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机械毕业设计全套

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JDC01-033@基于PLC的自动配料系统设计,机械毕业设计全套

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毕业设计任务书 学生姓名 宋义静 院系 机电工程学院 专业、班级 机械 08-14 指导教师姓名 刘财勇 职称 讲师 从事 专业 机械制造及自 动化 是否外聘 是 否 题目名称 基于 PLC 的 自动配料 系统 设计 一、设计目的、意义 自动配料系统在冶金、建材、化工及食品等行业应用非常广泛，近几年来随着计算机技术和 PLC技术的飞速发展，自动配料系统控制方案也在不断改进。由于 PLC 的迅猛发展，实现了工业控制领域的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域 从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。 PLC 正在成为自动配料系统领域的主流控制设备，可以用于各种规模的控制场合，并发挥着越来越大的作用。除了逻辑处理功能以外，近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 从逻辑控制渗透到了生产过程控制、运动控制等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。从而使配料系统可以按要求自动完成配料 。 二、设计内容、技术要求（研究方法） 设计内容： 1基本方案的选择和确定； 2 自动配料工艺流程设计 ； 3进行 PLC 的选型及 I/O 分配； 4. PLC 控制程序的编写。 技术要求： 1 配料和校称两个工作状态 ； 2 实现自动倒料 ； 3 实现原料识别称量 。 nts三、设计完成后应提交的成果 1开题报告一份； 2设计说明书一份，字数不少于 2 万字； 3图纸总量不少于 2 张 A0，其中，包含系统框图、 PLC 控制系统的外部接线图和 PLC 控制程序清单及注释等。 四、设计 进度安排 2012.2.27-2012.3.20 查阅文献，收集资料，撰写开题报告； 2012.3.21-2012.4.3 确定控制 方案，绘制控制框图； 2012.4.4-2012.4.24 PLC 选型及 I/O 分配； 2012.4.25-2012.5.15 控制系统外部接线图 ； 2012.5.16-2012.6.5 PLC 程序编制与调试； 2012.6.6-2012.6.15 撰写设计说明书，整理资料，准备答辩。 五、主要参考资料 1 高安邦 .机电一体化系统设计实例精解 M.北京 :机械工业出版社， 2008 2 皮壮行 .可编程序控制器的系统设计与应用实例 M.北京 :机械 工业出版社， 2000 3 常宏杰 ， 张永弟 ， 岳彦芳 等 . 炼钢自动配料设备控制系统设计 J. 机床与液压， 2010（ 2） 4 王文林 . 陶瓷自动配料柔性开发系统的软件设计 J.工程设计学报， 2006， (6) 5 何瑞 ， 贾磊 . 基于 PLC 控制的自动配料系统研究与应用 J.微计算机信息， 2007， (10) 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 系主任签字： 年 月 日 nts 本科学生毕业设计 基于 PLC 的自动配料系统设计 系部名称： 机电工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化 08-14 班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲师 二一二年六月 nts The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Automatic Batching System Based on PLC Candidate： Song Yijing Specialty： Mechanical Design Manufacturing and Automation Class： 08-14 Supervisor： Lecturer. Liu Caiyong Heilongjiang Institute of Technology 2012-06 Harbin nts I 摘 要 随着科学技术的不断发展， 自动配料系统广泛应用于冶金、建材、化工及食品等行业。 