中药炮制机械智能炒药机温控系统设计

蒋 伟, 谢 斌, 吕洪善, 孙式运, 马灵珍, 吴 飞

(1. 亳州职业技术学院 电子与电气工程系, 安徽 亳州 236800; 2.亳州职业技术学院 药学院, 安徽 亳州 236800)

中药炮制机械智能炒药机温控系统设计

蒋 伟1, 谢 斌1, 吕洪善1, 孙式运1, 马灵珍2, 吴 飞2

(1. 亳州职业技术学院 电子与电气工程系, 安徽 亳州 236800; 2.亳州职业技术学院 药学院, 安徽 亳州 236800)

针对传统中药饮片炮制机械炒药机温度控制难题, 通过对中药炮制过程炒制单元的工艺进行分析研究, 设计了一种基于触摸屏与可编程控制器的温度控制系统, 可根据炒制中药饮片的品种、规格、投料量等因素实现对温度的自动调节、实时监控、超温报警以及配方处理. 介绍了温控系统的硬件构成及PID算法原理, 详细叙述了利用三菱PLC自带指令实现温度闭环控制的方法. 试验结果表明, 该温度控制系统控制精确稳定, 操作简单, 画面直观, 系统维护方便.

炒药机; 可编程逻辑控制器; 温度控制系统; PID算法

中药饮片作为中药行业3大支柱的中间环节, 为中医临床用药、中成药生产提供重要原料. 中药炮制是一套根据中医药理论和药材自身的性质对中药材实施生产加工的技术, 体现中药传统技艺, 注重长期医疗实践积累. 炒制作为中药饮片炮制中的重要一环同时又是中药生产中最为薄弱的环节, 千百年来一直沿用简单落后的手工生产方式. 随着近几年技术的发展, 各饮片厂大面积采用炒药机为主要生产设备, 但这些设备大多存在自动化程度低、稳定性差的问题, 温度、时间和转筒转速等关键参数依靠人工调整, 这与现代先进工业生产过程的要求存在较大的差距和不足. 而且传统人工操作的随意性与情绪化, 也会对中药饮片的产量和质量有着很大的影响, 致使中药标准体系无法广泛应用, 这也是造成中医这块瑰宝无法为世界上更多国家和人们所接受、享用的主要原因. 因此, 在遵从传统炒制方法的基础上, 借助于一种技术含量高、控制效果好的自动控制技术来满足生产过程中对温度和时间的控制要求是炒药机的关键技术[1].

本文主要针对中药炮制过程中的温度控制难题, 在原有炒制机械的基础上, 设计了一种基于触摸屏与PLC的温度PID算法闭环控制系统. 本设计可根据炒制中药饮片的品种、规格、投料量等不同的因素实现对温度的自动调节、实时监控、超温报警以及配方处理, 摆脱传统炒药过程纯粹凭经验、肉眼观察而带来的质量不稳定性, 达到了产业发展系统化、标准化、规模化和环保等的要求[2]. 并详细介绍了中药炮制过程炒制单元的工艺流程、温控系统的硬件构成及PID算法等软件系统开发. 该温控系统对于其他恒温闭环系统的改造具有一定的借鉴价值.

1 中药饮片炒制流程

该智能炒药机由滚筒式炒锅、电加热器、固态继电器、PLC控制箱、触摸屏、电动机、小带轮、减速箱、变频器和温度传感器等组成, 具体结构如图1所示. 系统有手动和自动两种工作模式, 可手动设定参数或者系统根据待炒制品种自主选择温度值、炒制时间和滚筒转速.

