基于PLC的自动药片装瓶机控制系统的设计毕业论文

基于PLC的自动药片装瓶机控制系统的设计毕业论文 毕业设计(论文) 目 基于PLC的自动药片装瓶机 控制系统的设计 系 (院) 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 二〇一三年六月二十日 独 创 声 明 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 年 月 日 毕业设计(论文)使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计(论文)的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 (保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名: 年 月 日 滨州学院本科毕业设计(论文) 基于PLC的自动药片装瓶机控制系统的设计 摘 要 现行装药系统多为转盘式或电子计数式装药系统，其装药种类与包装方式存在局限性，在处理小型瓶装式流水线时，存在着计药数量不精确，成本较高等缺点。而本设计采用三菱公司PLC作为主控制器，通过PLC控制传送带步进电机、下药斗电磁继电器，并且通过IO口读入光电药片计数器的状态，实现分片装药功能。为了保证装药精度，使用了毛刷式下药斗作为下药机构，使用高速槽型光耦自行设计了光电传感器，在保证计数和下药精度的同时，使用了THB7128作为步进电机驱动器，在节约PLC的IO资源的同时，精确控制步进电机，实现传送带与下药斗的工作同步。为了提高整个系统的适应性，采用了多种装药数量组合搭配的综合输入设定方式，无需修改程序，即可通过外部按钮实现药片输入数量组合选择，提高了系统的适应性。 关键词:光电对管，步进电机，PLC i 滨州学院本科毕业设计(论文) The design of PLC-based Automatic tablet bottling machine control system Abstract The current charging system is the rotating disk or electronic counter type charging system, the types of loading and packing have limitations in dealing with a small bottle type line, the counting number is not accurate and the cost is high. This design adopts FXPLC as the main controller, it controls the conveyor stepper motor and the remedy to the case electromagnetic relay through the PLC, and reads the state of photoelectric counter pills through IO interface, implementing sharding charging function. In order to guarantee the loading accuracy, it uses a brush type remedy as a drugging agency, it also uses high-speed slot type optical coupling to design a photoelectric sensor. With the time of ensuring accuracy of counting and remedy to the case, it uses the THB7128 to drive the stepper motor, while saving the resources of PLC I/O, it controls the step motor accurately to achieve the goal of conveyor belt and remedy to the case of bucket working in sync. In order to improve the adaptability of the whole system, it uses a variety of charging quantity combination collocation tickets to enter setting mode. Without changing the program, it can be achieved by external button selection combination pill input number, improve the adaptability of the system. Key words: photoelectric tube, stepper motor, PLC ii 滨州学院本科毕业设计(论文) 目 录 第一章 绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 自动药片装瓶机的研究发展状况 .............................................................................. 1 1.2 自动药片装瓶机的研究目的及意义 .......................................................................... 2 第二章 系统总体设计 ............................................................................................... 3 2.1 系统设计综述 .............................................................................................................. 