PLC正在成为自动 配 料系统领域的主流控制设备，可以用于各种规模的控制场合，并发挥着越来越大的作用。 现阶段，我国制药行业星罗棋布，生产水平良莠不齐，持有生产许可证的生产企业已达 6000多家，但其中 90 为中小型企业，规模小，技术落后，设备陈旧，产品质量安全亦无保障。如何使制剂生产标准化、规模化、自动化是制剂工程亟待解决的重要问题。 本文针对制药行业的配料系统进行研究。通过对自动控制配料机进行简单的介绍，本 着低成本、高效率的原则，对自动配料系统进行设计。 主要 内容包括对 生产过程控制系统发展和现状的概述 、 配料系统工作原理和配料控制系统的总体设计 。从而， 通过 PLC编程实现药品配方原料成份识别、料斗自动旋转、制动和成份称重后的自动倒料过程。该机既能避免配药失误，又提高了称量精度，其较低的价格也适合现在市场的需求。 关键词： PLC；旋转；取料；称量； 配料；倒料 nts II ABSTRACT With the continuous development of science and technology, automatic batching system is widely used in metallurgy, building materials, chemical and food industries.PLC is becoming the mainstream of the field of automatic batching system control equipment of all sizes can be used to control situations and plays an increasingly important role. At this stage, Chinas pharmaceutical industry spread all over the production level varies greatly, the holders of production licenses production enterprises has reached more than 6,000, but 90% for small and medium enterprises, small-scale, backward technology, outdated equipment, product quality and safety nor protection.How to make drug production standardization, scale, automation preparation works to be solved. In this paper, the system of the ingredients of the pharmaceutical industry. Simple introduction of the automatic control of batching machine, the principle of low-cost, high efficiency, automatic batching system design.The main contents include an overview of the production process control system development and current situation, the working principle of the batching system and the overall design of the batching control system.Thus,PLC programming pharmaceutical formulations raw ingredient identification, hopper automatically rotate, automatic brake and ingredient weighing down the material process.The machine can avoid dispensing errors, but also improves weighing accuracy, its lower price is