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药品自动包装机模块化控制系统的研究 摘要 随着科技的发展、市场需求的多变、产品更新换代周期的缩短，未来药 品包装机械在技术上将朝着机械功能多元化、结构设计标准化、模组化、控 制智能化、运动高精度化方向发展。现代包装机的设计采用先进技术，在对 产品功能分析的基础上，通过创新构思、系统建模、动力分析、动态优化， 从而得到最佳设计方案；利用模块化设计，在短时间内可将原有机型转换成 用户所需的新机型。包装机采用模块化设计，对各模块执行件的动作协调配 合要求也大大提高。控制系统是包装机械的重要组成部分，在很大程度上决 定了整台包装机的性能。基于以往的控制系统设计繁琐、单一的特征，本课 题提出了一种新型的、功能完备、通用化的控制方法即模块化控制来适应包 装机械的改变。 本文阐述了药品包装机的特点及控制方法需要改进的原因，针对提高效 率、降低成本的问题，提出采用模块化控制方法，对通用虚拟样机的控制系 统进行分析设计。包装机全部操作是分散在不同工位上同时进行，分工段独 立操作，控制模块之间可相互调用。课题的关键在于控制模块的构建，要尽 可能使其通用化、标准化，以达到当包装机机型变化时，调用模块库中的控 制模块进行重组即可迅速实现控制要求的目的。 本文首先分析了国内外药品自动包装机控制系统的研究和发展现状，然 后系统、全面的对模块化控制系统的建立、组成结构、设计步骤及控制算法 等进行论述。并以铝塑泡罩包装机为例说明模块化控制方法的应用。药品包 装机在整个物流过程中，白带的信息要求同步，该系统具有控制范围广，i o 信息量多等特点，为此在选用西门子s 7 3 0 0 的基础上，利用对象模块化控 制的思想进行p l c 系统编程，使整个系统更加清晰和易于调试。同时运用 w i n c c 5 0 进行总体界面、设备报警的设计，实现综合报警监控，及时处理 生产过程中出现的问题。课题关键是将模块化的理念运用到控制系统中，建 立通用模块，通过模块的调用，实现控制系统的快速方便的设计。药品自动 包装机的模块化控制方法使得控制及时、准确、可靠，降低了劳动强度，提 高了生产率。 关键词：药品自动包装机，模块化控制，s 7 3 0 0 ，p l c ，w i n c c 5 0 1 1 r e s e r c ho nm o d e lc o n t r o ls y s t e m o ft h em e d i c i n c e a u t o p a c k a g i n gm a c h i n e a b s t r c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ee v e r - c h a n g i n gm a r k e td e m a n da n d s h o r t e rp r o d u c tr e p l a c e m e n t c y c l e s ，t h ef u t u r ed r u gp a c k a g i n gm a c h i n e r y w i l lb e t o w a r d st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fd i v e r s i f i c a t i o no fm e c h a n i c a lf u n c t i o n ， s t a n d a r d i z e ds t l l l c t u r a 】d e s i g n ，m o d u l a r , i n t e l l i g e n tc o n t r o la n dt h ep r e c i s i o no f m o v e m e n t m o d e m p a c k a g i n gm a c h i n ed e s i g nu s e sa d v a n c e dt e c h n o l o g y o nt h e b a s i so fp r o d u c tf e a t u r e sa n a l y s i s ，t h eb e s td e s i g np r e c e p ti sg a i n e dt h r o u g h i n n o v a t i v ei d e a s ，s y s t e mm o d e l i n g ，d y n a m i ca n a l y s i sa n dd y n a m i co p t i m i z a t i o n o r i g i n a lm o d e l sc a l lb et r a n s f o r m e di n t on e wo n e si nas h o r tp e r i o db yu s i n g m o d u l a rd e s i g n f o ru s i n gm o d u l a rd e s i g n , t h ea c t i o nc o o r d i n a t i o nr e q u i r e m e n t o