基于PLC技术的大输液灭菌柜电气控制系统设计.pdf

自 动 化 技术 与 应 用 2 0 n年 第3 0 卷 第期 P L C 与D C S PL C a nd DCS 基于 P I． C技术的大输液灭菌柜 电气控制系统设计 张洪运， 韩玉环． 郭文峰， 李宗武 ． 李永杰， 孙 杰 山东药品食品职业学院， 山东 威海 2 6 4 2 1 0 摘要 本文介绍了P L C和触摸屏在大输液灭菌柜控制系统中的应用和所要满足的控制要求 ， 以及系统硬件结构的设计。本文详细 论述了系统的设计方案， 各部分硬件的构成， 完成了软硬件及外围电路的设计开发， 并结合实际运行情况对系统做了进一步的 改进和扩展 ， 减少了系统布线， 投资少， 控制系统稳定 ， 具有较好的推广价值。实际应用表明， 该系统具有抗干扰性好、自动化 程度高和实用性强的特点。 关键词 P L C； 大输液灭菌柜； 控制系统； 设计 中图分类号 T P 2 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 -7 2 4 1 2 0 1 1 0 l 1 - 0 0 7 4 0 4 D e s ig n o f t h e Wa t e r - I mme r s in g L a r g e I n j e c t io n S t e r il iz a t io n Ca b i n e t Co n t r o I S y s t e r m Ba s e d O n P L C T e c h n o l o g y Z H A NG Ho n g - y u n ， HA N Y u - h u a n ， GU O We n - f e n g ， L I Z o n g - W U ， L I Y o n g - j i e ，S U N J i e S h a n d o n g Dr u g An d F o o d V o c a t i o n a l Co l l e g e ， We i Ha i 2 6 4 2 1 0 Ch i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s PLC a n d t h e a p p l i c a t i o n o f t o n c h p a n e l i n t h e c on t r o l s y s t e m o f t h e wa t e r i mme r s i n g l a r g e i n j e c t i o n s t e r i l i z a t i o n c a b i n e t ， a n d t h e c o n t r o l d e ma n d s wh i c h s h o u l d b e s a t i s f i e d， a s we l l a s t h e c o n f i g u r a t i o n o f h a r d wa r e d e s i g n o f t h e s y s t e m ． Thi s p a pe r d e s c r i b e s t h e d e s i g n s c h e me o f s ys t e m a n d t h e h a r d wa r e s t r u c t u r e o f v a r i o u s p a r t s i n d e t a i l， t h e d e s i g n a n d de v e l o p me n t o f s o f t wa r e a n d p e r i p h e r a l c i r c u i t s i s c a r r i e d o u t ． Th e n a i me d a t wo r k c i r c u ms t a n c e， ma k e s a f u r t h e r i mp r o v e me n t a n d r e d u c e s wi r i n g o f t h e s y s t e m ． Th i s d e s i g n h a s t h e a d v a n t a g e s s u c h a s s ma l l i n v e s t me n t a n d c o n t r o l s t a b i l i t y， S O i t h a s a b e t t e r p r o mo t i o n a l v a l u e． Th e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s h o ws t ha t t h e s y s t e m h a s t h e a d v a n t a g e o f fi n e a n t i - j a mm i n g， h i g h a u t o ma t i o n a n d s t r o n g p r a c t i c a b i l i t y ． K e y w o r d s P L C ； w a t e r i m m e r s i n g l a r g e i n j e c t i o n s t e r i l i z a t i o n c a b i n e t ； c o n t r o l s y s t e m； d e s i g n 1 引言 药品是一种特殊的商品， 药品质量与人民群众的健 康和生命安全息息相关。