3 2.1.1 系统设计要求 ........................................................................................................... 3 ....................................................................... 4 2.1.2 工作原理方框图 ................................ 2.2 系统的设计方案 .......................................................................................................... 4 第三章 系统硬件设计 ....................................................................................................... 6 LC机型的选择 ........................................................................................................... 6 3.1 P 3.1.1 PLC简介 .................................................................................................................... 6 LC机型选择 .................................................................................................. 8 3.1.2 系统P 3.2 PLC外围电路器件的选择 ..........................................................................................11 3.2.1 光电式传感器 ..........................................................................................................11 3.2.2 步进电动机 ............................................................................................................. 13 3.2.3 装药机构 ................................................................................................................. 15 3.2.4 带式皮带机 ............................................................................................................. 16 3.2.5 电磁阀 ..................................................................................................................... 17 3.3 供盖封盖模块 ............................................................................................................ 18 3.4 控制系统方框图 ........................................................................................................ 18 第四章 系统软件设计 ..................................................................................................... 21 4.1 PLC I/O口的分布....................................................................................................... 21 4.2 程序设计流程图 ........................................................................................................ 22 4.3 程序设计梯形图 ........................................................................................................ 23 I 滨州学院本科毕业设计(论文) 4.4 程序指令表 ................................................................................................................ 26 第五章 结论 ..................................................................................................................... 29 参考文献 ........................................................................................................................... 30 谢 辞 ................................................................................................................................. 