自动药片装瓶机集美大学课程设计.docx
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自动药片装瓶机集美大学课程设计
一、可编程控制器的自动药片装瓶机控制系统简介
1.自动装药机的研究现状
技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。
随着我国药物生产设备市场的迅猛发展，与之相关的生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。
了解国内外药物装瓶设备生产技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。
目前食品药品安全的现状十分不容乐观，国家食品药品监督管理局发现两大现状导致近几年药品安全型突发事件的频繁发生，一是药品生产企业不按生产工艺生产、规避监管，潜在不安全因素。
二是在非GMP流水线厂房生产药品。
如果想改变此现状，要着力消除问题隐患，从生产环节入手，采用自动化生产，自动装瓶机解决了生产中的许多问题。
医药行业中，医药包装机械产品种类丰富，药品的形状、性质、包装要求等差异很大，且产量大。
因此，自动装瓶机品种众多，目前医药包装设备中，大颗粒、规则形状的药丸自动包装技术已经非常成熟，国内外均有相关设备，但针对异型粒、异型瓶等包装技术则较为有限。
PLC通过USS通信协议直接控制电机,不仅能够实现对装药机方式运行的控制,而且能够根据需要灵活控制装药时间,达到节约电能,降低成本,提高生产质量的目的。
2.自动装药机的研究目的及意义
手工装瓶直接接触药品，长期接触药品的人会对身体造成伤害，采用自动装瓶机杜绝了这种现象的发生，同时避免了人与药品接触带来的对药品的污染，保证了药品的质量，符合药用要求，符合保障人体健康、安全的标准。
手工装瓶生产难于管理，容易出现纰漏和混乱，自动装瓶机，建立一个能控制整个数据中心运营的综合性管理平台使管理更加强调流程和自动化，改善了经营系统，提高了工作效率，使企业运营更有加稳定。
考虑到对药品包装的特殊要求，主要是防止塑料瓶内的药品气体挥发和外部气体向瓶内渗透，要求塑料瓶口与瓶盖间有很好的密封性能。
自动装瓶机可以满足药品包装的这种性能要求，同时消除了人为因素对药品灌装的不合格的处理动作，提高灌装质量。
目前，我国制剂生产能力不够，医院配制制剂品种较多，不能满足市场需求，无法保障药品及时供应。
使用实用新型的片剂自动装瓶机，明显地降低了片剂装瓶包装的劳动强度和生产成本，提高了生产效率，缩短了生产周期，社会效益和经济效益明显增加。
3.生产工作过程和要求
高速自动装瓶机基本可分为4个动作机构：
主传动机构、数粒机构、自动供瓶机构和自动供盖封盖机构。
通过以上4个机构的联动实现包装产品传动、药丸高速计数、自动供瓶和自动供盖封盖等功能。
生产中，主传动机构作为整个生产过程的运输链，连接所有的动作。
供瓶、数粒、供盖封盖这三个生产过程都将在这条主传动机构上完成。
其中供瓶机构为：
从料斗中落下的瓶，通过电动震动器以及震动通道，依次进入落瓶通道，通道中有三组气缸联动，保证瓶子在设计时间内以正确的方向进入主传动链，之后运送到数粒机构。
瓶子到了数粒机构后，开始数粒模块。
数粒圆盘在步进电机带动下转动所设计的角度，从料斗中选出生产要求的药粒粒数，通过落粒通道落入瓶中。
装有药粒的药瓶继续被传动链带至供盖封盖机构。
盖子通过料斗和震动器、震动通道依次进入等待区域，钳盖用气缸组将盖子钳起，由步进电机带至药瓶上方，然后由该气缸组与压盖气缸组配合完成封盖动作。
高速自动装瓶机的自动控制必须满足以下要求：
（1）装瓶速度280瓶/min；
（2）人机界面友好，方便自动控制检测，在一定范围内，可通过输入参数调节生产速度和装瓶药粒的粒数；
（3）各动作连贯协调，保证生产顺利；
（4）系统出现故障或需要添加瓶、盖、粒时，能自动报警和提示。
4.硬件系统结构
根据自动装瓶机的控制功能要求，设计该设备控制系统的结构方案。
整个控制系统可在友好的人机界面环境下输入生产参数，包括主传动步进电机转速、数粒步进电机转速、数粒粒数、供盖步进电机转速、延时时间等。
在系统操作面板上，可进行生产开始、生产停止、急停等操作。
来自人机界面、操作板和接近开关的信号，经PLC程序进行相应的处理，变成步进电机正/反转、电机转速、步数等控制命令输出到步进电机驱动器，驱动步进电机，实现主传动链前进、数粒电机和供盖步进电机的转动，或者输出到继电器，驱动电磁阀动作，实现各个气缸组的联动；当系统中接近开关、步进驱动器等电气器件出现故障，或者急停开关、料斗传感器传来故障信号时，这些故障信号可实时反馈到PLC，经PLC报警故障中断程序处理，可在人机界面上实时显示故障原因和记录该报警信息，并输出控制信号，中止生产，激活报警灯和蜂鸣器以提示操作者排除故障。
5.自动装瓶机示意图
图1-1自动装瓶机示意图
