基于PLC全自动药品包装机系统设计说明.docx
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基于PLC全自动药品包装机系统设计说明
化工医药职业技术学院
毕业论文（设计）
论文题目：
基于 PLC 的药品包装机控制设计
姓名：
贾晓明
学号：
26
专业班级：
机电 1402 班
指导老师：
耿惊涛
2016 年 12 月 13 日
化工医药职业技术学院毕业论文
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 FX2N-48MR 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。
论文主要容：
1.介绍研制
全自动药品包装机的意义，国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；FX2N-48MR
化工医药职业技术学院毕业论文
第 1 章 概述 ..............................................1
1.1 课题研究背景 .........................................1
1.2 课题研究意义 .........................................2
1.3 国外研究现状 .......................................3
1.3.1 国外袋成型包装机发展现状 ...........................3
1.3.2 国袋成型包装机的发展现状 .........................4
1.3.3 自动包装机存在的问题 ...............................5
1.4 本次设计的任务和设计容 .............................6
1.4.1 设计容和要求 .....................................6
1.4.2 设计工作任务和工作量的要求 .........................6
第 2 章 系统总体设计 ......................................7
2.1 袋成型自动药品包装机的机械结构以及工作原理 ...........7
2.2 工艺分析 .............................................8
2.2.1 装物的工艺特性分析 ...............................8
2.2.2 包装材料的要求 .....................................8
2.2.3 系统工作循环过程 ...................................9
2.2.4 包装机原理框图 .....................................9
第 3 章 PLC 控制系统的硬件设计 ...........................10
3.1 硬件配置 ............................................10
3.2 操作面板的设计 ......................................10
3.3 输入输出点分配 ......................................11
化工医药职业技术学院毕业论文
3.4 PLC 选型 ............................................12
3.5 A/D 模块的选择 ......................................12
3.6 PLC 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 ...........................16
4.1 步进指令编程的介绍 ..................................16
4.2 控制系统的主程序 ....................................16
4.3 初始化程序 ..........................................17
4.4 手动程序 ............................................18
4.5 自动回原点程序 ......................................19
4.6 自动程序 ............................................21
第 5 章 结束语 ...........................................24
5.1 方案综合评价和结论 ..................................24
5.2 体会和展望 ..........................................24
参考文献 ................................................25
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化工医药职业技术学院毕业设计
第 1 章 概述
1.1 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
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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。
1.2 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。
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1.3 国外研究现状
为满足现代商品包装多样化的要求，目前国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。
1.3.1 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 30-80 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，计量围 150
到 450g，包装速度 120 袋/分：
日本横滨电机制作所的 YDE-70 型四边封合包装
机，计量围:
0.5 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 1.2kg，充填精度
60.25%。
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
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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。
1.3.2 国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
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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。
1.3.3 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 60~120 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 35~60 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
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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。
1.4 本次设计的任务和设计容
1.4.1 设计容和要求
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。
1.4.2 设计工作任务和工作量的要求
（1）画出 PLC I/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。
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第 2 章 系统总体设计
2.1 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 2-1：
图 2-1 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 2-2：
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图 2-2工作原理图
2.2 工艺分析
2.2.1 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围极
广，只要是一般特性的药品都可以包装。
2.2.2 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。
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2.2.3 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 2-3 所示。
工艺是连续的，只有在装物供送时，每送入
一件必须保证端封切断器封切一件。
图 2-3包装工作循环过程
2.2.4 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 2-4 所示。
图 2-4原理框图
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第 3 章 PLC 控制系统的硬件设计
3.1 硬件配置
系统硬件配置结构如图 3-1：
系统硬件配置 图 3-1
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。
3.2 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。
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操作面板如图 3-2：
操作面板 图 3-2
3.3 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Y14
10
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X15启动Y15
X16停止Y16
X17供膜Y17
X20打印Y20
X21纵封Y21
X22动盘移动Y22
X23供料Y23
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