基于plc全自动药品包装机系统设计

目录第1章概述111课题研究背景112课题研究意义213国内外研究现状3131国外袋成型包装机发展现状3132国内袋成型包装机的发展现状4133自动包装机存在的问题514本次设计的任务和设计内容6141设计内容和要求6142设计工作任务和工作量的要求6第2章系统总体设计721袋成型自动药品包装机的机械结构以及工作原理722工艺分析8221内装物的工艺特性分析8222包装材料的要求8223系统工作循环过程9224包装机原理框图9第3章PLC控制系统的硬件设计1031硬件配置1032操作面板的设计1033输入输出点分配1134PLC选型1235A/D模块的选择1236PLC外部接线及电机的驱动电路13第4章PLC控制系统的软件设计1641步进指令编程的介绍1642控制系统的主程序1643初始化程序1744手动程序1845自动回原点程序1946自动程序21第5章结束语2451方案综合评价和结论2452体会和展望24参考文献25摘要现代社会对物品的包装要求越来越高，药品也不例外，为使包装出的药品整齐美观并且具有良好的包装质量，要求包装机具有精确的动作、定位精度及较高的生产率和一定的柔性，因此对包装机的控制要求是越来越高。传统的继电器已经不能满足现代药品生产的要求了，所以高效、经济且有一定柔性的新型包装机械是市场迫切需要的。本文着重介绍了一种基于PLC的全自动袋成型药品包装机，对控制系统中硬件设计和软件设计做了详细的介绍。该药品包装机选用的是FX2N48MR型编程器，使用STL指令编程能够实现手动、单步、单周期、回原点、连续各种不同的工作方式的切换。论文主要内容1介绍研制全自动药品包装机的意义，国内外的研究现状以及以前的药品包装存在的问题，本次设计的目的；2结合袋成型自动包装机的机械结构，分析其工作过程为自动控制做准备；3设计PLC控制系统的硬件，画外部接线图分配输入输出点，根据输入输出点数选择PLC型号；4设计PLC控制系统的软件，编写梯形图程序，并且进行仿真调试。经过三周的努力终于完成了以上的工作，该药品包装机可以实现简单的控制要求，但控制精度还有待于提高。关键词药品包装机；袋成型；PLC；FX2N48MR第1章概述11课题研究背景随着经济持续健康的发展，我国已成为世界十大医药生产国和原料出口国之一，但目前我国医药包装的整体水平还落后于发达国家。据上海药品包装测试所所长纪炜介绍，高速度、低效益、高消耗的粗放型增长是我国医药包装发展的典型特征，国内大多数医药产品的包装质量与发达国家存在较大差距。目前，我国有65的医药包装产品还达不到发达国家20世纪80年代的水平包装材料质量及包装对医药产业的贡献率偏低。在发达国家，医药包装占药品价值的30，而我国的比例还不足10。其中，国内规模较大的医药包装企业虽然在设备上与国外差距不大，但在软件环境上却不尽如人意。据了解，造成这种差距主要有3个原因首先是我国制药行业整体水平较低，医药生产企业的技术相对较落后。我国制药企业数量多，但规模小，重复生产严重，企业管理水平较低。其次,是医药产品长期以医院销售为主，在药店销售的药品只占总量很小的一部分，企业自然很难在包装上下大力气改革，医药包装长期保持老面孔。最后是医药包装机械设备和材料的技术水平落后、从业人员的质量意识不强，也制约着我国医药包装业的发展。对于包装设备而言，国内规模较大的医药包装企业虽然在设备上与国外差距不大，但在软件环境上却不尽如人意。国内药厂的大部分包装工作，特别是较复杂一些的包装物品的排列、装配等工作基本上是人工操作，众多的操作人员无法保证包装的统一和稳定。有些药厂即使使用某些包装机械，也只是应用在整个包装链的某个环节上。改进措施1提高自动化程度是药品包装机械发展的重要趋势。高自动化的设备应具有一是每个机械手均由电脑控制，一台包装机械为完成复杂的包装动作，需要由多个机械手完成。