自动药片装瓶机控制.docx
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自动药片装瓶机控制
摘要
本文介绍了自动药片装瓶机控制系统的发展历程及其意义，还包括自动装瓶机的设计、硬件系统设计、软件系统设计与程序的调试与检测、设备动作要求及其实际应用效果。
本文设计利用三菱的FX2N––16MR––001的可编程控制器实现了药瓶的自动装填，该控制系统能够达到生产所提出的速度和效率要求。
整个系统采用了一台PLC控制，整个控制系统设一个控制室。
利用PLC控制装瓶机运行，实现了装瓶机启动、停止、以及中途改变填装粒数的功能，从而实现了装瓶机运行的自动化功能。
PLC特有的I/O指示功能以及简便的PLC控制接线使其查找故障点十分迅速、方便。
PLC主机工作可靠，本身故障很低。
所以，采用PLC设计装瓶控制系统。
关键词：
PLC；计数器；SFC状态指令
ABSTRACT
Thispaperintroducesthedevelopmentprocessoftheautomaticcontrolsystemofbottlingmachinetabletsanditssignificance,alsoincludesthedesignofautomaticbottlingmachine,hardwaredesign,programdesignanddebuggingandtestingofsoftwaresystem,themotionrequirementsoftheequipmentandtheactualapplicationeffect.
ThispaperdesignedbyMITSUBISHIFX2N-16MR-001programmablecontrollertorealizeautomaticthebottlefilling,thecontrolsystemcanachievetheproductionspeedandefficiencyrequirements.ThesystemusesaPLCtocontrol,thewholecontrolsystemsetsupacontrolroom.UsePLCtocontrolthebottlingmachineoperation,realizedthebottlingmachinetostart,stop,andchangeVariablefilledgrainnumberfunction,soastorealizethefunctionof.PLCspecificI/OautomaticbottlingmachinemovementindicatorfunctionandsimplePLCcontrolwiringtofindthepointoffailureisveryrapid,convenientandreliablefault.PLChost,itselfisverylow.Therefore,thedesignofPLCbottlingcontrolsystem.
KeyWords:
PLC;counter;SFCstatuscommand
第1章自动药片装瓶机的发展历程
1.1自动药片装瓶机的研究发展状况
随着科技的日渐发展，相应PLC的应用范围正被不断扩大，其发挥主导作用的领域日趋显著，医药行业的应用包含其中，其中具有代表性的有自动装瓶机的应用及发展。
目前，在药片自动包装设备方面，关于PLC的自动装瓶技术已日显成熟，并且现在国内外均有相关设备。
本技术应用PLC可以通过其通信协议直接地控制电机运行，这样自动药片装瓶机的运行方式得到了监控，而且装药时间也可根据需要得到预先规定，从而节约资源，降低生产成本，提高产品质量。
很显然的，此设计采用FX2N系列PLC实现对药片自动装瓶机的控制，实现对系统的功能控制。
国外发展状况：
无论是“药片文化”还是“饮食文化”从很早以前就困扰着外国公众，并且当我国民众还处于为实现民族独立，人民解放奋战的水深火热中，他们的这种困扰已经开始。
美国杂志刊登的一份研究报告曾指出，从1974到1997的23个年头里，针对死亡率问题，包括美国在内的九个西方国家接受调查。
调查结果显示，因疾病引起的死亡率增长了近乎两倍。
其中饮食结构不合理是发病率的主要原因。
尤其是在二战后，在崇尚速度和效率的美国，快餐业迅速崛起。
就这样，餐饮业给业主带来利益并给民众带来方便的同时，民众的健康及寿命受到的消极影响显而易见。
各种疾病产生，危及生存。
随之医疗产业崛起，速度更是可想而知。
这时随着PLC等自动化技术的发展，PLC的应用领域正不断扩大着，药片自动装瓶应需产生，发展迅速。
国内发展状况：
我国一直秉承的企业优劣性指标是一个企业的技术工艺是否具有代表性，是否存在市场方面的竞争。
改革开放以来，随着我国药物生产设备市场的迅速发展，与此市场相关的技术开发与实践也备受业内关注。
了解国外药物装瓶设备生产技术的开发动向、机械设备情况、发展趋势同时了解国内最新动向，对于企业规范产品技术，提高市场竞争力十分有利。
目前我国食品药品安全的现状并不令人满意，国家食品药品监督管理局指出近年来药品安全性危险事件不断发生。
其原因主要有，一是药品生产企业在生产过程中不遵守生产工艺躲避生产监管，不安全因素潜在。
二是一些企业在
不满足我国药品生产质量管理规范的流水线厂房生产医疗产品。
为此想改变现状，应该建立和完善我国药品风险管理体系，在加强药品不良反应监测的同时，针对药品风险来源，扩大安全监测范围，逐步以立法的形式实施风险管理，缓解我国面临的药品安全形势。
首先我们要做的是要着力消除生产和包装这种源头问题，着手于生产环节，将生产采用自动化。
显而易见，此自动控制系统的设计解决了其中的主要问题。
我国医药及医疗机械行业中，有关医药包装的机械产品种类已非常丰富。
为满足我们对不同药片包装的要求，以及对批量生产的需求。
采用PLC直接控制电机运转，使得资源利用率以及产品质量相应提高，同时降低了生产成本。
