基于PLC的自动装药机的设计

基于PLC的自动装药机的设计摘要本设计是一台可以根据不同需求切换装药数量并进行计数和装瓶的自动装药机，本篇论文主要介绍了自动装药机的整体控制系统、工作流程、硬件系统设计和软件系统设计。本系统采用一台三菱FX2N系列PLC完成对自动装药机的整体控制，利用PLC的控制实现装药机的启动/停止，根据需求切换药粒数目和药瓶自动封盖等功能，同时能够实现实时显示装填药粒数目的功能。自动装药机主要分为四个机构：主传动机构、计数机构、药瓶传送机构和自动瓶盖封盖机构，并且通过这四个机构的联动实现存料、选料、计数、装瓶、封盖、送瓶等6个步骤，完成整个自动装药机的自动化控制。本次设计的自动装药机具有控制灵活、计数准确性高、可靠性好、控制线路简单、使用性强等特点，适用于大多数的自动装药作业。关键词：PLC,自动封盖，GMP，装药机，光电传感器PLC-basedAutomaticTabletbottlingmachinedesignAbstractThisdesigncanbeswitchedaccordingtodifferentneedsandcountthenumberofchargeandbottlingofprofessionalequipment,thispaperintroducestheautomaticloadingmachine'soveralldrugcontrolsystem,includingtheoverallworkflow,thehardwaresystemdesignandsoftwaresystemdesign.ThroughoutaMitsubishiFX2NSeriesPLCtocompletetheoverallmachineautomaticchargecontrol,theuseofPLCcontroltoachieveChargeMachinestart/stopswitchaccordingtodemandthenumberofdrugcapsules,vialsautomaticclosuresystemandotherfunctions,whileachievingreal-timeShowgrainsfillingdrugpurposefunctions.AutomaticChargeMachineismainlydividedintofour:Themaintransmissionmechanism,countingbodies,institutesandautomatictransmissionbottlecapscappingmechanism,andthroughthelinkageofthefouragenciestoachieveStores,choiceofmaterials,counting,bottling,cover,sendingbottlessixstepstocompletetheautomationofmachineautomaticchargecontrol.Thedesignofthemachinewithautomaticchargecontrolflexibility,countinghighaccuracy,reliability,controllines,easytouse,andothercharacteristics,suitableformostautomaticchargeoperation.Keywords:PLC,Automaticcapping,GMP,ChargeMachine,Photoelectricsensors目录25921第一章绪论 478531.1自动药片装瓶机的开展现状4139991.2自动装药机的研究目的及意义44103第二章自动装药机的整体构造654592.1控制系统整体结构6125792.2生产过程和要求631626第三章系统的硬件设计881963.1PLC简介8204713.2三菱PLC简介8119443.3主程序输入/输出点的分配8130323.4加料器的构成9167403.5光电计数器计数分析954573.6药瓶运送机构10230003.7药瓶自动封盖机构10222813.8自动装药机的硬件连接1123961第四章系统的软件设计12297484.1自动装药机的工作流程128804.2主程序1499254.3主程序详解15283734.4子程序187788第五章总结206256参考文献 2125718谢辞22第一章绪论随着我国制药行业的高速开展和可编程控制技术在各行各业的普遍应用，加之人民生活水平和健康养生意识的提高，在现今的医药行业，伴随着药品市场不断被拓宽，自动药片装瓶机作为PLC在制药行业自动化进程中的一大重要成功应用，越来越多的制药机械生产厂家开始竞相研制高性能的自动药片装瓶机，这更加促进了在此方面的技术水平的不断进步。