PLC药品自动灌装机的设计要点

1、23目录第 1 章 引言 11.1 药品罐装机的发展历程 11.2 药品罐装机的发展现状 11.3 药品罐装机发展中所面临的问题 21.3.1 从产品质量、性能及应用方面看国产药品罐装机的差距 21.3.2 从整个行业看药品罐装机所存在的问题 21.4 药品罐装机的发展趋势 31.4.1实现罐装自动化 31.4.2 环保设计 31.5 控制要求 41.6 总体结构设计 4第 2 章 系统硬件设计 52.1 硬件选择 52.2 PLC 选择 62.2.1 PLC 定义 62.2.2 PLC 的基本结构和功能 62.2.3 PLC 的功能 82.2.4 PLC 的工作原理及方式 92.2.5 SI

2、MATIC S7 工业软件 102.3 S7-200系列PLC的硬件配置 102.3.1 基本单元 103.3.2 扩展单元 112.4 传感器选择与设计 112.4.1 光电开关的原理 123.4.2 光电开关应用设计 132.5 数码显示部分设计 142.6 电机的选取 152.6.1 M1电机的选取 152.6.2 M2电机的选取 172.6.3 M3电机的选取 182.7 继电器的选择 202.8 变频器的选择 202.8.1 变频器的控制电路 212.8.2 变频器与PLC的连接 22第3章 软件设计 233.1 程序流程图 3.2 功能实现 3.3 梯形图说明 第 4 章 结论 参

3、考文献 致 谢 2526错误！未定义书签 错误！未定义书签 错误！未定义书签 错误！未定义书签附 录 3第 1 章 引言随着社会的进步和需求， 越来越多的企业每年投入大量资金和技术对罐装机 进行技术改造，取得了良好的效果。用 PLC莫块、变频驱动技术、操控监控设备 等组成控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加 工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效方式。1.1 药品罐装机的发展历程早期的药品生产罐装工序主要是采用手工包装，后来随着科学技术的发展， 人们逐渐采用机械化罐装。 20 世纪 7080 年代左右，科技水平获得了飞速发展， 随着社会的进步， 药

4、品罐装材料的质量及药瓶制作工艺等方面的技术有了更高的 要求，需要罐装机进一步改造， 使得全自动罐装机开始得到了应用与推广。 此时， 药品罐装机改变了国外产品一统天下的局面， 国产药品罐装机开始面市并获得了 广泛的应用。 20 世纪 90 年代，上海某公司生产的 HDZ-60 型全自动罐装机首 次在全国亮相， 一些生产量大的制药生产企业相继开始采用国产的全自动药品罐 装机来代替手工包装，掀起了研制与生产功能更加全面的全自动药品罐装机高 潮。1.2 药品罐装机的发展现状近代， 市场上药品罐装机种类繁多、数量齐， 已基本可满足厂家生产的各种 药品罐装的需求。 按照不同的分类方法， 可将我国生产的全自

5、动罐装机分成好几 种类： 1、若从罐装机速度来分可分为 3 类：第1 类为低速型；第 2 类为中高速 型；第 3 类为高速型。 2、若按罐装类的不同，可分为泡罩板型、针剂瓶型、软 膏管型与其它型全自动罐装机等； 在国内药厂占有率方面， 国产药品罐装机的占 有率大约 3 成左右。许多规莫较大的药品生产厂家仍以采用进口的药品罐装机为 主，造成这一现象原因是国产药品罐装机的综合性能指标达不到制药厂家所要求 的缘故。1.3 药品罐装机发展中所面临的问题1.3.1 从产品质量、性能及应用方面看国产药品罐装机的差距（ 1）在质量方面，由于药品自动罐装机是制药机械中较为复杂的机械， 它包 罗了机、电、气、光

