【《基于PLC全自动药品包装机系统设计》7200字（论文）】

基于PLC全自动药品包装机系统设计摘要现代社会对物品的包装要求越来越高，药品亦是如此，药品包装机对提高产品质量、提升生产效率、保障操作安全性、加强系统的稳定性有极大的改善。出于全自动药品包装机控制系统的稳定性、安全性、灵活性的考虑。设计一种基于S7-200PLC为核心控制系统的药品包装机。本设计对药品包装机的工作原理、控制要求和工作流程进行了详细分析，从PLC的选型、接线等硬件设计和控制系统的流程图、梯形图等软件设计、组态软件模拟仿真等方面进行了详细的介绍。全自动药品包装机控制系统的建立，可以减少人工成本和生产成本、降低劳动强度、缩短维护时间、节约能源。同时可以改善控制系统的可靠性、准确性，并为改进设备生产工艺和技术提供便利，具有很好的经济效益和社会效益。关键词：包装机；袋成型；PLC目录TOC\o"1-2"\h\u132651绪论 绪论1.1课题研究背景及意义我国包装机发展较晚，20世纪90年代中国首台自动药品包装机亮相[1]，随着社会的改革和发展，市场不断扩大，药品包装市场需求也不停激增，上世纪九十年代后，通过去欧美日发达国家参观，考察国外先进产品，引进最新技术，通过自身对其产品技术的研究、消化、吸收并进行自主开发、设计、仿制。我国在药品包装机器生产技术上有了极大的提高，自动化程度也有了长足的进步。尤其是在产品的功能、生产的方式、控制的精度、产品的质量等方面有显著的变化。目前，我国的绝大部分的医药包装产品，达不到其他发达国家上个世纪七八十年代的水平，在美国、德国、日本等一些发达国家，药品价值很大部分看药品包装，其比例约为25%，我国的比例比较低，还不足15%。国内的医药包装企业的设备与国外设备差距较小，但软件环境差距较大。造成这种差距形成主要原因有：一方面是我国制药行业的整体水平比较落后，生产技术相对比较落后导致相关的医药企业的发展较慢，虽然我国的医药企业数量比较多，但是生产规模小，重复比例高，往往同一款药品有很多企业生产，与此同时企业的管理能力差，生产效率低。另一方面医院是医药产品销售的主体，绝大部分药品只在医院出售，只有少部分药品通过药店销售，这就制约了医药企业在包装技术上的改进，药品包装一成不变，很难推陈出新。从业人员的缺乏高端人才，也限制着医药包装行业的进步与发展，医药企业的大部分包装工作是由人工操作，尤其是一些较复杂的药品的分类、排序、添加等工作，众多的操作人员使药品包装工作缺乏统一和稳定。一部分的医药企业即使使用包装机器，也仅运用在部分环节上而不是完整包装链。随着时代的发展，人们的生活水平得到了极大提高，精神和观念也得到了极大的解放，人们越来越重视包装的质量和品种类型，因此人民群众对药品包装提出了新的想法，不在满足于简单的包装和设计，同时出于安全和健康方面的考虑，全自动药品包装成为大势所趋，假如药品还一如既往的采用工人手工进行包装，是不能满足人们在卫生方面的需求，并且工人手工进行包装劳动强度大、速度缓慢、不可控因素较多、产品的质量不能保证，生产效率也存在一定问题，不符合经济社会发展的需要。所以这就给全自动药品自动包装机的发展带来了契机，需要用设备替代完成这些工作[2]。包装机械是包装行业现代化生产方式的标志，也是包装工业具备的基本设备，是药品生产过程中不可或缺的关键，包装机械是产品包装实现现代化、机械化、智能化、自动化的根本保证。药品包装机作为包装机械的代表之一，它在药品包装生产方面可以极大地提高生产质量和效率，保护环境节约原材料降低生产成本，改善劳动环境降低劳动强度，对提高包装产品意义非凡，先进的包装机还具备以下优势：产品包装的外形统一整齐美观、计量精度高、封口严密等优点。一个优秀的药品包装机不仅能提高产品包装的质量的同时还借此提升产品的保质期，这可以使产品的经济效益最大化，为产品的流通提供了方便。药品包装的好坏程度，直接关系到医药产品的质量和价值。所以，全自动药品包装机的研究意义深远[3]。1.2国内外研究现状在经济全球化的推动下，许多实力强大的药品企业都开始注重药品包装机的研发与使用，这种现象不仅出现我国内，其他国家也是如此[4]。由于发达国家比发展中国家工业技术领先，所以就形成了发展不平衡的状态REF_Ref1277\r\h。