fv a r i o u sm o d u l ei m p l e m e n t a t i o n sh a sb e e ng r e a t l ye n h a n c e d c o n t r o ls y s t e mi s a ni m p o r t a n tp a r to fp a c k a g i n gm a c h i n e ，d e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e p a c k a g i n gm a c h i n et oal a r g ee x t e n t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u s s ya n d s i n g l eo f t h ep r e v i o u sc o n t r o ls y s t e m , t h ei s s u ep r e s e n t sm o d u l a rc o n t r o lw h i c hi s an e w , f u l l yf u n c t i o n a l ，c o m m o nc o n t r o lm e t h o dt oa d a p tt ot h ec h a n g e so f p a c k a g i n gm a c h i n e r y i nt h i sp a p e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e d i c a lp a c k a g i n gm a c h i n ea n dt h e r e a s o n sf o ri m p r o v i n gt h ec o n t r o lm e t h o da r ei n t r o d u c e d a i m e da ti n c r e a s i n g e f f i c i e n c y , r e d u c i n gc o s t s ，m o d u l a rc o n t r o lm e t h o d i su s e dt oa n a l y s i st h ec o n t r o l s y s t e mo ft h eu n i v e r s a l ，v i r t u a lp r o t o t y p e p a c k a g i n go p e r a t i o n sw e r ec o m p l e t e d r e s p e c t i v e l yt h e r ea n da l lo p e r a t i o n ss c a t t e r e di nd i f f e r e n tp o s i t i o n sw o r ka tt h e s a m et i m e ，a n dt h ed i v i s i o nc a nb eo p e r a t e di n d e p e n d e n t l yt oc o m p l e t et h e a c t i o n s m o d u l e sc a l lb ec a l l e dw h e nn e e d e d t h em o d u l ec o n s t r u c t i o ni st h ek e y i s s u eo ft h ep a p e r , t ot h ee x t e n tp o s s i b l et om a k ei tt ob eg m ，s t a n d a r d i z a t i o n s o a st oa c h i e v et h a tw h e n p a c k a g i n gm a c h i n em o d e l sc h a n g e ，c o n t r o lm o d u l e sw i l l b ec a l l e da n dr e o r g a n i z e dt oc o m p l e t et h ec o n t r o lo ft h er e q u e s t e do p e r a t i o n s q u i c k l y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er e s e a r c ho nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la u t o m a t i c i i i p a c k a g i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e ma n dd e v e l o p m e n ts t a t u s ，a n dd i s c u s s e d e s t a b l i s h m e n to fm o d u l a rc o n t r o ls y s t e m , s t r u