三菱PLC融合HMI在食品工业自动化检验中的应用

杨家兴

摘 要：三菱PLC技术由于能够极大的提升各种工作的效率，并降低工业操作过程中可能存在的人员安全，因而在工业领域有着十分广泛的应用。在这种背景下，文章将三菱PLC产品与人机界面系统设计两项技术加以融合，探讨两者在食品工业自动化检验中的应用。实验结果表明，两者的结合能够完全满足实验的要求，可以进行推广。

关键词：三菱PLC；HMI系统；食品工业；自动化检验；应用

引言

微生物试验的进行需要在各种不同条件的环境中，对于极微小单位的菌液及溶剂进行反应试验。而实验过程中，传统上均以人力来进行操作，以人力操作微量滴管、量杯，并以目测的方式进行取样。然而，由于微生物实验所容许的误差值微乎其微，而且往往进行一项试验需长时间等待其反应并重复多次相同的操作，加上许多试验环境并不容许人力开展，且许多试验样本溶剂具有毒性、挥发性等，会对试验者的人身安全构成一定程度的威胁等，因而文章利用三菱PLC的特性，加上精密机构的搭配组装，建构出一套实验系统，配合对象导向人机界面（HMI）系统图形监控软件的开发，设计出可由使用者在触碰屏幕上输入参数值后，直接由人机界面上的按钮控制实验进行的一套自动取样系统，并针对该系统进行实际试验测试，将结果提供给实验单位，作为实施自动化的参考。

1 PLC及HMI系统的设计

1.1 PLC设计

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一類可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。三菱PLC采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。在文章的PLC设计中，系统开发时，除了机器的动作外，还需具备使用者在操作上可自行设定的功能，这些功能均应通过参数的设定而完成。PLC暂存器的配置以及缓存器编号，都应和下述所提到之使用者接口设计加以配合，才能正确的读取输出参数，达到使用者的需求。

1.2 人机界面系统的设计

人机界面（HMI），是一种智能型的触碰式图形显示屏幕，其主要功能是让使用者在开发后的接口上以图形式对话窗口的操作取代直接面对程序原始码修改各项参数以控制机器的窘境。HMI的开发除了图片的编辑外，还需配合PLC阶梯图程序中所设计的系统规划、操作数、变量等相关设定，将PLC程序中的各个组件以图片形式按钮取代。运行状态画面有自动运行画面和手动运行画面，以及系统各部分动作故障的报警提示画面和故障解除画面，这样才能顺利与PLC进行通讯，完成监控的功能。因此，人机界面的开发大致上可分为三个步骤：系统规划、操作接口开发、系统通讯。

2 系统测试

2.1 实验设计

为了对本研究所设计开发的实验机台加以测试，并验证以该自动化设备执行的结果符合误差容许标准，这里将以容许实验误差为基础，设计实验验证自动化操作的体积误差，并选择水做为实验溶液进行试验。最后，为求实验结果符合大样本原则，每项试验均重复进行30次，并分别记录其量测值后，计算其平均数、误差值、绝对误差值、误差比，并以Cp值、Ca值作为衡量指标。

2.2 实验流程

本实验先分别针对P1、P2、P3、P4泵浦各自独立进行定量体积抽取试验。使用开发完成的HMI控制各个泵浦，使其单独运行，依据HMI内输入的设定值抽取出该泵浦应达到的溶剂体积，再以微量天平量测抽出溶剂的重量并将该量测值换算成体积，重复进行该步骤30次，并分别纪录量测值。根据文章实验的定义，各泵浦标准抽取量应为P1：1ml，P2：9ml，P3：1ml，P4：9ml。完成各别试验后，再对系统的流程，进行完整的系统整体取样试验，将文章所设计的实验数值输入HMI后，让系统全自动运行，并完成取样30次，再以微量天平量测各取样试管内溶剂的重量，将该量测值换算成体积，并分别纪录量测值。根据文章实验的定义系统完成取样后分化收集器内各试管溶液标准体积应为10ml。

2.3 实验分析

在这一节中将分别针对食品工业部门制定的规章，评估系统稳定性的Ca值、Cp值。Ca值用在衡量实验结果中接近规格中心的程度。个别实验结果数据分别为：P1：0.040727、P2：0.011532、P3：0.038935、P4：0.025184；总体系统取样值为0.09507。根据文章所定义的分级，P1、P2、P3、P4泵浦个别实验数值均属于A级（0<绝对值（Ca）<0.0625），该结果显示实验数值与规格中心十分接近；而总体系统取样值判定为B级（0.0625<绝对值（Ca）<0.125），原因如上述的系统总体取样试验的误差值为各泵浦累加值，故误差值于累加后相对较大，因此Ca值也随之增加。Cp值用于衡量实验结果的离散差符合规格公差的程度。个别试验结果数据分别为：P1：1.103776、P2：1.57405、P3：1.834158、P4：1.682714，而系统总体取样试验数值为：1.102582。由数据可见各个试验的Cp值均大于1，代表制程散差在规格之内，再根据文章所定义的分级加以探讨，P2泵浦属于B级（1.33

由上述分析可见，在个别试验中，P1泵浦的Cp值明显较低，探究其因素发现，由于本试验容许的体积误差极小，而设计的自动化机构是以电流控制转速，因此试验环境周围的电流干扰以及电流本身的稳定性均会干扰系统产生些许误差，加上P1泵浦抽取量较少（1ml），在毛细现象及表面张力的影响下误差所占的百分比较大，因而数据离散程度变大，Cp值随之降低。

3 结束语

根据定量体积试验结果得知，文章基于三菱PLC和人机界面所开发的自动化检验系统，无论在个别泵浦试验或是整体流程取样试验的结果其误差值均于允收容许误差范围（小于1%）内，显示该系统的精准度可适用于食品工业部门规定相关化学实验中。文中提及的泵浦启动时间及缓冲时间所造成的误差对于实验结果有相当程度的影响。此外，本研究中所使用的P1、P2、P4泵浦其转速依出厂设计仅可微调至小数点下1位，而P3泵浦因精密度需求较高，因而选择较高规格的泵浦，其转速设定可微调至小数点下2位；而由实验数据中可见P3泵浦虽然抽取量较少，但相较于P2泵浦却有明显的精准度，由此可知，选用高规格的泵浦进行试验特是提高精准度的重要因素。

参考文献

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