一些发达国家在自动化控制系统技术已经非常成熟，就像德国、美国、日本这些老牌发达国家的在药品自动包装的技术水平领先其他任何一个国家。德国工业技术领先全球，是当之无愧的工业机械强国，包装业发展较为领先，是药品包装机最大的出口国。上世纪八九十年代美国就已经开始对药品包装进行研究。其主要的研究方向是机电一体化控制和计算机及机械设备的研究，其中机电一体化自动控制研究投入最大，如今美国的生产数量以及包装机的种类都排在世界前列。日本在这个行业中发展也是领先其他国家的，日本主要是一些中小型药品包装机。其生产的药品包装机自动化水平高、产品轻小便于安装维护。国外对药品包装机的研究特点主要分为以下几点:（1）在控制系统领域：实现产品的高效智能化[5]。可以利用智能机器设备，实现生产过程的显示并且完成控制，同时包装机器也可以对自身故障进行检查和报警。（2）在运行的速度领域：随着PLC技术的不断成熟，在药品包装机领域的应用也逐渐扩大。PLC技术与其他机器设备结合运用于药品包装中,能够有效的控制各类机械动作,让整个机器设备无论是在控制精度还是运动速度精度都有了明显提升。（3）在自动化程度领域：美欧日发达国家中的企业将诸多的高新技术应用于包装系统中，提高包装机械的自动化程度，实现无人操作。同国外包装水平相比，我国包装技术仍存在很多问题:（1）产品性能有待提高。由于我国的工业化体系还不完善，对于一些先进的机器设备还需要进口，机械水平较低所生产设备的功能单一，还不能满足各种规格产品的包装需求[6]。（2）包装技术水平低。我国从事药品包装的企业较少，生产的产品达不到国际标准，国际市场份额很少，尤其是高端产品几乎没有。我国在药品包装机行业普遍存在的问题是:药品包装机的技术比较落后，产品质量较差，成本较高，在包装机的研发投入上达不到发达国家一半，无论在产品质量上还是研发能力上等多方面都没有优势。2系统总体设计2.1基于PLC的全自动药品包装机生产工艺概述全自动药品包装机是具有供膜、装料、封膜、切断袋膜、产品计数、打印日期、装箱等功能的设备[7]。设备工作原理是REF_Ref2055\r\h：首先把薄膜固定在合适的位置上，薄膜由传送带带动前进，当其运行到物料桶下时传感器获得信号，这时漏斗处的传感器完成物料的检测，由电控系统自动控制上料机的启停，使物料通过下料筒流入袋膜，物料充填完成后，在封膜机内部进行封膜，当完成封装的药品通过打印器时，可自动打印上生产日期，包装流程完成以后进行计数装箱。其系统工作原理如图2：图2工作原理药品包装机控制系统的输入信号有：膜检测、物料检测、封装检测、打印日期检测、位置检测等。控制系统的输出信号有：传送带电机、物料电动机、封膜加热管、打印电磁阀、产品计数器、自动装箱机等。2.2控制系统的选择与运行方式药品包装控制系统分为供膜模块、供料模块、封膜模块、日期打印模块、计数模块、装箱系统等。这些模块中封膜部分要涉及控制封膜刀温度的变化、纵向封膜运动、横向封膜运动，药品的封膜工作完成以后，要用封膜刀的动作，将药品的包装膜切断。高强度工作模式下，相对于PLC控制，传统继电器的部分动作缺乏精准度，所以综合考虑选用PLC控制是最优选择[8]。其具有稳定、精确、灵活、快捷等诸多优势，在控制系统中，通过各种传感器收集信号，利用PLC这一工具去控制执行机构的工作方式。全自动药品包装机控制系统的核心是PLC。需要用光电、电容和温度传感器收集系统的各种信号以便进行更准确的判断和控制，如系统中膜信号、位置信号、打印信号、计数信号、封膜刀温度信号。为了系统和传感器稳定运行选用一个24V电源为其供电。同时选用热继电器防止电路过载。系统运行方式：当按下启动按钮，系统才能够运行，完成其设定的工作，当按下复位按钮，系统回到初始位置，等待进一步操作指令。设备在实际工作状态下，考虑到各种情况的发生因此为系统设计了三种停止方式，分别是正常停止、暂时停止和紧急停止以此保障系统的安全性，又考虑到控制系统的自动化程度，药品包装机系统的采用循环的工作方式，设备的停止应在收到操作人员的命令或者设备发生故障。另外系统完成预设定的任务也可以正常停止工作[9]。