二、设计方案
2.1控制要求
题目:
基于FX0N–60MR可编程控制器的自动药片装瓶机控制系统
这是一个将一定数量的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图示。
按下按钮S1、S2或者S3，可连续每瓶装入3片、5片或者7片，通过指示灯H1、H2或者H3表示当前每瓶的装药数量。
当选定要装入瓶中的药片数量后，接通系统开关，电动机M驱动皮带轮运转，延时5S后（或者采用位置检测开关），皮带机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，对进入到药瓶的药片进行计数，当药瓶中的药片到达预先选定的数量后，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地运行。
如果当前的装药过程正在进行时，需要改变药片装入数量（例如由7片改为5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自动药片装瓶机控制系统模拟示意图
2.2设计思路及可编程控制器简介
设计思路：
选择PLC控制器作为本课题的控制系统
（1）PLC与继电器控制系统相比优势
传统的继电器控制只能进行开关量的控制，而PLC即可进行开关量控制，又可进行模拟量控制，还能与计算机联成网络，实现分级控制。
在PLC的编程语言中，梯形图是使用最广泛的语言。
梯形图与继电器控制原理图十分相似，沿用了继电器控制电路的元件符号，仅个别地方有些不同。
PLC与继电器控制系统相比主要有以下几点区别：
组成的器件不同。
继电器控制线路是由许多硬件继电器组成的，而PLC则是由许多“软继电器”组成。
传统的继电器控制系统本来有很强的抗干扰能力，但其用了大量的机械出点，因物理性能疲劳、尘埃的隔离性及电弧的影响，系统可靠性大大降低。
PLC采用无机械出点的逻辑运算微电子技术，复杂的控制由PLC内部运算器完成，故寿命长、可靠性高。
触点的数目不同。
继电器的触点数较少，一般只有4～8对；而“软继电器”可供编程的触点数有无数对。
控制方法不同。
继电器控制系统是通过元件之间的硬接线来实现的，控制功能就固定在线路中。
PLC控制功能是通过软件编程来实现的，只要改变程序，功能即可改变，控制非常灵活。
工作方式不同。
在继电器控制线路中，当电源接通时，线路中各继电器都处于受制约状态。
在PLC中，各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中，每个“软继电器”受制约接通的时间是短暂的。
（2）PLC与工业微机控制系统相比优势
工业微机在要求快速、实时性强、模型复杂的工业控制中占有优势。
但是，使用工业微机的人员技术水平要求较高，一般应具有一定的计算机专业知识。
另外，工业微机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境，抗干扰能力及适应性差，这就是工业微机用在工业现场控制的致命弱点。
工业生产现场的电磁辐射干扰、机械振动、温度及湿度的变化以及超标的粉尘，每一项足可以使工业微机不能正常工作。
PLC针对工业顺序控制，在工业现场有很高的可靠性。
PLC在电路布局、机械结构及软件涉及各方面决定了PLC的高抗干扰能力。
电路布局方面的主要模块都采用大规模与超大规模的集成电路，在输入输出系统中采用完善隔离等的通道保护功能；在电路结构上对耐热、防潮、防尘及防震等各方面都作了周密的考虑；在电路硬件方面采用了隔离、屏蔽、滤波及接地等抗干扰技术；在软件上采用了数字滤波及循环扫描、成批输入、成批输出处理技术。
所有这些都是PLC具有非常高的抗干扰能力，从而使PLC绝不会出现死机的现象。
PLC采用梯形图语言编程，是熟悉电器控制的技术人员易学易懂，便于推广。
随着PLC功能的不断增强，越来越多地采用了微机技术，同时工业微机为了适应用户需要，想提高可靠性、耐用性与便于维修的方向发展，两者间相互渗透，差异越来越小。
今后，PLC与工业控制微机将继续共存，在一个控制系统中，使PLC集中在功能控制上，使微机集中在信息处理上，两者相辅相成，共同发展。
通过性能和特点的比较，我觉得PLC更合适做本次设计。
（3）PLC自动药片装瓶机的设计流程
（1）首先根据课题的控制要求，查阅相关资料，确定所要用到的开关、按钮、以及灯泡等电器元器件的个数
（2）在确定元器件之后，初步的进行I/O口的分配，并列I/O分配表。
（3）进一步细化控制要求，绘制工作流程图，绘出主控电路，硬件接线图。
（4）根据上一步的图样，初步画出步进指令的状态转移图，状态梯形图以及基本指令的梯形图两种方法
（5）在计算机上进行调试，进一步优化梯形图，修改不足，并重新确定I/O分配、把梯形图转化为程序。
（6）根据计算机上的调试画出程序时序图，用于核对课题的控制要求。
（7）根据前面所做的撰写说明书。
2.2.1可编程控制器的定义