also suitable for the needs of the market. Keywords : PLC; Rotation; Reclaimer; Weigh; Ingredients; Down material nts 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题研究的目的 和意义 1 1.1.1 设计目的 1 1.1.2 设计意义 1 1.2 课题发展状况及趋势 2 1.3 研究基本内容 4 1.4 拟解决的主要问题 4 1.5 技术路线或研究方法 4 第 2 章 总体方案设计 5 2.1 方案论证 5 2.1.1 总体设计思路 5 2.1.2 本设计的可行性验证 5 2.2 具体方案 7 2.2.1 系统工作原理 7 2.2.2 控制要求的实现 9 2.3 本章小结 10 第 3 章 硬件设计 11 3.1 器件选择 11 3.1.1 精确称量系统组成 11 3.1.2 称量及校称机构 11 3.1.3 各小器件介绍 12 3.2 地址分配表 13 3.3 外部接线图 错误 !未定义书签。 3.4 控制面板 15 nts 3.5 本章小结 15 第 4 章 软件设计 16 4.1 流程图 16 4.2 顺序功能图 17 4.3 梯形图程序设计及仿真 17 4.3.1 根据顺序功能图绘制梯形图 17 4.3.2 运用三菱 PLC 编程软件仿真 17 4.4 指令表 20 4.5 本章小结 21 结 论 22 参考文献 23 致 谢 24 附 录 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的目的和意义 1.1.1 设计目的 自动配料控制系统在各行业的应用已屡见不鲜，冶金、建材、化工及食品等行业应用非常广泛。近几年来 随着 计算机、网络、数据 库和 PLC 等相关技术的飞速发展和完善，自动配料系统控制方案也在不断改进。 由于 PLC 的迅猛发展，实现了工业控制领域的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。 PLC 正在成为自动配料系统领域的主流控制设备，可以用于各种规模的控制场合，并发挥着越来越大的作用。除了逻辑处理功能以外，近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 从逻辑控制渗透到了生产过程控制、运动控制等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增 强，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 许多行业的产品，成份配置要求较高。制药业就是其一，为确保药剂产品的安全生产。配料是一道关键工序，配方成份不得疏漏、重复，每一成份的含量不得超差。这一要求如何实现，是摆在药品生产企业面前的重要课题。本文以配药为例，使用自动控制配料机，通过 PLC 编程实现药品配方原料成份识别、料斗自动旋转、制动和成份称重后的自动倒料过程。这种控制方法既能避免配药失误，又提高了称量精度，其较低的价格也适合现在市场的需求。 1.1.2 设计意义 自动配料系统是精细化工厂生产工艺 过程中一道非常重要的工序，配料工序质量对整个产品的质量举足轻重。自动配料控制系统在生产中的应用不仅可以提高配料质量和产量，也大大减轻了岗位工人的劳动强度，提高了生产效率带来可观的经济效益，推动我国国民经济的发展。 PLC 的应用极大地提高了产品的质量和生产效率，在整个配料行业也具有广阔的应用前景。配料系统在诸多行业的工业生产过程中占据有及其重要的地位，配料工序的合理性、稳定性、准确性以及快速性直接影响到以后各生产环节的顺利进行。在配料过程中，环境温度、湿度的变化会引起物料的粘度、比重、粒度发生变化，严 重影响下料精度。然而，配料工艺对每种物料的下料速度和精度要求严格，对系统的配料nts 2 速度和精度要求也较高。因此，作为一套完整的自动配料系统应该完成各种工艺条件的准确配料。 混合料的制备质量是影响产品质量的一个重要因素，随着企业的技术进步，对配料的质量要求越来越高，配料系统不仅要具有完备的控制功能，还要具备一定的管理功能。因此，更加迫切地要求进一步提高自动配料系统。本文本着提高制药业生产水平和制药企业素质的原则，通过 PLC 编程控制配料机，使制药设备标准化、规范化、自动化，从而达到精确配料的效果。 1.2 课 题发展状况及趋势 配料工序是药品生产过程中非常重要的环节，它主要包括成份的抓取和称量。