完成包装动作时，在电脑控制的摄像机录取信息和监控下，机械手按其发出的指令完成规定的动作，确保包装质量；二是具有对材质及厚度的高分辨能力，在包装过程中包装材料的厚度及材质变化不易为人眼所辨别，所以应在包装机械上采用由电脑控制的摄像机和探测器来分辨包装材料厚度和材质的变化，并在显示屏上显示。同时机器会根据分辨后材料的变化来改变有关参数，进而使设备在最优状态下运行；2机械功能要求多元化。12课题研究意义随着社会的发展、生活水平的提高，人民对药品包装提出了更高的要求。如果药品用手工进行包装，劳动强度大，速度慢，效益和质量差，而且手工包装不能满足卫生要求。因此需采用自动包装机来完成这些工作。包装机械是现代包装工业的基本设备，是商品生产中必不可少的关键技术设备。随着人类社会的进步，国民经济的发展，人民生活水平的提高，人们越来越重视包装的质量、品种类型，包装机械在包装领域中起着重要的作用。包装机械是使产品包装实现机械化、自动化的根本保证。它能够大幅度地提高生产效率；降低劳动强度，改善劳动条件；保护环境，节约原材料，降低产品成本；有利于被包装产品的卫生，提高产品包装质量，增强市场销售的竞争力；由于包装机械的计量精度高，产品包装的外形美观、整齐、统一、封口严密，提高了产品包装的质量，增强了产品销售的竞争力，可获得较高的经济效益；延长产品的保质期，方便产品的流通。包装机械保证包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小，因而获得较强的市场竞争力，带来巨大的社会效益和经济效益。自动包装机堪称为拥有漫长发展历史和富有强大生命力的主导机型。现已被各国视为前景较好的包装机械。由于现有国产袋成型自动包装机存在的软硬件问题，并且缺少相应的设计指导理论，所以对其进行研究改进是非常有意义的。包装容器的制袋充填封口是包装工艺必须的工序。充填的精确度影响到厂家经济效益；封口的好坏则影响包装产品的外观质量和保质期。因此，包装质量在很大程度上取决于袋长的精确控制以及封口质量，本研究对整机结构了解的基础上针对纵封、横封的封口形式完成了对薄膜输送系统等关键部分硬件设计其在实际生产中也具有十分重要的指导意义。13国内外研究现状为满足现代商品包装多样化的要求，目前国内外开始不断发展适应多品种、小批量的通用包装机械和设备，从而使得包装机械的形式日趋增多。袋成型自动包装机是将具有热塑性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。131国外袋成型包装机发展现状国外袋成型包装机发展全面，优势明显，主要特点有结构设计标准化、模块化。用一台包装机完成对不同物料的包装时，利用原有机型的模块化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其他包装形式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。包装速度高速化。目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为3080袋/分，近些年来很多公司推出的多列式包装机（2列到10列不等）可使包装速度大大提高。如意大利ILAPAK公司的300和400系列枕型包装机，计量范围150到450G，包装速度120袋/分日本横滨电机制作所的YDE70型四边封合包装机，计量范围05到30ML，可以2到10列，最高速度为800袋/分。结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及数字控制、动力负载控制PLC等高精密执行机构控制各种动作，使整机的充填计量精度和制袋精度都有所提高。如日本东京自动机械的SIGMA3型粉末计量机，配有可调速驱动马达，采用螺杆下料填充，最大充填为每次12KG，充填精度6025。控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。