药品包装机控制系统设计

摘要医药行业中，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。我们针对国内医药企业对小药丸类高速全自动包装机的迫切需求，特设计该药品包装机控制系统来解决。本设计的控制系统采用西门子S7200控制，所完成的主要功能共分为5个，分别为送瓶，上螺纹，药品质量检测，药品装瓶计数、上盖和成品计数功能。利用PLC控制装瓶机、上螺纹机、上盖电机和控制皮带滚动的电机运行，实现了机器启动、停止、以及改变填装粒数的功能，并且系统能对药品的填装粒数和成品进行计数，从而实现了装瓶机运行的自动化功能。本设计的控制系统采用PLC为控制核心，其主要优点为运行稳定、可靠性高，而且PLC的编程简单、使用也很方便。PLC的体积小、重量轻，易于实现机电一体化。采用PLC控制使很多药品的包装变得简单便捷。关键词药品包装；PLC控制装瓶机；自动控制；自动装填ABSTRACTINTHEPHARMACEUTICALINDUSTRY,PHARMACEUTICALPACKAGINGMACHINERYPRODUCTVARIETY,DRUGSHAPE,NATURE,PACKAGINGREQUIREMENTSVARYWIDELY,ANDLARGEOUTPUTWEFOCUSEDONTHEDOMESTICPHARMACEUTICALCOMPANIESTOSMALLCLASSOFHIGHSPEEDAUTOMATICPACKINGMACHINEPILLSURGENTNEEDS,ESPECIALLYTHEDESIGNOFTHEPHARMACEUTICALPACKAGINGMACHINECONTROLSYSTEMTOSOLVEUSINGSIEMENSS7200CONTROLSYSTEMINTHISDESIGN,THEDESIREDFUNCTIONISDIVIDEDINTOFIVE,SENDBOTTLESRESPECTIVELY,ONTHETHREAD,DRUGQUALITYTESTING,PHARMACEUTICALBOTTLINGCOUNT,COVERANDFINISHEDCOUNTINGFUNCTIONUSINGPLCCONTROLBOTTLINGMACHINE,THREADINGMACHINEON,COVERTHEMOTORANDMOTORCONTROLBELTROLLINGOPERATION,TOACHIEVETHEMACHINESTARTING,STOPPING,ANDCHANGINGTHEFUNCTIONOFFILLINGGRAINS,ANDTHESYSTEMISCAPABLEOFDRUGSANDFINISHEDFILLINGGRAINSCOUNTINORDERTOACHIEVEABOTTLINGMACHINERUNNINGAUTOMATIONTHEDESIGNEDCONTROLSYSTEMUSINGPLCASTHECORECONTROL,THEMAINADVANTAGESOFSTABLEOPERATION,HIGHRELIABILITY,ANDTHEPLCPROGRAMMINGISSIMPLE,USEISALSOVERYCONVENIENTPLCISUSEDASTHECONECONTROLINTHISSYSTEMITHASMANYADVANTAGE,SUCHASSTABLEOPERATIONHRELIABILITY,SIMPLEPROGRAMMINGVERYCONVENIENTUSINGUSINGPLCMAKETHEDRUGPACKAGINGISMORESIMPLEANDCONVENIENTKEYWORDSPHARMACEUTICALPACKAGING；PLCCONTROLBOTTLEFILLINGMACHINE；THEAUTOMATICCONTROL；AUTOMATICFILLING目录第1章绪论111药品包装机控制系统的发展趋势112药品包装机控制系统的主要组成2第2章药品包装机控制系统的方案选择521系统要实现的功能和预期达到的目标522PLC的主要功能723PLC控制与继电器控制的比较724PLC控制与单片机控制的区别825PLC控制系统方案的优点9第3章系统硬件设计1131I/O分析1132PLC及扩展模块的选型1233I/O编址1534I/O地址分配1735传感器的选型18351光电传感器的选型18352接近开关的选型19353电感传感器的选型2036步进电机的选型2337步进电机驱动器的选择2538对药品计数和成品计数的显示2839电磁阀的选型30310频率发生器选型31第4章控制系统软件设计3241整体流程图3242上螺纹模块流程图3343药品检测模块流程图3444装药模块流程图3545各模块皮带控制流程图3646人机界面37第5章结论42参考文献44致谢46附录I47附录56附录57第1章绪论11药品包装机控制系统的发展趋势医药行业中，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，自动装瓶机种类众多，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。