这看起来可能很平常，却是至关重要的。如果这个环节在生产过程中出了错，无论接下来的情况怎样，整批产品都可能被报废或者重新生产。而实际上，在大多时候，称重、配药的误差是在发生了之后才发现，到那时就只能浪费一批药品了。 目前大多药品公司主要精力集中于应用先进的控制技术来提高他们的生产过程。各种各样的混料、搅拌、成型、包装设备应有尽有，但在配药、称重环节，却被忽视。多数企业仍采用传统的人工取料和称重法，效率低、精度差，且很容易因人 为失误造成某一成份的重复或疏漏现象。目前一些制药厂采用简单机械操作，也同样难以达到药品成份高精度的要求。 我国有配料、称重、打包于一体的设备，其特点是集多道工序于一体，节省空间、降低成本，但不适于配方成份较多的情况。 七十年代至八十年代中期，我国首钢、鞍钢、武钢等能够第一批烧结厂采用了自动配料设备，实践证明自动配料比传统配料有明显的优点： 1、 提高了配料精度，稳定了配料比，改善了产品的质量； 2、 节约了固体燃料； 3、 由于自动配料使产品性能改善，从而使产品质量更高； 4、 减轻了工人的劳动强度。 在激烈的市场竞争中，要求 生产企业有更高的生产率和更低的生产成本，质量优良的原料、燃料和先进可靠的设备是实现这一目标不可缺少的先决条件，而建立高性能、稳定可靠的配料控制系统，对配料过程实施有效的控制，是工业生产的必然趋势。 近年来 ， 随着现场总线技术的推广 ， 将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统成为科技进步的必然趋势。目前 ， 许多用于配料的称重仪表已经有了nts 3 Profibus、 Modbus 等现场总线接口 ， 使基于现场总线的配料控制系统成为可能 ， 基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。 在自动化软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层 面的，也有商业层面的，但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对自动化软件需求的提升，也决定了自动化软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发展。 1、开放性技术 自动化软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件供应商都将自动化软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求自动化软件大量采用 “ 标准化技术 ” ，如 OPC、 DDE、 ActiveX控件、 COM/DCOM等，这样使得自动化软件演变成软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以根据自 己的需要进行二次开发。比如组态王 6.0中提供了 4个开发工具包，就是使用户可以进行二次开发。自动化软件采用标准化技术还便于将局部的功能进行互连。 2、构造全厂信息平台 ERP是国内炙手可热的话题，但目前的 ERP主要应用在商业企业的财务、销售、物流等方面。在国内外的企业生产中，还没有多少企业能够将生产信息和 ERP系统整合到一起，使生产效率和市场效益最大化，也就是说在工业现场和 ERP之间存在着鸿沟，如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工厂迫在眉睫的需求。随着大型数据库技术 的日益成熟，全球主要的自动化厂商已发展了相关平台，使自动化软件向着生产制造和管理的信息系统的方向发展。自动化软件已经成为构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。 3、无线的人机界面解决方案 数字终端已具备越来越强的功能和智能化，像现在可以看到的预装了 WinCE的PDA，具备非常好的图形能力。蓝牙技术发展迅速，据专家预测，其未来的传输距离可达 100m，另外，以 XML为基础的 WML语言标准已经建立。这些技术的发展为无线的人机界面解决方案提供了先决条件。和其他技术相比，无线的人机界面能够以更低的 费用，更快的连接、更容易地获取重要的生产信息，像紧急报警、重要事件、生产过程中的重要参数等等。 