1.1自动药片装瓶机的开展现状当前食品和医药行业生产平安问题频发，国家食品药品监督管理局在调查中发现了两大导致食品药品平安问题频繁发生的原因：首先是生产企业未按生产工艺要求进行生产，为节约本钱，采用各种存在平安隐患的原料和工艺；其次，在非采用GMP(药品生产质量管理标准)流水线的厂房进行生产。然而为了消除平安隐患，改变现有状况，就要从最初的生产环节入手，使用自动化作业，而自动化药片装瓶机的出现解决了其中的很多问题。在现今技术水平不断更新换代的制药机械制造行业，国内外各类装药机的型号五花八门，已经可以适应各种大颗粒，形状规那么的药粒的自动包装，而针对其他形状不规那么的药粒和药瓶的自动包装技术就较为缺乏了。而基于PLC的自动装药机由于直接控制电机的运转，实现了降低劳动量，节约本钱，并且提高生产效率的目的。1.2自动装药机的研究目的及意义在传统的手工装瓶中，由于工人和药品的直接接触，会导致人体受到药品的影响而产生疾病，同时也会对药品本身造成污染，无法保证药品的平安和卫生；其次，手工操作难以管理，容易产生生产事故，无法在保证生产要求的前提下扩大生产规模。然而通过采用自动药片装瓶机就可以解决以上的诸多问题，首先自动药片装瓶机隔绝了人与药片的直接接触，杜绝了药品的污染，保证了药品的质量；其次采用机械化的生产流程，使整个生产过程的管理变得高效有序，提高了工作效率，更加有利于企业今后的开展。由于传统的手工装瓶作业存在诸多问题，而这些问题根本上都能通过采用自动药片装瓶来防止和解决，这就进一步推动了自动药片装瓶机的普及和开展。第二章自动装药机的整体构造2.1控制系统整体结构根据自动装药机的控制功能要求，该设备控制系统的结构方案如图2.1所示。根据设计要求，该系统能够实现在友好的人机互动界面环境输入和修改所需的生产参数，在操作面板上，可以进行系统的启动/停止，急停以及所要装填的药粒数目修改等操作。各种操作经由PLC的处理转化为电动机的正/反转、电机转速的变化，实现主传动机构的运行，或者是将控制信号输入到继电器，驱动电磁阀动作。当系统故障时，故障信号可实时反应回PLC，经过PLC故障处理程序的处理，显示在人机交互界面上，同时反应控制信号，中断工作流程，激活报警灯和蜂鸣器。图2.1装瓶机控制系统框图2.2生产过程和要求自动装药机分为以下四个动作机构：主传动机构、计数机构、药瓶传送机构和自动瓶盖封盖机构。通过这四个机构的联动实现存料、选料、计数、装瓶、封盖、送瓶等6个步骤。在整个生产过程中主传动机构作为中枢环节，联通整个工作机构。药粒通过电振机从存料器中送入传料器，在离心力的作用下均匀的送至出料口，通过出料口处的光电检测器将药粒的数量信号送给PLC，从而实现药粒的自动装填，当药瓶按照预定的规格装满后，传送带在电机的驱动下完成药瓶的传递，并由自动封盖机完成瓶盖的封盖，完成整个装瓶流程。图2.2自动装药机结构示意图第三章系统的硬件设计本次设计采用三菱系列可编程控制器作为系统控制方式，具有电路结构简单，操作简便，系统报错，修参快速等特点，拥有稳定的运料装置，减少了故障发生率，使其更加平安可靠，适用于大规模生产作业。3.1PLC简介PLC〔ProgrammableLogicController〕，可编程逻辑控制器，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算操作的电子系统。采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。现在PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，具有平安可靠、抗扰性强、功能强大、操作简便、易上手、结构轻巧耐用、价格廉价等特点。3.2三菱PLC简介三菱电机公司20世纪80年代推出的F系列小型PLC在90年代初被Fl系列和F2系列取代，FI系列在我国曾经有很高的市场占有率。