图1 智能炒药机结构图

中药饮片炒制流程如图2所示. 具体而言, 由PLC构成的控制器通过对来自触摸屏的输入值和传感器的检测值进行比较, 采用PID算法得出系统输出值, 控制固态继电器的通断时间, 改变电加热器的工作状态, 达到不同品种中药饮片炒制过程中温度精确控制的目的. 变频器一方面控制电动机的转向, 烘炒时,滚筒式炒锅正转, 滚筒边旋转边受热, 凸片将药材抛向炒锅内端并充分搅拌药材, 使滚筒内的物料均匀受热, 从而达到翻炒的目的; 出料时, 滚筒式炒锅反转,凸片将药材抛向炒锅外端, 药材通过出料口自动流出,完成出料. 变频器另一方面还可控制电动机的转速, 根据中药饮片品种、投料量等因素使之工作于多段速或变频调速运行状态, 达到节能减排的要求[3].

2 炒药机温控系统的硬件组成

炒药机温控系统的硬件组成如图3所示. 采用PLC作为控制系统的核心, 温度变送器将温度值变为标准电流信号, 经模数转换模块送给PLC作为测量值, 运用PLC自带的PID指令将测量值与设定值进行PID运算处理,得到输出值, 控制固态继电器的通断, 驱动炒药机电加热管, 实现温度闭环控制[4]. 上位机采用触摸屏控制, 设定的加热温度值可通过触摸屏输入, 同时通过触摸屏的组态功能存储不同工艺要求的加热控制曲线. 当突发事故时, 发出警报, 并能实现自动/手动控制的切换.

图2 中药饮片炒制流程图

图3 炒药机温度控制系统硬件原理图

2.1 PLC选择

PLC是一种数字运算操作的电子系统, 专为在工业环境下应用而设计. 它采用可编程的存储器, 用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等的操作指令, 并通过数字式或模拟式的输入和输出, 控制各种类型的机械动作过程[5]. 根据本系统的控制要求, 选用三菱FX1N-40MR作为下位机, 选用两输入通道的特殊功能模块FX0N-3A进行温度采集; 上位机选用MCGS彩色液晶触摸屏TPC7062K, 实现控制系统的启停、PID参数整定、温度设定、实时数据显示、温度超限报警等.

2.2 测温装置

根据炒药机的加热温度范围, 温度传感器选用PT100, 温度变送器选用SBWZ, 供电为+24V, 测量范围0～400℃, 将热电阻信号转换成与温度信号成线性的4～20mA电流信号, 当使用FX0N-3A的电流输入时,确保将VIN和IIN的端子连接[6].

3 炒药机温控系统的软件设计

3.1 PID控制算法原理

PID运算是闭环模拟量控制中较成熟的调节方式, 它在改善控制系统品质, 保证系统偏差e(设定值和过程变量的差)达到预定指标, 使系统实现稳定状态方面具有良好的效果. 典型的PID控制系统原理框图如图4所示[7].

图4 PID控制原理框图

三菱FX1N-40MR可编程控制器有自己的PID指令, 只需进行一些简单的参数设置即可, 在本系统PID中, 只是用了比例和积分控制, 其回路增益和时间常数使用自动调谐求得[8], 初步得到的参数为:, 但还需要进一步调整以达到最优控制效果.

3.2 PlD算法在PLC中的实现

在使用PID指令前, 需事先对目标值、测定值及控制参数进行设定. 其中, 测定值是温度变送器在PLC中产生的数字量值, 它是控制系统稳定运行的期望值. 表1给出了该温控系统PID控制参数的数据存储器设定值.

表1 PID运算设定内容

炒药机温控系统中自动调谐设置说明: ①确认目标值与检测值的差值大于150, 否则, 不能正确自动调谐. 调试时检测值为30(+16.8℃), 所以目标值设为185. ②程序初始化时要设定自动调谐不能设定的参数(采样时间、输入滤波、微分增益等), 采样时间要求设置大于1s, 尽量设置成比输出变化周期大的数值,本系统中, 输出变化周期取2s, 所以采样时间设为3s. ③人为往系统输出50%～100%的输出值, 本系统输出值设为1.8s, 最大输出的90%. ④自动调谐设置为有效, 即< [S3]+1 > bit4取1, 自动调谐开始, 当检测值达到自动调谐开始时的检测值与目标值的差值的以上时, 自动调谐结束, < [S3]+1 > bit4自动变为OFF,比例增益KP和积分时间Ti存于相应数据存储器中, 当PID控制运行时, 将按照得到的值进行运算[9].

