基于PLC的药片自动装瓶控制系统设计.docx
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基于PLC的药片自动装瓶控制系统设计
PLC技术应用项目说明书
基于PLC的药片自动装瓶控制系统设计
学院机械工程学院
专业机械电子工程
班级2012级机电1班
学生姓名凌伟
指导老师余稳胜
2015年10月30日
课程设计任务书
兹发给2012级机电1班学生凌伟课程设计任务书，内容如下：
1．设计题目：
基于PLC的药片自动装瓶控制系统的设计
2．应完成的项目：
（1）选题的背景和意义；
（2）明确设计任务，拟定总体设计方案（有机械结构的要进行结构设计，三维软件建模）；
（3）硬件设计，传感器、PLC（和电机）选型，设计信号采集、转换电路，画出PLC端口分配图、接线控制端子连接图；
（4）软件设计，编写控制程序流程图（或重要程序），设计人机界面；
（5）课程设计说明书1份。
3．参考资料以及说明：
（1）金发庆.传感器技术与应用（第二版）[M].北京：
机械工业出版社，2004
（2）钟肇新.可编程控制器原理及应用[M].广州：
华南理工大学出版社，2003
（3）常晓玲.电气控制系统与可编程控制器[M].北京：
机械工业出版社，2004
（4）盖超会，阳胜峰.三菱PLC与变频器、触摸屏综合培训教程[M].北京：
中国电力出版社，2011
（5）濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：
高等教育出版社，2013
4．本设计任务书于2015年10月12日发出，应于2015年10月30日前完成，然后进行答辩。
指导教师签发2015年10月30日
课程设计评语：
课程设计总评成绩：
指导教师签字：
年月日
摘要
现行装药系统多为转盘式或电子计数式装药系统，其装药种类与包装方式存在局限性，在处理小型瓶装式流水线时，存在着计药数量不精确，成本较高等缺点。
而本设计采用三菱公司PLC作为主控制器，通过PLC控制传送带步进电机、下药斗电磁继电器，并且通过IO口读入光电药片计数器的状态，实现分片装药功能。
为了保证装药精度，使用了毛刷式下药斗作为下药机构，使用高速槽型光耦自行设计了光电传感器，在保证计数和下药精度的同时，使用了THB7128作为步进电机驱动器，在节约PLC的IO资源的同时，精确控制步进电机，实现传送带与下药斗的工作同步。
为了提高整个系统的适应性，采用了多种装药数量组合搭配的综合输入设定方式，无需修改程序，即可通过外部按钮实现药片输入数量组合选择，提高了系统的适应性。
程序和接线图联系qq334902777
关键词：
光电对管，步进电机，PLC，工业工程
目录
第一章绪论1
1.1自动药片装瓶机的研究发展状况1
1.2自动药片装瓶机的研究目的及意义2
第二章系统总体方案设计3
2.1系统设计综述3
2.1.1系统设计要求3
2.1.2工作原理方框图4
2.2系统的设计方案4
第三章系统硬件设计5
3.1PLC机型的选择5
3.2PLC外围电路器件的选择7
3.2.1光电式传感器7
3.2.2步进电动机9
3.2.3装药机构11
3.2.4带式皮带机12
3.2.5电磁阀13
第四章系统软件设计15
4.1PLCI/O口的分布15
4.2程序设计流程图16
4.3程序设计梯形图18
4.4程序指令表21
4.5人机界面23
第五章结论24
参考文献25
第一章绪论
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扩展着，医药行业的应用包含其中，其中具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。
程序和接线图联系qq334902777
1.1自动药片装瓶机的研究发展状况
国外发展状况：
“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，同时也避免了人与药品直接接触带来的对药品的玷污，使药品质量得到保证的同时，相应的保障人体健康。
其次，由于传统的手工装瓶在生产管理方面比较困难，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。
第二章系统总体方案设计
2.1系统设计综述
经由前节分析，需要设计一个能够自主选择装药数量的系统，完成对整个系统的装药过程。
为了实现其装药流程，需要对整个系统进行分析，并得出设计要求。
自动装瓶机基本可分为2个动作机构：
主传动机构、数粒机构。
通过以上2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。
本设计的机械设计要求较多，因此主要完成对供瓶数粒的PLC控制。
2.1.1系统设计要求
前文分析可知，现有的装药机有电子计数式与转盘式两种装药方式，而药品的主要包装样式为瓶装式，转盘式装药机虽然精度高，适用于瓶装式结构，但其机械结构复杂，造价昂贵，不利于大规模的开发与使用。
而带式装药机器效率高，速度快，但结构过于简单，不利于高精度的设计实现。
综上所述，本设计需要设计一个控制系统，此控制系统是将规定数量的药片，有序自动地装入到药瓶中。