电子显示屏显示切袋长度、包装速度、充填物的净含量以及包装产量等，一目了然。标准的色标跟踪光电系统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线状态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决方法。包装形式多样化。国外的袋包装目前既有三边封合袋、四边封合袋、枕形袋，还有风琴式、自立袋等。用户可以根据市场的需要，具有更大的选择空间。国外的袋包装机执行机构和传动系统趋于简单，横封、纵封等动作的执行机构都采用气动原件，包装动作简捷快速，整机噪声小；采用变频调速装置，实现无极变速，不仅调速范围大、平滑性好、低速特性，而且可实现恒转矩调速，节电效果也十分明显。132国内袋成型包装机的发展现状我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段。而且由于用户的技术水平和各种环境因素的限制，我国包装机械的需要就像一座“金字塔”。对高、精、尖设备的需求就是塔尖，越尖端的设备需求越小；对中、低档设备的需求就像“金字塔”底部，量大面广，商机无限。随着市场需求的不断增加，九十年代后，我国袋成型自动包装机有了较快的发展。通过参考国外产品，进行消化、吸收及自主开发、研制，技术上有了很大的提高，计量范围从1G到1000G不等，特别是产品功能和自动化方面也有了长足的进步。我国通过参考国外同类型产品，进行消化、吸收及自主开发研制，技术上有了很大的发展和提高。我国现有的袋成型自动包装机应用广泛，机型分为立式和卧式两种，可包装液体、糊状物料、粉状物料、颗粒和固体物料，包装形式有枕型袋、三封袋、四封袋、砖形带、屋形带、角形自立袋等多种类型。通过PLC和PC控制技术的不断推广和应用，使袋成型自动包装机的自动化程度得到了很大的提高。我国生产的袋成型自动包装机以普通型、通用型为主，即在同一台设备上，同一竖直方向上自动完成包装袋成型、计量、打印日期、充填、封口、切断、输出等工序。包装物料一般为液体、粘稠体、颗粒物料、粉料、膏体、片剂、膨化食品等。充填计量方式一般为容积式、称重式。容积式又可分为量杯式、旋转阀式、柱塞式；称重式又可分为电子秤、杠杆秤两种。有些包装机还采用组合式，粗供料采用容积式，精供料采用称重式等。所有包装材料主要是具有可热封的塑料单膜和各种复合膜。包装成型袋以扁平袋为多。热封方式主要有往复、L型闭合式、旋转式。国产中型袋包装机多采用的横封装置是连续对辊式，其缺点是开机和关机时，在辊轮中间都要夹持部分包装材料，既难于清洗又浪费材料。小型袋包装机，横封装置采用的是扇形开合的封口方法，当包装袋的尺寸扩大后，其封口质量难以保证。客观地讲，我国生产的袋成型自动包装机综合性能与国外先进国家的产品还存在着很大差距。比较突出的问题是机械加工工艺技术水平低；机构动作的同步、协调性差；关键零部件、易损件、电气元件寿命短、可靠性差；生产速度一般都比较慢，自动化水平不高，自动化调节、自动化控制水平低；设备的可操控性差，维护保养较麻烦；充填精度低、速度慢；外观造型和表面质量差。133自动包装机存在的问题据调查，现有自动包装机存在以下问题1包装机长期存在着包装材料输送速度难以控制的问题，薄膜输送速度不稳，对袋长精度和袋形精度和袋形质量的影响；工作初期和末期，带膜卷的直径速度变化很大，转动惯量变化，造成包装输送时拉力不均匀，使得袋封长度变化，袋长控制精度不高。2包装精度（充填精度）低且工作时不稳定。3包装速度低；目前国产包装机的包装速度，小袋包装在60120袋/分之间，包装速度超过80袋/分时包装质量将下降；中袋包装为3560袋/分。国外设备的包装速度以达到1200袋/分，中袋包装160袋/分。4封口质量难以保证5外观质量。国家规定，包装袋的封口处应平整，网纹清晰，不得有灼化和压穿现象。