4 炒药机PLC温控系统的调试

分别取三种中药饮片进行系统调试, 得到的结果如表2所示. 以炒白芍为例进行说明, 取30kg白芍装入炒药滚筒内, 当前温度为16.8℃, 温度变送器输出信号4.9mA, 经A/D转换模块后的数字量为30, 温度设定为200℃, 滚筒设定23r/min的中速旋转. 当将开关置于启动时, 开始炒药, 炉体升温, 系统进行温度当前值实时采集和PID运算, 当温度升高到50℃时, PID运算输出2000, 电热管持续导通, 物料在滚筒内旋转持续升温; 当温度上升到150℃, PID运算后输出1450, 电热管每2s导通1.45s, 使温度缓慢上升; 加温到198℃时, PID输出为200, 即电热管在2s的周期里导通0.2s, 持续翻炒15～20min, 药物开始变化. 经过从低温到200℃的持续翻炒, 当白芍的外观颜色和散发出的药香味达到炒炙的要求时停火出药, 按下反转按钮, 药物从炒药筒内反转运行0.5min, 药物从筒内出净, 取样检查质量. 图5为炒药机温控系统主画面.

表2 系统调试记录

图5 控制系统主画面

表2记录了系统调试过程, 试验结果表明, 上升时间在3min之内, 超调量不超过10%, 控制效果很好,满足了系统的控制要求. 图6为实时温度检测的一条曲线.

图6 实时温度检测曲线

5 结语

基于触摸屏和PLC的炒药机控制系统, 实现了中药饮片炮制中炒药机的温度自动检测、显示与控制,借助模数转换模块实现温控系统的PID控制, 成本低, 控制精确稳定, 操作简单, 画面直观, 系统维护方便. 数据的采集、存储以及上传有利于中药饮片自动生产线系统化、标准化和规模化发展.

[1] 许 江, 余鸿飞, 付成喜．炒药机[P]．中国: 201320515372.9, 2013-08-22

[2] 马丽萍．基于PLC的干燥箱温度控制系统[J]．轻工机械, 2011, 29(4): 51～53

[3] 徐鹿眉, 郑国华, 李 萍．基于PLC的轧辊焊接控制系统设计[J]．黑龙江工程学院学报(自然科学版), 2010, 24(2): 55～57

[4] 姚致清, 李金伴, 张喜玲．继电器与继电保护装置实用技术手册[M]．北京: 化学工业出版社, 2008, 73～122

[5] 张运刚, 宋小春．PLC职业技能培训及视频精讲[M]．北京: 人民邮电出版社, 2010, 269～289

[6] 李天真, 姚晴洲, 等．PLC与控制技术[M]．北京: 科学出版社, 2009, 159～212

[7] 王 伟, 张晓海．基于PLC的PID算法在液态肥生产温控系统中的应用[J]．石河子大学学报(自然科学版), 2012, 30(1): 116～119

[8] 李宏伟, 马本学, 杨建春, 等．棉种加工温度控制系统设计[J]．农机化研究, 2013(4): 183～186

[9] 张秀珍．基于PLC和PID的炉温控制系统设计[J]．赤峰学院学报(自然科学版), 2011, 27(1): 7～10

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年质量工程项目 “特色专业——机电一体化技术” (2013tszy066); 安徽省亳州市市委组织部创新团队项目“智能控制与节能技术”

蒋 伟(1982− ), 男, 安徽亳州人, 硕士, 亳州职业技术学院电子与电气工程系讲师. 主要研究方向: 电力电子与电力传动