本文介绍超小颗粒药丸直径1416MM与超小瓶瓶口内径约3MM，瓶盖为T字形，塞口直径约32MM，盖顶直径约6MM，压盖式塞入瓶口的自动装瓶机。目前国内外类似功能的设备还比较少见。我们针对国内医药企业对这类小药丸高速全自动包装机的迫切需求，自主开发了该装瓶机。制药包装机械是通用包装机械中技术含量和要求较高的一个分支。由于制药装备是GMP硬件的重要部分，自从我国推出GMP强制认证制度以来，各地药厂纷纷加快了技术改造步伐，生产设备的大幅度更新为制药行业的上游产业制药机械行业带来了利好形势，大量的生产线改造为制药机械企业带来了巨大的市场。如长沙正中药机厂引进开发的安瓿（水针）系列联动机组，就结束了我国沿用几十年的单机生产历史。几经改进后，该产品累计销售了600多条生产线，还出口到了巴西、俄罗斯、巴基斯坦、伊朗等近20个国家。当然从整体而言，目前我国大多数据技术较为先进的包装机械的研发还处在仿制阶级，独立开发的能力还十分有限。为此，不少国外大企业将自己的技术和部件引入中国，在本土加工，从而降低了成本，与本土产品展开了激烈的竞争。有资料显示，早在2003年，全球药品包装市场就达112亿美元，年均增长近5，2006年估计已突破130亿美元。美国、日本、英国、德国、法国和意大利占据世界药品包装行业的最大市场份额，而中国则是增长最快的国家。依照近年来中国医药工业的发展速度，药包材年生产总值将在短期内迅速突破200亿元人民币。目前，我国药品包装行业的年产值大约为150亿人民币，年增长速度超过10。但仅能满足国内制药企业80左右的需求，包装材料对医药行业的贡献率也偏低。在发达国家，包装占据了药品价值的30，然而在中国，这个数值低于10。我国包装机械要满足制药行业快速发展的需求，并积极参与国际竞争，就必须打破“小而散”的行业态势，在“高精尖”的方向上不断前进。业内人士认为，未来包装业将配合产业自动化趋势，在技术发展上朝着机械功能多元化，结构设计标准化、模组化，控制智能化，结构高精度化等几个方向发展。包装系统高度自动化的国内药厂的大部分包装工作，特别是较复杂的包装物品的排列、装配等工作基本上是人工操作，难以保证包装的统一和稳定，可能造成对被包装产品的污染。有些药厂即使使用包装机械，也只是应用在整个包装链的某个环节上，例如前段包装采用机械包装，而后段包装则采用人工。因此，提高整个包装链的自动化水平和质量水平，是现代化制药企业推行GMP规范非常重要的一环。真正的现代化包装机械的每个机械手均应由电脑控制，并具有对材质及厚度的高分辨能力。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，能适应多种包装材料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”包装又能进行“铝铝”包装，且要求切换简单，所需更换的模具少。而目前，更换模具的时间一般在12个小时，如此长的时间无法适应多品种小批量的生产要求。结构设计标准模块化对于传统的工业设计来说，如果想要推出一个新机型，需要进行大量繁重的工作，还要靠新设备收回高昂的设计成本，从而拉高了新机型的价格。未来的设计应采用标准化、模块化的设计理念，能够充分利用原有机型的模块化设计，可以在短时间内将之转换成新机型，把新机型的价格控制在比较合理的范围内。控制功能智能化控制系统是机械设备的大脑，也是下达动作指令的核心装置。目前，药品包装机械生产厂家普遍使用可编程控制器（PLC控制器），这种设备不具有工业电脑（PC）所拥有的强大功能。对于多数传统机械控制设备来说，采用PLC是适当的，因为需要控制参数的数量有限，很多地方仍然采用机械方式控制，例如，扭矩控制就是利用机械离合器来对电机进行过载保护的。然而，随着设备自动化程度的提高，计算机控制设备越来越多，应用到设备上的各种传感部件、检测部件、控制部件、执行元件的数量非常庞大，此时PLC就无法对如此众多的参数进行管理和控制了，而工业PC将是最好的选择。12药品包装机控制系统的主要组成1主传动模块主传动动力传递为步进电机传动链主传动模块的主传动轴位于送瓶、上螺纹、上盖模块下传动轴上两端的主链轮通过传动链带动另一头的被动链轮和被动轴位于供瓶模块下。两条传动链等间距平行放置用于装瓶的模具放置药瓶。由于是超小药瓶和超小药丸的自动包装，生产对于主传动要求较高。需要保证装瓶模具的等间距、模具间的平行度以及每次主传动停止时模具位置的重复精度03MM。模具的等间距和平行度可根据链条上的放置位置进行控制。通过软件中设定脉冲数来保证传动链每步前进距离足够小，进而保证能够通过软件控制脉冲数控制模具的位置；对于主传动的停止位置精度和重复精度的控制，在软件上采用双保险方式。首先，设计闭环控制系统，使用重复精度极好的接近传感器感应位于模具上的定位金属，发出脉冲至PLC，PLC发出停止输出脉冲至电机，传动链停止。这样，每次模具停止的位置即为定位金属块被感测到的位置，只要保证定位金属块在模具上的位置精度即可。