可以直接接温度传感器（如Pt100）进行温度的检测和显示记录压力仪主要用于冷冻干燥前期在位清洗和消毒两个环节中以保证在合理的压力范围内顺利进行。
3PLC控制系统系统涉及的周围设备较多，用户不同，连接的接口数量也不一样，考虑到系统的通用性可扩展性及技术的成熟性，系统设计时综合考虑性能价格比，选用三菱公司生产的FX2N型可编程控制器，系统自身需要29个输入点，52个输出点，同时考虑现场的可扩展性，选用三菱公司生产的FX2N-128型可编程控制器。
3.1三菱FX2N型PLC的性能特点可靠性高I/O均采用光电耦合，二次电路设有R<滤波器，防止混入输入接点的振动噪声和输入线的噪声引起误动作，具有很强的抗干扰能力，能用于较恶劣的环境抗干扰性好采用模块结构和软件控制，省去硬件开发工作，大大提高了系统的抗干扰性通用性好使用方便、灵活，在不改变硬件的情况下，修改PLC内部软件可实现不同的控制要求，大大减少程序调试的工作量，提高工作效率，使系统的柔性大大提高块或功能扩展块，使用特殊功能模块和功能扩展块，可以实现模拟量控制位置控制和联网通讯等功能15L 3.2PLC控制系统在真空冷冻干燥机中实现的功能在真空冷冻干燥机监控系统中，控制系统要能进行全自动的冻干控制，包括预冻加热抽真空、压塞、放气除霜、灭菌等PLC完成的主要任务是采集现场的实时数据（开关量、模拟量）控制系统中下示，可独立实现部分控制功能，也可以按上位机的指令控制带RS-485通讯接口的PLC作为上位机的各输入输出开光量信号的接口，PLC本身具有独立的连锁保护和部分程控、定时功能，可以在应急状态下配合手工操作台实现应急操作。PLC根据冻干工艺程序实现对现场设备的控制，与计算机通讯传输数据并接受控制信号。需要强调的是PLC与计算机之间的通讯任务是由计算机主动发起的，前者只是在后者的要求下，完成应答。
PLC控制系统的软件设计位机各仪表传感器可实现各种模拟信号的采序进行周试至意为止f现场调试现场调试bookmark1 PLC控制系统是该系统的控制核心，该型号PLC使用Windows运行环境下的梯形图编程软件，可直接完成梯形图的编程，与输入指令方式相比大大减少输入程序的工作量，直观度较高，调试修改程序方便PLC流程图如所示。该真空冷冻干燥机控制系统软件设计的基本步骤为：①分析工艺流程和控制要求通过对控制系统进行深入的了解，真正掌握各种控制设备之间的关系，然后详细地了解每个被控设备的特性，这样才能选择合适的PLC类型由于本真空冷冻干燥机控制系统复杂，可以把系统划分为如下四个子系统：在位清洗系统在位消毒灭菌系统、冷冻干燥系统和除霜系统，这样有利于编程②绘制功能鼠详细地分析完工艺流程和控制要求后，就可以根据工艺的总体要求和控制系统的具体情况，画出控制系统的功能图。功能图反映了某一过程的结果是什么，这一过程又应该导致哪些动作功能图是编程的主要依据，要尽可能的详尽真空是整个控制系统中后的环节，也是重要的环节，经过现场调试，才能确定程序是否真正地适用控制系统的要求⑥整理技术文伟3.4PLC与上位机的通讯连接及程序设计PLC与上位机通讯是PLC通讯中简单直接的一种通讯方式，用PLC编程软件在上位机上编好的程序，需要传送给PLC，或者上位机要从PLC中读取有关信息，这就采取了PLC与上位机之间的通讯该通讯格式采用PLC中的特殊寄存器D8120来进行设置，在D8120中分别把数据长度、奇偶校验、波特率等参数设定后，就定义了计算机与PLC的通讯格式在该真空冷冻干燥机监控系统的设计中，上位机采用COM1端口，而PLC采用RS-485串行通讯模块，通讯方式采用半双工方式，同步启动停止，波特率为9600，数据位为8位，停止位2位，偶校验，点对点传输方式。通讯格式采用PLC中的特殊寄存器D8120来实现PLC和上位机之间的通讯，其通信连接如所示（具体408F含义可查阅三菱PLC编程手册）在数据词典中记录着所有用户可使用的详细信，息真空冷冻干燥机系统上位机监控软件主要功能有：①建立冻干工艺流程画面，创建数据显示信息库；②编写冻干程序及设定其他系统运行参数；③传送冻干程序和运行参数给PLC，并从PLC中读取生产数据；④对系统重要的工艺变量如温度、真空度及各种设备的运行状态进行实时显示和记录；⑤必要时进行工艺参数调整和记录；⑥故障信号的实时报警、记录和处理。为真空冷冻干燥机的监控通讯连接程序组态软件设计真空冷冻干燥机的监控系统组态王（KingView）是目前国内比较流行的一种国产工业自动化通用组态软件，适用于中小规模工业监控机且价格低廉。组态王配有加密锁，支持工程加密；驱动程序较为丰富，如支持DDE板卡OPC服务器PLC智能模块智能仪表、支持ActiveX控件配方管理数据库访问、网络功能、冗余功能等其扩展性强，可与管理计算机或控制计算机联网通信|6通过组态王开发程序可以方便的实现控制系统的数据采集存储、事件报警趋势曲线显示功能使用组态王建立一个新程序的一般过程是：设计图形界面、构造数据库建立动画连接、运行和调试。其中数据库是组态王核心的部分。在数据库中存放的是变量的当前值，包括系统变量和用户自定义的变量。变量的集合形象地称为“数据词典”，5结束语通过用户现场的使用情况来看，该真空冷冻干燥机的监控系统可靠性高，操作简单，维护方便，控制精度高，为企业创造了良好的经济效益