31 II 滨州学院本科毕业设计(论文) 第一章 绪论 随着科技的日渐发展，相应PLC的应用范围正被不断扩大，其发挥主导作用的领域扩展着，医药行业的应用包含其中，其中具代表性的有自动装瓶机的应用及发展。目前，在药片自动包装设备方面，关于PLC的自动装瓶技术已日显成熟，并且现在国内外均有相关设备。本技术应用PLC可以通过其通信协议直接地控制电机运行，这样自动药片装瓶机的运行方式得到了监控，而且装药时间也可根据需要得到预先规定，从而节约资源，降低生产成本，提高产品质量。很显然的，此设计采用FX2N系列PLC实现对药片自动装瓶机的控制，实现对系统的功能控制。 1.1 自动药片装瓶机的研究发展状况 国外发展状况:“药片文化”还是“饮食文化”从很早以前就困扰着外国公众，并且当我国民众还处于为实现民族独立，人民解放奋战的水深火热中，他们的这种困扰已经开始。美国杂志刊登的一份研究报告曾指出，从1974到1997的23个年头里，针对死亡率问题，包括美国在内的九个西方国家接受调查。调查结果显示，因疾病引起的死亡率增长了近乎两倍。其中饮食结构不合理是发病率的主要原因。尤其是在二战后，在崇尚速度和效率的美国，快餐业迅速崛起。就这样，餐饮业给业主带来利益并给民众带来方便的同时，民众的健康及寿命受到的消极影响显而易见。各种疾病产生，危及生存。随之医疗产业崛起，速度更是可想而知。这时随着PLC等自动化技术的发展，PLC的应用领域正不断扩大着，药片自动装瓶应需产生，发展迅速。 国内发展状况:我国一直秉承的企业优劣性指标是一个企业的技术工艺是否具有代表性，是否存在市场方面的竞争。改革开放以来，随着我国药物生产设备市场的迅速发展，与此市场相关的技术开发与实践也备受业内关注。了解国外药物装瓶设备生产技术的开发动向、机械设备情况、发展趋势同时了解国内最新动向，对于企业产品技术，提高市场竞争力十分有利。 目前我国食品药品安全的现状并不令人满意，国家食品药品监督管理局指出近年来药品安全性危险事件不断发生。其原因主要有，一是药品生产企业在生产过程 1 滨州学院本科毕业设计(论文) 中不遵守生产工艺、躲避生产监管，不安全因素潜在。二是一些企业在不满足我国药品生产质量管理规范的流水线厂房生产医疗产品。为此想改变现状，应该建立和完善我国药品风险管理体系，在加强药品不良反应监测的同时，针对药品风险来源，扩大安全监测范围，逐步以立法的形式实施风险管理，缓解我国面临的药品安全形势。首先我们要做的是要着力消除生产和包装这种源头问题，着手于生产环节，将生产采用自动化。显而易见，此自动控制系统的设计解决了其中的主要问题。 我国医药及医疗机械行业中，有关医药包装的机械产品种类已非常丰富。为满足我们对不同药片包装的要求，以及对批量生产的需求。采用PLC直接控制电机运转，使得资源利用率以及产品质量相应提高，同时降低了生产成本。另外PLC具有I/O指示功能并且查找故障点十分迅速、方便。当然，最重要的是PLC具有系统工作稳定可靠，自身故障率低的优点。因此，本文采用FX2N系列PLC设计自动药片装瓶机系统。 我国自动装瓶设备行业和技术得到了快速发展，重点表现为以下几个方面，一是专门化:自动药片装瓶系统具有较高的可靠性，工作平稳，零故障运行为用户首选。同时为保障我国药片安全形势，产品专业化程度越来越高。二是智能化:该领域引入一些新技术，采用全电脑自动控制系统，使得系统更加快捷、准确、可靠。三是高自动化:自动药片装瓶的高自动化主要表现为先进的自动控制科学知识应用其中，实现产品的高自动化。生产率提高的同时，最重要的是能达到国家药品安全规定的各项规范。 1.2 自动药片装瓶机的研究目的及意义 首先，自动药片装瓶与传统的手工装瓶相比，其优点是可以避免我们直接与药品接触，同时也避免了人与药品直接接触带来的对药品的玷污，使药品质量得到保证的同时，相应的保障人体健康。 其次，由于传统的手工装瓶在生产管理方面比较困难，出现错误的状况在所难免。自动药片装瓶机的设计使得管理更加强调流程和自动化。只有这样经营系统才能改善，生产效率才能提高，控制运行才能更加健康可靠。 2 滨州学院本科毕业设计(论文) 第二章 系统总体方案设计 2.1 系统设计综述 经由前节分析，需要设计一个能够自主选择装药数量的系统，完成对整个系统的装药过程。为了实现其装药流程，需要对整个系统进行分析，并得出设计要求。 自动装瓶机基本可分为4个动作机构:主传动机构、数粒机构、自动供瓶机构和自动供盖封盖机构。通过以上4个机构的联动实现包装产品传动、药丸高速计数、自动供瓶和自动供盖封盖等功能。生产中，主传动机构作为整个生产过程的运输链，连接所有的动作。供瓶、数粒、供盖封盖这三个生产过程都将在这条主传动机构上完成。其中供瓶机构为，从料斗中落下的瓶，通过电动震动器以及震动通道，依次进入落瓶通道，通道中有三组气缸联动，保证瓶子在设计时间内以正确的方向进入主传动链，之后运送到数粒机构。瓶子到了数粒机构后，开始数粒模块。数粒圆盘在步进电机带动下转动所设计的角度，从料斗中选出生产要求的药粒粒数，通过落粒通道落入瓶中。装有药粒的药瓶继续被传动链带至供盖封盖机构。盖子通过料斗和震动器、震动通道依次进入等待区域，钳盖用气缸组将盖子钳起，由步进电机带至药瓶上方，然后由该气缸组与压盖气缸组配合完成封盖动作。 本设计的机械设计要求较多，因此主要完成对供瓶数粒的PLC控制。 2.1.1 系统设计要求 前文分析可知，现有的装药机有电子计数式与转盘式两种装药方式，而药品的主要包装样式为瓶装式，转盘式装药机虽然精度高，适用于瓶装式结构，但其机械结构复杂，造价昂贵，不利于大规模的开发与使用。而带式装药机器效率高，速度快，但结构过于简单，不利于高精度的设计实现。 综上所述，本设计需要设计一个控制系统，此控制系统是将规定数量的药片，有序自动地装入到药瓶中。实现自动装瓶的功能，其装瓶方式为带式装瓶，向每个药瓶装入规定数量的药片。其药片装瓶数量需要方便设置，适用于不同的装药需求。 查阅资料可知，常规的瓶装式药片数量有20片、30片、40片等多种规格，并且通过组合，能在这几种规格的基础上，设置100片以上的装药要求。而系统的装 3 滨州学院本科毕业设计(论文) 药装置需要设计，保证控制器能对单一药片能被筛选出来，实现精准的药片装填。 采用FX2N系列PLC控制药片装瓶机运行，其中按钮、开关，光电传感器分别接PLC输入口相应位置。电机、电磁阀、指示灯分别接PLC输出口相应位置。就这样，通过按药片数量选择按钮S1、S2或S3，可选择装入药瓶中药片的数量，按S1为20片，按S2为30片，按S3为40片。