实际生产表明，使用面积为接近传感器感测头面积三分之一的定位金属块，传感器测量距离约1MM时，每次模具停止时的位置重复精度完全满足03MM的要求。2数粒模块对大颗粒、形状规则的药丸，自动数粒多用数粒圆盘。本自动包装机也应用类似方式。数粒圆盘孔径为15MM，每个圆孔只能容纳一粒药粒，落入圆孔的药粒被带出并最终落入药瓶。为满足能够调节数粒粒数的要求，设计有两种方案。1设计闭环控制系统，由链传动和步进电机带动的数粒圆盘开有24个孔，即每转动15度数出一粒。在转动轴上加装编码器，在PLC中设定旋转角度到达某一度数时，停止向电机输出脉冲。若需改变每瓶所装药粒粒数，则换算成圆盘转动角度后，在PLC中设定有关参数即可。该方案对于转动的位置精度要求不高，容易实现。2将传感器加装于转动轴上，在对应数粒圆盘的开孔位置放置定位金属块平头螺钉即可，使用接近传感器感应通过的金属块，传回脉冲至PLC，PLC通过计数器功能确定累加的脉冲数也即数粒粒数，当到达设定的数目时停止输出脉冲至步进电机。该方案对定位金属块位置精度要求不高，也容易实现。实际生产表明，两种控制方案都能准确确定数粒粒数，并容易调节。3供瓶模块供瓶模块的动作由3组气缸配合完成，控制软件中设定好联动顺序以及动作间的延时即可。4供盖封盖模块供盖封盖模块中，机械方案要求两组气缸被步进电机带动，先来到已排序的瓶盖上方，气缸动作后钳起瓶盖，再由步进电机带动至装有瓶子和药粒的模具上方，气缸组动作，塞上瓶盖。由于瓶盖和瓶子尺寸超小，电机带动气缸组的停止，位置精度同样有很高要求03MM。对于实现瓶盖上方的位置精度，使用接近开关方案。将限位块调试至合适位置，软件上给出步进电机有一定余量的脉冲数，气缸组自然会停止在限位块处。此方案成本低，易实现。对于实现瓶子上方的位置精度，使用同主传动模块一致的方案接近传感器感应模具上的定位金属块，并在软件上设置合适的脉冲数以求双保险。与主传动中使用的完全一样的接近传感器固定在气缸组上，并保证其感测头与定位金属块距离为1MM。实际生产表明，该套方案能够保证超小瓶盖准确塞入超小药瓶。5其他说明该装瓶机所有气缸使用导杆气缸，保证气缸动作直线度和径向载荷承受能力，保证感测金属的重复精度。PLC用到的命令有计数、延时、高速脉冲输出、中断、脉冲输出等。第2章药品包装机控制系统的方案选择21系统要实现的功能和预期达到的目标系统为了实现所希望达到的功能共分为5个模块，分别为送瓶模块，上螺纹模块，药品质量检测模块，药品装瓶计数、上盖模块和成品计数模块。送瓶模块主要有电感传感器检测药瓶的长宽是否合格，如果不合格则传感器向PLC发出信号，再有PLC控制将废品送入废料箱；上螺纹模块是由光电传感器测量物位，当瓶子到达指定位置时，光电传感器向PLC发出信号，PLC控制皮带停止，机器开始上螺纹，然后再由电感传感器检测药瓶的长宽是否合格，如果不合格则传感器向PLC发出信号，再有PLC控制将废品送入废料箱；药品质量检测模块主要由电感传感器检测药品的长宽，如果不合格则传感器向PLC发出信号，再有PLC控制将废品送入废料箱；药品装瓶计数、上盖模块要由光电传感器进行计数，和检测物位，当药瓶到达指定装药位置时，PLC控制皮带停止开始装药，当到达指定计数量时，停止向外装药，一段时间后电机启动皮带运行，当到达上盖位置时再次停止，上盖；成品计数模块由光电传感器完成计数即可。图21工艺流程图在为了达到预期的功能还应该注意以下几点1送瓶与各工作机构的协调控制送瓶与分装、塞纸、旋盖各工作机构之间的协调是该机自动高效工作的关键。一方面,送瓶与分装、塞纸、上盖工作要保证是交替进行。为此,在分配轴上设计一带缺口的光电盘,利用SHSO2DZPA型光电传感器对该缺口进行检测。光电开关的接通与断开信号被送入PLC控制系统,即可作为步进电机的起步信号和封锁信号,而非缺口部分对应于分装等机构的工作时间。如此,便可保证送瓶与分装、上盖机构协调工作。另一方面,当装瓶等机构的工作速度调整后,送瓶的速度要随之改变。解决这一问题的方法可通过PLC控制系统根据输入的生产率或分装速度来控制步进电机,使其以相应的转速驱动送瓶履带。2计数检测控制计数装瓶机构是整个供料数粒、装瓶装置的核心部分,主要包括上下旋转电磁铁、SHSO2DZPA型光电传感器和计数下料溜道。上电磁铁控制药物进入计数通道称其为数粒电磁铁光电传感器用于计数,可与控制系统计数模块相联下电磁铁控制药物进入装瓶通道称其为分装电磁铁。上下电磁铁的正反向旋转动作均由PLC控制系统根据计数模块和有关装置的信号加以控制,从而完成进料计数装瓶的循环工作。3缺瓶检测控制为实现缺瓶不装、不塞纸、不旋盖,在各工位上设置SHSO2DZPA型光电传感器用作缺瓶检测无瓶时,控制系统将不会使计数装瓶机构的旋转电磁铁动作同样,当检测到塞纸或旋盖工位无瓶时,通过控制系统使带动塞纸或旋盖机构工作的电磁离合器脱开。如此便能达到无瓶不动作的目的。而要恢复正常工作状态,必须满足两个条件一是分配轴正好转到控制系统获取缺瓶信号并使相应执行元件动作的瞬间位置,如离合器脱开时的位置二是工位上有瓶。为此,在分配轴上设有开360个小孔的光孔盘,通过SHSO2DZPA型光电传感器和计数器,以检测和控制相应机构恢复正常状态,使各执行机构工作协调。