而现有的包装机不能很好的达到国家的标准；包装成品的封口强度低；由于塑料包装材料与被包装物之间的静电作用，在塑料袋内壁上会吸附细小的被包装物粉粒，若不除去会造成横封口处封口不牢，严重影响包装袋封口质量。自动包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。传统的包装机的封口机构，其作用封块是扇形开合，封口部位热封时间不同，导致封口处不平滑，部分灼化或者强度不够。两横封快机构采用左横封快运动时，两横封快对包装袋的作用力不同，会造成其封口不匀。而且封口周期长，包装速度慢。14本次设计的任务和设计内容141设计内容和要求全自动药品包装机工艺全过程包括制袋、充填、封口、日期打印、切断袋膜等，设计采用PLC对药品包装机工艺过程进行控制，实现手动、自动工作方式。142设计工作任务和工作量的要求（1）画出PLCI/O端口接线图，并按图接线。（2）编制控制程序，并画出梯形逻辑图。（3）完成系统调试，实现控制要求。（4）完成课程设计说明书。第2章系统总体设计21袋成型自动药品包装机的机械结构以及工作原理袋成型自动药品包装机是将具有热塑性的包材经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。该机主要由计量装置、拉膜机构、纵封机构、横封机构、纠偏机构等组成。机构原理如图21图21机构原理图当袋成型药品自动包装机整机运行时，拉膜电机启动，通过传动机构带动拉膜带恒速连续运行，拉膜带的速度可以按照包装速度设定值自动调整。拉膜带的内测为齿形带外侧为高弹力的橡胶带。高弹力橡胶带可以增强其与薄膜的摩擦力，在该摩擦力的作用下，包装材料随拉膜带向下运动。袋成型自动药品包装机的工作原理如图22图22工作原理图22工艺分析221内装物的工艺特性分析药品主要是颗粒状、粉末状或者流体，该包装机可以在微小更改的基础上完成固体物料的包装。如果固体内装物的形状变化，只需简单更改零件就可以了。如尺寸大小变更可以调整成型器或更换成型器，其它的可以只是简单调整。易碎的物件可以在中封牵引、端封切断器上粘贴一些缓冲的物料，而无需更换零件就可以使机械适应范围广。若包装物由粉末状变为液体，则需要换物料输送模块，以及物料填充计量装置。总而言之，袋成型自动包装机的使用范围极广，只要是一般特性的药品都可以包装。222包装材料的要求包装材料在包装机设计中也是重要的。塑料包装的问世，引起了包装机的革命。使包装工艺、包装技术发生了巨大变化。如塑料包装可以采用高频加热热封包装或电热丝脉冲热封包装。医药行业多采用聚乙烯薄膜包装，考虑到在薄膜牵引时，薄膜要受到较大的张力，一般来说，包装的速度越高，包装材料越容易被拉断。如果包装材料的拉力强度不够，势必影响包装速度的提高。因此，选择包装材料的质量是十分重要的。223系统工作循环过程袋成型药品自动包装机的结构适合于连续式自动包装。从工艺上讲，其包装工作循环过程如图23所示。工艺是连续的，只有在内装物供送时，每送入一件必须保证端封切断器封切一件。图23包装工作循环过程224包装机原理框图结合设计任务的功能要求以及包装机的工作原理和工作过程，设计出包装机的原理框图，如图24所示。图24原理框图第3章PLC控制系统的硬件设计31硬件配置系统硬件配置结构如图31系统硬件配置图31包括中央处理单元以及I/O扩展单元、检测元件（光电开关和接近开关等）、操作面板（旋钮开关、按钮开关）、控制元件（交流接触器和电磁阀）以及执行元件（电动机和气缸）等几部分。操作面板作为设备控制的操作界面，接受来自操作人员的操作指令并指示设备的运行状态；检测元件检测料位计量、投料结束信号，以及各部分的动作完成情况；PLC自动循环扫描各个输入输出点的当前状态，并根据梯形图程序所确定的逻辑关系更新输出点的状态，通过断通交流接触器和换向电磁阀来控制电动机的启停和气缸的动作，从而完成从卷膜输送到物料排出全过程的自动控制。