c t u r e ，c o n t r o la l g o r i t h m sa n d d e s i g ns t e p ss y s t e m a t i c a l l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y , t h e nu s e da l u m i n u m - p l a s t i c b l i s t e rp a c k a g i n gm a c h i n et oi l l u s t r a t et h ea p p l i c a t i o no fm o d u l a rc o n t r o lm e t h o d m e d i c i n e p a c k a g i n g m a c h i n ei nt h ee n t i r e l o g i s t i c sp r o c e s s ，t h eb u i l t i n i n f o r m a t i o nr e q u e s t ss i m u l t a n e o u s l y , a n dt h es y s t e mh a ss u c hf e a t u r e so fw i d e r a n g eo fc o n t r o l ，m o r ei oi n f o r m a t i o n ，a n ds o0 1 1 t h e r e f o r e ，b a s e do l lt h e s e l e c t i o no fs i e m e n ss 7 - 3 0 0 ，u s i n go b j e c tm o d u l a rc o n t r o lt h i n k i n gt oc o m p l e t e t h ep l c s y s t e mp r o g r a m m i n g ，t h ew h o l es y s t e mt u m s t ob em o d u l a r , m o r ec l e a r a n de a s yt od e b u g a tt h es a m et i m e ，u s i n gw i n c c 5 0t or e a l i z et h eo v e r a l l i n t e r f a c ea n de q u i p m e n ta l a r md e s i g n ，c a na c h i e v et h ec o m p r e h e n s i v ea l a r m m o n i t o r i n g ，a n dd e a lw i t ht h ee m e r g i n gi s s u e si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s st i m e l y t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st ou s em o d u l a ri d e ai nc o n t r o ls y s t e mt ob u i l d i n gt h e u n i v e r s a lm o d u l e ，b yt r a n s f e r r i n gt h em o d u l e st om a k et h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e a s ya n df a s t m o d u l a rc o n t r o la p p r o a c ho ft h em e d i c i n ea u t o m a t i cp a c k a g i n g m a c h i n ea l l o w st h ec o n t r o lt i m e l y , a c c u r a t e ，r e l i a b l e ，a n dr e d u c e sl a b o ri n t e n s i t y a n di m p r o v e sp r o d u c t i v i t y k e yw o r d s ：m e d i c i n ea u t o - p a c k a g i n gm a c h i n e ，m o d u l a rc o n t r o l ，s 7 - 3 0 0 ， p l c ，w l n c c 5 0 i v 药品自动包装机模块化控制系统的研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丕雌一 日期：堑业趟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：恤日期： 药品自动包装机模块化控制系统的研究 1 绪论 1 1 药品包装机的发展形势 我国包装机械行业在经历了2 0 世纪7 0 年代起步、8 0 年代发展后，子8 0 年代末和 9 0 年代实现高速增长，初步形成门类比较齐全、品种基本配套的产业，已成为机械工业 的十大产业之一。