另外PLC具有I/O指示功能并且查找故障点十分迅速、方便。
当然，最重要的是PLC具有系统工作稳定可靠，自身故障率低的优点。
因此，本文采用FX2N系列PLC设计自动药片装瓶机系统。
我国自动装瓶设备行业和技术得到了快速发展，重点表现为以下几个方面，一是专门化：
自动药片装瓶系统具有较高的可靠性，工作平稳，零故障运行为用户首选。
同时为保障我国药片安全形势，产品专业化程度越来越高。
二是智能化：
该领域引入一些新技术，采用全电脑自动控制系统，使得系统更加快捷、准确、可靠。
三是高自动化：
自动药片装瓶的高自动化主要表现为先进的自动控制科学知识应用其中，实现产品的高自动化。
生产率提高的同时，最重要的是能达到国家药品安全规定的各项规范标准。
1.2自动药片装瓶机的研究目的及意义
首先，自动药片装瓶与传统的手工装瓶相比，其优点是可以避免我们直接与药品接触，对人体产生的伤害，同时也避免了人与药品直接接触带来的对药品的污染，使药品质量得到保证的同时，相应的保障人体健康，达到了安全的要求。
既缩短了时间，节约了成本，又极大的提高了生产效率。
其次，由于传统的手工装瓶在生产管理方面比较困难，容易出现纰漏和混乱，出现错误的状况在所难免。
自动药片装瓶机的设计使得管理更加强调流程和自动化，只有这样经营系统才能改善，生产效率才能提高，控制运行才能更加健康可靠。
第2章方案设计
2.1任务要求
这是一个将一定数量药片自动连续地装入到药瓶中的控制任务，系统的模拟器 示意图如下图2-1所示。
按下按钮SB2、SB3或SB4，可选择每瓶装入25片、50片或100片，通过指示灯HI、H2或H3表示当前每瓶的装药数量。
当选定要装入瓶中的药片的数量后，接通系统开关，电动机M驱动皮带机运转，采用位置检测开关，皮带上的药瓶到达装瓶的位置，皮带机停止运转。
当电磁阀Y打开装有药片的装置后，通过光电传感器B1，对进入药瓶的药片进行计数，当药瓶中的药片达到预先选定的数量后，电磁阀Y关闭，皮带机重新自动启动，使药片装瓶过程自动连续运行。
如果当前的装药过程正在进行时，需要改变药片装入数量（例如100片改为50片），则只有在当前药瓶装满后，从下一个药瓶开始装入改变后的数量。
如果在装药过程中断开系统开关，则在当前药瓶装满后，系统停止运行。
图2-1
2.2程序流程图（如下图2-2）
图2-2
2.3PLC系统总体介绍及故障分析
FX2N系列PLC具有自诊断功能，主要检检测PLC内部特殊部分的电气故障和程序规则错误，通过查询内部相应特殊功能寄存器或继电器，可以获得相应故障代码，为解除故障提供依据。
当PLC发生异常时，首先检查电源电压、PLC及I/O端子的螺钉和接插件是否松动以及有无其他异常。
然后根据PLC基本元件上设置各种LED的指示灯状况，按下述要领检查是PLC自身故障还是外部故障。
如下图（图2-3）为FX2N系列PLC的面板图，各LED指示灯的功能如图中所示。
根据指示灯状况可以诊断PLC互相原因。
图2-3
1、电源指示（【POWER】LED指示）
当向PLC基本单元供电时，基本单元表面设置的【POWER】LED指示灯会亮。
如果电源合上但【POWER】LED指示灯不亮，请确认电源接线是否正确。
另外，若同一电源有驱动传感器等时，请确认有无负载短路或过电流。
若不是上述原因，则可能是PLC内混入导电性异物或其他情况，使基本单元内的熔断器熔断，此时可通过更换熔断器来解决。
2、内部电池指示（【BATT.V】LED灯亮）
电源接通，若电源电池下降，则该指示灯亮，特殊辅助继电器M8006动作。
此时需要及时更换PLC内部电池，否则会影响片内RAM对程序的保持，也会影响定期器、计数器的稳定工作。
3、出错指示一（【PROG.E】LED闪烁）
当程序语法错误（如忘记设定定时器或计数器的常数等）、电路不良、电池电压的异常下降，或者有异常噪声、导电性异物混入等原因因而引起程序内存的内容变化时，该指示灯会闪烁。
PLC处于STOP状态，同时输出全部变为OFF，在这种情况下，应检查程序是否有错，检查有无导性异物混入和高强度噪声源。
4、出错指示二（【CPU.E】LED灯亮）
在系统运行以后也就启动了看门狗（WatchdogTimer,WDT）的计数器，WDT就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清WDT，那么WDT计数器就会溢出从而引起中断，造成系统复位。
5、输入指示
不管输入单元的LED灯亮还是灭，请检查输入信号开关是否确实在ON或OFF状态。
6、输出指示
不管输出单元的LED灯亮还是灭，如果负载不能进行ON或OFF时，主要是由于过载、负载短路或容量性负载的冲击电流等引起继电器输出接点黏合，或接点接触面不好导致接触不良。
第3章硬件设计
3.1、PLC的基本介绍
1、定义
可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
2、PLC的分类
（1）小型PLC
小型PLC的O点数一般在128点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O意外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。
它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令。
（2）中型PLC
中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间。
I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。
它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
（3）大型PLC
一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。