相应数量上的指示灯H的亮暗表示目前药瓶装药数量。当装药数量被选定，接着系统启停被接通，电动机M带动皮带转动，延时5秒后，皮带机将停止运转，这时皮带上的装药瓶到达指定位置进行装药。 装有药片的装置由电磁阀打开，经由光电感应传感器，那么装入药瓶的药片被一一计数。药瓶中的药片数量达到预先规定值时，电磁阀Y会关闭，皮带机重新开始运行，使药片装瓶过程控制顺利进行。 在装药过程中，当药片装入的量需要更改时，这时只有当前皮带机上的药瓶中药片装满后，且从下一个药瓶开始，装填改变后的药片数量。如果在装药过程中系统启停开关被断开，则只有当前药瓶中药片装满后，控制系统的运转才能停止。 为了保证装药机运行的准确性，需要使用PLC的定时功能完成对与传送带的配合，密切配合传送带的停止与运行。 综上，PLC需要使用两路IO口分别控制传送带与装药器电磁阀，同时，通过读光电传感器返回的数字量对当前装药数进行计数。同时使用三路IO口读取装药数设定值，完成装药数量的控制。 2.1.2 工作原理方框图 设定装药 数量 实现装药流程 自动药片装三菱FX系列人工 瓶机 PLC 控制 图2-2 系统原理方框图 2.2 系统的设计方案 根据自动药片装瓶机需要实现的控制要求和功能，首先应制定出系统硬件控制的方案。硬件设计包括PLC的选型依据及其具体型号选择，外围电路器件的选型依 4 滨州学院本科毕业设计(论文) 据与具体型号，其中包括按钮、电机、电磁阀、光电传感器、指示灯等，然后是PLC的硬件接线设计。最后是制定软件部分的设计方案，包括PLC各个I/O口的分配、程序设计思路、流程图、指令表、梯形图等。 即通过软硬件结合的方式，通过按动启动、停止按钮等控制命令来驱动电机带动皮带运动或停止。通过光电传感器，对装入瓶中的药片进行数量统计，如果药瓶中药片数量达到预先规定值，此时电磁阀将停止工作。 5 滨州学院本科毕业设计(论文) 第三章 系统硬件设计 根据自动装瓶机的控制功能要求，设计该设备控制系统的硬件结构方案。方案设计包括各步进电机、电磁阀、下药斗、光电传感器、皮带机等的选型与设计。 3.1 PLC机型的选择 3.1.1 PLC简介 随着科学技术的发展，为了满足制造业对市场的需求，这就要求控制系统的简洁性以及方便灵活性的生产设备自动化。为顺应这一趋势，Programmable Logic Controller(可编程控制器)产生，它是以计算机处理器为核心的自动控制装置。PLC的各种操作指令是在可编程序的存储器中进行完成，并以A/D形式的输入输出方式控制操作系统的顺利运行。从上述论述可以看出，PLC是一种通过程序的改变来实现与上位机联合控制工业控制系统，其除了具有控制作用外，还有可以进行与其他上位机进行通信联网的功能。 PLC的发展历程有以下几个方面: (1)小型化、低成本 新型微电子技术不断发展，同时新型器件功能提高，价格却相应的降低。 (2)标准化、模块化 为实现推动技术标准进程的目标，一些国际型组织，如国际电工委员会(IEC)，为PLC的不断发展制定出了新的标准和规定，对不同类型的PLC产品做出归纳或定义，使其标准化、模块化。 (3)高速化、超高性能化 一些大型PLC采用多微处理器系统才能满足要求，如有的控制系统采用32位微处理器，可同时多任务进行操作，从而提高处理速度，增加存储容量。 (4)网络化 当代PLC最大的发展趋势是其网络链接功能，这种需求是由现代信息技术的快速发展决定的，是为实现企业自动化与现代化目标而设计的。 PLC主要有CPU(中央处理器)模块、输入模块、输出模块和编程器组成。其 6 滨州学院本科毕业设计(论文) 组成示意图可由图3-1所示: 可编程序控制器 被 控CPU 输出 输入 控 制 中央处理 对对器 模块 模块 象 象 编程器 图3-1 PLC控制系统示意图 PLC主要模块组成下面将分别予以介绍: (1)CPU模块 CPU模块主要由微处理器存储器组成。在控制系统中，此模块起着重要的作用，它不断地进行着输入信号的采集，用户程序的执行，刷新系统的输出;存储器用来用户程序和数据的存储。 (2)I/O模块 输入模块和输出模块是系统外部现场设备和CPU模块相互连接的桥梁，也可以称作为系统的眼、耳、手、脚。 输入模块是用来接受和采集系统外部输入信号，又可分为开关量输入模块、模拟量输入模块。开关量输入模块主要是对按钮、光电开关、限位开关、压力继电器等信号进行接收。它是用来控制接触器、指示灯、电磁阀、数字显示和报警等装置;模拟量输入模块主要针对电位器、测速器和变送器等提供的连续变化的模拟量电流电压信号进行接收，它是用来控制调节阀、变频器等执行装置。在I/O模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离作用。 7 滨州学院本科毕业设计(论文) (3)编程器 编程器是用来生成用户程序，并且可以用来进行程序的编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。针对程序的写入我们目前可以通过手持式编程器或者是使用编程软件两种方式。手持式编程器对于输入和编辑梯形图是不能直接进行的，只能输入和编辑指令表程序，而编程软件可以通过计算机直接编辑梯形图或者指令表程序，并且可以进行不同编辑语言之间的相互转换。程序编译完成后可直接下载到PLC，也就是程序的写入过程，也可以将PLC中的程序读入到计算机，即所谓的读过程。 (4)电源 PLC一般使用的电源为AC 220V 或DC 24V，内部的开关电源为各模块提供DC 5V、DC正负12V和DC 24V等电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。 CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号电压较高，例如DC 24V和AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能会损坏CPU模块中的元器件或使PLC不能正常工作。 PLC控制系统设计的一般步骤: (1)根据工艺要求，分析研究控制系统。 (2)I/O设备的确定。 (3)PLC选型。 (4)程序设计。 (5)编写梯形图程序，这一步是设计的核心。 (6)程序的检测调试。将程序通过计算机与软件相结合写入到PLC，然后对程序进行测试，找到程序的缺陷和故障，进而进行改进和对错误进行更改。 3.1.2 系统PLC机型选择 机型选择标准的基本要求为满足系统的功能要求，并且应最大程度上满足系统可靠性、维护使用方便性及性能价格比良好性等优点。