目前世界各国对包装机械的发展十分重视，先进的技术和现代化的加 工手段在包装工业中得到充分利用。生产高效率化、资源高利用化、产品节能化、高新 技术实用化、科研成果商业化已成为世界各国包装业发展的趋势，形成了一个世界性的 高技术、高智能和高竞争的发展领域。 为适应市场需求，中国包装正积极摆脱数量多、技术落后的状况，并向多功能化、 模块化、控制智能化及高精度化等方向发展【l 】。另外，越来越多的企业应用机电一体化 的高新技术，其中包括：p l c 控制，h m l 人机对话，伺服控制技术等。一个完整的机电 一体化系统，一般包括微机、传感器、动力源、传动系统、执行机构等部分。它摒弃了 常规包装机械中的繁琐和不合理部分，而将机械、微机、微电子、传感器等多种学科的 先进技术融为一体，给包装机械在设计、制造和控制方面都带来了深刻的变化，从根本 上改变了包装机械的面貌。 随着科学技术的发展及市场竞争的加剧，客户的需求也越来越高，产品更新换代的 周期已越来越短。因此要求包装机械具有好的柔性和灵活性，使包装机械的寿命远大于 产品的寿命周期，这样才能符合经济性。这种要求还体现在以下几个方面：一是提高生 产效率，二是适应产品更新变化的需求，三是能进行远程诊断服务，四是基于环境保护， 噪声省、粉尘和废弃物少，五是设备购置投资尽可能少，价格尽可能低。 包装机控制系统中应尽量采用新型传感技术和检测方法。如利用图形识别技术来自 动检测产品形状大小、表面缺陷和贴标情况，以便分级分类剔除不合格品；利用核辐射 线来自动检测高速自动线上密封液体罐内液面的高低，令检测到的不合格品到指定地点 予以剔除等等。另外，机器视觉技术，即用计算机来处理和分析图像信息并作出结论， 通过对数量、面积、长度、颜色等项目的检测和识别，完成有无、偏移量、个数、尺寸 等方面的判断。金属检测设备已经被很多企业所应用，根据金属检测设备的特点，用户 希望这种设备能够更加抗干扰、精确度更耐2 】【3 j 。 以铝塑泡罩包装机为例，采用模块化先进技术，同一机型可有多种结构，选配灵活， 可配置多种加料器，更换安装与调整更加方便。 陕两科技火学硕十学位论文 圈1 1d p p 2 5 0 r 平板式铝塑泡罩包装机 f i 9 1 id p p 2 5 0 r f l a ta l u m i n u mp l 弘t i cb l i s t e r p a c k e r 图1 2d p p 2 5 0 f 平板式铝塑泡罩包装机 f i g l _ 2 d p p 2 5 0 f f l a ta l u m i n u m p l a s t i cb l i s t e r p a c k e r 以上图1 - 1 ，1 2 所示两种机型均具有加热板温控榆测、主电机过载保护，包材料位 检测，机身采用分体式结构，采用p l c 控制，触摸屏操作，后者有独特的接触式药品椅 药品自动包装机模块化控制系统的研究 测系统系统可使成品和次品分离，更有利于后道包装工序。 此类药品包装机具有良好的独立操作功能，也可通过接口多机连用，组装成一条完 整的生产线如下图1 - 3 所示： 囤1 - 3d h l 2 0 型智能型高速药品包装生产线 f i g l3 d h l 2 0 i n t e l l i g 皿t h i g hs p e e d p h c e u u c a lp a c k a g i n g p r o d u c t i o n l i n e 由于包装机的灵活多变，对控制系统的要求也越来越高，模块化控制思想的引入将 对控制系统提供前所未有的改进，对产品更新，缩短开发周期，市场竞争具有莫大潜力。 对西药片剂、胶囊药品而言，主要包装设备是泡罩包装线其中包括数粒机、泡罩 包装机、装盒机，以及相应的检测设各等。随着医药行业政策的不断严格和医药包装水 平的提高，制药企业也不断提高了对泡罩包装线的要求。泡罩包装线未来的发展趋势有： 1 ) 操作方便、人机界面有好； 2 ) 性能稳定、产能高效持续； 3 ) 在关键质量控制环节拥有安全、稳定、高效的监测系统。 1 2 课题研究背景及意义 机械功能多元化医药产品已趋向精致化和多元化方向发展，单品种大批量的产品越 来越少，而多品种小批量的产品日益成为主流。在大环境的变化趋势下，多元化、具有 多种切换功能，能适应多种包材和模具更换的包装机才能够适应市场的需求。例如，在 一台泡罩包装机上既能进行“铝塑”包装叉能进行“铝铝”包装，且要求切换简单，所 需更换的模具少。在药品包装中，当需要继续完成装盒功能时，泡罩铝塑包装机直接与 装盒机相匹配连成一条生产线，要求连接简单，运行步调一致。 陕西科技大学硕士学位论文 控制系统是包装机械的重要组成部分，它的作用在于对整个自动工作循环系统进行 控制和协调，包括使各种包装运动按一定顺序进行；必要的压力、温度、时间、速度的 调节及其控制；各种质量检测，自动安全保护，自动计量、计数的实现：物料的供停， 故障的自动报警等控制【4 】。传统的包装机械多采用机械式控制，如凸轮分配轴式，后来 又出现了电子控制、光电控制、气动控制等控制形式。但是随着生产力的日益提高，包 装参数的随机多变，这些控制系统已越来越难以满足新形势的发展。