6、和其它技术于一体，而目前国内药品装盒机制造厂无论是产 品的最初设计水平， 还是后来的加工与装配水平， 都与国外同行有着十几年的差 距，无法生产出真正有竞争力的产品。（2）在适应性方面， 国产自动药品罐装机的功能比较单一， 适应面也比较窄， 对待装药品的形状与体积等均有较严格的规定， 一般只适用于一二种药品， 而国 内同一药品生产企业所生产的药品规格各不相同， 产量也不同， 这就给相关工作 带来一定的困难。 而国外药品罐装机生产厂商特别注重这方面的问题， 他们所生 产的设备功能更加灵活多变，适用范围也更广。（3）在运行可靠性方面，进口自动装盒机也要高出国产一截，部分国产药品 装盒机的故障率较高。

7、 因此，许多药品生产企业不得不购买多台国产自动装盒机， 以防因维修机器而影响正常生产。（4）在工作效率方面，由于国产药品罐装机的运行速度大多在中低档水平， 且自动化程度一般，其生产效率自然不如以生产高档产品著称的国外同类产品， 这样就等于无形中增加了企业的成本，降低了企业的利润，造成了极大的浪费。 总之，目前国产药品自动装盒机还存在着适应包装物种类单一、 纸盒尺寸的变化 范围小、生产速度普遍停留在中低速水平等不完善之处。1.3.2 从整个行业看药品罐装机所存在的问题药品罐装机的研制是一个复杂的系统工程， 需要有雄厚的技术力量、 精密的 生产工艺等多方面的要求， 而目前我国在这方面的投入甚少，

8、行业中的产品生产 与基础研究经费的投入比例严重失调， 生产厂家只顾眼前利益， 不愿投入资金进 行基础研究。 可以说，药品罐装机的研发力量薄弱与经费严重不足造成其技术含 量低下， 无法与国外同类产品竞争， 且只能靠低价维持其市场竞争力， 无法长期 占领市场的现状。在行业中， 药品罐装机低水平重复太多，应变能力不强， 国内的大部分生产 厂商规模都很小，且大多生产同种类型的设备， 在市场上进行低价恶性竞争， 而 一旦遇上市场要求变动，又无法及时转型，从而极易被市场所淘汰。1.4 药品罐装机的发展趋势1.4.1 实现罐装自动化自动罐装已成为一种发展趋势， 现在的罐装自动化只能说是初级阶段， 要实 现真

9、正的自动化会碰到很多问题， 比如传感器等问题。 对各种不同的药品在检测 过程中所碰到的问题，此时，这就需要各行各业的共同努力。目前制药机械企业已经开始用伺服电机控制代替传统的传动系统， 即可以通 过程序的编写来控制整个动作的同步， 又可以消除传统传动系统容易形成积累误 差的缺点， 在调试的过程还可以对每个动作单步运行。 在自动化的设计中我们主 要是“模块化”设计，将相关动作由系统独立控制，又可实现整体控制，实际上 是增加了调节的灵活性， 提高了自动化程度。 在对医疗罐装机械进行自动化控制 上。整体自动化罐装车间的设计， 实际上是对药品罐装提供一套完整的罐装解决 方式。1.4.2 环保设计从环保

10、的方面看，自动罐装机械尤其处于萌芽时期，更加需要改进。泡罩 罐装机采用的无边冲裁，它既是药品厂家的节约之举，也是社会资源的节约， 同 时还减少了环境污染。刚刚修订过的固体环境污染防治法草案 , 草案的实施 对过度包装问题提出了具体的限制， 虽然仍不完善， 但这说明国家已经将包装所 引起的环境问题提到日程上来了。据统计，包装垃圾已经占到生活垃圾的30%，而这些垃圾绝大部分都是过度包装。 顺着这个思路思考一下医药包装机械的整体 状况，就会发现我们距离“绿色包装”有多远。我们应当遵守这样一条原则：减 少一切可以避免的，一切废品都是浪费， 都可能对环境造成污染。 在这条原则的 下，我们需要从结构、 工