大型PLC的软、硬件功能极强。
具有极强的自诊断功能。
通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。
大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。
3、功能特点
（1）使用灵活、通用性强——PLC的硬件是标准化的，加之PLC的产品已系列化，功能模块品种多，可以灵活组成各种不同大小和不同功能的控制系统。
在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入输出信号线。
当需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个PLC装置用于不同的控制对象，只是输入输出组件和应用软件的不同。
（2）可靠性高、抗干扰能力强——微机功能强大但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能导致一般通用微机不能正常工作；传统的继电器—接触器控制系统抗干扰能力强，但由于存在大量的机械触点（易磨损、烧蚀）而寿命短，系统可靠性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高，从实际使用情况来看，PLC控制系统的平均无故障时间一般可达4～5万小时。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，能适应有各种强烈干扰的工业现场，并具有故障自诊断能力。
如一般PLC能抗1000V、1ms脉冲的干扰，其工作环境温度为0～60℃，无需强迫风冷。
（3）接口简单、维护方便——PLC的接口按工业控制的要求设计，有较强的带负载能力（输入输出可直接与交流220V，直流24V等强电相连），接口电路一般亦为模块式，便于维修更换。
有的PLC甚至可以带电插拔输入输出模块，可不脱机停电而直接更换故障模块，大大缩短了故障修复时间。
（4）体积小、功耗小、性价比高——以小型PLC（TSX21）为例，它具有128个I/O接口，可相当于400～800个继电器组成的系统的控制功能，其尺寸仅为216×127×110mm3，重2.3kg，不带接口的空载功耗为1.2W，其成本仅相当于同功能继电器系统的10～20％。
PLC的输入输出系统能够直观地反应现场信号的变化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护人员对系统进行监视。
（5）编程简单、容易掌握——PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑了现场工程技术人员的技能和习惯。
大多数PLC的编程均提供了常用的梯形图方式和面向工业控制的简单指令方式。
编程语言形象直观，指令少、语法简便，不需要专门的计算机知识和语言，具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内掌握。
利用专用的编程器，可方便地查看、编辑、修改用户程序。
（6）设计、施工、调试周期短——用继电器—接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏（柜）的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。
而采用PLC控制，由于其靠软件实现控制，硬件线路非常简洁，并为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量（输入输出点数、内存大小）等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。
由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。
PLC是通过程序完成控制任务的，采用了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试都很方便，这样可大大缩短设计和投运周期。
3.2、PLC的基本结构
PLC是一种适用于工业级控制的专用电子计算机，采用了典型的计算机结构，硬件系统结构如下图3-1所示。
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、通信接口、扩展接口和电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入/输出接口是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位微机等外设连接。
1、中央处理器CPU
CPU是整个PLC的核心，与微机一样，CPU在整个PLC控制系统中的作用就像人的大脑一样，是一个控制指挥的中心。
在PLC中，CPU是按照固化在ROM中的系统程序所设计的功能来工作的，它能监测和诊断电源、内部电路工作状态以及用户程序中的语法错误，并按照扫描方式执行用户程序。
2、存储器
PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器，提供PLC运行的平台。
系统存储器用来存放系统管理程序，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。
其内容由生产厂家固化到ROM、PROM或EPROM中，用户不能修改。
用户存储器用来存放用户编制的梯形图程序或用户数据，一般由RAM、EPROM、EEPROM构成。
RAM是随机存取存储器，它工作速度快、价格低、改写方便，为防止掉电时信息的丢失，常用高效的锂电池作后备电源。
图3-1
3、输入/输出接口电路
输入/输出接口就是将PLC与现场各种输入/输出设备连接起来的部件。