3系统的硬件设计3.1可编程逻辑控制器3.1.1可编程控制器介绍可编程序控制器出现之前的工业领域一直是由传统继电器实现控制，它占据了工业领域的主导地位，这种由传统继电器构成的复杂控制系统，有着体积庞大、可靠性能差、资源消耗大、使用寿命较短、系统运行速度较慢、系统适应性更差等明显的短板，同时又缺乏灵活性，生产任务变化就需要重新设计并改变硬件结构，严重的浪费资源和时间影响生产效率，随着计算机技术的发展，微型处理器的应用，可编程控制器的技术不断发展和完善，功能也强大了起来，延伸出了更多新型的功能。1980年美国电气制造商协会NEMA对其下的定义：可编程控制器是一种数字式的电子装置，它使用可编程序的存储器来存储指令并实现逻辑运算顺序运算算术运算和计数计时等功能，应用于各种机械或者生产过程。可编程控制器，简称PC。但为了与个人计算机的专称PC相区别，常常把可编程控制器简称为PLC[10]。传统的继电控制器经过多年的发展，在此基础上引入新的技术，进而形成了PLC，这其中就包括引进计算机技术、微电子技术、通讯技术、自动控制技术。随着这些年的发展PLC功能逐渐强大，已经适用于各个领域内，具体实物如图3-1：图3-1S7-200PLC实物图3.1.2可编程逻辑控制器发展史其发展历程可分为以下几个阶段：（1）二十世纪70年代前期为初级阶段，在这个时期的结构还比较庞大，功也很比较单一，但是与传统继电器相比，它在可靠性、快捷性、灵敏性有部分提升[11]。（2）二十世纪70年代后期为中级扩展阶段，这个时期PLC产品的性能得到了很大的提升，就比如功能方面得到很大提升，同时也在延伸出了数字运算功能。（3）二十世纪80年代前期为通信阶段，这个时期PLC随着各个方面的发展进步迅速，尤其是计算机通信网络的发展使其形成了分布式通信网络，使其具备了更多优点，人们把它应用于各种工业环境中，PLC逐渐取代传统继电器从汽车行业迅速扩展进金属加工、制造、建材、石油化工、交通运输、环保、食品饮料等行业。（4）二十世纪80年代后期为开放阶段，直到现在依旧处于这个阶段，这时的PLC的通信系统放开，借助如以太网、RS485等通讯模块使各制造厂商的产品可以通信完成相互协作，由于当时的限制，各个行业的标准并不相同很难形成配合在此背景下应运而成通信协议标准化，在标准化完成之后，PLC开始使用软件系统并在这个基础上完成了编程语言标准化工作，标志着这一行业的重大进步，这之后PLC开始朝着两个方向发展：其一向着高功能、智能化、网络化、大容量体积对大规模复杂系统进行控制的大型化方向发展。其二是向着快捷灵活易于安装操作稳定可靠的小型化方向发展。3.1.3可编程控制器特点与功能其特点：可靠性高、柔性好、功能强大、使用方便、体积小、功耗低[12]。其功能：开关量控制功能、转换功能、模拟量控制功能、数据发送和接收功能—通信功能、中断处理功能、监控和自诊断功能、扩展功能。3.2PLC型号选择从全自动药品包装机运行准确性，快速性，稳定性等多方面考虑选用S7-200SMARTPLC小型PLC。其具备运行稳定、使用简单方便、价格便宜、易于操作等众多优点。3.3I/O分配表控制系统输入信号有启动、复位、停止按钮各一个，50颗、70颗、90颗按钮各一个，光电传感器三个，电感传感器三个，到位传感器一个，总计13个；输出信号有夹紧电磁阀三个，指示灯三个，封膜机、贴标机、装箱机各一个，总计15个。根据药品包装机系统的控制要求，已知需要的输入信号和输出信号，综上所述，其信号分配表如表3：表3I/O分配表输入系统输出系统符号地址名称符号地址名称SB1I0.0复位按钮YV1Q0.0夹紧1电磁阀SB2I0.1启动按钮YV2Q0.1夹紧2电磁阀SB3I0.2停止按钮YV3Q0.2夹紧3电磁阀SB4I0.350颗按钮KA1Q0.3传送带电机变频器SB5I0.470颗按钮KA2Q0.4落药电磁阀SB6I0.590颗按钮KA3Q0.5封模机SQ1I0.6光电传感器1KA4Q0.6贴标机SQ2I0.7光电传感器2KA5Q0.7装箱机SQ3I1.0光电传感器3SSRQ1.0加热器SQ4I1.1电感传感器1HL1Q1.150颗指示SQ5I1.2电感传感器2HL2Q1.270颗指示SQ6I1.3电感传感器3HL3Q1.390颗指示SQ7I1.4到位传感器HL4Q1.4运行指示HL5Q1.5停止指示HL6Q1.6报警指示3.4PLC外部接线图根据系统的设计要求，考虑到扩展功能，选用CPU226作为本次设计的CPU，其具有良好的性能，且运算能力强，性能优越等特点[13]。