“PLC是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
课编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制器系统联成一体、易于扩充功能的原则设计。
”上述是国际电工委员会于1985年1月对PLC所作的权威性的定义。
对于PLC的定义，其补充说明如下。
以微处理技术为基础，应用于以控制开关量为主，或包括控制过程参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。
2.2.3可编程控制器的特点
（1）通信性和灵活性强，应用广泛
可编程控制器不同于一般以硬件固定连接方式来体现控制机理的控制系统，其控制规则可根据不同的需求方便地以更新软件来实现，故其适应性极强，尤其适用于控制规则需要不断更新的场合，如机械制造、电力、冶金、建材、煤炭、化工、石化、医疗、纺织、食品等，既可应用于单机装置中，又可以应用于生产线中。
（2）可靠性高，抗干扰的能力极强
可编程控制器在硬件、软件设计上均充分考虑了抗强烈干扰和对故障进行诊断与容错的各种措施，如屏蔽、隔离、滤波、电压调整、对故障的在线诊断、对程序及数据的后备电池保护、WTD保护等，使其可靠性较之一般工业控制装置高出很多。
大多数PLC产品的平均无故障间隔时间MTBF都可达数十万小时。
有一个例子可以有力地说明PLC抗干扰能力的强大：
PLC出厂试验中有一项抗干扰试验，是要承受幅值为1000V、上升时间为1ns、脉宽为1μs的干扰脉冲冲击。
就这一特点而言，也使PLC赢得了众多的用户。
（3）产品系列化、规模化、功能完备、性能优良
可编程控制器发展到目前的这种局面，已经拥有繁多的品牌，小、中、大系列齐全，各种功能的装置和模块相当齐备，且性能异常优良，用户只需根据自己需要，选择这些产品予以安装并连上外部接线就可以方便地构成自己的系统。
就功能来说，PLC除了满足强大的逻辑控制功能外，还有不少的产品具有运动控制、PID过程控制、数控、数据处理以及通信等各种功能，远远超越了纯开关量控制的概念。
（4）编制程序简单、容易
由于可编程控制器控制程序充分照顾到了现在工程技术人员的习惯，既可用面向生产过程现场的简单指令语句形式编程，又可以用大家普遍熟悉的梯形图编程。
对于复杂系统，有的可编程控制器还可以使用简单易懂的功能图表编程和模块化的程序结构（如主控程序结构）等。
使得编程和改变程序均很方便、灵活。
（5）设计、安装、调试周期短，扩充容易
如前所述，由于PLC硬软件产品齐全，故用户组建系统时，设计、安装、调试都很容易，与一般控制系统相比，大大缩短了周期。
由于PLC产品开发有大量扩展单元或不同规模不同功能的模块，故用户扩充自己系统的规模或扩充功能都异常方便。
（6）体积小、重量轻，维护方便
PLC体积小、重量轻自不待说。
PLC由于有自诊断功能，能及时将故障点显示给维修人员，故排除故障相当顺利、简单。
加之PLC组装、联接简单、维修时采用更换整个单元或模块，故特别方便。
2.2.4可编程控制器的应用领域
近年来，随着大规模集成电路技术的迅猛发展，功能更强大、规模不断扩大而价格日趋低廉的元器件不断涌现，促使PLC产品亦随之功能大增而成本下降。
目前PLC的应用已经远远超越了早期仅用于开关量控制的局面，现将其应用领域简述于下。
（1）开关量逻辑控制
这是PLC最广泛的应用。
已逐步取代传统的继电器逻辑控制装置，被用于单机或多机控制系统以及自动生产线上。
PLC控制开关量的能力是很强的，所控制的入、出点数有时多达几万点。
由于可以联网，所以点数几乎不受限制。
所控制的如组合的、时序的、要考虑延时的、需要进行高速计数等的逻辑问题都可以解决。
（2）运动控制
目前很多厂商已经开发出大量运动控制模块。
且功能是给步进电动机或伺服电动机等提供单轴或多轴的位置控制，并在控制中满足适当的速度和加速度，以保证运动的平滑水准。
（3）过程控制
当前PLC产品中，还有一大类是针对生产过程参数，如温度、流量、压力、速度等的检测和控制而设计的。
常用的有模拟量I/O模块，通过这些模块，不仅可以实现A/D和D/A转换，还可以进一步构成闭环，实现PID一类的生产过程调节。
而针对PID闭环调节，又有专门的模块，可以更方便地实施。
这些产品，往往还引入了智能控制。
（4）数据处理
现代的PLC已具有数据传送、排序、查表搜索、位操作以及逻辑运算、函数运算、矩阵运算等多种数据采集、分析、处理的功能。
目前还有不少公司，将PLC的数据处理功能与计算机数值控制（CNC）设备的功能紧密结合在一起，开发了用于CNC的PLC产品。
（5）通信
随着网络的发展和计算机集散控制系统的逐步普及，PLC的网络化通信产品也在大量被推出。
这些产品解决了PLC之间、PLC与其扩展部分之间、PLC与上级计算机之间或其他网络间的通信问题。