PLC应用于工业现场，要求其输入接口能将现场的输入信号转换成微处理器能接受的信号，且最大限度地排除干扰信号，提高可靠性；输出接口能将微处理器送出的弱电信号放大成强电信号，以驱动各种负载。
因此，PLC采用了专门设计的输入/输出接口电路。
4、扩展接口和通信接口
PLC的扩展接口的作用是将扩展单元和功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要；通信接口的功能是通过这些通信接口打印机、其他的PLC
或是计算机相连，从而实现“人-机”或“机-机”之间的对话。
5、电源
PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。
3.3、工作原理
1、PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
（1）每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
（2）输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
（5）扫描周期的长短由三条决定。
CPU执行指令的速度；
指令本身占有的时间；
指令条数。
（6）由于采用集中采样。
集中输出的方式。
存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
2、PLC与继电器控制系统、微机区别
（1）PLC与继电器控制系统区别
前者工作方式是“串行”，后者工作方式是“并行”。
前者用“软件”，后者用“硬件”。
（2）PLC与微机区别
前者工作方式是“循环扫描”。
后者工作方式是“待命或中断”
3、PLC编程方式
PLC最突出的优点采用“软继电器”代替“硬继电器”。
用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑”。
PLC编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。
尤其前两者为常用。
4、梯形图语言特点
（1）每个梯形图由多个梯级组成。
（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。
当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。
（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。
（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。
（5）输入继电器受外部信号控制。
只出现触点，不出现线圈。
第4章软件设计
用PLC来实现自动药片装瓶系统控制
4.1主电路设计
主电路控制的对象有一台电动机和一只电磁阀，电动机因功率较小采用直接启动控制方式，电磁阀因其通电瞬间电流较大，PLC输出点通过中间继电器再接电磁阀，主电路如图4-1所示，电路中采用了10个电气元件，分别空气断路器QF，电磁阀门YV，热继电器FR，中间继电器KA与PLC的输出点连接，FR的辅助触点与PLC的输入点连接，可以确定主电路中需要1个输入点与2个输出点。
图4-1
4.2确定I/O点总数及地址分配
控制电路中有5个控制按钮，1个是启动按钮SB1，3个是选择按钮SB2、SB3、SB4，最后1个是停止开关SB5。
整个系统总输入为6个，输出点为5个。
PLC的I/O地址分配如表4-2所示。
表4-2I/O地址分配表
输入信号
输出信号
1
X0
启动SB1
1
Y0
电动机
2
X1
25片SB2
2
Y1
KA
3
X2
50片SB3
3
Y2
指示灯L0
4
X3
100片SB4
4
Y3
指示灯L1
5
X4
停止SB5
5
Y4
指示灯L2
6
X5
SQ
4.3控制电路
PLC控制的电动机单向连续运转电气原理图如图4-3所示
图4-3
4.4设备材料表
控制中输入点数应选6×1.2≈8点，输出点数应选5×1.2=6点（继电器输出）。
通过查找三菱FX2N系列选型表，选定三菱FX2N--16MR--001（其中输入8点，输出8点，继电器输出）。
通过查找电器元件选型表，选择的元器件如表4-4所示。
表4-4电器元件选型表
序号
符号
设备名称
型号、规格
单位
数量
备注
1
M
电动机
Y--112M—4
380V,15KW,1378r/min,50HZ
台
1
2
PLC
可编程控制器
FX2N--16MR--001
个
1
3
SB
按钮
LA39--11
个
4
4
HL
指示灯
AD16--22DS
个
3
5
QF
空气断路器
DZ47--D25/4P
个
1
6
YV
电磁阀
DF--50--AC:
220V
个
1
7
B1
光电传感器
E3JK--5M3--AC:
220V
个
1
8
FR
热继电器
JRS1（LR1）--D40353/28.6A
个
1
9
FU
熔断器
1RT18--32/6A
个
2
10
KA
中间继电器
JZ7--44AC:
220V
个
1
11
SQ
位置检测开关
LX19--001
个
1
4.5程序设计
自动药片装瓶机是典型的选择流程状态转移图，本项目将使用状态转移图SFC语言来描述顺序流程结构的状态编程，并能灵活地将SFC转换成步进梯形图。
图所示为自动药片装瓶运行状态转移图。
根据状态转移流程图，编写步进梯形图如图4-5所示。
图4-5
程序说明：
M8002：
通电瞬时ON指令。
ZRST：
组复位指令，触发信号ON时，指定的步进程序段全部清零。
SET：
置位指令。
触发信号ON时指定的线圈为ON。
STL：
步进梯形开始标志，仅对状态组件S有效。
RET:
复位指令，触发信号ON时，指定的线圈为OFF,步进结束，必须使用步进返回指令RET,
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