【正文】 制精度可達到 2%）、 Infusomat fms 型，型號眾多，以色列也有相應(yīng)產(chǎn)品。但是國外注射泵居高不下的價格，是國內(nèi)醫(yī)療機構(gòu)普及注射泵的只要障礙。 國內(nèi)對注射泵的研制起步較晚，大都在 90 年代中期經(jīng)行研制，市場也有一些注 射泵，如北京科力豐高科技發(fā)展有限公司的 ZNB 系列產(chǎn)品，其中 ZNBXB 的控制精度為 3%5%，注射范圍 ,北京思路高公司的恒速注射泵 TCIII產(chǎn)品的控制精度 3%,速度范圍 ,深圳康福特公司也有注射泵。相比只下，國內(nèi)產(chǎn)品在價格上有一定的優(yōu)勢，但是在控制精度和最小輸注速度上和國外產(chǎn)品有很大的差距。 注射泵發(fā)展將向更小型化、更便攜化、控制更精確、更安全可靠發(fā)展。如用于糖尿病治療的胰島素泵現(xiàn)在可隨聲攜帶而不影響大多數(shù)日常生活，甚至可帶著泵洗澡或游泳，如MiniMed 公司的 507 型產(chǎn)品。注射泵還向更智能化發(fā)展。如以后將在糖尿病患者皮下植入連續(xù)血糖測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個小型傳感器，它每隔一段時間檢測皮下體液并獲得血糖數(shù)據(jù)。當(dāng)血糖過高時，系統(tǒng)將會發(fā)出報警。胰島素泵將會根據(jù)血糖傳感器測得糖尿病患者的血糖水平，然后自動控制泵向患者體內(nèi)注射胰島素，實現(xiàn)真正的只能傳送。 控制學(xué)院 氣升 0701 班學(xué)生 趙延平 畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 45 頁 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計專用紙 總的來說，在歐美國家注射泵研制和應(yīng)用都以進入一個相對成熟和穩(wěn)定的階段，而國內(nèi)注射泵的研制和檢測使用尚落后于歐美國家，只在大的企業(yè)和研究所獲得應(yīng)用，目前仍 處于推廣階段，因此注射泵的市場前景很廣闊。 通過 資料查新和市場調(diào)查，關(guān)于樣品粉碎模塊及注射泵控制系統(tǒng)在國內(nèi)外都有單獨的設(shè)備及研究。但將樣品粉碎模塊及注射泵結(jié)合在一起，形成自動化樣品加液粉碎處理模塊單元，還有相關(guān)報導(dǎo)。市場上樣品粉碎大多是臺式或手持式均質(zhì)器，國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品都有，但是基本是手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和均質(zhì)時間，且多為人工控制。而本課題對現(xiàn)有均質(zhì)器的基礎(chǔ)上加以改進，通過編程控制從而實現(xiàn)對均質(zhì)器的轉(zhuǎn)速和均質(zhì)時間的控制。同時對均質(zhì)器、注射泵控制系統(tǒng)及機械臂進行集成控制編程，從而實現(xiàn)自動化樣品加液粉碎處理模塊單元。 可編程控制器（ PLC）的發(fā)展及應(yīng)用 可編程控制器（ PLC）的發(fā)展 可編程控制器（ Programmable Logic Controller,PLC）是隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的進步而發(fā)展起來的一種技術(shù)。由于傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)，存在著比較明顯的缺點，如設(shè)備體積大、可靠性差、動作速度慢、功能少、難以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制，到了 20 世紀(jì) 60 年代末，由于汽車制造業(yè)的激烈競爭， 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司（ DEC）根據(jù)美國通用汽車公司（ GM）提出的著名的“ GM 十條”內(nèi)容的要求研制出第一臺 PLC，并在美國通用汽車自動裝配生產(chǎn) 線上使用，獲得了成功。 雖然 PLC 問世時間不長，但在 PLC 誕生不久即顯示出了其在工業(yè)控制中的重要地位，如德國、日本、法國等國家相繼研制成各自的 PLC。隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的不斷進步， PLC 也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分為三個階段。 （ 1） 早期的 PLC 早期的 PLC（ 20 世紀(jì) 60 年代末至 70 年代中期）稱為可編程邏輯控制器。這是 PLC 的主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。它是繼電器控制裝置的替代物，在硬件上以準(zhǔn)計算機的形式出現(xiàn)，并且它在 I/O 接 口電路上改進以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的要求。PLC 裝置中的器件主要采用分立元件和中、小規(guī)模集成電路，存儲器采用磁芯存儲器。在硬件上采取了一定得措施，以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上，采用電氣工程人員所熟悉的繼電器控制線路的方式 — 梯形圖。因此，早期的 PLC 的性能優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂、便于安裝、體積小、功耗低、有故障指示及能重復(fù)使用等。其中 PLC特有的編程語言 — 梯形圖，一直沿用至今。 （ 2） 中期的 PLC 從 20 世紀(jì) 70 年代中期到 20 世紀(jì) 80 年代中、后期，微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。此時的 PLC 產(chǎn)品以使用了 16 位、 32 位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理。