更有一些公司，还为其PLC系统开发了专门的网络产品。
这些网络产品包括有典型的如A-B公司的高速数据通道DH和DH+、SIEMENS公司的SINEC局域网等。
通过这些产品，可将PLC、计算机、各种外设组成局域环网，环网还可以套非环网。
环网与环网还可以桥接。
网间的结点可直接或间接地通信、交换信息。
联网、通信，适应了当今诸如计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂等先进技术发展的需要。
它使工业控制从点（Point）到线（Line）再到面（Aero），使现场设备的控制、生产线的控制和工厂管理层的管理及决策连成一体，甚至实现大范围、跨地域的控制与管理，以创造更高的境界。
需要注意的是，并非所有PLC都具有上述全部功能，越小型的PLC，其功能相应也越少。
2.2.5可编程控制器的发展状况
PLC发展至今已有近40年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，PLC亦一样，随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。
（1）PLC微型化发展
PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。
比如三菱的FX-IS系列PLC，最小的机种，体积仅为 60×90×75mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。
PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。
从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。
（2）PLC网络技术化发展
PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。
PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。
目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。
各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。
PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。
（3）模块化、智能化发展
为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。
（4）PLC操作简易化发展。
目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商PLC所有编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握更多种编程语言，难度较大。
PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。
这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。
PLC的发展必然朝着操作简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了先行者，西门子S7-200的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。
（5）编程语言和编程工具的多样化和标准化
多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。
PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。
2.3功能流程
图2-3-1系统功能流程图
2.4I/O端口分配表
表2-4-1I/O分配
编程元件
I/O端子
电路器件
作用
输入继电器
X000
K
工作开关
X001
SB1
每瓶装3片按钮
X002
SB2
每瓶装5片按钮
X003
SB3
每瓶装7片按钮
X004
SQ
位置开关
X005
B1
光电传感器
输出继电器
Y000
KM
皮带机接触器
Y001
YV
电磁阀
Y002
H1
3片指示灯
Y003
H2
5片指示灯
Y004
H3
7片指示灯
表2-4-2其它编程元件的地址分配
编程元件
编程地址
用途
状态器
S0
准备
S20
皮带机输送空瓶
S21
每瓶装3片
S31
每瓶装5片
S41
每瓶装7片
计数器
C1
设定值K3
C2
设定值K5
C3
设定值K7
T0
设定值K20
2.5电气原理图
图2-5-1主电路控制图
2.6PLC接线图
图2-5-2PLC接线图
2.7设计方案一：
步进指令编程法
2.7.1状态转移图.