作为药物进入人体的载体一 生理盐水 大输液 ， 其生产的安全性 日益受到国家和药 厂的重视 ， 而灭菌则是整个大输液生产流水线中保证产 品安全的最核心部分 。灭菌是指杀灭一切的病原微生 物， 包括活体病原菌和非病原菌及其芽孢或孢子， 使灭 菌以后的物体无任何存活的微生物。对大输液灭菌一 般采用大型水浴灭菌柜进行灭菌 ， 其灭菌原理是利用饱 和蒸汽在冷凝时释放出大量潜热的物理特性 ， 使待灭菌 的大输液处于高温和潮湿的状态 ， 经过一段时间的保温 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 - 1 O 从而达到灭菌的 目的【 。为了使大输液的灭菌过程达到 自动化控制 ， 本文对灭菌柜的电气控制系统硬件部分进 行了设计及现场调试， 采用 P LC控制、触摸屏操作 ， 使 灭菌过程 自动控制、操作简单并具有报警和误操作保 护功能 ， 完全达到了生产控制要求。 2 灭菌柜的结构 2 ． 1 主体介绍 大输液灭菌柜内壳选用优质不锈钢板制造 ， 外面带 有加强圈或加强筋加强， 可承受0 ． 2 5 MP a 的工作压力。 2 ． 2 密封门 灭菌器采用气动平移式密封门， 密封 门用气动方式 实现左右平移 ， 到密封位后压缩气将密封圈推出实现密 P L C 与D O S PL C a n d DCS 封 ， 灭菌结束后先利用真空将密封圈抽回密封槽 ，然后 门驱动气缸将密封门移开。 密封结构全 自动操作 ， 双 门可实现联锁 ， 同时实现 安全联锁 ， 保证灭菌室内有压力时和操作未结束时 ， 密 封门不能被打开。执行机构采用无杆气缸及控制阀、进 口活塞角座阀及先导 电磁阀和行程开关等优质部件 ， 控 制精确、行走平稳。选购符合国家质量技术监督局要求 的压力安全联锁装置， 当门没有关闭密封时 ， 不会对灭 菌柜进行加热升温 ， 升压 ； 灭菌柜 内压力没有完全释放 时 ， 密封门不能开启 。当一端密封门关闭时 ， 另一侧的 密封门才能打开 ， 保证了灭菌前室和后室的有效隔离。 手动开启装置 停 电时， 可先手动开启阀门将灭菌 柜的压力释放 ， 待灭菌柜的室内温度冷却至安全温度 后， 将门密封换向阀手动转向至卸压位置， 将密封槽内 的压力释放 ， 然后将气缸换向阀换 向， 推动密封门移至 开启位置 ， 即可取出药品。 2 ． 3 管路系统 自动化技 术与应用2 0 1 1年第 3 0卷第 1 l期 灭菌器的管路系统按灭菌工艺的要求进行设计 ， 主 要由循环泵、板式换热器、若干执行阀件和先导阀以及 若干管件组成。管路系统若按功能可分为 进离子水管 路、进蒸汽管路、进冷却水管路、循环管路、热交换系 统、进压缩气管路、超压排汽管路、排离子水管路、排 冷却水管路、冷凝疏水管路、门密封和抽空管路以及压 力容器安全系统 安全阀 。 2 ． 4 控制系统 控制系统采用微机组态过程 自动控制方式 ， 主要由 现场控制系统和上位计算机两部分组成 ， 现场控制系统 完成数据的采集和输出相应的控制信号。上位计算机 接收现场控制系统 P L C 送出的数据， 对数据进行分析、 显示和记录 ， 同时根据所记录的数据报表和趋势⋯， 以达 到对灭菌过程的监控和数据处理的功能。 2 ． 5 自动进出车装置 由于考虑操作工人用人力进出的繁重的体力劳动 ， 图 3 灭菌柜电气控制线路设计图 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 l 1 年 第3 O 卷 第1 1 期 P L C 与D O S PL C a n d DCS 同时人员进入灭菌室很不安全 ， 且可能对灭菌室的洁净 环境造成污染 ， 因此设备增加了 自动进出车装置。 3 灭菌柜的工作原理及操作界面设计 3 ． 1 灭菌柜的工作原理 首先， 注水阀 F 6与排气阀Fl 0同时打开， 进水到上 水位后转入升温阶段 。注水阀和排气阀关闭， 循环水泵 启动， 同时大进汽阀 F 2 、小进汽阀 F 3 、疏水阀F8 及冷 凝水旁通阀F l 1 打开， 当下部测温点达到设定的转换温 度 9 5 ℃时， 大进汽阀 F 2间断开启关闭， 直至达到设定温 度。当室内八个温度检测点全部达到灭菌温度要求 ， 程 序转入灭菌阶段 ， 保温过程 中， 通过小进汽阀 F 3的开 关， 调节室内压力的稳定。当 T1 一 T8的测量值达到程 序设定值后 ， 并且灭菌时间达到程序设定值后 ， 程序转 入冷却阶段。大小进汽阀关闭， 小冷却水阀 F 5 、排冷却 水阀F 9开启。