4、以客户为导向的软件设计 如何站在客户的角度来设计软件是所有自动化软件厂商都应面对的挑战，自动化软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块，比如亚控nts 4 目前有组态王和软逻辑两大产品模块，保持不同模块的一致性，能有效地减少用户学习的时间。相同的数据结构也便于产品在企业内集成。这种一致性不仅表现在外观和感受上，还表现在兼容性、平台、编程工具、数据访问、控制引擎、 E-Business等诸多方 面。例如西门子的 WinCC和编程软件 STEP7使用了相同的数据结构，这使得用户只需将系统中的数据点定义一次。 1.3 研究基本内容 1、配料系统的总体设计及控制方案； 2、设计自动配料工艺流程； 3、 PLC 选型及 I/O 分配； 4、 PLC 控制程序的编写。 1.4 拟解决的主要问题 1、实现配料和校称两个工作状态； 2、完成 10 种原料的混合； 3、实现原料识别、称量； 4、避免传统配料中出现的配错和配量不准的问题。 1.5 技术路线或研究方法 综上，实施本设计方案实现精度较高、价格较低、且能保证质量安全的自 动控制配料机以满足中小企业需求。该设备通过 PC 机、可编程控制器及条码识别仪实现对药品配方的识别、显示以及各种原料所需数量的显示，利用电子天平精确称量，同时通过其他的辅助装置保证配方原料药取料的不重复、不疏漏和取量的精确，然后由自动倒料装置实现自动倒料，这样既减少人员的工作量，更重要的是完全避免了人为失误。该设备可以很好地适合我国国情，满足制药行业的新生产要求。另外，该设备也适用于其他配料精度要求较高的企业 (如轮胎制造业 )，有较好的市场前景。 研究方法： 1、 选取自动控制方案； 2、 设计自动配料机的工艺流程 ； 3、 控制要 求实现的过程； 4、 PLC 选型及 I/O 分配； 5、 PLC 控制程序的编写， 上机调试通过 。 nts 5 第 2 章 总体方案设计 2.1 方案论证 2.1.1 总体设计思路 本设计总体思路是使用三菱 FX 系列 PLC 作为自动配料控制系统的主控制器，控制自动控制配料机的 10个供料桶 (分别盛有各配方成份 )和 10个储料桶 (各成份的组合 )转盘的启动和制动，通过 PC 机条形码阅读器识别，若是处方成份， PC 机会显示该成份数量，则按需取料即可。若非处方成份，则拒绝取料。重复取料，控制系统也会拒绝。重量正确，将自动开缸、自动倒料，重量超差，系统将拒绝 接料。 2.1.2 本设计的可行性验证 1、方案论证比较 在工业产品的制造领域中，应用自动控制技术可以大幅度的提高生产效率和产品质量。同时，也能够代替繁重的体力劳动以及重复性的手工操作。制药行业的配料工序就是一种烦琐地，重复劳动的过程。而且极易造成人为失误。因此，有必要设计简单易行且可靠性较强的自动控制方案。结合当前自动控制系统的发展情况，可有以下几种控制方案来实现自动控制配料机的动作。根据题目要求，我们分析以下方案设计进行对比论证： 方案一：继电接触控制 继电接触控制系统：它的优点是电路 图较直观形象，组成元件结构简单、价格便宜、抗干扰能力强。但它也有不可忽视的缺点，如继电控制逻辑使用了大量的机械触点，触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短。因此，其可靠性和可维护性差。另外，继电器连线多而复杂，功耗大，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难；继电器触点数目有限，因此灵活性和扩展性较差。 方案二： PC 机控制 微机控制是现代自动控制系统的另一大主流，在工控领域有着广泛的应用。其优点是：具有完善的输入输出通道；具有实时控制功能，或者说具有完善的中断系统、实时时钟及高速数据通道，这些 都保证了与被控对象之间进行实时信息交换；高可靠性，微机控制对环境的适应性特别强，可以保证现场生产的多种要求。 微机控制的缺点主要有以下几方面： nts 6 微机控制系统对于操作设计人员的要求比较高。它要求使用者必须要有一定的计算机硬件和软件知识，对于一般的机电控制技术人员来说掌握这门知识要花费很长时间。 外围筹备时间长。用微机控制一般要在输入、输出接口上做大量工作。比如：考虑现场与微机的连接、各个接口的扩展、输入输出信号的处理、选用何种接口方式等问题。另外，除了要设计控制程序外还要在多种硬件和软件方面做工作。 方案三：单片机控制 随着大规模集成电路的出现及其发展，出现单片机。它具有以下几大特点：优异的性能价格比；精度高、体积小、可靠性高、功能强；低电压，低功耗，安全性强。 单片机的缺点在于需要的专业知识太强，它的语言为汇编语言和 C 语言学习起来比较难。