考虑因素包括以下几个方面: (1)结构合理 根据工艺过程、环境条件以及维修量的大小，选用不同结构的PLC。 8 滨州学院本科毕业设计(论文) (2)功能强大 根据控制系统开关量控制及控制速度要求的不同，选用不同档次的PLC。 (3)机型统一 整体式和模块式是PLC的两种结构形式。虽然整体式结构的PLC有其特有的优点，但通常整体式结构PLC功能有缺陷，因此一般大型的控制系统都使用模块式结构，以使得系统功能得到扩展。 (4)环境适应性 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 输入输出点数的估算。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据估计的输入输出点数，再增加10% -20%的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。根据估算的方法故本设计的I/O点数为输入6点，输出8点。 存储器容量是可编程序控制器本身提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制。因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。 存储器内存储量的估算没固定的，许多文献资料中给出了不同的公式，大体上都是按数字量I/O点数的10-15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数，另外再按此数的25%考虑余量。 另外PLC这种工业控制器可直接用于工业控制各个领域。因此，大多数生产厂家会把PLC设计为可在较差工作环境条件下仍可靠稳定工作的优良特性。每种PLC自然会有其特殊的环境技术要求，因此在控制系统的设计时，应充分考虑环境条件。 面对众多厂家提出的多种系列、功能各异的PLC产品，其结构、性能、价格各不相同。三菱FX2N-16MR型号，其输入输出点分别为8，FX2N是FX系列中功能 9 滨州学院本科毕业设计(论文) 最强、速度最高的微型PLC。他的基本指令执行时间高达0.08us，内置的用户存储器为8K步，可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块或功能扩展板，可为装箱机提供最大的方便和控制能力。 根据课题研究系统自动药片装瓶机控制所用的外围设备，我们可以来设计PLC输入输出设备的执行元器件的点数。输入输出部分的点数分别如3-1、3-2表所示: 表3-1 输入部分点数 输入部分 点数 系统开按钮 1 系统关按钮 1 数量选择按钮1 1 数量选择按钮2 1 数量选择按钮3 1 光电传感器 1 表3-2 输出部分点数 输出部分 点数 皮带机驱动器 1 指示灯1 1 指示灯2 1 指示灯3 1 电磁阀 1 步进电机驱动器 1 步进电机驱动器 1 频率发生器 1 针对本课题的研究特点和系统性能要求的输入输出总点数，本系统采用三菱公司FX2N系列中的16MR，即FX2N-16MR类型。其为三菱FX2N系列、输入输出总点数为16、继电器输出。此PLC满足系统设计的要求，并且在小型PLC控制系统中得到了广泛的应用。 10 滨州学院本科毕业设计(论文) 3.2 PLC外围电路器件的选择 3.2.1 光电式传感器 光电式传感器(photoelectric transducer)，即基于光电效应的一种传感器，当可见光照射传感器，光电效应就会产生，光信号将被转换成电信号从而输出。在测量位移温度等物理量方面均应用广泛。光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。同时在测量时，光电式传感器的优点是与被测对象之间无摩擦和压力，保证测量准确性。在某些方面，光电式传感器也有其缺点，包括成本较高，测量的环境条件要求较高等。光电式传感器的种类很多，测量准确、灵敏、非接触，并且测量参数多。本设计的控制系统中，其中的光电式传感器对装入药瓶的药片数进行一一计数，可以满足本设计的要求。 常见的光电式传感器有对射式与反射式两种类型，其中反射式传感器安装要求低，占地小，但其由于为反射式检测方式，红外调制发射器与接收器均在一端安装，其检测准确率较低，而对射式光电传感器虽然安装复杂，但由于发射器与接收器分开，其检测精度较高，非常适合于本设计。 同时为了兼容PLC的24V输入输出电平，需要选择电平与反应速度均兼容的光电传感器完成此部分设计。经过甄选，最终采用了台湾亿光公司的槽型光耦作为光电式传感器，其体积小巧，便于安装，但需要设计外围电路，完成光电传感器的数字量输出。光电式传感器及其计数电路如图3-2所示: 通过LM358搭建了24V的正向放大器，放大器为正反馈放大器，即搭建成为比较器电路，在高于设定12V时产生输出信号跳变，从而对光电传感器的返回波形进行整形，完成光电传感器与PLC的IO口信号匹配。光电传感器输出波形整形电路如图3-3所示: 11 滨州学院本科毕业设计(论文) 图3-2 光电传感器及其计数电路 12 滨州学院本科毕业设计(论文) 图3-3 光电传感器输出波形整形电路 3.2.2 步进电动机 步进式伺服驱动系统是典型的开环控制系统。在此系统中，执行元件是步进电机。它受驱动控制线路的控制，将进给脉冲的电平信号直接变换为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。由于该系统没有反馈检测环节，它的精度较差，速度也受到步进电机性能的限制。但它的结构和控制简单、容易调整，故在速度和精度要求不太高的场合具有一定的使用价值。步进电机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。 步进电机的主要特性有以下几个方面: (1)步距角:步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。步距角越小，数控机床的控制精度越高。 (2)矩角特性:矩角特性是步进电机的一个重要特性，它是指步进电机产生的静态转矩与失调角之间的变化规律。 (3)启动频率:空载时，步进电机由静止突然启动到正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。若启动时频率大于突跳频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该突跳频率。 