实现自动装瓶的功能，其装瓶方式为带式装瓶，向每个药瓶装入规定数量的药片。
其药片装瓶数量需要方便设置，适用于不同的装药需求。
查阅资料可知，常规的瓶装式药片数量有20片、30片、40片等多种规格，并且通过组合，能在这几种规格的基础上，设置100片以上的装药要求。
而系统的装药装置需要设计，保证控制器能对单一药片能被筛选出来，实现精准的药片装填。
采用FX2N系列PLC控制药片装瓶机运行，其中按钮、开关，光电传感器分别接PLC输入口相应位置。
电机、电磁阀、指示灯分别接PLC输出口相应位置。
就这样，通过按药片数量选择按钮S1、S2或S3，可选择装入药瓶中药片的数量，按S1为20片，按S2为30片，按S3为40片。
相应数量上的指示灯H的亮暗表示目前药瓶装药数量。
当装药数量被选定，接着系统启停被接通，电动机M带动皮带转动，延时5秒后，皮带机将停止运转，这时皮带上的装药瓶到达指定位置进行装药。
装有药片的装置由电磁阀打开，经由光电感应传感器，那么装入药瓶的药片被一一计数。
药瓶中的药片数量达到预先规定值时，电磁阀Y会关闭，皮带机重新开始运行，使药片装瓶过程控制顺利进行。
在装药过程中，当药片装入的量需要更改时，这时只有当前皮带机上的药瓶中药片装满后，且从下一个药瓶开始，装填改变后的药片数量。
如果在装药过程中系统启停开关被断开，则只有当前药瓶中药片装满后，控制系统的运转才能停止。
为了保证装药机运行的准确性，需要使用PLC的定时功能完成对与传送带的配合，密切配合传送带的停止与运行。
综上，PLC需要使用两路IO口分别控制传送带与装药器电磁阀，同时，通过读光电传感器返回的数字量对当前装药数进行计数。
同时使用三路IO口读取装药数设定值，完成装药数量的控制。
2.1.2工作原理方框图
人工
控制
自动药片装瓶机
三菱FX系列PLC
设定装药
数量实现装药流程
图2-2系统原理方框图
2.2系统的设计方案
根据自动药片装瓶机需要实现的控制要求和功能，首先应制定出系统硬件控制的方案。
硬件设计包括PLC的选型依据及其具体型号选择，外围电路器件的选型依据与具体型号，其中包括按钮、电机、电磁阀、光电传感器、指示灯等，然后是PLC的硬件接线设计。
最后是制定软件部分的设计方案，包括PLC各个I/O口的分配、程序设计思路、流程图、指令表、梯形图等。
即通过软硬件结合的方式，通过按动启动、停止按钮等控制命令来驱动电机带动皮带运动或停止。
通过光电传感器，对装入瓶中的药片进行数量统计，如果药瓶中药片数量达到预先规定值，此时电磁阀将停止工作。
第3章系统硬件设计
根据自动装瓶机的控制功能要求，设计该设备控制系统的硬件结构方案。
方案设计包括各步进电机、电磁阀、下药斗、光电传感器、皮带机等的选型与设计。
3.1PLC机型的选择
机型选择标准的基本要求为满足系统的功能要求，并且应最大程度上满足系统可靠性、维护使用方便性及性能价格比良好性等优点。
考虑因素包括以下几个方面：
（1）结构合理
根据工艺过程、环境条件以及维修量的大小，选用不同结构的PLC。
（2）功能强大
根据控制系统开关量控制及控制速度要求的不同，选用不同档次的PLC。
（3）机型统一
整体式和模块式是PLC的两种结构形式。
虽然整体式结构的PLC有其特有的优点，但通常整体式结构PLC功能有缺陷，因此一般大型的控制系统都使用模块式结构，以使得系统功能得到扩展。
（4）环境适应性
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
输入输出点数的估算。
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据估计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展。
余量后，作为输入输出点数估算数据。
实际订货时，还需根据制造商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
根据估算的方法故本设计的I/O点数为输入6点，输出8点。
存储器容量是可编程序控制器本身提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制。
因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。
存储器内存储量的估算没固定的公式，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数，另外再按此数的25%考虑余量。
另外PLC这种工业控制器可直接用于工业控制各个领域。
因此，大多数生产厂家会把PLC设计为可在较差工作环境条件下仍可靠稳定工作的优良特性。
每种PLC自然会有其特殊的环境技术要求，因此在控制系统的设计时，应充分考虑环境条件。
面对众多厂家提出的多种系列、功能各异的PLC产品，其结构、性能、价格各不相同。
三菱FX2N-16MR型号，其输入输出点分别为8，FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC。