4缺料检测机器自动工作过程中,供药振荡器、送纸辊筒、上盖部分中不可缺药、缺纸、缺瓶盖,为此,分别选用SHSO2DZPA型光电传感器进行检测,一旦检测到无料,则将信号传给PLC控制系统,使机器停止工作。5成品计数检测为掌握实际生产情况,在联动机出瓶部位,设置SHSO2DZPA型光电传感器用以检测已完成旋盖工作的成品,并进行计数显示。22PLC的主要功能PLC经过多年在工业领域的运用后,按其功能,它主要应用在以下几个方面1数据处理PLC是具有微处理器的一种智能电子产品,它具有数值运算、数据比较、数制转换、以及数据传输通信等功能。2逻辑控制PLC具有逻辑运算功能,可实现多种通断控制。3定时控制由于PLC为用户提供了很多计时器,且时间设定值可由用户程序设定修改,所以有很强的定时功能。4计数功能同时PLC为用户提供了很多的计数器,也可通过软件进行计数值的设定。5顺序控制可依据生产加工过程,实现定位输出、顺序启动等控制。6通信联网可以对调节器、变频器等实现远程控制。也可与其它PLC或计算机之间进行数据传输通信,构成“集中管理分散控制”的分布式控制系统。23PLC控制与继电器控制的比较1逻辑控制继电器控制是利用各电器件机械触点的串、并联组合成逻辑控制。采用硬线连接,连线多而复杂,对今后的逻辑修改、增加功能很困难。而PLC中逻辑控制是以程序的方式存储在内存当中,改变程序,便可改变逻辑。连线少、体积小、方便可靠。2控制速度依靠机械触点的吸合动作来完成控制的继电器控制系统,工作频率低,工作速度慢。而PLC由于采用程序指令控制半导体电路来实现控制,稳定、可靠,运行速度大大提高了。3顺序控制继电器控制是利用时间继电器的滞后动作来完成时间上的顺序控制。时间继电器内部的机械结构易受环境温度和湿度变化的影响,造成定时的精度不高。在PLC内部是由半导体电路组成的定时器以及由晶体振荡器产生的时钟脉冲计时,定时精度高。使用者根据需要,定时值在程序中便可设置,灵活性大,定时时间不受环境影响。4灵活性可扩展性继电器系统安装后,受电器设备触点数目的有限性和连线复杂等原因的影响,系统在今后的灵活性、扩展性很差。而PLC有专用的输人和输出模块,理论上连接可以无穷多。连线少,灵活性可扩展性好。5计数功能继电器控制可实现逻辑功能,但不具备计数的功能。PLC内部有特定的计数器,可实现对生产设备的步进控制。可靠性和可维护性继电器控制使用大量的机械触点,触点在开闭时会产生电弧,造成损伤并伴有机械磨损,使用寿命短,运行可靠性差,不易维护。而PLC采用微电子技术,内部的开关动作均由无触点的半导体电路来完成。体积小,寿命长,可靠性高,并且能够随时显示给操作人员,及时监视控制程序的执行状况,为现场调试和维护提供便利。24PLC控制与单片机控制的区别1PLC是建立在单片机之上的产品，单片机是一种集成电路，两者不具有可比性。2单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。3不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。这正是PLC获得广泛应用的基础。而单片机应用系统则是八仙过海，各显神通，功能千差万别，质量参差不齐，学习、使用和维护都很困难。最后，从工程的角度从工程的角度从工程的角度对PLC与单片机系统的选用进行分析1对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，手尾少，但成本较高。2对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。25PLC控制系统方案的优点鉴于可编程控制器（PLC）由于其种种优点，成为目前在工业系统中使用最多的控制方式。所以本系统选用PLC为核心控制。PLC控制系统本身的特点如下1运行稳定、可靠性高，由于采取了一系列的保证PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间一般可达到3到5万小时，且能在各种工业环境下运行。2编程简单、方便使用，PLC采用面向过程、面向的问题“自然语言”编程，如梯形图语言编程方式非常直观、易懂易编，容易推广使用。3功能强大、现代PLC不仅具有条件控制、计数、定时、步进、跳转、移位等功能，还能完成A/D,D/A转换、数字运算和数据处理以及通信网络，生产过程监控等功能。4硬件配置、安装、使用和维护都很简单方便，PLC的接线只需将输入设备和其输入端子相连，将输出设备与其输出端子相连，十分方便。PLC上有I/O指示灯，那个I/O元件有故障，一目了然。5体积小、重量轻，易于实现机电一体化，PLC结构紧凑、坚固耐用、体积小巧并具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成为机电一体化十分理想的控制设备。药品包装机控制系统采用已在工业控制各个领域广泛应用的可编程控制器因为PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能齐全、适用性强、易于编程、维修及使用方便等特点。