13 滨州学院本科毕业设计(论文) (4)连续运行的最高工作频率:步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。 (5)加减速特性:步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于突跳频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升。同样，从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。其中逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数和减速时间常数来描述步进电机的升速和降速特性。 步进电动机有如下六个特点: (1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。 (2)由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统既简单、廉价又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。 3)步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。 ( (4)速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。 (5)步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。 (6) 步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。 在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次是具体的品种选择，在该自动药片装瓶机控制系统设计中要求步进电动机的电压低、电流小、有定位转矩，确定步进电动机采用二相八拍混合式步进电动机。在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比、轴向力、额定转矩和运行频率，以确定步进电动机的具体规格和控制装置。选用电机型号为BS110HB99-05， 为了完成PLC对步进电机的控制，需要设计步进电机驱动器对步进电机进行驱动。为了节约PLC的IO资源，同时提高PLC的控制性能，需要设计一个可由PWM控制的，高细分度的步进电机控制器。 14 滨州学院本科毕业设计(论文) THB7128为国产的128高细分度二相步进电机驱动芯片，其单相通路输出电流在24V时最大为3.3A。同时其内部高速MOS管搭建的双H桥驱动电路保证开关速 -4所示: 度。实现了PLC慢速输出与驱动电路高速控制的匹配。其原理图如图3 图3-4 THB7128原理图 由于步进电机控制传送带，而传送带的工作稳定性直接决定了装药的成功与否，故128细分度的THB7128控制器为不二之选。在实际使用时，仅需要设计PLC的Y0口输出固定数量脉冲，即可实现步进电机步进角度的控制。 3.2.3 装药机构 由于装药机通过对装药数量计数来实现装药数量的精确控制，故需要设计一个完整的装药机构，完成对药片的单个分离与释放，实现系统的预计功能。 常见的药片分离器为多级传送带式分离系统，通过舵机传送带对药片进行分离后，进入下药斗，完成单片药片的装填。而为了简化设计，本设计直接采用了现有 的集成式下药斗完成药片的分离，而仅在下药口安装光电传感器完成对药片装填数量的控制。1为底板用螺钉安装在支架组件的侧面板上，4为料斗固装在1底板上，而实现控片以准确计数的部件采用转刷3，它由2转刷电机直接驱动。当皮带上模 15 滨州学院本科毕业设计(论文) 孔组通过加料器下方时，由于转刷与皮带在接触区域的速度是反向的，这样就将模孔上方多余的药物阻挡住，从而保证药片掉落的准确性。 图3-5 下药斗 3.2.4 带式皮带机 皮带输送机也叫带式输送机或胶带输送机，是组成有节奏的流水作业线所不可缺少的经济型物流输送设备。皮带式输送机具有输送量大、结构简单、维修方便、部件标准化等优点。其广泛应用于矿山、冶金、煤炭等行业，用来输送松散物料或成件物品，根据输送工艺要求，可单台输送，也可多台组成或与其它输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置型式的作业线需要，适用于输送堆积密度小于1.67/吨/立方米，易于掏取的粉状、粒状、小块状的低磨琢性物料及袋装物料，如煤、碎石、砂、水泥、化肥、粮食等。被送物料温度小于60度。其机长及装配形式可根据用户要求确定，传动可用电滚筒，也可用带驱动架的驱动装置。 皮带输送机结构形式多样，有槽型皮带机、平型皮带机、爬坡皮带机、侧倾皮带机、转弯皮带机等多种形式。常用的胶带输送机可分为:普通帆布芯胶带输送机、钢绳芯高强度胶带输机、全防爆下运胶带输送机、难燃型胶带输送机、双速双运胶带输送机、可逆移动式胶带输送机、耐寒胶带输送机等等。皮带输送机主要由机架、输送皮带、皮带辊筒、张紧装置、传动装置等组成。 皮带机按其输送能力可分为重型皮带机如矿用皮带输送机，轻型皮带机如用在电子塑料，食品轻工，化工医药等行业。皮带输送机具有输送能力强，输送距离远， 16 滨州学院本科毕业设计(论文) 结构简单易于维护，能方便地实行程序化控制和自动化操作。当运用输送带的连续或间歇运动来输送100KG以下的物品或粉状、颗状物品时，其运行高速、平稳，噪音低，并可以上下坡传送。 皮带输送机广泛应用于家电、电子、电器、机械、烟草、注塑、邮电、印刷、食品等各行各业，物件的组装、检测、调试、包装及运输等。线体输送可根据工艺要求选用普通连续运行、节拍运行、变速运行等多种控制方式。线体因地制宜选用直线、弯道、斜坡等线体形式。 由前文可知，现有的装药机有电子计数式与转盘式两种装药方式，而药品的主要包装样式为瓶装式，转盘式装药机虽然精度高，适用于瓶装式结构，但其机械结构复杂，造价昂贵，不利于大规模的开发与使用。而带式装药机器效率高，速度快，但结构过于简单，不利于高精度的设计实现。 综上所述，本设计需要设计一个控制系统，此控制系统是将规定数量的药片，有序自动地装入到药瓶中。实现自动装瓶的功能，其装瓶方式为带式装瓶，向每个药瓶装入规定数量的药片。其药片装瓶数量需要方便设置，适用于不同的装药需求。 3.2.5 电磁阀 电磁阀(Electromagnetic valve)是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。 