11、艺组合及原材料等方面相结合， 来设计我们的罐装机械， 使其更加环保。1.5 控制要求（ 1）罐装机启动以后传输电机运行， 控制器应检测瓶子是否到位和下料盘是 否有足够的药粒，只有这两个条件都满足才能启动下料电机。（ 2）罐装机在运行中一旦检测不到瓶子或下料盘的药粒不足， 立即停车并发 出警报；停车后经手动复位系统才能恢复运行。（3）为了能够调节罐装速度，罐装机的下料电机采用变频调速。（4）为了提高罐装速度，挡瓶气缸和进瓶气缸动作应迅速。（5）具有紧急停车的功能。1.6 总体结构设计药粒自动罐装机的结构简图如图 1.1 所示。药粒自动罐装机由机架， 传输机 构，下料机构， 供电机构和控制器等部分

12、组成。药粒自动罐装机的传输带由传输 电机拖动，用于传送将要罐装的瓶子，下料机构包括下料电机、下料盘、下料道 和出料口。下料盘由下料电机拖动， 将下料盘上的药粒送到下料道， 再经出料口 装入药瓶中。供料机构是用于向下料盘提供药粒的机构（图 1.1 未画出）。药粒 自动罐装机有 3 个传感器，一个是药瓶传感器，用作检测传输带上是否有瓶子； 一个是下料传感器， 用于检测下料盘的每一等份的药粒是否全部掉进下料道， 在 这里我们选用检测距离为10mm勺接近开关作为下料传感器；最后一个是料位传 感器，用于检测下料盘是否需要供料， 这里我们采用一个自动的双位控制开关为 料位传感器， 安装在下料盘中。药粒自动

13、罐装机勺简单工作过程如下：药品罐装 机启动后，传输电机运行， 传输带动待罐装勺瓶子送到出料口， 在出料口勺左右 两端装有两个气缸，一个是进瓶气缸，另一个是勺挡瓶气缸， 当进瓶缩回而挡瓶 气缸伸出时，传送带动瓶子送到出料口， 然后进瓶气缸再伸出， 将位于出料口勺瓶子锁定位置，为瓶装做好准备。瓶子到位后，下料电机启动运行，带动下料盘 旋转。下料是一个分成几个等份而每等份钻有数目相同的圆孔的圆盘，小料盘倾斜安装，起上方为欲装瓶药粒，起下方是一块刻有一个下料孔的圆板。当小料盘 旋转（伴随震动）时药粒掉入圆板，每个圆孔携带一个药粒使预定数目的药粒随 下料盘一起转动，当圆孔经过下料孔时药粒下落的下料道，经

14、出料口装入瓶内。 这样，下料盘的每一等份经过出料口后，在下一等份换没有到达出料口之前就已 该等份的药粒经出料口装入子。待该等份的药粒全部进入瓶子。挡瓶气缸缩回， 放走这个已罐装的瓶子，完成该瓶子的罐装流程。已罐装的瓶子离开后。挡瓶气缸伸出同时进瓶气缸缩回，下一个瓶子进入工位，准备装接下料盘的下一个等份 的药粒，开始新的工作循环。第2章系统硬件设计2.1硬件选择根据以上灌装过程描述，系统共需要6输入点，8输出点，下料传感器，瓶子 传感器，料位传感器，启动按钮，停止按钮，复位按钮。表2-1输入/输出地址分配输入设备元件代号输入点地址输出设备元件代号输出点地址下料传感器SB110.0下料继电器KM1

15、Q0.0瓶子传感器SB2I0.1传输继电器KM2Q0.1料位传感器SB3I0.2供料继电器KM3Q0.2启动按钮SB4I0.3进瓶气缸Y1Q0.3停止按钮SB5I0.4挡瓶气缸Y2Q0.4复位按钮SB6I0.5运行指示灯HL1Q0.5故障指示灯HL2Q0.6报警器HAQ0.72.2 PLC选择2.2.1 PLC定义可编程控制器是60年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司为美国通用 公司研制开发并成功应用于汽车生产线上.当时人们把这第一台可编程控制器做可编程序逻辑控制器PLC或PC,只是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻 辑、计时、计数等较少的功能。70年代中期出现了微处理器和微型计算机，