将PLC技术应用于医药生产包装的自动控制系统，使装瓶机实现从散装的瓶、盖、药粒的装瓶到封盖的全自动化。以下主要介绍系统硬件结构的组成。图22系统的整体框图根据自动装瓶机的控制功能要求，该设备控制系统的结构方案如上图22所示。整个控制系统可在友好的人机界面环境下输入生产参数，包括主传动步进电人机界面操作版面接近开关PLC步进驱动器步进驱动器步进驱动器继电器继电器步进电机步进电机步进电机电磁阀频率发生器传动机构数粒机构供盖机构气动执行供料机构机转速、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。第3章系统硬件设计31I/O分析本系统定每瓶药片数为15、20、25、30包装系统，需要输入端口的有4个电机开关、4种药量调控开关、上螺纹机开关、计数电机开关、送药电机开关、1号光电传感器、2号光电传感器、3号电感传感器、3号光电传感器、计数光电传感器、4号光电传感器、7个三相电机、1号电感传感器模、2号电感传感器模和共有输入量22个，其中数字量输入有20个，模拟量输入有2个。而需要输出端口的量都为4传送带对药品进行计数、4个传送带电机启动控制端、2传送带开始上螺纹、3传送带给瓶子上盖、开始送药、7个三相电机等28个数字量输出。如表31所示表31输入输出信号输入信号输出信号4个电机开关4种药量调控开关上螺纹机开关计数电机开关送药电机开关1号光电传感器2号光电传感器3号电感传感器3号光电传感器计数光电传感器1计数光电传感器24号光电传感器1号电感传感器模拟量4传送带对药品进行计数4个传送带电机启动控制端2传送带开始上螺纹3传送带给瓶上盖给药瓶送药7个三相电机2号电感传感器模拟量32PLC及扩展模块的选型根据输入/输出点确定，S7200可编程控制器是德国西门子公司验资的一种新型可编程控制器。它工作可靠，功能强，存储容量大，编程方便，输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈，抗干扰能力强。因此，能够满足系统对电气控制系统的要求。他可应用于各种自动化系统，紧凑的结构，低廉的成本，功能强大的指令集使得S7200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。PLC的CPU根据I/O需要选择拥有24点输入、16点输出的CPU226，PLC的如图31所示图31S7200为了能够满足系统对电气控制系统的要求。他可应用于各种自动化系统，紧凑的结构，低廉的成本，功能强大的指令集使得S7200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。PLC的CPU根据I/O需要选择拥有24点输入、16点输出的CPU226，PLC的外部接线图如图32所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE24JUN2013SHEETOFFILEI业业业业业业业业EXAMPLESMYDESIGN1DDBDRAWNBY24VDCCPU226220VAC1L00010203040506072L3L101112134L141516171M000102030405060710111213142M1516172021222324252627MLNL1ACV1220V图32PLCCPU226由于输入输出端是靠光电耦合的，电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他干扰，因此PLC具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。图中上端为输出端，下端为输入端，实际接线的时候作1L、2L、3L接到L1端，1M、2M接M端。通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的可以有内部供给。外部供给能提高PLC输出寿命。为使PLC避免受瞬间大电流的作用而损坏，输出端外部接线必须采用保护措施一是输入和输出公共端接熔断器；而是采用保护电路，对交流感性负载，一般用阻容吸收回路，对滞留负载用续流二极管。由于主机的I/O点数满足不了本系统的要求。这时候就要扩展I/O点数，由于本设计中没有用到特殊功能，所以扩展1块EM223就可以满足系统的要求。EM223有4点输入/4点输出、8点输入/8点输出、16点输入/16点输出。其如图33所示图33EM223本设计中选用了16点输入/16点输出的EM2236ES72231BL220XA0其外部输入输出和主机一样，也需要注意L端接到主机L端，M端接主机M端。输入电路的电源也可由外部供给，有的可以由内部供给。外部供给能提高输出继电器的寿命。