所以一般人员难以掌握。 方案四：可编程控制器控制 PLC 是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，采用可编程的存储器用于其内部存储程序，执行逻辑控制、顺序控制、定时、计数和乘除运算等操 作指令，并通过数字式输入，输出控制各种类型的机械生产过程。具有体积小、重量轻、耗电少、高可靠性、灵活通用、易于编程、使用方便等特点。与以上三种自动控制系统相比， PLC 控制也具有一定的优越性： 工业环境的适应能力强，可靠性高。 在工业生产现场一般会有强大的外围干扰。这就要求现场设备必须有很强的抗干扰能力 (规定设备抗振频率 16HZ，振幅为 3mm；工作温度 10 55 ；湿度 3590 RH，无凝结等 )。与其它自动控制系统相比 PLC 控制具有更长的无故障运行时间。 功能强，性能价格比高。 一台小型的 PLC，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的价格比。 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。 PLC 产品已经标准化、系列化、模块化、配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选择，使用非常方便。 系统的设计、安装、调试工作量少。 PLC 用软件功能取代了继电器的控制系统中大量的继电器，接线工作量大大减少。PLC 编程方法易与掌握，用这种方法编程可以节省大量时间。 PLC 体积小，重量轻，便于安装，且速度极快。一般一条用户指令的执行时间nts 7 在微秒数量级。 本题目要设计的自动控制配料机具有 自动和手动两种工作方式。其目的是节省时间、提高效率、安全可靠，它的市场是我国的中小制药企业。比较以上四种自动控制方案，选用 PLC 控制，更适合于本题目。 2、 PLC 介绍及选型配置 可编程逻辑控制器，简称 PLC。 国际电工委员会（ IEC）对 PLC 的 定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存 储 器，用来在其内部存 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，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易 于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、 PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 PLC 具有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 目前， PLC 的生产厂家主要有美国 AB，比利时 ABB，日本松下，德国西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷，创研等很多品牌和型号。 PLC 的品牌和型号虽然有很多种，但是他们的结构和功能却不尽相同，所以使用哪一款几乎都能完成自动配料 系统的设计，由于在大学学习中学过三菱 FX 系列的 PLC，如果采用本系列，在设计中会得心应手，节约大量学习时间。 通过以上对比，此方案可以执行。 2.2 具体方案 2.2.1 系统工作原理 该设备通过 PC 机、可编程控制器及条码识别仪实现对药品配方的识别、显示以及各种原料所需数量的显示，利用电子天平精确称量，同时通过其他的辅助装置保证配方原料药取料的不重复、不疏漏和取量的精确，然后由自动倒料装置实现自动倒料，这样既减少人员的工作量，更重要的是完全避免了人为失误。该设备可以很好地适合我国国情，满足制药行业的新生产要求（如图 2.1）。另外，该设备也适用于其他配料精度要求较高的企业 (如轮胎制造业 )，有较好的市场前景。 自动控制配料机由 10个供料桶 (分别盛有各配方成份 )和 10个储料桶 (各成份的组合 )组成，对各成份编 码，由条形码阅读器识别，若是处方成份， PC 机会显示该成份数量，则按需取料即可。若非处方成份，则拒绝取料。重复取料，控制系统也会拒绝。 nts 8 图 2.1 自动配料机全景 重量正确，将自动开缸、自动倒料，重量超差，系统将拒绝接料。各种成份取料误差小于 0.01g，并能定期校称。 自动控制配料机在工艺流程方面，总体上可以分为配料和校称两部分。整个系统的机械动力来自于汽缸，压缩空气由企业空气压缩机提供给各生产车间，并分配给各用气工位。 