当 T L温度低于设定的转换温度 9 0 3 时， 大冷却水阀 F4打开， 以加快冷却速度 ， 缩短降温时间。 当T 1 一 T8点中的其中六个点的温度降到设定的冷却 温度时， 冷却过程结束。大小进冷却水阀 F 4 、F 5 、排冷 却水阀F 9 、进压缩空气阀 F 1关闭， 循环水泵停止运行 ， 同时排气阀 F1 0打开， 当内室压力降到 0时， 程序结束。 整个升温 ， 保温， 冷却过程 ， 通过压缩气阀 F 1和排气阀 F1 0的开关， 控制室内压力的平衡。 图 1 灭菌柜结构图 3 ． 2 灭菌操作参数 正式灭菌前灭菌操作员检查灭菌柜的各公用介质 压力 ， 蒸汽压力范围为 0 ． 3 0 Mp a -O ． 5 0 Mp a ， 冷却水压力 O ． 2 0 Mp a 一 0 ． 4 0 Mp a ， 压缩空气压力0 ． 4 0 Mp a - O ． 7 0 Ml m， 公 | 瞄l 、 硝糟 麓 0 、 l j孵 j 0 0 4| 誊 帮 1 | 鞭嚣 | | ||l 毒 。 净 | 甓 ≯■ 繁。| 一l 。 一溪 j 、 I |0 曩 0I 。 。 一 。 ．． 藿_| l 羹 | 灞萌 舞 _ 毒 ； ； 赫 帝 摹 孵鼻 _ ■ ■■ 多 痧 i ■ _-_- ■- e ， | 童 ， 翩 瞎 鲤 堡 砖 墅 1 2 鼍 生 盟 J 9 e 一 I 鞠 ∞ 簿 | 酒 晒 誓 ．- ． 龋 j ‘ ■ ●●- 褡 l ， - _ 一 I D0 辑 臀| 吩 。 0 ■ ● ⋯O0 | ， _ 鬈 l i 一一 。 | j I女t鞭 b _ 一 _ ； _ l荟 _ ’_ _ 1 l ll l 锫 薯 | _ 、 ’ l曩| | 。 。 | 、 锄 鼬 喁 爱 图4 灭菌柜电气控制线路设计图 续 9◇ 0o P L C 与D C S PL C a nd DCS 用介质正常后 ， 输入各项参数。 3 ． 3 灭菌操作界面设计 启动电脑， 选择 “ 操作员”输入密码后 ， 进入主控窗 口画面点击 “ 运行”按钮进入到灭菌设置画面， 灭菌操 作员按规定设好各项参数 品名、规格、批号、数量、灭 菌温度 1 1 5 ℃、灭菌时间 3 0 rai n 、冷却温度为 5 5 ℃、压 力系数为 5 ． 0 、操作员号并确认后， “ 灭菌”启动程序按 钮由灰色变为黑色 ， 点击 “ 灭菌”启动按钮选择启动程 序， 观察 “ 门关”信号由黑色变为绿色， 此时 “ 启动”按 钮由灰色变为黑色 ， 单击 “ 启动”按钮， 程序 即开始 自 动运行 ， 依次完成注水、升温、灭菌 、冷却、排水。 灭菌程序结束后， “ 结束”按钮由黑色变为绿色 ， 此 时单击 “ 退出” 。回到参数设置画面。按后门控制盘开 门按钮 ， 后门开启 ， 把灭菌后的产品由自动进出车推出。 4 电气控 制线路设计 4 ． 1 灭菌柜 自控程序流程图设计 图2 灭菌柜自控程序流程设计图 自动化技术与应用2 0 1 1 年第 3 O卷第 1 1 期 程序流程 图设计如 图2 ， 因保密及篇幅所限 ， 程序 编写略 。 4 ． 2 电器选型 根据控制要求所选 电器配置如下 1 P L C选用 S 7 2 0 0 C P U2 2 6 ； 配置 2个数字量 模块 E M2 2 2 ， 配置 3 个模拟量模块 E M2 3 5 。 2 配置两相空气开关 DZ 4 7 6 3 一个， 电源滤波 器一个， 一个直流 2 4 V 电源。 3 灭菌柜前后门配置船型开关一个， 配置中间继电 器一个 ， 水位继电器 2个。 4 各种阀门 1 6个， 指示及报警灯 5个， 电机 2台。 5 各种开关及按钮多个 ， 温度变送器 8个。 6 步科触摸屏 1 台， 型号MT 4 3 o 0 C。 7 步科触摸屏与 S 7 2 0 0 C P U2 2 6 通信电缆一根。 8 触摸屏组态软件 E V5 0 0 0 。 4 ． 3 电气控制线路设计 控制系统由P LC控制箱、触摸屏、泵启动器 、气 动阀、电磁压力控制器、压力变送器 、按钮 、指示灯 显示仪器等组成。P L C机采用西门子 7 - 2 0 0 C P U2 2 6 型， 根据预先输入的程序进行工作、接收、处理各种信 号 ， 控制程序流程 。西门子 S7 2 0 0作为主控制器 ， 触 摸屏作为人机界面 ， 测温探头将热电阻测温信号传送 热 电阻模块 ， 转换成可编程序控制器可 以接收的数字 量 ， 测压力 的压力变送器将压力信号转换成标准电流 信号然后经模 拟量模块转换成数字量传送给可编程序 控制器处理 ， 并在人机界面上显示。 电气控制线路设计 见图 3 、图4 。 5 结束语 该设计的使用 ，可大 幅度减少大输液的废品产生 率 ， 降低生产人员的劳动强度 ， 增强工作人员灭菌工作 的安全性， 提高劳动效率， 创造较好的经济效益。 参考文献 【 l 】西门子公司． S I MA T I C S 7 2 0 0 可编程控制器系统手册 【 Z 】 ． 2 0 1 0 ． 作者简介 张洪运 1 9 6 7一 ， 男， 高级讲师， 研究方向 机电 一 体化控制技术 。