16、人们 把微机技术应用到可编程控制器中，使得它兼有计算机的一些功能。不但用逻辑 控制编程取代了硬件连线逻辑，还增加了运算，数据传送与处理及对模拟量进行 控制等功能，使之真正成为一种电子计算机工业控制设备。222 PLC的基本结构和功能PLC勺基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，它采用了典型的计算机结构，主要 由CPU RAII、输入输出接口电路等组成，其硬件结构基本上与微型计算机相同， 其基本结构如图2. 1所示：图2.1 PLC基本组成(1) 输入部件这是PLC与输入控制信号连接起来的部件。输入部件接受从开关、按钮、继 电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成中央处

17、理器能够 接受和处理的数字信号。(2) 输出部件这是PLC与被控设备连接起来的部件。输出部件接受进过中央处理器处理过 的输出数字信号，并将它转换成被控设备或显示装置所能接受的电压或电流信 号，驱动接触器、电磁阀和指示器件等。(3) 中央处理单元中央处理单元包括微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器。微处理器 是PLC勺核心部件，整个眦的工作过程都是在中央处理单元的统一指挥和协调下 进行的，它的主要任务是按一定的规律和要去读入被控对象的各种工作状态，然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据，最后在向被控对象送出相 应的控制信号。电源部件电源部分将外部接入的交直流电源转换成 CPU存储器

18、等电子电路工作所需的直流电源。PLC勺电源在整个系统中起着十分重要得作用，它的好坏直接影响 PLC7勺功能和可靠性。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的， 因此PLC勺制造商对电源的设计和制造也十分重视。目前大部分PLc使用开关式稳 压电源。(5) 编程器编程器是PLC必不可少的重要外围设备。主要用于对用户程序进行输入、检 查、调试和修改，并用来监视PLC勺工作状态。2.2.3 PLC的功能PLC系统一般由以下基本功能构成：(1) 控制功能 逻辑控制：眦具有与，或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继 电器进行开关量控制。定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器， 用户可自

19、行设定： 接通延时、 关断延时和定时脉冲等方式。计数控制： 用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检 测。顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步迸控制器使用。(2) 输入输出接口调理功能具有A/ D, D/A转换功能，通过I /o模块完成对模拟量的控制和调节位 数和精度可以根据用户要求选择。 具有温度测量接口， 直接连接各种电阻或电偶。(3) 编程、调试等 使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行 编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。224 PLC的工作原理及方式最初研制生产的PLC主要用于代替传统

20、的由继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式， 即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作.PLC勺CP则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开， 该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点 时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时问一般在100m以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于 100ms因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算

21、机的运行方式一扫描技术。这样在对于I /0响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有 什么区别了。PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的.即在PLC运行时，CPU 根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户 程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次 扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC勺一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。见图2.2。第N-1个扫描周期第N个扫描周期第N+1个扫描周期fc-

22、亠 fc- 尸*F输出刷新丄bfa.“输出刷新|FA用户程序执 行图22 PLC扫描周期示意图2.2.5 SIMATIC S7 工业软件西门子的工业软件分为二个不同的种类：（1编程和工程工具编程和工程工具包括所有基于 PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控 制所需的工具。STEP 7标准软件包SIMATIC S7是用于S7-300/400, C7 PLC和 SIMATIC Win AC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软 件。（2）基于PC的控制软件基于PC的控制系统WinAC允

23、许使用个人计算机作为可编程序控制器（PLC） 运行用户的程序，运行在安装了 Windows NT4.0操作系统的SIMATIC工控机或 其它任何商用机。WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作 为视窗任务运行。另一种是插槽 PLC （在用户计算机上安装一个 PC卡），它具 有硬件PLC的全部功能。WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容，其编程 采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP 7）,编制的程序既可运行在 WinAC 上, 也可运行在S7系列处理器上。2.3 S7-200系列PLC的硬件配置S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展

24、单元。其系 统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。2.3.1基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其 输入输出点数的分配见表2-2：表2-2 S7-200 系列PLC中CPU22X勺基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU22164一S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU2

