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今天我们分享基于西门子S7-1200/1500的三级以太网环网中药提取PLC自动化设计改造~
本文完全分析了传统中药提取工艺的功能性需求——采用了基于以太网环网的三级控制模式对传统中药提取进行自动化改造及智能化制造的研究，控制系统采用西门子中大型PLC S7-1500作为主站及灵活紧凑型PLC S7-1200作为从站，采用分散式控制；有效的降低人工成本、降低原材料损耗、降低/避免运行故障、降低能源损耗；更加有效的调高劳动生产力、配方准确率等。本文详细通过详细的数据对该系统进行了分解及说明。
本系统采用基于以太网通信的三级环网式的控制系统结构，对中药提取工艺进行自动化控制改造，取得了良好的效果。在实现提取系统的一键启动的自动化生产模式的基础上，利用中瑞远博自主开发的实用新型“远程监控”专利，更可以把现场数据及运行视频通过光纤或无线传输的方式进行输送到集团公司。
系统概述
中药提取生产系统一般由多套生产提取设备组成。本系统对于中药提取的自动化控制采用三级环网式系统结构，通过以太网TCP/IP通信协议实现全系统数据传输及指令发送。
中瑞远博控制系统主要分为三层，第一层是现场分散控制层(PLC分站)，第二层是集中控制层(控制主站)，第三层中央控制室。系统配置结构图如图1所示。
中央集控室设置有大屏幕投影、操作员工作站及工程师站。该层主要用于显示现场工作过程的数据跟踪、显示、及故障判断等，可以为工程师及操作员分配不同的用户操作等级，实现远程安全操作生产。
现场控制层包含控制主站与控制从站。为每个控制站配备一个触摸屏，用以辅助现场生产人员判定设备运行状况，得到报警提示，实现安全操作生产。控制主站主要完成整个提取工艺的生产在线监测及数据采集及生产控制命令的下发。控制从站则负责各自设备的生产操作及数据采集。
生产控制设备层：主要指现场设备执行单元(电机、阀门等)及传感器、控制电路等。
提取系统控制系统设计
本中药提取系统过程主要包括三套标准提取过程与两套双效浓缩过程。通过溶媒(水或者醇)提取中药的有效成分的过程为提取过程，而浓缩过程是对提取后所得的提取液进行进一步浓缩处理的过程。中药提取的基本流程框图如图2所示。
控制设备及执行机构
中药提取过程所涉及的设备主要有中药提取罐、输送泵、提取液储罐等设备。其控制过程主要有投料、加溶剂(水或醇)、加热循环、出料、排渣、清洗等。双效浓缩设备主要包括两套加热室、两套蒸发室、一套冷凝器。工艺控制操作流程主要有系统抽真空、进料、加热、蒸发、出膏等。
控制以上设备及生产过程的执行机构主要有：压力传感器、温度传感器、液位传感器、流量传感器、密度计、泵、气动开关阀、比例调节阀等。本系统采用进口E+H传感器，精度高，稳定性好;阀门采用festo气动阀及调节阀，动作迅速，调节灵敏度高。
中药提取控制硬件设计
根据系统的总体结构框架及工艺控制要求，在认真分析国内外知名工控产品的基础上，中央集控室采用联想品牌的计算机作为操作站与工程师站，控制站则选用SIMATIC 新一代中型控制器S7 1511-1 PN及小型控制器S7 1211-C 配置提取系统PLC硬件结构，并为每个从站配备西门子精简系列触摸屏。
经统计，大部分标准提取系统DI点9个，DO点10个，AI点4个，AO点1个;双效浓缩系统DI点8个，DO点13个，AI点6个，AO点1个。
系统硬件配置如表1所示。
中药提取PLC系统的软件设计
根据中药提取及浓缩的过程，采用结构化编程方法，将不同的工艺流程用不同的功能块(FB)表示。在系统运行过程中主程序OB1根据调用条件的不同来调用不同的功能块FB，实现不同的逻辑控制功能，提高CPU的利用率。图3所示为中药提取控制软件程序架构。
中药提取监控系统的设计
上位机界面用于实现良好的人机交互。根据控制要求，本系统采用组态王6.55作为上位机编程软件，设计了登陆界面、主界面、历史数据、报警数据、参数设置、参数复位等组态界面。
中央集控室监控界面主要由5个从站界面及其他功能性界面组成。根据监控系统的设计要求，设计上位机监控系统的结构框图，如图4所示。
登陆界面可以根据登陆人员设置不同的操作等级，主界面用于实时监控各个传感器数据、电机及阀门的状态，也可以手动对单个设备进行操作;在历史数据界面可以选择以表格或者图形方式查询历史数据信息，在系统有报警信息时，可以弹出报警显示窗口及操作建议，并记录保存该报警记录，用于报警查询。参数设置界面和参数复位用于设置传感器等元件的报警值。
系统优点
该系统能够完全满足中药提取生产全过程的自控要求。其主要优点有：
系统自动化程度高，实现集中管理，分散控制;
通过以太网形成环形网络，避免因某段网络故障而造成系统瘫痪，影响生产;
采用本地/远程/集中三级控制，实现系统控制的独立性及集成性，主控PLC的故障不会影响自控生产的进行，并且可以通过现场触摸屏操作设备运行状态;
系统配置灵活，易于扩展，其他自控系统可以在不改变原有系统的情况下，通过以太网接入本系统，实现中央集控室的集中监测及管理。
每个从站均配备精简触摸屏，提高了生产监控与管理水平。
主从站之间仅需双绞线或者光纤即可完成数据传送，节省了电缆，减少线路损失及信号干扰，稳定性强。
减少大量人力资源投入。系统自动化程度高，所有操作均可在中央集控室完成，在现场仅需配备一名操作员对生产设备正常巡检即可。
本系统通过采用基于以太网的三级环网式提取控制系统，实现了提取系统的集中管理、分散控制。本系统在内蒙古一家中药厂经系统搭建、编程安装调试，达到了预期的结果，目前已投入使用。经验证，本自控系统自动化程度高，可以实现一键启动，人机界面友好，可靠性好，达到了预期设计要求，为中药企业的综合管控一体化奠定了基础。
参考文献
[1] 和军庆,郑鹏武.基于MCGS和PLC的中药提取自控系统研究[J].计算机与网络,2015(6):62-65.
[2] 刘旭海,陈小荣.现代中药提取与自动化控制[J].中国中医药信息杂志,2004-10,11(10):887.
[3] 董洪鹏.面向信息化的中药提取过程监控系统研究[D].天津科技大学,2015.
[4] SIMATIC S7-1200可编程控制器产品样本.2016.7
[5] SIMATIC S7-1500可编程控制器产品样本.2016.7
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本文作者孙晓平、罗鹏远，供职于深圳市中瑞远博软件信息有限公司。首发于“制药业”平台，转载请注明出处。欢迎关注“制药业”公众号，获得最新制药业创新技术、新闻动态等热点话题。
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