控制系统的好坏一 定程度上决定了整个包装机的性能，因此改进控制系统是一项重要任务。 模块化设计理念正广泛应用于各种机械设计，如机器人模块化设计、数控机床模块 化设计等。模块化又叫模件化，它是综合了系列化和组合化的特点来解决系统多样化的 一种方法【5 】。课题提出对药品自动包装机控制系统采用模块化的方法进行设计，即可用 不同的标准控制构件或专用控件拼装成控制系统。具体而言，就是提供一种手段，应用 软件可用预先编好的、功能明确的产品部件定制而成，并可用不同版本的部件实现应用 的扩展和更新；利用模块化方法将复杂难以维护的系统分解为相互独立、协同工作的部 件，并努力使这些部件可反复使用；突破时间、空间及不同硬件设备的限制，利用客户 和软件之间统一的接口实现跨平台的互操作。构建重建的目标是达到需求、分析、设计、 测试的重用。 从发展前景看，提高制造业的自动化水平，发展先进制造技术是制造业的必由之路。 模块化控制方法适用范围广，可以针对具体的机型选用符合设备所需的控制模块组建得 到控制系统，大大降低开发成本，增强企业在包装业的竞争能力，这对提高企业生产率、 缩短开发周期等具有积极的意义。 1 3 国内外研究概况 我国包装机械与工业发达国家在机械装配及零部件加工方面水平差距不大，主要表 现在自动化控制方面。国外包装和食品机械水平高的国家主要有美国、德国、日本、意 大利和英引6 1 ，其主要特点为： 1 结构设计标准化、模块化，用一台包装机完成对不同物料的包装时，利用原有机 型的模块化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其他包装形式的机型，并为不 同的计量系统提供了足够的空间。 2 结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如伺服电机、编码器及数字控制、动 力负载控制p l c 等精密执行机构控制各种动作，使整机的充填计量精度和制袋精度都有 所提高。 3 控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式 应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。另外，机器可对工作过程进行在线状态检测 和故障诊断分析。而且国外已将很多先进技术应用在包装机械上，如远距离遥控技术( 包 4 药品自动包装机模块化控制系统的研究 括监控) 、步进电机技术、自动柔性补偿技术、激光切割技术、信息处理技术等。 4 包装速度高速化。 5 包装形式多样化。 日本微电子技术处于世界领先水平，用它来控制包装机，达到安全性高、无人操作、 高生产率，大大提高了国际市场竞争能力。8 0 9 0 年代，是日本包装机稳定增长的阶段， 将微电子技术成功地应用于包装机械的控制，以后又将光导纤维技术、工业机器人技术 应用于包装机械。9 0 年代以来，已将变频调速、光电追踪、无触点电子开关、动态数据 显示等技术运用在包装机械中。德国的包装设备在计量、制造、技术性能等方面居领先 地位，特别是啤酒、饮料灌装设备具有高速、成套、自动化程度高、可靠性好等特点， 享誉全球。 国内大多以生产单机为主，技术含量低的产品多，高技术附加值、高生产率的产品 少；智能化设备还处于研制阶段 7 1 。其主要特点表现在：速度低、精度低、可靠性低、 自动化和智能化水平低，虽然也采用了一些p l c 和具有智能控制功能的仪表，但总体来 说，大多数还是低水平的机电控制，还没有数据储存、采集、修正功能的机器。 1 4 课题研究的主要内容 课题提出了一种新型的、通用的药品自动包装机控制方法，即模块化控制方法。根 据包装机工作原理及结构特点，对虚拟药品包装机模型采用模块化控制方法，建立各控 制功能模块，引入拓扑结构实现模块间灵活衔接以及信息的顺利传输，从而构造出通用 的控制系统模型。当给出一特定包装机时，根据其具体控制要求通过增添控制模块来搭 建控制系统，实现控制要求。该方法与以往控制方法区别在于，控制系统中控制模块标 准化、通用化，对凡药品包装机具有相似控制原理、要求的控制对象均可直接调用设计 好的控制模块，适当修改参数即可进行控制。本文最后以铝塑泡罩包装机为例介绍模块 化控制思想的具体应用，了解包装工作流程及工艺要求，并完成对该控制系统的实时监 控系统设计。 1 4 1 技术路线和难点 1 技术路线 1 ) 包装机械与计算机紧密结合，实现了机电一体化控制。 2 ) 本课题设计的控制系统采用先进的设计理念，集模块化设计、拓扑结构设计、概 念设计于一体，完成通用模块化控制系统模型的构建。 3 ) 充分利用p l c 实现自动化控制。 2 课题难点 1 ) 控制模块的构建。即划分哪些模块? 如何划分模块? 2 ) 控制模块如何衔接、调用? 即模块要具备通用性、兼容性、标准化等特点。 陕西科技大学硕士学位论文 1 4 2 工作计划和预期成果 综上所述，本文主要是对药品自动包装级模块化控制系统模型进行设计，并以铝塑 泡罩包装机的控制系统设计( 装盒机、颗粒包装机等控制系统设计方法相同) 为例说明 模块化控制方法的应用。系统采用西门子公司的s i m a t i cs 7 3 0 0 系列p l c 进行控制， 并采用w i n c c 对整个系统运行进行实时监控。