自动控制配料机的机械装置大体可以分为两部分：提供配方成份的供料机；存储、称取后配方成份的储料机。两部分都有圆盘型底座，底座上装有支架和动力系统，在支架的顶端以轴为中心呈辐射状依次均匀排列 10 个料桶。储料装置和供料装置构成相同。供料装置的每个料桶中装有一种不同的配方成份。在供料装置的每个料桶上都贴有预先设置的相应药品的条形码。 工作时，由 PLC 发出指令触动动力气缸的电磁阀开启，动力汽缸推动供料装置旋转 20左右， PLC 发出断电指令，电磁阀关闭，气缸退回。气缸不再提供动力，但由于惯性作用供料装置会继续转动。当供料装置转到条码扫描器处时，刹车汽缸工作实现制动，速度接近于零时，棘轮、棘 爪实现准确定位。手动条码扫描器进行扫描，若桶中成份是配方所需成份，则 PC 机上显示要取的药品重量，然后完成开盖汽缸开盖、人工取料、然后连续完成电子天平称重、翻转气缸倒料、储料气缸开盖接料等一系列动作。完成以上动作后，就完成了一个动作周期，系统进入下一个工作循环。若桶中药品不是配方所需成份 ，则 PC 机上无内容显示，也不会执行开盖等一系列动作。直nts 9 接进入下一运行周期。供料装置旋转一周后，储料装置开始启动第一个动作周期，按此时间比例循环执行。当储料装置旋转一周后，则手动停机，将储料装置中药品清空，然后重新开机运行。控制 原理图（如图 2.2）和系统受控部分（如图 2.3）。 图 2.2 控制原理图 图 2.3 系统受控图 2.2.2 控制要求的实现 1、自动控制配料机的全部动作由气缸驱动，全部气缸的动作又由与其相连的电磁阀控制。本设计的电磁阀均选用二位四通阀，电磁阀的线圈通电则电磁阀置位，断电则复位，并且电磁阀将保持线圈通，断电时的动作直到线圈断，通电才改变。 2、本机需有人工操作的配合，其中校称、取料和扫描环节均为手动操作。考虑到人工环节的操作具有时间上的不固定性，所以在装置中设计了手动按钮来方便控制。这样既 可以防止人在操作时发生危险又可以给足人工操作的时间力求达到配料的精确。 nts 10 3、安全保护措施方面，设计急停按钮，无论系统处于任何工作状态，只要按下急停按下配料机立即定下所有动作。为防止电流过大串接热继电器，当有过大电流时继点器自动断开。 自动控制部分实现：原料桶转盘、集料桶转盘的启动与制动。原料的识别、开盖、封盖、称量、倒料、校称等，均由控制系统完成。 2.3 本章小结 本章对医药业的自动配料机的控制方式进行了确定，通过对比论证，选用 PLC进行控制。阐述了自动配料机的基本结构及其控制方式和工 作过程。为后续硬件和软件的设计打下了基础。 nts 11 第 3 章 硬件设计 3.1 器件选择 3.1.1 精确称量系统组成 精确称量系统有以下元件组成： 1、 条形码阅读器：用于扫描识别配方成份（如图 3.1）。 2、 称重设备：对所取配方成份精确称量，并能达到要求的称量精度。设计要求，称量精度为： 0.01g。 3、校称机构：为防止产生称量误差，每次操作后均需校称。 4、 料斗：类似秤盘的装置，盛装被称药料。 5、 倒料装置：称量合 格后，自动反转料斗，将药料倒入集料桶。 6、 支架体：安装、支撑以上组件。 图 3.1 条形码阅读器 精确称量系统工作原理为：当条码扫描确定为所需药用配料时，开盖汽缸自动打开原料桶盖后，由人工取料放于料斗内称重，当重量与规定要求一致时，操作人员按下控制按钮，由摆动汽缸推动料斗旋转，进而使料自动落入集料桶内。 3.1.2 称量及校称机构 1、 自动检测装置 所谓自动检测就是指采用条码扫描器简单快捷的识别出当前成分是否在配方成分之中，以便对其做出下一步处理。传统的配料方式是将配方和写 有药品名称的纸条粘贴于相应的储料桶上，然后根据上面写的内容依次分别抓取药品。这种做法首先在确定是否配方成分的同时就浪费了很多的时间。再者很容易被别人轻而易举地获取厂家的药品配方，没有任何商业机密可言。配方的丢失不但会给厂方带来重大的经济损失，nts 12 同时模仿者若不能理解配方真正含意，只是机械化模仿很可能会给社会带来更大的危害。鉴于此我们将一种商业用条形码贴在原料桶外表面，并将其号码及所需重量输入电脑中，从而来提高生产效率和商业的保密性。 考虑到自动控制配料机的工作环境，本设计选用 Merologic系列 条码扫描器中的 MSl690条码扫描器。由于此条形扫描器属于 PC机部分，所以不做赘述。 2、 高精度称重设备 高精度称取药品配方成份是本自动控制配料机的另一关键问题。对于制药行业来 说。配方比例要求较高，因为配比的错误，不但会影响疗效，甚至带来生命危险。