其后的FX2系列在硬件和软件功能上都有很大的提高，后来推出的FX0,FX0S,FX0N和FX2N等系列实现了微型化和多品种化，可以以满足不同用户的需要，F1系列和FX2系列早已属于淘汰产品，三菱电机现在的FX系列产品样本中仅有FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC这4个子系列，与过去的产品相比，在性能价格比上又有明显的提高。FX系列的适应面广,FX2N和FX2NC最多可以扩展到256个I／O点，并且有很强的网络通信功能，能够满足大多数要求较高的系统的需要，是国内使用最广泛的PLC系列产品。3.3主程序输入/输出点的分配本系统的控制程序采用日本三菱公司的FX2N-36MR可编程控制器，首先对PLC的输入/输出点进行分配，如表3.1。表3.1主程序输入/输出点的分配代号名称代号名称输入点X000启动/停止X00370片选择开关X00130片选择开关X004药瓶位置检测X00250片选择开关X005药粒检测开关输出点Y000译码器A端输入Y011出料电磁阀Y001译码器B端输入Y012电振机继电器Y002译码器C端输入Y01330片指示Y003译码器D端输入Y01450片指示Y004个位输入Y01570片指示Y005十位输入Y016错误指示Y010传送带继电器3.4加料器的构成加料器的任务是当传送带上的药瓶通过存料斗下方时,存料斗中的药粒能顺利进入药瓶,同时又必须保证每次只能落下一颗药粒,以实现准确计数。加料器由存料斗和控片部件构成,底板用螺钉安装在支架组件的侧面板上,存料斗固定于底板上,而实现控片以准确计数的部件采用转刷,它由转刷电机直接驱动。当传送带上的药瓶通过加料器下方时,由于转刷与传送带在接触区域的运行方向是相反的,这样就将药瓶上方多余的药粒阻挡住,从而保证计数的准确性。3.5光电计数器计数分析本系统采用的光电计数器可简化为如图3.2所示的药粒计数器模型，图中H为光电计数器到快门的距离，L为相邻药粒之间的最小距离，药粒从出料口到快门之间所需的时间为T1,快门从接到指令到关闭动作完成所需时间为T2，PLC的最长周期扫描延时时间为T3，由此可得快门从光电传感器接收到药粒通过信号到关闭的响应时间T的变化范围为:TMIN=T1+T2，TMAX=T1+T2+T3。从光电计数器的物理模型分析中可以得出，快门动作的准确性与选用的PLC的周期扫描速度有关，为了确保快门动作的准确性，选用的PLC的周期扫描速度越快越好。图3.2光电计数器模型3.6药瓶运送机构药瓶的运送经由传送带和其上的固定装置的带动，通过软件的控制和动作延时实现从运送药瓶至出料口、完成药粒的装瓶作业和运送药瓶至封盖机构的一系列动作。3.7药瓶自动封盖机构药瓶的自动封盖机构主要运用了液压升降系统和传感器系统的协同作业。当光电传感器感应到药瓶进入预定位置时，启动自动封盖系统，首先传动带上的药瓶紧固系统夹紧药瓶，使其无法随意转动，之后液压钳钳起瓶盖，按照预先设定的运行轨迹动作，盖上瓶盖，完成封盖作业。这种设计的药瓶自动封盖系统简单易行，通过几个光电传感器的协调，确保了封盖作业的准确性。3.8自动装药机的硬件连接按照设计要求和所选用的PLC型号，自动药片装瓶机的硬件连接图如图3.3所示。输入端连接包括：启动/停止按钮、三个药粒数目选择开关〔30粒、50粒、70粒〕、药瓶位置检测开关、药粒光电检测开关、输出端连接包括：电振机继电器、出料电磁阀、传送带电机驱动器、药粒规格显示。药粒显示采用锁存、译码、驱动三合一的CD4511芯片去驱动数码管，用动态扫描方式显示，2只CD4511芯片的数据输入端A、B、C、D共同占用PLC的四个输出端〔Y000、Y001、Y002、Y003〕，其中A为低位，D为高位，LE为锁存器使能端，LE为低电平时数据输入，个位、十位由PLC的输出端Y004、Y005分别控制。图3.3硬件连接图第四章系统的软件设计4.1自动装药机的工作流程整个生产流程以主传动机构为中枢，借此沟通整个控制系统和工作机构，药粒的计数作业、药瓶运送作业和自动封盖系统联动作业，保证整个系统以最短的运行周期流畅的运行。面对需求不同药粒数目的不同作业可以通过选择药粒数目选择开关自行选择，并显示在LED显示屏上，以方便生产人员明确生产目标，同时减少生产事故的发生几率。生产流程图如图4.1。