系统硬件设计着重在抗干扰技术、节约 p l c 输入输出点数等方面进行研究；系统软件设计重在应用模块化控制理念，实现机器 的自动化控制。 6 药品自动包装机模块化控制系统的研究 2 模块化控制的设计分析 控制系统是整个包装机的神经中枢，控制系统的好坏很大程度上决定了机器的性能。 随着人们生活品质的提高对包装要求也越来越高，生产厂家只有不断改进包装、提高生 产效率才能适应市场需求。药品包装机种类较多，有铝塑泡罩包装机、装盒机、粉剂或 颗粒自动包装机等。在控制系统中，大多采用p l c 编程实现生产自动化。在这些控制中 有很多是开关量的控制，或者控制原理基本相同却要在不同机器中重复编程，既浪费时 间又浪费资源。因此，引入模块化控制思想，分别对药品包装机各功能模块进行编程控 制，构建通用模块，即将控制原理相同的或重复出现的控制程序代码抽出来作为一个控 制模块，具有通用的输入输出设置。使得再次使用时，可以直接调用程序并适当修改相 应参数即可。这样可以大大缩短程序开发的时间，有效的提高研发效率。 模块化控制是在拓扑结构设计、概念设计、模块化设计的基础上综合总结出来的， 集三者的优点于一体，并具有自身的特色，是控制系统设计的一大进步。 2 1 拓扑结构在控制系统中的应用 拓扑( t o p o l o g y ) 是将各种物体的位置表示成抽象位置。拓扑不关心事物的细节也 不在乎什么相互的比例关系，只将讨论范围内的事物之间的相互关系表示出来，将这些 事物之间的关系通过图表示出来，并以一定的结构方式进行连接实现互联。这种连接方 式就叫做”拓扑结构”。 拓扑设计创新包括机构集成创新和原始机构创新。机构集成创新是指通过对已知基 本机构及其元功能进行重组，以实现较复杂机构系统的整体功能与原理创新，已知元机 构及其子功能是机构集成创新知识库的基础。机构原始创新是发现具有特定功能的新基 本机构，可直接开发为新产品，又可作为机构集成创新的元机构，扩大了知识库中元机 构空间【8 】。 对药品自动包装机而言，这里的元机构指机构的各功能模块，具有一定的独立性， 能独立完成包装过程某一动作的机构。例如，在铝塑泡罩包装机中，p v t 加热、p v t 成 型、打标签等都属于独立的模块。虚拟包装机模型正是由这些模块构建而成，如同搭积 木，各单元模块相对独立，可根据实际要求来选择组装成不同的机型。在控制系统中， 针对这些独立模块分别编程控制其动作的执行。如p v t 加热时采用p i d 控制作为一个单 独的控制模块，只需设置通用输入输出接口，在别的凡温度控制的地方其控制算法相同， 都可以调用该模块。将这些相对独立的控制模块各自封装保存在一个模块库中，不去考 虑它的实际位置，在实际应用中通过调用实现控制功能即可。其结构图如2 1 所示： 陕西科技大学硕士学位论文 图2 - 1 拓扑结构控制示意图 f i 9 2 1t h et o p o l o g yc o n t r o ls k e t c h 拓扑结构设计的方法为虚拟包装机模型的构建提供了广阔的平台，模型更趋于通用 化、标准化，同时也为构建控制模型奠定了坚实的基础。 2 2 概念设计在控制系统中的应用 自从p a t h b e i t z 于1 9 8 4 年提出了概念设计这一名词以来，人们经过多年的研究， 将概念设计定义为：“在确定了任务后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原 理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。一 概念设计指明确设计目的和现有条件后，设计者搜索多方面的知识，分析提炼后生成框 架式的广泛意义上的解【9 1 。 药品包装机械的概念设计要求根据产品生命周期各个阶段，进行产品功能创造、功 能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行 实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个求解实 现功能的、满足各种技术和经济指标的、可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案 的过程【l o 】。 - 将概念设计的思想融入药品包装机械的控制系统设计，使设计从实际需求分析出发， 可减少设计的失误，缩短设计周期，加快产品的开发，使设计的产品更合理，同时降低 成本和提高企业竞争力【l 。药品包装机械属于机电一体化产品，药品包装机械功能大致 可分为机构运动、监测传感、信号处理及控制功能3 个部分。机构运动功能按不同机种 又可细分，如铝塑泡罩包装机可分为成型、热封、压痕、冲裁4 个功能，而纸盒包装机 8 药品自动包装机模块化控制系统的研究 械可分为折纸、下纸、药版推送、纸盒打开、纸盒传输、折舌、插舌、压平和打批号等 功能。控制系统设计要从机械设计出发，认真分析，合理的划分控制模块。图2 2 说明 概念设计的流程： 图2 - 2 概念设计流程图 f i 9 2 - 2t h ef l o wc h a r to fc o n e e p t u a ld e s i g n 拓扑结构设计和概念设计是药品自动包装机模块化控制系统模型研究的理论基础。 