根据表3-2所示I/O地址分配表，设计输入和输出信号，系统的外部连接图如图3-2：图3-2外部接线图4系统的软件设计4.1系统程序开发软件介绍根据系统软件部分的设计要求以及硬件部分设计要求选用西门子S7-200PLC，为满足编程设计需要的考虑选用STEP7-Micro/WIN编程软件对其进行编程。STEP7-Micro/WIN编程软件是一种基于Windows系统的应用软件，主要用于开发程序实时监控用户程序的执行状态[14]。系统编程软件如图4-1：图4-1的主界面主界面一般可以分为以下几个部分：（1）工具条：分为标准工具条、调试工具条、公用工具条。（2）浏览条：浏览条为编程提供便利，可以方便快捷的切换窗口。（3）指令树：可以把操作命令和PLC指令等方便快捷的以树形结构方式呈现出来，为软件编程提供更人性化的服务。（4）用户窗口：可同时或分别打开数据块、符号表、交叉引用、程序编辑器、状态图表、符号表6个用户窗口。（5）输出窗口：用于发现和指出错误。4.2系统控制流程图根据系统的设计要求，绘制的流程图如下图4-2：图4-2主流程图4.2系统控制梯形图控制系统的梯形图可分为以下几个部分：（1）初始化程序：当按下外部常开按钮时，I0.0的电源接通，Q0.0的置位线圈收到信号才有输出。当松开外部常开按钮时，此时I0.0断开没有接通，电源信号断开系统失电，此时Q0.0置位线圈依然还是有输出，实现了系统的自锁功能。直到有复位信号时，线圈才会停止工作。当外部常闭按钮没有信号接通时，复位线圈没有获得信号不会输出。初始化程序如图4-3：图4-3初始化程序（2）传送带运行程序：当按下启动按钮I0.1，传送带程序收到运行指令Q1.4开始运作。传送带上的电感传感器I1.2和I1.3，到位传感器I1.4，传送带电机Q0.3自动启动并工作。传送机运行程序如图4-4：图4-4传送机运行程序（3）启停程序：按下启动按钮I0.1，Q1.4得电，系统运行按下停止按钮I0.2，Q1.4失电，这样实现控制系统的启停。其中I0.1为启动按钮，I0.2为停止按钮，Q1.4为控制输出端。启停程序如图4-5：图4-5启停程序（4）产品计数程序：I1.4用于计数产品的光电传感器，当接受到运行指示Q1.4的信号后开始运作，在检测产品时，当光电传感器检测到产品。完成作一次计数，当计数完成数量达到5以后，机械手开始拾取产品。指令执行，计数重置，准备下次计数。产品计数程序如图4-6：图4-6产品计数程序5组态王仿真5.1组态软件简介组态王软件是标准工业计算机中硬件平台和软件设计共同构成的高度集成式的控制系统。组态王是一种通用的工业监控软件，其具有功能强大、运行稳定且使用方便的特点，在经过使用者的意见反馈之后，逐渐升级到现在，成为一个功能强大且应用广泛的软件，其中文界面不仅支持国内外常见的PLC、各式各样的传感器、智能模块和智能仪表，还能提供强大的后台实验数据[15]。组态软件具体情况如图5-1：图5-1组态王主界面5.2组态王仿真运行当完成系统硬件部分设计和系统软件部分设计并对其调试完成之后，运用仿真软件模拟运行整个控制系统。（1）进入系统后首先进行包装药品数量的选择，在控制区设定封膜机的温度和传送带电机的频率设定。启动药品包装机，药品包装开始沿传送带进行，其包装过程如图5-2：图5-2系统仿真界面（2）进入界面后，进行包装药品数量的选择，可以从下面给定的规格中，选取药品数量之后，可以在控制区选择传送带电机的速度，同时也可以对封膜机的温度进行设定。数据选择界面如图5-3：图5-3选择界面（3）点击启动按钮，在传送带电机的带动下开始运转，膜经过光电传感器之后，到达料斗下，在装入给定的药品数量经过封膜机进行封膜，封膜完成后贴上日期等信息标签到达装箱机，在此完成产品计数，经计数后完成装箱，实现药品的包装。具体流程如下图5-4：图5-4运行界面6结论本设计通过PLC实现了系统功能设计，从软件和硬件进行研究，硬件方面根据系统控制要求确定了I/O分配，并选择了系统需要的元器件完成了外部接线图。软件方面设计系统的流程图和梯形图，并进行了组态王仿真。药品包装机的设计需要高度自动化的设备，通过PLC统一控制系统的各个部分：装料部分、封膜部分、切断袋膜部分、日期打印部分、产品计数部分，实现系统高效有序的运行。通过设计实现对设备的远程控制，使控制系统的操作简化、可以实时控制、增强抗干扰