4.1自动药片装瓶机的工作流程4.2主程序如图4.2所示，图中X001、X002、X003为三种药粒选择开关，按下启动/停止开关〔X000闭合启动〕，电振机运行开始运送药粒，同时传送带带动药瓶运动，当药瓶运动到出料口时停止，如果此时按下两个以上药粒规格开关那么错误指示灯亮；如按下单一药粒规格选择开关，出料口电磁阀通电，药粒装入药瓶中，同时计时器开始计数、显示器显示药粒数，当药粒装填完成后传送带继续运行，药瓶继续移动，系统开始循环；如果再次按下启动/停止开关〔X000断开〕，系统在完成此次装药程序后停止。图4.2主程序流程图4.3主程序详解当闭合系统开关X000的常闭触点时，采用手动操作，首先选择所需装填的药粒数量，如果按下每瓶装30片按钮X001，电磁阀翻开，装填作业开始，通过光电计数器对药粒数量，当药瓶内数量到达30片时电磁阀关闭，装填作业结束。如果按下每瓶装50片按钮X002，电磁阀翻开，装填作业开始，通过光电计数器对药粒数量，当药瓶内数量到达50片时电磁阀关闭，装填作业结束。如果按下每瓶装70片按钮X003，电磁阀翻开，装填作业开始，通过光电计数器对药粒数量，当药瓶内数量到达70片时电磁阀关闭，装填作业结束。按下手动皮带机驱动按钮，皮带机开始运转，5秒后停止，并在此过程中复位各个计数器，继续选择装药数量进行装药。当连通系统开关X000常开触点时，系统进入自动操作，S0步选择装填药粒数量，X001的常开触点接通时，跳到S20执行装填30片药粒的动作，Y0接通，电磁阀翻开，装填作业开始，30片指示灯亮起，启动药粒检测开关X005，光电式药粒计数器开始计数，当计数到达30片时，C0接通，电磁阀关闭，指示灯熄灭，停止装药，并且程序跳转至S23。当接通X002的常开触点时，程序跳转到S21，开始执行装填50片药粒的动作，Y000接通，电磁阀翻开，开始装药，50片指示灯亮起，启动药粒检测开关X005，光电式药粒计数器开始计数，当计数到达50片时，C1接通，电磁阀关闭，指示灯熄灭，停止装药，并且程序跳转至S23。当接通X003的常开触点时，程序跳转到S22，开始执行装填70片药粒的动作，Y000接通，电磁阀翻开，开始装药，50片指示灯亮起，启动药粒检测开关X005，光电式药粒计数器开始计数，当计数到达70片时，C2接通，电磁阀关闭，指示灯熄灭，停止装药，并且程序跳转至S23.当程序跳转至S23时，传送带运转，并且T0计时5秒，之后T0接通，程序跳转至S0,传送带运行动作结束，程序开始循环执行。4.3手动程序梯形图4.4自动程序梯形图4.4子程序使用梯形图完成对药粒数目的显示，通过BCD译码，如图4.6所示，Y4和Y5控制个位和十位的数据输入。BCD译码器将计数器C0中的药粒数目进行译码后输出至K4M0，首先将低4位输入个位LED显示器，之后将高4位输入十位LED显示器。图4.5子程序运行框图图4.子程序流程图图第五章总结本次设计的基于PLC的自动药片装瓶机根本上能够实现预期的任务目标，同时此系统具有良好的适应性和通用性。本次设计的控制系统将自动装瓶机的动作划分为以下5个局部：〔1〕药瓶的运送，(2)药粒的储存和运送，(3)瓶盖运送与封盖，〔4〕传送带的运转，(5)最终包装。不管是在处理数字信号还是模拟信号方面，PLC都能出色的完成任务，而且PLC的逻辑控制和对于需要依照时间顺序完成的动作的控制能力都相当强，因此非常适合应用于医药行业的自动装药机上。通过PLC可实现的一些自动控制动作包括：(1)由高精度电动机控制的精准的位置移动，〔2〕由电动机带动的其他部件的运动，〔3〕由液压系统实现的冲击动作和负载的位置移动，〔4〕利用PLC分析传感器收集的数据来实现各种动作。综上所述，本次设计的自动装药机只要通过增加一些机械结构，完善细节控制，就能够完成各类形状不规那么的药瓶和药粒的自动包装作业，从而此系统能够适用于大多数的自动药片装瓶作业。同时由于本控制系统的所有运行动作都是通过电动机、电磁阀等机械设备实现的，所以能够直观和精确的使用数字化的输入和输出量完成控制。而且由于PLC同样可以处理模拟量，所以此系统也适用于某些需要使用模拟量控制的控制系统。总而言之，此次设计的自动装药机具有良好的通用性和适应性。参考文献[1]王万丽,郝庆文.三菱系列PLC原理及应用[M].人民邮电出版社,2023.[2]周丽芳.三菱系列PLC快速入门与实践{M}.人民邮电出版社,2023.7.[3]李俊秀.可编程控制器应用技术[M].化学工业出版社,2005.[4]俞国亮.PLC原理与应用[M].清华大学出版社,2005.[5]廖