通信技術(shù)使 PLC 的應(yīng)用得到了進一步的發(fā)展。這樣使 PLC 的功能大大增強。在硬件方面，在保留了原有的開發(fā)模塊的基礎(chǔ)上，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，使各種邏輯線圈的數(shù)量增加，還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲器，使 PLC 的應(yīng)用范圍得以擴大。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、記數(shù)等功能外，還增加了算數(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通信、自診斷等功能。 （ 3） 近期的 PLC 控制學(xué)院 氣升 0701 班學(xué)生 趙延平 畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 45 頁 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計專用紙 從 20 世紀(jì) 80 年代中、后期 至今， PLC 技術(shù)已非常成熟。由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理器價格的大幅下降，使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得 PLC 軟、硬件功能得到進一步的提高。 如今， PLC 技術(shù)已非常成熟，其中世界上生產(chǎn) PLC 產(chǎn)品的廠家就多大 200 多個。比較著名的廠家有美國的 AB、通用 (GE)、莫迪康（ MODICON），日本的三菱（ MITSBISHI）、歐姆龍（ OMRON）、富士電機（ FUJI）、松下電工、德國的西門子 （ SIEMENS）、法國的 TE、施耐德（ SCHNEIDER）、以及韓國的三星（ SUMSUNG）、 LG 等。 可編程控制器（ PLC）的應(yīng)用 由于微處理器芯片及有關(guān)元件的價格大大下降和 PLC功能的不斷完善及增強兩方面的原因，目前， PLC 在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、汽車、機械制造、冶金工業(yè)、化工、電力、交通、采礦、建材、輕工、造紙、環(huán)保、食品等各行各業(yè)。既可以用于舊設(shè)備的技術(shù)改造，又可以用于新產(chǎn)品的開發(fā)和機電一體化設(shè)計。早期的 PLC 大多作為繼電器控制系統(tǒng)的升級換代產(chǎn)品，只要實現(xiàn)簡單的邏輯控制。隨著 計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展， PLC 技術(shù)也得到了很好的發(fā)展，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出早期 PLC 的邏輯控制，更多的具有了強大的網(wǎng)絡(luò)通信能力。使用情況大體可歸納為以下 6 種類型。 （ 1） 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，也是 PLC 最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。它取代最傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制。 PLC 可用于單臺設(shè)備的控制、多機群控制及生產(chǎn)自動化流水線控制等，如印刷機、注塑機、訂書機械、組合機床、切紙機械、磨床、包裝機械、電鍍流水線及電梯控制等。 （ 2） 模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過程 中，會經(jīng)常遇到許多諸如溫度、壓力、流量、液位和速度等模擬量。為了使 PLC 處理模擬量、必須實現(xiàn)模擬量（ Ａｎａｌｏｇ ）和數(shù)字量（Ｄｉｇｉｔａｌ）之間的轉(zhuǎn)換（Ａ／Ｄ及Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換）， PLC 廠家都生產(chǎn)配套的Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換模塊，使PLC 用于模擬量控制。 （ 3） 運動控制 早期直接用于開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)完成運動控制，現(xiàn)在一般使用 PLC制造商提供的拖動步進電機或私服電機的單軸或多軸的位置專業(yè)的位置控制模塊完成運程控制。如可驅(qū)動步進電機或私服電機的單軸或多軸位置控制模塊。 PLC 把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)，其 輸出移動一軸或數(shù)軸到目標(biāo)位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，確保運動平滑。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運程控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 （ 4） 過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等閉環(huán)模擬量的控制， PLC 能夠控制大量的過程控制總的參數(shù)。 PID 模塊的調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用的較多的調(diào)節(jié)方法，大、中型 PLC都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。 （ 5） 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具 有數(shù)學(xué)運算的功能，可以完成數(shù)據(jù)采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參數(shù)值進行比較，完成一定得控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的控制學(xué)院 氣升 0701 班學(xué)生 趙延平 畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 45 頁 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計專用紙 裝置。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品等制造行業(yè)的控制。在機械加工中， PLC 作為主要的控制和管理系統(tǒng)，可以完成大量的數(shù)據(jù)處理工作。 （ 6） 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信包含 PLC 之間的通信、主機與遠(yuǎn)程 I/O 口之間的通信以及 PLC 與其它智能設(shè)備（如計算機、變頻器、數(shù)控裝置）之間的通信。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PLC 與其他職能控制設(shè)備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。 課題的引進 根據(jù) 項目工藝要求 設(shè)計 樣品粉碎模塊及加液泵控制系統(tǒng) 。研究下位機的控制設(shè)計與實施及上位機的監(jiān)控系統(tǒng)，主要對 粉碎和加液部分 進行主要分析和描述，并且把在分析中用到的資料和軟硬件進行必要的引述，而且把要用到的一些編程軟件、組態(tài)監(jiān)控軟件的功能和應(yīng)用進行了系統(tǒng)的引述。 在本論文中主要應(yīng)用的是可編程控制器 PLC、 MCGS 組態(tài)監(jiān)控軟件，對研究的課題進行詳細(xì)的 描述。 2 基于樣品粉碎模塊及加液控制系統(tǒng)的總體分析與設(shè)計 樣品制備流程 為檢測試樣中是否含有特定物質(zhì)，需要將該物質(zhì)萃取提純以利于檢測。一般的樣品制備過程是：將試樣放入有機溶劑中粉碎，濾去殘渣；將溶解了試樣的溶劑濃縮吹干后，再加入一定量的溶劑將樣品溶解定容；還需要根據(jù)檢測物質(zhì)的溶解特性，利用 XX小柱，凈化清洗掉溶劑中其他雜質(zhì)，得到檢測樣品。 一般手工進行樣本制備，先將試樣切碎，放入試管加入溶劑后，手持均質(zhì)器將試樣粉碎，接上真空泵，經(jīng)濾紙抽出溶劑，濾去固體殘渣；將溶劑放入 xx 設(shè)備吹干后，加入定量溶 劑再次溶解，將溶劑通過 xx 小柱洗凈雜質(zhì)，完成樣品制備。制備過程要求加入和抽取準(zhǔn)確體積的溶劑，多次清洗均質(zhì)器、取樣針，操作繁復(fù)，過程很長，人工制備效率很低容易污染樣品。為提高樣品制備效率，提高樣本質(zhì)量，希望進行自動的樣控制學(xué)院 氣升 0701 班學(xué)生 趙延平 畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 45 頁 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計專用紙 品制備。 樣品自動制備系統(tǒng)設(shè)計 為實現(xiàn)樣品的自動制備，需要自動完成以下操作過程：均值器的清洗；試樣的粉碎；溶劑的添加；自動抽濾；自動吹干；自動凈化萃??；自動定容。因此設(shè)計采用機械臂帶動均質(zhì)器和加液管，自動定位試管和清洗槽位置；采用注射泵完成試劑的自動添加和定容。設(shè)計如下樣品粉碎模塊。該模 塊包括機械臂。 圖 樣品粉碎 系統(tǒng)的工藝要求 為提高樣品制備效率，設(shè)計系統(tǒng)一次完成最多 16個樣本的制備。 根據(jù)食品檢測要求，首先需要將送檢樣品在特定的溶劑中粉碎，使得被檢測物充分溶解在溶劑中。其基本步驟是：將樣本切割后放入試管，試管中根據(jù)樣本特征及檢測項目加入不同溶劑，使用粉碎器，將試管中的樣本粉碎。之后，將固體殘渣濾掉，利用真空泵和濾網(wǎng)抽取溶劑。該溶劑，是樣本制備的中間產(chǎn)品。目前，通常采用人工操作，實驗測試人員，手工加入溶劑、手持粉碎器，將樣本粉碎后，抽濾出中間樣本。人工操作不僅效率低而且檢驗 的效果也不準(zhǔn)確。本系統(tǒng)要求自動加液、自動粉碎、自動清洗，自動抽濾，為提高效率，系統(tǒng)設(shè)計，一次進行 4個樣本的制備。詳細(xì)工藝見工藝流程圖 11所示。 圖圖圖圖圖 控制 系統(tǒng)設(shè)計方案 根據(jù)粉碎和加液系統(tǒng)的要求，現(xiàn)擬定一下設(shè)計方案： 方案一： 控制學(xué)院 氣升 0701 班學(xué)生 趙延平 畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 45 頁 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計專用紙 控制器選用 單片機 。優(yōu)點：技術(shù)含量高、易上手、使用靈活、 成本低廉 。缺點： 抗干擾 能力低 、模塊化 擴展能力 低 。 方案二： 控制器采用可編程控制器 (PLC)。優(yōu)點： 對于防干擾、設(shè)備接口、聯(lián)網(wǎng)、模塊化都有完善的技術(shù)支撐，使用更簡單 。缺點： 成本高。 單片機前期投 入過大，周期較長，而且不易改動流程，抗干擾能力較 PLC 差一些。但其成本低廉，應(yīng)用廣泛。特別適合于開發(fā)消費電子、商業(yè)應(yīng)用的電子、玩具、家電等等。在外接設(shè)備時連線較多，只適用于小型的控制電路。 PLC 是專為工業(yè)自動化設(shè)計的，在控制電路這一塊，功能的強大是前者無法比擬的，通過多種多樣的擴展模塊，使外部接線量小、內(nèi)部工作性能的可靠性高，易學(xué)易懂，雖然單個 CPU 貴，但性價比是最高的 。 從系統(tǒng)穩(wěn)定性和開發(fā)時間的角度考慮，最終方案確立選擇控制器為可編程邏輯控制器（ PLC）。 圖 方案框架與構(gòu)思 （ 1）硬件控 制部分 根據(jù)樣品粉碎及加液控制系統(tǒng)的硬件裝置（可編程邏輯控制器（ PLC）、粉碎機、注射泵、智能步進電機驅(qū)動器、機械臂），確定可編程邏輯控