25、26XM24162个扩展模块48路数字量I/O点或35路模拟量I/O点332扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU只能与基本单元相 连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数 的分配如表2-3所示。表2-3 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类型型号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM235312.4传感器选择与设计光电式传感器是自动药品罐装机在药粒灌装生产线上的一个关键设备，药粒灌装的准确性，将直接影响生产线的生产质量

26、，所以高速准确计数是光电式自 动药品罐装机的关键技术。目前,在粒状药品灌装生产线上，广泛采用的是模板式 的计数系统，当改变每一瓶的灌装量时，需要换不同的计数模板，并且该种系统 的灌装效率越来越不能满足使用厂家的要求，希望有一种高效灌装的计数方法. 本文介绍的光电式自动药品装瓶数粒机系统就是为了满足粒状药品高速灌装生 产线的需要设计的本系统采用的光电计数方式是当今药粒灌装生产线上被大量 使用的最新技术该种光电式自动药品装瓶数粒机计数准确，提高了生产厂家的 产品质量2.4.1光电开关的原理光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化 转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电

27、开关输出回路和输入回路是电隔 离的，所以它可以在许多场合得到应用。光电开关（光电传感器）是光电接近开 关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属， 所有能反射光线的物体均可被检测。 光电开 关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱 或有无对目标物体进行探测。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光 波型。光电 开关是由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组 装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光 源的引脚为输 入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为 光敏二极管、

28、光敏 三极管等等。在 输入端加电信号使发光源发光，光的 强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因 光电效应而产生了光电流，由受 光器输出端引出，这样就实现了电一光 一电的转换VCC1710k()/4hJNTN-PHOTOLAlni39：310k10kk图2.3 光电开关工作原理图光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围 内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。 同时，自诊 断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电 开关的工作。3.4.2光电开关应用设计这里要采用对射式光电开关，由一个发光器和一个收光器组成。 若把发光器

29、和收光器分离开，就可使检测距离加大。 它的检测距离可达几米至几十米。 使用 时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路， 收光器就动作输出一个开关控制信号。实际应用如图2.4。29药粒光电传感器图2.4药粒计数结构图快门西门子PLC有增计数和减计数两种模式。这里我们对光电传感器的输出脉冲 进行增计数。2.5数码显示部分设计在PLC上有很多指示灯，可以观察PLC的CPU单元，I/O单元，特殊单元及通 信单元的工作情况。但PLC的内部数据PLC本身无法显示。为此，要用PLC的外设如简易编程器，数据访问器，高档及低档人机界面等， 可以通过PLC的外设口与PKC相连，用以显示

30、与修改PLC的内部数据。但是这些 设施价格较贵，而且使用不方便。此外，还可以使用输出点驱动数码管做数据显示，而且数码管还可以通过数 据脉冲选通的方法显示数据，以节省输出点的使用。数码管显示分为动态显示和 静态显示，为了接生I/O 口，我们采用动态数码显示。接口如图3.3从图知，每个 数码管都有4个8421二进制码输入端，每个管的这4个端又分别相连。8421端与 PLC的4个半导体的输出点相接（继电器触点速度低，而且不适合经常通断，故 不适于显示数据）.图中每个数码管分别有一个选通信号输入端。e421-Ah l 鼻 *am I ISiirabeA SrtabeB StraLeC StraBeD图

31、2.5 数码管显示图StrobeA,StrobeB等。硬件设计成当选通信号有效时，8421端的当时数据有效；当 选通信号无效时，8421端的原数据保持。有此硬件，用8个PLC的输出点，4个用 于接8421端，4个用与接4个选通端，即可实现一个字的数据显示。控制交流电动机的转速有两种方法：1、改变磁极法；2、变频法。以往多用 第一种方法，现在则利用变频技术实现对2.6电机的选取2.6.1 M1电机的选取M1 （下料电机）选用三相异步电动机三相异步电动机的旋转原理三相异步电机（Triple-phase asynchronous motor）是同时接入 380V三相 交流电源（相位差120度）供电的

32、一类电动机，由于三相异步电机的转子与 定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率。电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁 感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环, 并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环 部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。通电 启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋 转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转