有助于缩短设计制造周期，增强可靠性；便于实现标准化、系列化、通用化、集成化和开 放化。 2 3 模块化设计方法 模块化设计是一种先进的设计方法，它的核心思想是将系统根据功能分为若干模块， 将包装机中同一功能的单元设计成具有不同性能、可以互换的模块，通过模块的不同组 合，使包装机多功能化、系列化。包装机采用模块化设计，相应的对各模块执行件的动 作协调配合要求提高，控制系统势必的满足灵活多变的包装机操作任务的完成。 2 3 1 模块化设计的概念 所谓模块化是指，在对一定范围内的不同产品进行功能分析和分解的基础上，划分 并设计、生产出一系列通用模块或标准模块1 5 1 ，然后，从这些模块中选取相应的模块并 补充新设计的专用模块和零部件一起进行相应的组合，以构成满足各种不同需要的产品 的一种标准化形式。模块化的概念可以用图2 3 来表示： 9 陕西科技大学硕士学位论文 二二二二五：互亘主三二二：二 图2 - 3 模块化概念示意图 f i 9 2 - 3t h em o d u l a rc o n c e p ts k e t c h 由上述可见，模块化应具有三个基本内涵： 1 必须具有一定数量模块的模块系统； 2 应用系统的分解、组合原理； 3 最终应能满足各种不同的需要。 这里的产品，主要是指设备及其以上层次的产品。这里的模块，是指具有特定功能 和典型结构的通用、独立单元。我们在构造虚拟样机模型时，就是通过这样的方法，比 较全面的构思出药品包装机的各单位模块，再根据实际要求去选择搭建特定设备。 2 3 2 模块化控制 通常所说的模块化控制是指对包装机的各功能模块进行控制。对于不同的包装机其 具体要完成的包装任务是不同的，因此功能模块的配置也就不同，控制系统也不尽相同。 针对每一种包装机就要重新对它进行模块化分析，设计出相应的控制方案，这也是以往 控制方法的特征。随着科学发展和自动化程度的提高，要求一种适应性强、功能完备、 通用化的控制系统来适应包装机械的改变，并且使成本降至最低、控制准确。这正是本 文阐述的模块化控制系统与一般模块化控制不同之处。 产品模块化设计是系统采用模块化控制的前提。对控制系统而言，模块是指具有特 定功能，既独立又通用的控制单元。根据控制原理相同的原则，对控制对象进行分i - j 另i j 类的模块控制，即可称为面向对象的模块化控制。 “面向对象 从根本上讲是一种观念，一种思想：从现实世界中客观存在的事物( 对 象) 出发来构造系统，并在系统构造中尽可能的运用人类的自然思维方式去描述问题。因 此面向对象方法是吸取了人们日常生活中进行逻辑思维所采取的技术来构建和解决系统 【1 2 】。因此利用“对象一这个思想去分析现有药品自动包装机控制系统中的对象，不难发 1 0 药品自动包装机模块化控制系统的研究 现系统中主要的控制对象就是执行元件，例如马达，气缸等。而每一个执行元件都有属 于自己的动作和当前的状态属性，即对象的行为和属性。在p l c 编程中，把有关于执行 元件控制的语句抽象提取出来，封装成通用的模块，把控制执行元件的条件作为模块的 条件输入，把执行元件的动作作为模块的输出，进行执行元件对象的模块化。一旦形成 执行元件模块，针对具体的执行元件，分配背景数据，记录当前特定对象的属性，进行 对象控制【1 3 j 。 2 3 3 模块化的特征 从模块化的定义可以看出，模块化具有如下几个特刎1 4 】： 1 控制对象是由功能模块而不是由单一的零部件组成： 2 具有通用或标准功能的控制模块可以相互调用； 3 模块化过程也是系列化开发过程。模块只有以系列的形式存在才有意义，模块化 始终遵循系列化的原理和方法； 4 模块化控制系统不是整体式结构，而是组合式结构，它的组合单元是以模块为主， 它是组合化的高级发展形态。 2 3 4 模块的特征及分类 从以上分析可知，模块必须具备以下特征： 1 具有独立的功能和结构：模块部应具有独立的、不受干扰的特定功能，可以进行 单独储备； 2 具有组合性：模块是分解的产物，应能“回归 到系统中去。所以，它应具有良 好的接口，有很强的组合能力，即组合性，可以与其他控制单元进行有机地组合，构成 完整的控制系统； 3 具有通用性：模块应是具有标准接口或连接要素的标准单元或通用单元，应具有 典型性、通用性、兼容性。 模块的划分除注重结构完整性之外，还强调功能的独立性，强调通用性。 不是控制的所有组成部分都能形成模块。有些组成部分的功能是随具体产品而变化 的，不同品种、规格的产品间没有共性，形成不了具有通用性的模块，而只有那些既具 有共同控制原理又可以形成独立功能和结构的组成部分才可能形成模块。 从模块化的定义可以将模块粗略划分为以下几类1 1 5 】： 1 通用模块它是指具有通用化程度高、应用面广并可形成系列的模块，在研制、 设计新产品控制系统时用，诸如温度控制，报警提示等。 2 标准模块它是在通用模块的基础上，将经过生产和使用考验、性能先进、具有 标准接口并制定成标准的模块。在研制、设计新产品时可直接采用，如马达控制。 3 专用模块它是指为某种产品或用途专门开发的模块，通常需要单独研制。 陕西科技大学硕士学位论文 4 特别模块它是根据系统要求特殊设计的模块。这种模块与专用模块的界限不太 好界定。一般专用模块针对产品，特别模块针对大型系统或软件。 