电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。 电磁阀从原理上分为三大类: (1)直动式电磁阀: 原理:通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开;断电 17 滨州学院本科毕业设计(论文) 时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点:在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。 2)分步直动式电磁阀: ( 原理:它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开;断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 特点:在零压差或真空、高压时亦能动作，但功率较大，要求必须水平安装。 (3)先导式电磁阀: 原理:通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关 闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开;断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。 特点:流体压力范围上限较高，可任意安装但必须满足流体压差条件。 根据本设计的要求，采用直动式电磁阀进行设计。 3.3 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(?0.3mm)。对于实现瓶盖上方的位置精度，使用限位块方案。 3.4 控制系统方框图 控制系统方框图如图3-6图所示: 18 滨州学院本科毕业设计(论文) 图3-6 控制系统方框图 根据自动装瓶机的控制功能要求，设计该设备控制系统的结构方案。包括主传动步进电机转动、数粒步进电机转动、数粒粒数、供盖步进电机转动、延时时间等。通过按钮控制，可进行生产开始、生产停止、急停等操作。经PLC程序进行相应的处理，变成步进电机正/反转、电机转动、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。 3.5 PLC硬件接线图 PLC的硬件接线图如下图所示: 19 滨州学院本科毕业设计(论文) 图3-7 PLC的硬件接线图 20 滨州学院本科毕业设计(论文) 第四章 系统软件设计 装瓶过程主要程序设计的思路可以认为系统采用手动操作。首先应该选择装入药瓶中药片数量，当按下数量选择按钮S1，此时电磁阀被打开，装药开始进行，此过程中通过数据计数器和光电式传感器对药片装入数进行统计，当药片数量达到预先规定值时电磁阀关闭，装药停止;当按下数量选择按钮S2，此时电磁阀被打开，装药开始进行，此过程中通过数据计数器和光电式传感器对药片装入数进行统计，当药片数量达到预先规定值时电磁阀关闭，装药停止;当按下数量选择按钮S3，此时电磁阀被打开，装药开始进行，此过程中通过光电式传感器和数据计数器对药片装入数进行统计，当药片数量达到预先规定值时电磁阀关闭，装药停止。当手动皮带机驱动按钮被按下，皮带机开始转动，5秒后将停止运转，在此过程中各个数据计数器将会复位，同时在此过程中可选择装入药瓶中的药片数量继续装药。 4.1 PLC I/O口的分布 基于PLC的自动药片装药机其I/O分配表如表4-1所示: 表4-1 I/O口分配 输入 器件 地址 输出 器件 地址 ON XO KM Y0 系统开 皮带机驱动 OFF X1 M Y1 系统关 步进电机驱动 S1 X2 M Y2 每瓶装20片按钮 步进电机驱动 S2 X3 M Y3 每瓶装30片按钮 频率发生器 S3 X4 H1 Y4 每瓶装40片按钮 20片指示灯 B1 X5 H2 Y5 光电传感器 30片指示灯 H3 Y6 40片指示灯 Y Y7 电磁阀 21 滨州学院本科毕业设计(论文) 其他编程元件的地址分配表如表4-2所示: 表4-2 地址分配表 编程元件 编程地址 符号 作用 M0 M0 状态标志 M1 M1 状态标志 M2 M2 状态标志 辅助继电器 M3 M3 状态标志 M4 M4 状态标志 M5 M5 状态标志 M6 M6 状态标志 C1 C1 计数 C2 C2 计数 计数器 C3 C3 计数 定时器 T0 T0 到达装瓶位置 4.2 程序设计流程图 控制系统的程序设计流程图如图4-1所示: 图4-1 程序流程图 22 滨州学院本科毕业设计(论文) 装粒过程程序设计流程图如图 4-2所示: 图4-2 装粒过程程序流程图 4.3 程序设计梯形图 23 滨州学院本科毕业设计(论文) 24 滨州学院本科毕业设计(论文) 25 滨州学院本科毕业设计(论文) 图4-3 梯形图 4.4 程序指令表 程序指令表如表4-3所示: 26 滨州学院本科毕业设计(论文) 表4-3 程序指令表 0 LD X000 44 AND Y003 87 OUT Y003 1 OR M0 45 ORB 88 LD M0 2 ANI M3 46 OUT M4 89 AND T0 3 OUT M0 47 LD C2 90 LDI C1 4 LD Y001 48 AND Y001 91 AND Y001 5 AND Y002 49 LD C2 92 LDI C2 6 AND C1 50 AND Y003 91 AND Y001 7 LD Y001 51 ORB 92 LDI C2 8 AND Y002 52 OUT M5 93 AND Y002 9 AND C2 53 LD C3 94 ORB 10 ORB 54 AN Y001 95 LDI C3 11 LD Y002 55 LD C3 96 AND Y003 12 AND Y003 56 AND Y002 97 ORB 13 AND C2 57 ORB 98 ANB 14 ORB 58 OUT M6 99 ANI Y000 15 LD Y002 59 LD Y001 100 OUT Y004 16 AND Y003 60 OR Y002 101 LD M0 17 AND C3 61 OR Y003 102 LDI C1 18 ORB 62 AND M0 103 AND Y001 19 LD Y003 63 ANI T0 104 LDI C2 20 AND Y001 64 ANI M3 105 AND Y002 21 AND C1 65 