他的基本指令执行时间高达0.08us，内置的用户存储器为8K步，可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可为装箱机提供最大的方便和控制能力。
根据课题研究系统自动药片装瓶机控制所用的外围设备，我们可以来设计PLC输入输出设备的执行元器件的点数。
输入输出部分的点数分别如3-1、3-2表所示：
表3-1输入部分点数
输入部分
点数
系统开按钮
1
系统关按钮
1
数量选择按钮1
1
数量选择按钮2
1
数量选择按钮3
1
光电传感器
1
表3-2输出部分点数
输出部分
点数
皮带机驱动器
1
指示灯1
1
指示灯2
1
指示灯3
1
电磁阀
1
步进电机驱动器
1
步进电机驱动器
1
频率发生器
1
针对本课题的研究特点和系统性能要求的输入输出总点数，本系统采用三菱公司FX2N系列中的16MR，即FX2N-16MR类型。
其为三菱FX2N系列、输入输出总点数为16、继电器输出。
此PLC满足系统设计的要求，并且在小型PLC控制系统中得到了广泛的应用。
3.2PLC外围电路器件的选择
3.2.1光电式传感器
光电式传感器（photoelectrictransducer），即基于光电效应的一种传感器，当可见光照射传感器，光电效应就会产生，光信号将被转换成电信号从而输出。
在测量位移温度等物理量方面均应用广泛。
光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。
同时在测量时，光电式传感器的优点是与被测对象之间无摩擦和压力，保证测量准确性。
在某些方面，光电式传感器也有其缺点，包括成本较高，测量的环境条件要求较高等。
光电式传感器的种类很多，测量准确、灵敏、非接触，并且测量参数多。
本设计的控制系统中，其中的光电式传感器对装入药瓶的药片数进行一一计数，可以满足本设计的要求。
常见的光电式传感器有对射式与反射式两种类型，其中反射式传感器安装要求低，占地小，但其由于为反射式检测方式，红外调制发射器与接收器均在一端安装，其检测准确率较低，而对射式光电传感器虽然安装复杂，但由于发射器与接收器分开，其检测精度较高，非常适合于本设计。
同时为了兼容PLC的24V输入输出电平，需要选择电平与反应速度均兼容的光电传感器完成此部分设计。
经过甄选，最终采用了台湾亿光公司的槽型光耦作为光电式传感器，其体积小巧，便于安装，但需要设计外围电路，完成光电传感器的数字量输出。
光电式传感器及其计数电路如图3-1所示：
通过LM358搭建了24V的正向放大器，放大器为正反馈放大器，即搭建成为比较器电路，在高于设定12V时产生输出信号跳变，从而对光电传感器的返回波形进行整形，完成光电传感器与PLC的IO口信号匹配。
光电传感器输出波形整形电路如图3-2所示：
图3-1光电传感器及其计数电路
图3-2光电传感器输出波形整形电路
3.2.2步进电动机
步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。
在此系统中，执行元件是步进电机。
它受驱动控制线路的控制，将进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。
由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。
但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。
步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。
步进电机的主要特性有以下几个方面：
（1）步距角：
步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。
它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。
步距角越小，数控机床的控制精度越高。
（2）矩角特性：
矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角之间的变化规律。
（3）启动频率：
空载时，步进电机由静止突然启动到正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。
若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。
空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。
（4）连续运行的最高工作频率：
步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。
它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。
（5）加减速特性：
步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。
当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升。