其外部接线图如图34所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE18JUN2013SHEETOFFILEDPROTEL99SEEXAMPLESMYDESIGN1DDBDRAWNBYCPU226220VAC1L00010203040506072L3L101112134L141516171M000102030405060710111213142M1516172021222324252627MLNL1AC24VDCEM223ML1L0001020304052L06073L4L101112131415161700010203040506071011121314151617EM232MLGNDM0V0I0M1V1I1EM235MLGNDM0V0I0RAAARBBBRCCCRDDD图34EM223外部接线图由于主机的模拟量输入输出满足不了本系统的要求。这时候就要扩展，所以扩展1块EM235就可以满足系统的要求。图35为EM235的实物图。图35EM235下面图36和图37为EM232和EM235的外部接线图123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE18JUN2013SHEETOFFILEDPROTEL99SEEXAMPLESMYDESIGN1DDBDRAWNBYCPU226220VAC1L00010203040506072L3L101112134L141516171M000102030405060710111213142M1516172021222324252627MLNL1AC24VDCEM223ML1L0001020304052L06073L4L101112131415161700010203040506071011121314151617EM232MLGNDM0V0I0M1V1I1EM235MLGNDM0V0I0RAAARBBBRCCCRDDD图36EM23533I/O编址下面是主机与各个模块的连接图图38主机与各个模块连接图一块EM223主要的输出是连接湿度显示和对各路电机的启动和停止的控制等，两块EM232模块主要是弥补电路上模拟输出量的不足，主要连接个个电机的输出。两块EM235主要是弥补PLC的模拟量输入输出的不足，与其主要连接的有个个电机的模拟输入，两个测药瓶长宽的电感传感器的模拟量输入等。S7200系统所扩展对输入/输出的编址规则为1同类型的输入或输出点的模块进行顺序编址。2对于数字量，输入/输出映像寄存器的单位长度为8位，本模块高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块。主机CPU226模块1EM223DI16/D16模块2EM235AI4/AO13对于模拟量，输入/输出以2个字节递增方式来分配地址空间。表32各模块编址主机I/O模块1I/O模块2I/OI00Q00I30Q20AIW0AQW10I01Q01I31Q21AIW2I02Q02I32Q22AIW6I03Q03I33Q23AIW8I04Q04I34Q24I05Q05I35Q25I06Q06I36Q26I07Q07I37Q27I10Q10I40Q30I11Q11I41Q31I12Q12I42Q32I13Q13I43Q33I14Q14I44Q34I15Q15I45Q35I16Q16I46Q36I17Q17I47Q37I20I21I22I23I24I25I26I26I2734I/O地址分配PLC及扩展模块的CPU226主机提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，编址方法是同种类型的输入或输出点的模块在链中按主机的位置而递进，其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。共有21个数字量输入，30个数字量输出，9个模拟量输入，7个模拟量输出。对于本设计中没涉及到模拟模块的扩展，所以地址分配如表36所示表33I/O分配表序号名称符号输入点符号名称输出点11号电机开关S1I00HL11电机驱动器接口Q0022号电机开关S2I01HL21电机驱动器接口Q0133号电机开关S3I02HL31电机驱动器接口Q0244号电机开关S4I03HL42电机驱动器接口Q035药量调控开关1S4I03HL52电机驱动器接口Q046药量调控开关2S5I04HL62电机驱动器接口Q057药量调控开关3S6I05HL73电机驱动器接口Q068药量调控开关4S7I06HL83电机驱动器接口Q079送药机开关S8I07HL93电机驱动器接口Q1010上螺纹机开关S9I10HL104电机驱动器接口Q1111上盖电机开关S10I11HL114电机驱动器接口Q1212光电传感器1YA1I12HL124电机驱动器接口Q1313光电传感器2YA2I13HL135电机驱动器接口Q1414光电传感器3YA3I14HL145电机驱动器接口Q1515光电传感器4YA4I15HL155电机驱动器接口Q1616计数光电传感器1YA5I16HL166电机驱动器接口Q1717计数光电传感器2YA6I17HL176电机驱动器接口Q2018电感传感器SB1I20HL186电机驱动器接口Q2119硬件复位按钮SB2I21HL197