基于PLC的洁净室远程执行系统

基于 PLC的洁净室远程执行系统

1 瞿杰超 2 孟文雅

1 诺和诺德（中国）制药有限公司， 天津 300451

2 霍尼韦尔环境自控产品（天津）有限公司，天津 300451

摘要：在现代制药企业中，洁净室的洁净程度对产品的质量至关重要，而人员活动是洁净室的最大污染源。因此，减少洁净室的人员活动，能有效的控制洁净室污染，保证无菌药品质量。为实现洁净室的无人化操作，设计了一套可用于洁净室远程执行系统，操作员可在洁净室外，对洁净室制药生产线的简单问题进行远程处理，如处理自动灌装线的灌装针弹出、瓶塞堵塞、瓶盖堵塞等故障。通过将PLC控制系统与视频监控系统的有效结合，实现了对执行机构的远程控制，为洁净室无人化生产提供了技术支持。

关键词：PLC；洁净室；远程控制；执行系统

引言

对于在制药行业洁净室使用的设备，一般要求结构简单，表面光滑，易于清洁，避免死角。与物料直接接触的机械结构要易于清洗，耐腐蚀，不能与清洁剂反应，不产生微粒，能耐受高温高湿灭菌或VHP熏蒸。设备传动机构不能有外露的润滑剂，部件整体要保证良好的密封性，防止对原料、包装容器等造成污染^[1]。因此，洁净室的诸多要求对于本系统的设计提出了很多制约。

1 执行系统设计，控制系统构成

为满足洁净室的使用要求，本执行系统的执行端由4个步进电机和一个执行杆组成，其中2个步进电机实现执行杆位置的前后左右粗调，另外2个步进电机实现上下、左右精调。通过对4个电机的合理控制，实现执行杆的精准控制。

步进电机通过PLC实现手动和自动控制，所有操作通过平板电脑实现。平板电脑上安装有组态王控制软件，与PLC控制器通过5G网络实现无线通讯。另外，本系统还设计了一套视频监控系统，操作员借助视频监控系统的实时画面，实现对目标工位的远程操作，这个控制系统的构成如图1所示：

图1 控制系统构成

在控制系统是硬件上设计中，本系统综合考虑控制要求，成本等多方面因素。选用步进电机作为执行电动机,并选用闭环步进电机控制器，实现电机的稳定运行。该闭环步进电机控制器采用编码器作为位置反馈，使步进电机具有伺服闭环特性，可对位置偏差进行实时补偿，从根本上解决传统步进电机丢步的问题。

步进电机控制器接收PLC输出的脉冲和方向信号控制电机的运行，并将控制器的运行状态及报警信息反馈给PLC。每台电机的运动机构末端配置有限位传感器，将机械信号转化为电信号，以实现对机械系统的控制，限制它们的动作和位置，并对机械系统给以必要的保护。

2 系统软件设计

2.1 PLC控制系统设计

本系统是一套小型的自动控制系统，洁净室的特殊环境要求控制系统稳定可靠，具有以太网通讯功能。S7-1200PLC设计紧凑，功能强大，易于开发，成本低廉，广泛应用于各类自动化场景。基于以上优点，本系统选用西门子S7-1200作为控制系统PLC。通过PLC程序实现对各电机的手动、自动控制以及保护。操作员可通过自动功能，将执行器运动到目标位置附近，然后通过手动控制实现精调，准确到达目标位置，并处理相应的故障。

PLC通过有线网络连接到无线路由器，平板电脑通过无线信号连接到路由器，从而与PLC实现通讯。平板电脑安装有组态王软件，在该平台上开发了HMI程序，实现了操作员与执行系统的人机交互。

2.2 系统监控及管理功能的实现

控制系统的上位机采用组态王软件实现人机交互，组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用^[3]。

本系统主要有自动画面、手动画面、参数设置画面、历史报警、记录查询等页面。操作员可应用该软件实现执行器够的手自动操作，关键参数设置、报警信息查询、操作记录查询等功能。其画面结构如图2所示。

图2 HMI画面结构

（1）主画面。系统启动后会自动进入主画面。主画面可实现对多台执行系统的远程控制，用户根据实际需求选择所需的执行系统。每套系统的工作状态、通讯状态通过红绿指示灯显示在主画面上，操作员在该画面能了解到所有系统的工作概况。

（2）自动画面。自动画面设计有启动、停止、回原位等按钮，实现自动模式下的操作。根据生产需要，设计了24个预设位置按钮。操作员可通过操作这些按钮，使执行系统自动到达指定的位置，并通过画面上的位置显示实时监控每个电机的实际位置。

（3）手动画面。手动画面可以实现对4个电机的单独控制。当执行系统挑杆到达预设位置后，通过手动画面再精确控制位置，以实现对目标故障，如灌装针弹针、胶塞堵料、铝盖堵料等问题的处理。画面还设计了每个电机的限位指示，通过红绿指示灯让操作员了解到电机是否已到达限位。

（4）自动参数。自动参数包括24个预设位置、原始位置的设定，以及对应的4个电机速度的设定。操作员可根据实际需要对自动参数进行修改，以实现自动运行的稳定、可控。

（5）手动参数。手动参数包括手动模式时各电机的速度设定，以及当电机位置丢失后，对各电机零点位置的重新校正按钮。

（6）BCO画面。考虑到BCO（批次换型）期间的周期性清洁问题，设计了BCO画面。在该画面可将执行机构滑台运行到方便清洁的位置，操作员可以充分彻底的清洁机构表面。

（7）监控画面。系统所有连接的PLC的输入输出点可在监控画面实时显示其状态。该画面可协助设备维护人员了解外围信号的实时状态，便于分析设备故障。

（8）历史报警。历史报警通过不同颜色显示报警以及提示信息的实时状态，并可查询到报警的具体信息，包括报警日期时间、恢复（复位）日期时间、变量名称、用户ID、故障分类、故障代码及文本等。该画面还设计有确认、复位、重启系统等按钮，实现对报警信息的确认及系统重置等操作。

（9）记录查询。记录查询画面可查询到参数更改、用户登录及报警的历史记录，并可将记录生成PDF文件进行保存。便于生产人员分析设备的异常情况。

（10）数据保存。数据保存画面主要实现对设备参数的保存以及恢复功能，防止设备系统故障导致的参数丢失。

3 结语

该系统将PLC与5G通讯技术有效结合，满足洁净室设备的严苛要求，实现了对洁净室设备的远程控制。目前该系统已成功应用与某大型制药企业，各项指标达到预期设计目标，并已成功在洁净区完成安装、操作以及环境验证，顺利投入生产。该远程控制的解决方案实现了实现洁净区的无人化操作，也成为了制药企业的自动化、智能化升级改造的优秀实践案例。

参考文献：

[1]朱宏吉,张明贤.制药设备与工程设计[M].北京:化学工业出版社,2010.

[2]西门子有限公司自动化驱动集团.深入浅出西门子S7-1200PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[3]王建,宋永昌.组态王软件入门与典型应用[M].北京:中国电力出版社,2014.

[4]薛迎成.PLC与触摸屏控制技术[M].北京:中国电力出版社,2010.