32操作面板的设计为满足生产地需要，很多设备要求设置多种工作方式，本次设计的药品包装机同样需要，系统设有手动、单周期、单步、连续和回原点5种工作方式。工作方式选择开关的5个位置对应于5种工作方式，操作面板左下部的8个按钮时手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC的负载电源设置了交流接触器。在PLC开始运行时按下“负载电源”按钮，使KM线圈得电并自锁，KM的主触点接通给负载提供交流电源，出现紧急情况是用“紧急停车”按钮断开负载电源。操作面板如图32操作面板图3233输入输出点分配自动包装机工艺过程由袋成型、充填、封口、冷却等几部分组成，包装机控制系统输入信号有启动、停止及急停信号检测，卷膜袋长色标检测，缺袋检测，定量充填部分返回有无充填信号，横封到位检测，横纵封结束检测。输出信号有卷膜牵引启动，卷膜横封控制，防止过冲刹车控制，水冷却控制，卷膜纵封控制，卷膜切刀控制，打印控制，拌料送料电机启停控制等。综合上述控制要求，并基于整个控制系统总成本及备用点考虑，本设计选用输入24点、输出24点的PLC基本单元。I/O点分配如下表输入端子说明输出端子说明X0安全门限位Y0打印气缸电磁阀X1扩展用Y1纵封气缸电磁阀X2纵封到位检测Y2动盘气缸电磁阀X3扩展用Y3刮板气缸电磁阀X4动盘到位检测Y4横封气缸电磁阀X5料满检测Y5切刀气缸电磁阀X6横封到位检测Y6走袋电动机X7扩展用Y7供料电动机X10手动Y10冷却泵电动机X11回原点Y11横封加热管X12单步Y12纵封加热管X13单周期Y13空气压缩机X14连续Y14X15启动Y15X16停止Y16X17供膜Y17X20打印Y20X21纵封Y21X22动盘移动Y22X23供料Y23X24刮板移动Y24X25横封Y25X26切断Y26X27扩展用Y2734PLC选型根据输入输出点数该控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N48MR型可编程控制器,选用AC电源,DC24V电源输入,继电器输出。FX2N系列PLC是三菱公司近年来推出的高性能小型整体式PLC,能实现高速运算,基本指令每步008微秒。程序容量最大16K步,基本指令有27条,步进指令有2条,功能指令有298条。内附高速计数器、内部元件很丰富,是一种功能很强大的小型PLC。由于其结构紧凑小巧、执行速度快、功能强大及性价比较高等特点,符合本系统各方面要求。35A/D模块的选择该药品包装机需要对一些非开关量（色标检测、温度检测）进行监控，普通的限位开关已经不能满足使用要求，因此此处选用变送器来转换这些模拟量，再通过与PLC适配的A/D模块将信号传送到PLC内部。该包装机需要检测三个模拟量即色标检测、横封温度检测以及纵封温度检测，此处选用FX2N4AD模拟量输入模块，该输入模块有4个通道可以同时接收并处理4个模拟量输入信号最大分辨率为12位。通道1输入色标检测量，通道2输入纵封温度检测量，通道3输入横封温度检测量。在初始化程序中需要将这3个两读入PLC中。36PLC外部接线及电机的驱动电路全自动药品包装机控制系统外部接线图如图33所示，依据选好的PLC型号和I/O分配表设计出系统的外部接线。主电路图如图34所示。根据控制系统的要求，系统中需要多台电动机。其中主电动机是走袋电动机，它给系统提供必需的膜，是保障系统正常运行的关键所在。供料电动机、冷却泵电动机和空气压缩机等分别是给系统提供物料、冷却和给电磁阀提供风源的。横封加热管和纵封加热管分别是给横封运动和纵封运动提升温度的。另外，电源模块是给电磁阀和A/D模块提供工作电压的。由于要控制电机，所以系统中还要运用交流接触器来控制其通断情况，为了防止过载等情况发生还有加入热继电器等。图33外部接线图图34控制系统主电路图第4章PLC控制系统的软件设计41步进指令编程的介绍全自动药品包装机控制系统的软件设计部分包括了系统控制流程图和梯形图程序的设计。