基于S7-200smart控制的脉动真空灭菌柜控制系统

摘 要：介绍了一种小型蒸汽灭菌柜控制系统的设计方案。为了降低小型蒸汽灭菌柜的制造成本且提高控制系统的性能，采用西门子S7-200smart CPU、smart700触摸屏开发小型脉动真空灭菌柜的控制系统。介绍了小型蒸汽灭菌柜的工作原理、控制系统软硬件选型方案和通讯配置。应用表明，该小型蒸汽灭菌柜控制系统运行稳定，系统设计合理。

关键词：S7-200smart;脉动真空灭菌柜;触摸屏

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.139

0 引言

小型脉动真空灭菌柜主要是通过饱和蒸汽在灭菌物上凝聚成水释放出大量潜热来达到灭菌目的[1]，广泛应用于医院和制药企业。现有的蒸汽灭菌柜控制系统采用的是S7-200CPU和TP177A触摸屏，其门联锁程序和灭菌程序不符合新版GMP，同时通讯性能较差，人机交互性能不友好。为解决以上问题，本项目采用s7-200smartCPU和smart700触摸屏作为控制系统核心，通过以太网完成通讯，通讯速度更快，稳定性更高;采用铂热电阻、压力传感器作为检测机构，检测精度更高。

1 小型脉动真空灭菌柜流程分析

小型脉动真空灭菌柜主要采用饱和蒸汽对药厂的药桶、工作服、工具等进行蒸汽灭菌[2]，一般安装在药厂的C区和D区之间，前门接通D区，后门接通C区。由于药厂C区和D区之间洁净程度不同，为防止出现交叉感染现象，需设计特殊的门联锁控制系统。所以该控制系统主要分为两个主要控制程序：门联锁控制程序和灭菌程序。

1.1 门联锁控制流程

药厂中C区洁净程度要高于D区，如果同时打开灭菌柜的前门与后门，将会使得C区与D区直接导通，从而污染C区，所以在进行门程序设计时，需要设计互锁控制，前门与后门不得同时打开;灭菌柜在未完成整个灭菌流程时，其柜体内部物体灭菌不合格，此时若操作人员可以打开后门，柜体内未完成灭菌的物体也会污染D区，所以在程序设计时，需要增加未完成灭菌不可开后门条件。

灭菌柜柜体与门均采用不锈钢材料，仅依靠柜体和门板将无法实现柜体内部空间与外部空间的隔离。为解决以上问题，在柜体上设计密封条凹槽，其上装有密封胶条。当处于关门状态时，压缩空气将胶条吹起，使其紧贴于门板上，进而实现密封功能;开门时，需先将密封胶条抽回，门电机再动作，最终实现开门操作。门控制流程如图1，图2，图3所示。

1.2 灭菌流程分析

脉动真空灭菌柜采用脉动抽真空、升温、灭菌、冷却的流程来实现灭菌过程。脉动真空阶段首先采用真空泵将柜体的压力抽到-98kPa，再通饱和蒸汽到60kPa，如此反复三次确保将柜体内的空气排出干净;升温阶段打开进蒸汽阀，控制柜体内蒸汽升到指定压力;灭菌阶段采用饱和蒸汽与温度对应关系，通过PID阀控制柜体内饱和蒸汽压力的方法进而控制柜体内温度，最终完成有效灭菌过程;冷却阶段，向柜体内通入无菌压缩空气，同时打开排气阀门，通过压缩空气的流动将柜体内的温度降低到50℃以下，确保操作人员开门过程中不会被柜体内的高温空气烫伤。其流程如图4所示。

2 小型脉动真空灭菌柜控制系统设计方案

小型脉动真空灭菌柜控制系统由信号采集部分、系统控制部分、报警指示部分等组成。该控制系统采用S7-200smart PLC+smart700触 摸屏组成的控制体系结构。PLC采集压力与温度传感器;指示灯与触摸屏共同组成报警系统;PLC与触摸屏之間采用以太网通讯，通讯速度更快，稳定性更高。系统的控制框图如图5所示。

2.1 上位机

小型蒸汽灭菌柜控制系统采用上位机+下位机二级结构，触摸屏作为系统的上位机，其上运行灭菌柜的监控界面。为防止人员误动作，在触摸屏中设置超级管理员、管理员、工艺员与操作员四级权限。其中超级管理员拥有所有权限为隐藏权限，仅项目开发人员具备该权限功能;管理员具备管理、操作与监视权限;工艺员具备操作与监视权限;操作员只具备监视权限。上位机可实时显示蒸汽灭菌柜的温度、压力、阀门状态及报警等信息，使得操作人员通过触摸屏就可以监控灭菌柜的各种状态。同时触摸屏系统具备配方管理功能，通过调用不同的配方，完成不同物体的灭菌。操作人员可以通过触摸屏和按钮两种方式完成对灭菌柜的程序启动、停止、急停等操作。

在上位机的开发中，充分利用上位机的模块化编程思路，通过简单的模块拖拉、数据组态等功能，实现上位机监控画面、报警画面、操作界面、参数设置等界面的设计。通过编写相应的窗口函数，操作人员可以实现不同画面的自由切换，方便对整个灭菌流程的实时监控。

2.2 下位机

下位机完成灭菌柜控制系统底层控制，根据上位机操作信号和配方信息完成对门电机、真空泵、阀岛、PID阀门的控制，执行上位机操作;采集柜体中温度、压力传感器的数值并完成计算，将最终数据通过以太网传输到上位机中;同时，比对温度、压力数值，采集热继电器信号，生成报警信息完成与上位机数据交换。

3 结束语

本系统在实际运行中，系统稳定性高，灭菌温度均匀性更高，灭菌效果完全符合国家新版GMP标准。

参考文献：

[1]张洪运，韩玉环，郭文峰，李宗武，李永杰，孙杰.基于PLC技术的大输液灭菌柜电气控制系统设计[J].自动化技术与应用，2011，30（11）：74-77.

[2]张凤军.脉动真空灭菌柜的故障与排除[J].医疗装备，2018，31（13）：133-134.

作者简介：王震（1987-），男，山东淄博人，硕士，助教，主要从事机电一体化技术教学与研究。