传统的手工称重方法和称量装置，在精度上显然难以满足要求而且会造成重复取料和漏取某一成份的严重错误。 为消除上述缺点，在自动控制配料机上配备了高精度的电子天平。采用的是上海天普分析仪器有限公司生产的 JH2102电子精密天平。该天平具有以下特点： 精确度高 (可以 精确到 0.01克 )，在较差使用环境下亦可达到精密称量的要求。能去皮重。带有 RS232C接口，可将天平的称重传送到电脑等外部设施。技术参数见表 3.1。 表 3.1 JH2102 电子精密天平技术参数 选定上述两种设备，使其分别与 PC机的 RS232C接口相连接。首先将配方成份及各种成份的质量输入计算机，然后对各成份进行编码，将相应的标签粘贴于相 应的储料桶上。具体工作时用条码扫描器对储料桶上的条形码进行扫描，若是配方需要成份，则微机屏幕上会显示出所需成份的质量。操作者可根据屏幕上显示的数据使用电子天平进行称重。 3.1.3 各小器件介绍 输入设备：产生或者输入控制信号的装置。本自动控制配料机的输入设备有： 1、 转换开关：用于校称和配料两个工作状态的转换。 2、 手动启动 /急停按钮、称校上升 /下降按钮、倒料置位 /复位按钮。 控制按钮一般用作短时间的接通或断开小电流电路的开关。它由按钮帽、复位弹簧、桥式触点外壳等组成。按钮的颜色一般有红、绿、黑、黄、白 、蓝等，习惯上将红色作为停止按钮，绿色作为启动按钮。按钮的工作电压也是多样的，有交流的，也型号 JH2102 范围 0 2100g 精度 0.01g 尺寸 160rnm 输出接口 RS232C 外型尺寸 360mm230mm77mm nts 13 有直流的。 3、 限位开关：供料装置、储料装置是按照行程原则进行控制的，它的形成可达 36角对应的弧线长，所以设置了 36行程开关。 限位开关可以根据运动部件的位置来切换电路。工作时有挡块和限位开关的轮子或触杆相撞使限位开关的触点接通或断开，本设计选用的型号为 LX19它具有一个常开、一个常闭两个触点。 输出设备： PLC输出的指令信号所控制的电磁阀。 输出设备主要是与气缸相连的电磁阀主要有供料 /储料装置驱动气缸 电磁阀、开盖气缸电磁阀、倒料气缸电磁阀、校称气缸电磁阀。 本设计的电磁阀均选用二位四通阀，电磁阀的线圈通电则电磁阀置位，断电则复位，并且电磁阀将保持线圈通，断电时的动作直到线圈断，通电才改变。电磁阀（如图 3.2） 所示。 图 3.2 三位四通电磁阀 根据以上分析可知：输入点数为 17点，输出点数为 7点。 PLC的型号选择 该自动控制配料机的控制为纯开关量控制，而且所需的 I/O点数不多，因此选择一般的小型机即可。选择了 FX1N-40MR型 PLC，其主机 I/O点数为 24/16。其参数如表 3.2。 表 3.2 FX1N 参数 3.2 地址分配表 确定 I/O分配表，如表 3.3。 3.3 外部接线图 根据 I/O地址分配表，绘制外部接线图，见附录 A1。 型号 输入 /输出类型 输入点数 输出点数 FX1N-40MR001 继电器输入 /输出 24 16 nts 14 表 3.3 I/O分配表 输入点分配 输出点分配 输入点 输入开关名称 输出点 输出设备名称 X0 启动开关按钮 SB1 Y0 驱动供料装置电磁阀 X1 停止开关按钮 SB2 Y1 供料装置刹车电磁阀 X2 校称启动按钮 SB3 Y2 开盖电磁阀 X3 校称复位按钮 SB4 Y3 倒料电磁阀 X4 倒料按钮 SB5 Y4 储料装置电磁阀 X5 倒料复位按钮 SB6 Y5 储料装置刹车电磁阀 X6 36行程开关 SQ1 Y6 校称电磁阀 X7 供料装置气缸完全缩回限位开关 SQ2 X10 供料装置停止限位开关 SQ3 X11 倒料结束限位开关SQ4 X12 倒料缸完全缩回限位开关 SQ5 X13 储料装置刹车解除限位开关 SQ6 X14 36左右行程开关SQ7 X15 储料装置气缸完全缩回限位 开关 SQ8 X16 储料装置停止限位开关 SQ9 X17 物品检测光电开关 S X20 急停按钮 SB0 X21 转换开关 SA nts 15 3.4 控制面板 自动配料机控制面板（如图 3.3） 图 3.3 控制面板 3.5 本章小结 本章对 PLC的硬件进行设计，对其小器件进行了选型，通过系统的输入输出点数，及其工作环境对 PLC进行选型，选用了三菱 FX1N-40MR型 PLC。确定了 I/O分配表，通过 I/O分配表绘制出了系统外部接线图，并简单列出了控制面板。 nts 16 第 4章 软件设计 4.1 流程图 根据系统工作过程绘制流程图（如图 4.1） 图 4.1 流程图 nts 1