有了程序的驱动整个控制系统才能按照设计要求动作，在梯形图设计这一块，要充分考虑各个部分要实现的功能等。对于复杂的控制要求使用步进指令（STL/RET）指令编程较为简洁，用FX系列PLC的状态继电器编写顺序控制程序时，应与STL指令一起使用。S0S9用于初始步，S10S19用于自动返回原点。使用STL指令的状态继电器的常开触点称为STL触点，它是一种胖触点，STL触点驱动的电路块有三个功能，即对负载的驱动处理、指定转换条件和指定转换目标。步进指令的使用说明1）STL触点是与左侧母线相连的常开触点，某STL触点接通，则对应的状态为活动步；2）与STL触点相连的触点应用LD或LDI指令，只有执行完RET后才返回左侧母线；3）STL触点可直接驱动或通过别的触点驱动Y、M、S、T等元件的线圈；4）由于PLC只执行活动步对应的电路块，所以使用STL指令时允许双线圈输出（顺控程序在不同的步可多次驱动同一线圈）；5STL触点驱动的电路块中不能使用MC和MCR指令，但可以用CJ指令。42控制系统的主程序以上设计的是控制系统各部分的子程序，分别实现系统初始化、手动控制、自动回原点和自动控制，把以上程序结合在一起成为一段程序就能够实现手动、回原点、单步、单周期、连续各种不同的工作方式的变换，其主程序流程图如图41所示。图41主程序流程图43初始化程序FX系列PLC的状态初始化指令IST与STL指令一起使用，专门用来设置具有多种工作方式的控制系统的初始状态，和设置有关的特殊辅助继电器的状态，可以简化复杂的顺序控制程序的设计工作。IST指令只能使用一次，它应放在程序开始的地方，被它控制的STL电路应放在它的后面。该药品包装机系统的初始化程序用来设置初始状态和原点状态条件。初始化程序如图43，M30M37与X10X16的关系，已经在程序中写出，与工作方式开关对应的X10X14中同时只能用一个处于ON状态，必须使用选择开关，以保证这5个输入中不可能有两个同事为ON。IST指令的执行条件满足时，初始状态继电器S0S2和下列状态辅助继电器被自动指定为一下功能，以后即使IST指令的执行条件变为OFF，这些元件的功能仍保持不变M8041禁止转换M8042转换启动M8043起动脉冲M8044回原点完成M8047STL监控有效S0手动操作的初始状态继电器S1回原点操作的初始状态继电器S2自动操作的初始状态继电器初始化程序如下图42初始化程序44手动程序图43是手动程序，手动操作时X17X26对应的8个按钮控制供膜、打印、纵封、动盘移动、供料、刮板移动、横封、切断。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的软件互锁和按钮联锁，如打印、纵封、横封、切断时供膜电机不能运行，在供料时刮板不能移动，在横封时切刀不能移动等，以免机械发生干涉。图43手动程序45自动回原点程序由手动工作方式切换到自动工作方式之前必须满足原点条件否则无法执行，所以此处编写一段回原点程序。自动返回原点结束后，用SET指令将M8043置为ON做为标志。回原点程序流程图如图44，自动回原点控制程序如图45。该药品包装机的原点为安全门关闭、动盘到位、走袋电动机关闭。图44自动回原点流程图图45自动回原点程序46自动程序图46是自动控制程序流程图，图47中是自动控制程序，能够在原点条件满足且切换到自动运行时，实现自动运行。自动程序能够实现单周期、单步、连续的功能。使用IST指令后，系统的单周期、单步、连续的几种工作方式的切换时系统程序自动完成。工作方式的切换时通过特殊辅助继电器M8040M8042实现的，IST指令自动驱动M8040M8042。图46自动程序流程图图47自动控制程序第5章结束语51方案综合评价和结论本次课程设计完成了电气控制系统硬件和软件的设计工作，可以实现手动、回原点、单步、单周期、连续各种工作方式的切换，能够按照预期的目标正常地运行。程序设计时结构清晰，易