电机驱动器接口Q2220故障信号SB3I22HL207电机驱动器接口Q23211号电感传感器SB4AIW14HL217电机驱动器接口Q24222号电感传感器SB5AIW16KM1开始上螺纹Q2523开始上盖Q2624开始送药Q2725药量调控1Q3026药量调控2Q3127药量调控3Q3228药量调控4Q33293035传感器的选型351光电传感器的选型在对药片进行计数时，不断地遮挡光源到光电传感器的光路，使光电脉冲电路产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次，光电传感器电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目，该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。光电传感器选用SHSO2DZPA，如图33所示图39SHSO2DZPA主要技术参数额定工作电压VAC20250V额定工作电流MA3A额定检测距离M510M输出形式触点输出响应时间MS3MS重复精度03MM连接方式引线工作环境温度2555外壳材料ABS防护等级IP65并且应用该种光电传感器还具有以下优点1、检测距离长如果在对射型中保留10M以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法远距离检测。2、对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃塑料木材液体等几乎所有物体进行检测。3、响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。352接近开关的选型图310M65T远距离接近开关下面为M65T远距离接近开关的性能指标安装方式埋入式非埋入式检测距离1/2/3MM2/4/6MM外形规格M6540输出方式NPN/PNPNO/NC电源电压1030VDC开关频率2KHZ/2KHZ/1KHZ开关点偏移10迟滞范围120重复误差3负荷电流100MA残留电压25V消耗电流10MA保护回路浪涌,逆极性保护输出指示红色LED环境温度2570环境湿度3595防护等级IP67下图为光电传感器与PLC的外部接线图图311光电传感器外部接线图353电感传感器的选型在检测药片大小是否出现不合格的产品时就与要用到电感传感器QLGK2如图34所示图312QLGK2主要技术参数额定工作电压VAC20250V123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE18JUN2013SHEETOFFILEDPROTEL99SEEXAMPLESMYDESIGN1DDBDRAWNBYCPU226220VAC1L00010203040506072L3L101112134L141516171M000102030405060710111213142M1516172021222324252627MLNL1AC24V业业业业业1业业业业业2业业业业业3业业业业业4业业业业业业业业业业业业额定工作电流MA400MA额定检测距离MM2MM/4MM输出形式触点输出最高工作频率HZ25HZ连接方式引线工作环境温度2070外壳材料黄铜镀铬防护等级IP67该传感器电感式传感器具有以下特点1、结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。2、灵敏度和分辨力高，能测出001微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。3、线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达00501。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。对于电感式传感器，大家都不会陌生，是用于近距离定位金属物体的通用方式。因为主要是通过霍尔效应来完成检测，所以也称为霍尔传感器。其内部结构由两部分构成前端由缠绕着发射、接收线圈的铁芯构成检测部分；后端为电路部分，整体封装在塑料或金属外壳中。工作时，电磁铁芯部分发生交变磁场，对靠近的金属物体表面产生涡流效应，从而削弱LC震荡电路，放大电路部分分析电磁铁芯接收线圈的微弱LC震荡电路变化，并给予相应的输出。选择合适的传感器，会大幅提升设备运转的稳定性和可靠性，也最大的可能性减少传感器的失效或损毁，减少不必要的维护投入。汽车制造业在生产过程中，大量使用电感式传感器作为定位检测，如何针对此行业选择最适合的产品，显得尤为重要。根据本设计的要求需要对药瓶长宽进行检测，因此选用电感式位移传感器。图313为系统选用的电感式位移传感器，它的型号是SDV20。具体的技术参数如表31所示，符合设计要求。图313电感式位移传感器表31电感式位移传感器具体参数图314电感传感器接线图36步进电机的选型步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路。