ANI Y004 106 ORB 22 ORB 66 OUT Y000 107 LDI C3 23 LD Y003 67 LD X002 108 AND Y003 24 AND Y001 68 OR Y001 109 ORB 25 AND C3 69 OR M5 110 ANB 27 滨州学院本科毕业设计(论文) 26 ORB 70 OR M6 111 OUT T0 K50 27 OUT M1 71 ANI M3 112 LD C1 28 LD X001 72 ANI M1 113 OR C2 29 OR M2 73 OUT Y001 114 OR C3 30 ANI M3 74 LD X003 115 ZRST C1 C3 31 OUT M2 75 OR Y002 116 LD Y001 32 LD M2 76 OR M4 117 AND X005 33 AND C1 77 OR M6 118 OUT C1 K3 34 LD M2 78 ANI M3 119 LD Y002 35 AND C2 79 ANI M1 120 AND X005 36 ORB 80 OUT Y002 121 OUT C2 K5 37 LD M3 81 LD X004 122 LD Y003 38 AND C3 82 OR Y003 123 AND X005 39 ORB 83 OR M4 124 OUT C3 K7 40 OUT M3 84 OR M5 125 END 41 LD CI 85 ANI M3 42 AND Y002 86 ANI M1 43 LD C1 28 滨州学院本科毕业设计(论文) 第五章 结论 本次研究是基于PLC的自动药片装瓶机控制系统的设计，准备工作大致通过阅读图书馆的馆藏书籍以及通过在学术网络上搜索的方式，查阅并阅读了关于本设计的相关书籍和资料，从而对该研究题目有了一定的认识和研究，同时进一步熟悉并了解了自动药片装瓶机控制系统的工作原理、结构形式及各相关器件的作用和设计。并且在指导老师的细心指导下，与有相关内容研究的同学进行交流。首先确立了设计的基本思路，其次进行系统总体方案设计，再次分别进行系统硬件设计、软件设计，有条理地循序进行。当遇到问题时与指导老师交流沟通，经过老师的指点和自己的努力，最后完成整个设计。最终系统达到预期效果，系统装瓶迅速、计数精准且可靠，同时控制系统具有简洁、灵活、使用性强等优点。 通过本次课题研究，我了解到PLC在一些领域的突出作用，尤其是它的主机工作可靠，本身故障率很低，大大提高了生产效率。同时PLC在我们现代化的生产中所起的重要作用，是企业生产实现现代化、自动化不可或缺的组成部分。同时，这次设计的过程中也让我了解到当今社会自动化生产所存在的劣势，以及我国与国外存在的差距。从目前来看，在医疗方面，我国片剂生产能力还不够，市场需求不能得到满足，药品及时供应无法得到保障。因此新型片剂自动装瓶机的优势非常明显，意义重大。 同时通过本次研究，我认识到认真踏实，求真务实的学习态度，以及不畏困难、吃苦耐劳、坚持不懈的精神对于科研是多么的重要。它不仅磨练了我的意志，而且提升了我的能力，这必将对我将来的研究学习和工作起很大的作用。 总而言之，这次设计使我受益匪浅。 29 滨州学院本科毕业设计(论文) 参考文献 [1] 满永奎,边春元,赵苏,王素贞等.三菱Q系列PLC 原理与应用设计[M].北京:机械工业出版 社,2009:1-16. [2] 朱文杰.S7-300/400 PLC编程设计与案例分析[M].北京:机械工业出版社,2009:1-41. [3] 洪应.三菱系列PLC 入门与应用实例[M]. 北京:中国电力出版社,2009:1-120. [4] 廖常初.PLC基础及应用[M].北京:机械工业出版社,2004:1-49. [5] 三菱公司FX系列可编程序控制器使用手册[Z]. 2001.3. [6] 刘南,马春翔.高速自动装瓶机控制系统设计[D].上海: 上海交通大学机械与动力学院,2002. [7] 杨林建.机床电气控制技术[M].北京:北京理工大学出版社,2011. [8] 郑昌奇，张航.基于PLC组合机床控制技术[J].机械与电子，2008,18(6):20. [9] 史宜巧,孙业明,景邵学.PLC技术及应用项目教程[M].机械工业出版社,2009:1. [10] 周慧铃.组合机床控制系统数控化改造的研究与应用[J].机电工程,2005,22(9):22. [11] Prager BC, Wessely K, Velt W.Stable crystalline from of a cephalosporin intermediate product: US,5182383[P].1993-01-26.(CA1988,109:149215) [12] A,Hofheinz W, Hubschwerlen CN,et al.Process for the manufacture of 1-sulpho-2-oxoazetidine carboxylic acid intermediates via catalytic ester cleavage:US,4652651[P].1987-03-24. 30 滨州学院本科毕业设计(论文) 谢 辞 又到一年毕业季，在经历了考研复试及论文创作之后，不知不觉中毕业在即。论文在几次经历挫折和失败后顺利收尾，要感谢很多人。首先要衷心地感谢我的指导老师邱老师，您严谨的思维、认真的教诲、开阔的眼界带领我走出迷茫。也是因为您，才使我在PLC知识方面取得很大进步，也对此产生了浓厚的兴趣。您在我论文题目选择方面提出了专业而中肯的建议，特别是在论文初稿阶段提出的修改建议及引导，对此后的论文写作有非同寻常的作用。论文在艰辛的创作过程中完成，也让我体味到严谨细心的学习态度是多么的重要。 然后还要感谢在我的大学四年期间无私教授知识的老师们，你们辛苦了～ 其次，我要感谢我的朋友和众多室友，是他们积极的鼓励我，使我更加充满信心，并且帮助我查阅了许多文献和资料，使我的论文写作的理论依据更加丰富和充分，提高了论文的理论层次。 最后要感谢的是我至爱的父母以及家人，我永远都不会忘记你们的支持和鼓励。四年来，快乐的时光因你们蔓延，失意的日子因你们消散。你们鼓励的言语和默默的支持给了我前行的动力，谢谢你们，我会继续努力。 回望四年的点滴，四年的磨砺让我不断成长，心中多的是责任和承担，渐少的是幼稚和懦弱。面向未来，不管前途有多少未知亦或艰难，我都会坚定地前行。 内部资 料 仅供参 考 内部资 料 仅供参 考 31 滨州学院本科毕业设计(论文) 32