同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。
其中逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。
我们用加速时间常数和减速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性。
步进电动机有如下六个特点：
（1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。
因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。
（2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统既简单、廉价又非常可靠。
同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
（3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。
（4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。
（5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。
（6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。
在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次是具体的品种选择，在该自动药片装瓶机控制系统设计中要求步进电动机的电压低、电流小、有定位转矩，确定步进电动机采用二相八拍混合式步进电动机。
在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比、轴向力、额定转矩和运行频率，以确定步进电动机的具体规格和控制装置。
选用电机型号为BS110HB99-05，
为了完成PLC对步进电机的控制，需要设计步进电机驱动器对步进电机进行驱动。
为了节约PLC的IO资源，同时提高PLC的控制性能，需要设计一个可由PWM控制的，高细分度的步进电机控制器。
THB7128为国产的128高细分度二相步进电机驱动芯片，其单相通路输出电流在24V时最大为3.3A。
同时其内部高速MOS管搭建的双H桥驱动电路保证开关速度。
实现了PLC慢速输出与驱动电路高速控制的匹配。
其原理图如图3-4所示：
图3-4THB7128原理图
由于步进电机控制传送带，而传送带的工作稳定性直接决定了装药的成功与否，故128细分度的THB7128控制器为不二之选。
在实际使用时，仅需要设计PLC的Y0口输出固定数量脉冲，即可实现步进电机步进角度的控制。
3.2.3装药机构
由于装药机通过对装药数量计数来实现装药数量的精确控制，故需要设计一个完整的装药机构，完成对药片的单个分离与释放，实现系统的预计功能。
常见的药片分离器为多级传送带式分离系统，通过舵机传送带对药片进行分离后，进入下药斗，完成单片药片的装填。
而为了简化设计，本设计直接采用了现有
的集成式下药斗完成药片的分离，而仅在下药口安装光电传感器完成对药片装填数量的控制。
1为底板用螺钉安装在支架组件的侧面板上，4为料斗固装在1底板上，而实现控片以准确计数的部件采用转刷3，它由2转刷电机直接驱动。
当皮带上模孔组通过加料器下方时，由于转刷与皮带在接触区域的速度是反向的，这样就将模孔上方多余的药物阻挡住，从而保证药片掉落的准确性。
图3-5下药斗
3.2.4带式皮带机
皮带输送机也叫带式输送机或胶带输送机，是组成有节奏的流水作业线所不可缺少的经济型物流输送设备。
皮带式输送机具有输送量大、结构简单、维修方便、部件标准化等优点。
其广泛应用于矿山、冶金、煤炭等行业，用来输送松散物料或成件物品，根据输送工艺要求，可单台输送，也可多台组成或与其它输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置型式的作业线需要，适用于输送堆积密度小于1.67/吨/立方米，易于掏取的粉状、粒状、小块状的低磨琢性物料及袋装物料，如煤、碎石、砂、水泥、化肥、粮食等。
被送物料温度小于60度。
其机长及装配形式可根据用户要求确定，传动可用电滚筒，也可用带驱动架的驱动装置。
皮带输送机结构形式多样，有槽型皮带机、平型皮带机、爬坡皮带机、侧倾皮带机、转弯皮带机等多种形式。
常用的胶带输送机可分为：
普通帆布芯胶带输送机、钢绳芯高强度胶带输机、全防爆下运胶带输送机、难燃型胶带输送机、双速双运胶带输送机、可逆移动式胶带输送机、耐寒胶带输送机等等。
皮带输送机主要由机架、输送皮带、皮带辊筒、张紧装置、传动装置等组成。
皮带机按其输送能力可分为重型皮带机如矿用皮带输送机，轻型皮带机如用在电子塑料，食品轻工，化工医药等行业。
皮带输送机具有输送能力强，输送距离远，结构简单易于维护，能方便地实行程序化控制和自动化操作。
当运用输送带的连续或间歇运动来输送100KG以下的物
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