图2-7-1状态转移图
2.7.2状态梯形图
（1）信号预处理模块
使所有的状态器S0、S20、S21、S31、S41复位，为后续步骤的进行做好准备，再置位S0，步进开始，当开关X000打开时置位S20，皮带机开始运转。
梯形图程序如图2-7-3所示。
图2-7-3
（2）药瓶移位及药片装瓶模块
S20已经置位，选择装药数量，当达到指定位置时，位置检测器检测到皮带上的药瓶达到装瓶的指定位置（X004打开），就开始按照选择的药片数量进行装药，可选择3片、5片、7片药片。
其梯形图如图2-7-4所示。
图2-7-4
（3）状态指示及药片计数模块
上一步选择好了药片数量，使对应的状态器置位，这是装3片药片，电磁阀（Y001）打开，3片指示灯H1（Y002）点亮，光电传感器（X005）准确控制药片数量为3片，置位准备工作开关S0，为装下一瓶准备。
其梯形图如图2-7-5所示。
图2-7-5
上一步选择好了药片数量，使对应的状态器置位，若为装5片药片，电磁阀（Y001）打开，5片指示灯H2（Y003）点亮，光电传感器（X005）准确控制药片数量为5片，置位准备工作开关S0，为装下一瓶准备。
其梯形图如图2-7-6所示。
图2-7-6
上一步选择好了药片数量，使对应的状态器置位，这是装7片药片，电磁阀（Y001）打开，7片指示灯H3（Y004）点亮，光电传感器（X005）准确控制药片数量为7片，置位准备工作开关S0，为装下一瓶准备。
其梯形图如图2-7-7所示。
图2-7-7
2.7.3语句表程序
1LDM8002
2ZRSTS0S41
3SETS0
4STLS0
5LDX000
6SETS20
7STLS20
8OUTY000
9RSTC1
10RSTC2
11RSTC3
12LDX004
13ANDX001
14SETS21
15LDX004
16ANDX002
17SETS31
18LDX004
19ANDX003
20SETS41
21STLS21
22OUTY001
23OUTY002
24LDX005
25OUTC1K3
26STLS31
27OUTY001
28OUTY003
29LDX005
30OUTC2K5
31STLS41
32OUTY001
33OUTY004
34LDX005
35OUTC3K7
36STLS21
37LDC1
38OUTS0
39STLS31
40LDC2
41OUTS0
42STLS41
43LDC3
44OUTS0
45RET
46END
2.7.4过程时序图
图2-7-8过程时序图
2.8设计方案二：
基本指令编程法
2.8.1梯形图
（1）皮带机运转设计模块
情况一：
装药机未计数，药瓶未到达行程开关位置。
当系统开关（X000）打开后，系统检测到药瓶未达到行程开关（X004）的位置,使X004常闭触点通电，带动皮带机（Y000）运转，同时复位3个计数器。
情况二：
装药机当前瓶装药结束，药瓶仍处于行程开关位置。
当系统开关（X000）打开后，系统检测到药瓶仍处于行程开关（X004）的位置,使X004常闭触点断开，此时需要通过M0触点来驱动皮带机（Y000）的运转，M0在C1、C2、C3其中一个计数完毕之后接通2s后复位，T0的作用是使已装完药的药瓶完全离开行程开关的位置后再断开M0。
如图2-8-2所示
图2-8-2
（2）状态指示及药片计数设计模块
上一步使空药瓶到达指定位置后，行程开关（X004）打开，选择装3片药片按钮（X001），电磁阀（Y001）打开，3片指示灯H1（Y002）点亮，光电传感器（X
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