量程0200MM接线方式二线制输出输出420MA检测误差1MM工作电源交流220V10V工作温度10150典型应用机械、化工、自动化控制设备123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE18JUN2013SHEETOFFILEDPROTEL99SEEXAMPLESMYDESIGN1DDBDRAWNBYEM235MLGNDM0V0I0RAAARBBBRCCCRDDDR24V业业业业业24V将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1、一般步进电机的精度为步进角的35，且不累积。2、步进电机外表允许的最高温度。从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏8090度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。图315130MMHB系列三相步进电机130MMHB系列三相步进电机的各项基本参数步距角STEPANGLE12步距精度STEPACCURACY5温升TEMPERATURERISE80MAX环境温度AMBIENTTEMPERATURERANGE2050绝缘等级INSULATIONCLASSB绝缘电阻INSULATIONRESISTANCE500VDC100MMIN绝缘强度DIELECTRICSTRENGTH500VAC50HZ1MAMINUTE径向跳动RADIALRUNOUT0025MMMAX450G负载轴向间隙AXIALCLEARANCE03MMMAX450G负载适配驱动器（MATCHEDDRIVER）YK3HB3822AYK3HB3722MA表34130MMHB系列三相步进电机技术参数型号MODEL步距角STEPANGLEO机身长LENGTHLMM额定电流CURRENTA/PHASE保持转矩HOLDINGTORQUENM转动惯量ROTORINERTIAGCM2重量WEIGHTKG轴径SHAFTDIAMETERMM1303HB1804031807242670016241303HB2124032127283397018241303HB2454032457374124022241303HB2717031227175055780272437步进电机驱动器的选择步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的驱动器步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。图316YK3HB3822MA三相混合式步进电机驱动器YK3HB3822MA是基于大功率三相逆变驱动模块的三相混合式步进电机驱动器。驱动电压为AC160V250V，适配电流在120A以下、外径130MM150MM的各种型号的三相混合式步进电机。该驱动器内部采用类似伺服控制原理的电路，定位精度最高可达12000步/转。YK3HB3822MA驱动高速性能及力矩明显高于单管类驱动器，对50NM以上步进电机的驱动性能领先于国内通用步进电机驱动器。1高性能、低价格。2设有16档等角度恒力矩细分，最高分辨率12000步/转3最高反应频率可达200KPPS4步进脉冲停止超过15S时，线圈电流自动减到设定电流的一半5光电隔离信号输入/输出6驱动电流60A/相到120A/相分16档可调7单电源输入，电压范围AC160V250VYK3HB3822MA驱动器输入信号波形时序图如下图317YK3HB3822MA驱动器输入信号波形时序图所有输入信号均通过光电隔离，为确保内置高速光耦可靠导通，要求提供控制信号的电流驱动能力至少15MA。驱动器内部已串入光耦限流电阻，当输入信号电压高于5V时，可根据需要外串电阻R进行限流。限流电阻R的阻值选取当控制器/执行器信号输出电平为5V时不用串电阻；12V时1/4W，8001000；24V时1/4W，182,2K。下面为YK3HB3822MA的电流设定和YK3HB3822MA的细分设定表35YK3HB3822MA电流设定参数YK3HB3822MA电流设定运行电流（A）6080100120I1OFFOFFONONI2OFFONOFFON表36YK3HB3822MA电流设定参数YK3HB3822MA细分设定细分数4005006008001000120015001600S1OFFOFFONOFFONOFFONONS2OFFOFFOFFONONOFFOFFOFFS3OFFONONONONOFFOFFOFFS4OFFOFFOFFOFFOFFONONOFF细分数2000240030003200400060001200012800S1OFFONOFFOFFONOFFONONS2ONONOFFONOFFONONONS3OFFOFFONOFFONONONOFFS4ONONONOFFONONONOFFYK3HB3822MA拨码设定示意图图318YK3HB3822MA拨码设定示意YK3HB38