33、 起来，实现能量变换。观察图2.6还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。 相序 A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调， 例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：C B、 A,则磁场必然逆时针方向旋转。利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机 的旋转方向。定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的 磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力， 电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以 ni的转速旋转起来。一般情况 下，电动机的实际转速ni低于旋转磁场的转速n。因为假设n=ni

34、,则转子导条 与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速ni必然小于n。为此我们称三相电动机为异步电动机。鉴于以上原因，所以M1 （下料电机）选用三相异步电动机262 M2电机的选取M2 （传输电机），选用直流电机。直流电动机按励磁方式不同可分为他励、 并励、串励和复励四种。直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的 气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由 机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产 生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁 心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又

35、称整流子）和转轴等部件 构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠 成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则镶嵌于这些槽中。换向器是 一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一一 个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建 立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。9lrla3图2.7直流电机励磁方式改变电压U （调压调速）使转当保持他励直流电动机的励磁电流 If为额定值时，降低电枢电压 U,速n降低。UR由式-k-ket可见在一定负载下，U愈低转速

36、n愈小但 机械特性的硬度不变，见图2.8般电动机都处在额定状态下运行， 再进行调压调速时，为保证电动机的绝,一般是将电动机的电压下调 UvU N,而转速也下调nvnN。调压调速是在额定电流下调速，是恒转距调速。图2.8电压调速曲线调压调速的优点：1. 机械特性较硬，电压降低后硬度不变，稳定性较好。2. 调速幅度较大，其调速幅度可达到 610倍。3. 可均匀调节电枢电压，得到平滑的无级调速。这里采用电压调节方式实现对直流伺服电机的调速。输入信号启动开关，当按下启动开关时，M2转动，药粒下落，当PLC计数器数值达到设定值时，M2停止转动。鉴于以上原因，所以M2 （传输电机）选用直流电机2.6.3

37、M3电机的选取1、三相M3 （供料电机）选用交流电机。目前较常用的交流电动机有两种: 异步电动机。 2、单相交流电动机。第一种多用在工业上，而第二种多用在民用 电器上。（1）单相交流电动机的旋转原理单相交流电动机只有一个绕组， 转子是鼠笼式的。 当单相正弦电流通过定子 绕组时， 电动机就会产生一个交变磁场， 这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规 律变化， 但在空间方位上是固定的， 所以又称这个磁场是交变脉动磁场。 这个交 变脉动磁场可分解为两个以相同转速、 旋转方向互为相反的旋转磁场， 当转子静 止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩， 使得合成 转矩为零，所以电动机无法旋

38、转。 当我们用外力使电动机向某一方向旋转时 （如 顺时针方向旋转） ，这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动 变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。 这样平衡就 打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零， 转子将顺着推动方向旋转起来。 要使单相电动机能自动旋转起来， 我们可在定子中加上一个起动绕组， 起动绕组 与主绕组在空间上相差 90 度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组 的电流在相位上近似相差 90 度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差 90 度的电流通入两个在空间上相差 90 度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转 磁场。在这个旋转磁

39、场作用下， 转子就能自动起动， 起动后， 待转速升到一定时， 借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开， 正常 工作时只有主绕组工作。 因此，起动绕组可以做成短时工作方式。 但有很多时候， 起动绕组并不断开， 我们称这种电动机为电容式单相电动机， 要改变这种电动机 的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。在单相电动机中， 产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法， 又称单相罩极式 电动机。此种电动机定子做成凸极式的， 有两极和四极两种。 每个磁极在 1/3-1/4 全极面处开有小槽，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环， 好象把这部分磁极罩起来一样， 所以叫罩极

40、式电动机。 单相绕组套装在整个磁极 上，每个极的线圈是串联的，连接时必须使其产生的极性依次按N、S、N、S 排列。当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，根据楞次定律，其中穿过短路铜 环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后 90 度的感应电流，此电流产生的磁 通在相位上也滞后于主磁通， 它的作用与电容式电动机的起动绕组相当， 从而产 旋转磁场使电动机转动起来。鉴于以上原因，所以M3 （供料电机）选用单相交流电机。2.7 继电器的选择继电器的工作原理和特性继电器是一种电子控制器件， 它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系 统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去 控