2 3 5 模块化设计过程及步骤 模块化设计一般包括两个过程：建立模块系统，组合成新的控制系统。 1 建立模块系统1 1 5 1 1 1 6 1 1 ) 确定需求 模块化设计的目的是以尽可能少而通用的模块，组合成尽可能多的控制系统，以满 足用户的各种各样的要求。因此，建立模块系统首先要做好需求分析，在此基础上确定 各种控制对象模块化控制的要求，作为模块化设计的依据。模块系统建立过程如图2 4 ： 图2 4 模块系统建立过程 f i 9 2 - 4t h eb u i l d i n gp r o c e s so fm o d e ls y s t e n 1 2 药品自动包装机模块化控制系统的研究 2 ) 功能分析与分解 模块是控制系统的组成部分，是为满足某类产品控制功能而存在的，功能成为模块 的依据，也是进行系统分析的基础。所以，在划分模块之前，首先应对某类产品的功能 进行分析和分解。通过功能分析和分解所建立的控制模块系统，必须在一定范围内能够 组合成满足不同需求的产品的控制系统。 由于系统的功能具有层次性，所以模块划分一般也应有层次性。模块层次越低也就 越简单，标准化程度越易提高。 3 ) 模块的划分 模块的划分是模块设计的基础。模块划分是否合理，对模块化控制的性能、以及模 块的通用化程度和成本都有很大的影响。所以，模块的划分是一个很重要的环节。 模块的划分应以功能分析和分解的结果为基础，划分出来的模块必须具备模块化的 条件，即划分的模块应具有独立的功能、很强的通用性和很好的组合性，能以有限种类 的模块配以专用的模块组合成完整的控制系统。 模块必须具有稳定性，即模块的变化应是最少的，可以根据实际要求更改某些参数 即可。为此，可将变化可能较大的作为单独的模块，以适应新的变化。 模块应具有先进性，充分考虑采用新技术和新工艺的可能性。 4 ) 模块的设计和开发 为了将产品模块化的总体要求和模块划分与开发的结果肯定下来，作为模块试验、 验收的根据，应编制通用模块的标准或规范。模块的研制和其标准、规范的编制是一个 互相支持、互相补充的过程，通过研制，制定和完善规范；通过规范，指导研制。 2 组合形成新控制系统 通过组合过程，由通用模块、专用模块等进行组合形成新的控制系统。其过程主要 包括以下几各方面： 1 ) 功能分析与分解； 2 ) 组合设计； 3 ) 选用或设计控制模块； 4 ) 对组合进行分析、测试。 2 4 模块化控制系统模型的构造 应用到药品自动包装机上，引入模块化控制的思想【1 7 1 ，在对包装机作全面了解后， 对其进行模块化分析，分解成独立的、能完成某一动作的各单元模块，或者是控制原理 相同的模块，抽出来作为一个模块，针对这些模块设计出相应的通用化、标准化的控制 功能模块并保存在功能库中。 综上述可知，对药品包装进行模块化分解后，所有模块动作进行合理有序的组合， 陕西科技大学硕士学位论文 构成一个能够完成多包装要求的通用包装机模型。每个动作对应一个控制模块，所有控 制模块也就构造出了整个控制系统的结构模型。当具体使用某一包装机时，根据实际选 择需要的动作重新组合，在模块库中调用每一个动作赖以实现的控制模块，同时屏蔽掉 与本包装无关的控制模块，即可建立本包装机的控制系统。可以看出，整个控制系统模 型所具有的功能比较齐全、结构简单明了，既适用于简单操作的单个包装机，也可用于 具有多条流水作业的复杂包装机构。其结构如图2 5 所示： 骘固 屿团 骂固 三国 图2 - 5 药品自动包装机模块化控制系统模型示意图 f i 9 2 5t h es t r u c t u r eo f m o d e lc o n t r o ls y s t e mo f m e d i c i n ea u t o - p a c k a g i n gm a c h i n e 药品包装机完成特定的包装任务时，有可能在一个工位就完成所有的操作，也可能 经多个工位多条流水线动作同时进行才能实现要求。根据实际的包装对象，选择需要操 作，每一个操作动作在模块库中都能找到赖以实现的控制模块，将模块调用重组，该包 装机的控制系统即可构建成功。 假设某药品包装机要完成药品计量与进给、包装材料或容器的进给、包装动作的执 行、成品输出，同时还要保证整个传动系统的流畅。参照图2 5 ，若第一条控制链上1 代表计量操作控制，3 代表传动控制，第二条控制链上2 代表某一进给操作控制，在这 里用作说明书的进给，第三条控制链上1 代表包装材料的进给控制，m 代表包装动作的 执行控制，再经过贴标签，最后输出成品，完成整个包装过程。各动作对应的控制模块 直接从功能库中在调用，适当修改某些参数而无需重新设计控制模块，再通过基本的连 接程序语句将整个控制过程有序组合，即完成控制系统设计。我们只选用了能实现药品 包装过程所需动作的控制模块，对于其它没有涉及的控制模块，将其屏蔽，不会影响整 个系统的控制功能。因此该药品包装机控制系统的最后结构与图2 5 相似，相对简单。 2 5 本课题模块化控制系统分析 控制系统是整台设备的大脑，也是下达动作指令的核心装置。一完整的控制系统可 实现包装机各动作的谐调执行、生产线监控，而生产率、生产质量很大程度上取决于控 制系统的好坏。提高药品包装机械的自动化水平势在必行。 1 4 药品自动包装机模块化控制系统的研究 采用模块化控制，使复杂的控制变得有序、简单。整个