41、制较大电流的一种“自动开关”。 故在电路中起着自动调节、安全保护、转换 电路等作用。2.8 变频器的选择目前，市场上流行的变频器大多分为两类： 一类是适于一般负载的一般通用变 频器；另一类是适合于高精度控制的高性能通用变频器。 高性能通用变频器与一 般通用变频器相比，在以下几方面具有良好的性能：1. 宽的调速范围： 1：100 以上。2. 良好的低频起动特性。3. 额定电压下的全范围恒转矩输出。4. 变频器系统具有良好的静态特性和动态特性。5. 完整和快速的故障诊断、保护和报警功能。6. 具有网络通讯功能。7. 变频器和其驱动的电动机噪声低。Micromaster440 是用于控制三相交流电动

42、机速度的变频器系列。该系列有多 种型号，额定功率范围从120W到200KW（恒转矩控制方式）。该变频器由微处 理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功 率输出器件。因此， 它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。 其脉冲宽度调 制的开关频率是可选的， 因而降低了电动机运行的噪声。 全面而完善的保护功能 为变频器和电动机提供了良好的保护。Micromaster440 具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机 控制系统供电的理想变频驱动装置。由于 Micromaster440 具有全面完善的控制 功能，在设置相关参数以后， 它也可用于更高级的电动机控制

43、系统。所以本设计 中选用 Micromaster440 变频器进行调速。2.8.1 变频器的控制电路如图2.10所示。在图2.10中，端字1, 2是变频器为用户提供的10V直流 稳压电源。 当采用模拟电压信号输入方式输入给定频率时， 为了提高交流变频调 速系统的控制精度， 必须配备一个高精度的直流稳压电源作为模拟电压输入的直 流电源。模拟输入 3， 4和10， 11 端为用户提供了两对模拟电压给定输入端作为频率给定信号，经变频器内模/数转换器，将模拟量转成数字量，传输给CPU来控制系统。数字输入 5， 6， 7， 8， 16， 17 端为用户提供了 6 个完全可编程的数字输入端， 数字输入信号

44、经光耦隔离输入 CPU对电动机进行正反转，正反向点动，固定频 率设定植控制等。输入9,28端是24V直流电源端，用户为变频器的控制电路提供24V直流电源。输出 12， 13和 26， 27端为两对模拟输出端；输出 18， 19， 20， 21， 22， 23， 24， 25端为输出继电器的触头；输入 14， 15端为电动机过热保护输入端；输入 29， 30 端为 RS485 端。fl-'-sT 3 *C 240 V 3 ac aao- 4$d ” >*c S(»- vec>pUIM2二i昭PTC KTY3<TI世咆妙】CPU30 V DC 5 ACdiH /

45、麵申岸C 壬削辱ttt«i口 I肝常 (d- ro 低 j-icar IP 轉A CDM1<x>4DC1 ADO2c W图2.10 Micromaster440 变频器电路图282变频器与PLC的连接可编程控制器(PLC)是一种能进行数字运算与操作的控制装置，它作为新一代 的工业控制器，因其具有通用性好、实用性强、硬件配套齐全、编程方法简单易 学等优点而广泛应用于工业领域。下面介绍 PLC与变频器在配合时连接方面的 注意事项。1、开关指令信号的输入变频器的输入信号中包括对运行/停止、正/反转、微动等运行状态进行操作 的开关型指令信号。变频器通常利用继电器触点或具有继电器触点开关特性的元 器件(如晶体管)与PLC连接，得到运行状态指令。在使用继电器接点时，须考虑 避免接触不良带来误动作；使用晶体管进行连接时，则须考虑晶体管本身的电压、 电流容量等因素。 在设计变频器的输入信号电路时应注意， 输入信号电路连接不 当，有时也会造成变频器的误动作。 如当输入信号电路采用继电器等感性负载时， 应尽量避免继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音引起变频器误动作。 2、数值信号的输入变频器也存在一些数值型 (如频率、电压等)指