自动药片装瓶机PLC控制系统设计毕业设计.docx

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自动药片装瓶机PLC控制系统设计毕业设计

自动药片装瓶机PLC控制系统设计

院系：

机电与自动化学院

专业班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2013年6月

自动药片装瓶机PLC控制系统设计

ThedesignofPLCcontrolsystemaboutautomatictabletbottlingmachine

摘要

PLC可编程序控制器其实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

在现今医药行业中，自动装瓶机得到了广泛应用，它由PLC通过USS通信协议直接控制电动机。

不仅能够实现对装药机方式运行的控制，而且能够根据需要灵活控制装药时间，达到节约电能，降低成本，提高生产效率等目的。

PLC特有的I/O指示功能以及简便的PLC控制硬接线使得查找故障点十分迅速、方便。

PLC主机工作可靠，本身故障率很低。

所以，本文采用PLC设计装瓶机控制系统。

关键词：

工业控制系统PLC自动装瓶机

Abstract

PLCprogrammablecontrolleranditsessenceisakindofspecialforindustrialcontrolcomputer,anditshardwarestructureisbasicallythesamewithmicrocomputer.Itadoptsakindofprogrammablememory,foritsinternalstorageprocedures,theimplementationoflogical,sequentialcontrol,timing,countingandarithmeticoperationssuchasuser-orientedinstructions,andthroughdigitaloranaloginput/outputcontrolvarioustypesofmachineryorproductionprocess.

Intoday'spharmaceuticalindustry,automaticbottlingmachinehasbeenwidelyused,itfromthePLCthroughtheUSScommunicationprotocoltocontrolthemotordirectly.Notonlycanrealizethechargingmachineoperationcontrol,andcanflexiblycontrolthechargetime,saveenergy,reducecosts,improveproductionefficiencyandotherpurposes.PLCspecialI/OindicationfunctionandsimplePLCcontrolhardwiringthatfindthepointoffailureisveryrapid,convenient.PLChostworkreliability,failurerateisverylow.Therefore,thispaperusesPLCtodesignabottlingmachinecontrolsystem.

Keywords:

industrialcontrolsystemPLCautomaticbottlingmachine

摘要……………………………………………………………………………………….I

Abstract………………………………………………………………………………….II

绪论……………………………………………………………………………………….1

1方案设计……………………………………………………………………………...2

1.1任务描述……………………………………………………………………………2

1.2生产工作过程和要求………………………………………………………………3

1.3方案设计图…………………………………………………………………………4

1.4系统总体设计………………………………………………………………………5

2硬件设计……………………………………………………………………………...6

2.1PLC的基本结构……………………………………………………………………6

2.1.1PLC的软件结构………………………………………………………………….7

2.1.2PLC的编程语言………………………………………………………………….8

2.1.3用户程序结构…………………………………………………………………...10

2.2PLC的基本工作原理……………………………………………………………..10

2.3PLC控制系统的设计基本原则…………………………………………………..11

3软件设计………………………………………………………………………….…13

3.1PLC输入／输出（I／O）端口与资源分配……………………………………...…13

3.2硬件系统结构方框图………………………………………………………….….13

3.3软件系统设计与设备动作要求……………………………………………….….14

3.3.1信号预处理块………………………………………………………………..….14

3.3.2药瓶移位及药片装瓶模块………………………………………………….…..15

3.3.3状态指示及药片计数块………………………………………………………...15

3.3.4程序梯形图…………………………………………………………………..….16

4程序调试…………………………………………………………………………….20

4.1测试程序…………………………………………………………………………..20

4.2调试总结…………………………………………………………………………..21

总结……………………………………………………………………………………...22

致谢……………………………………………………………………………………...23

参考文献………………………………………………………………………………...24

绪论

技术工艺是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。

随着我国药物生产设备市场的迅猛发展，与之相关的生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。

了解国内外药物装瓶设备生产技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。

医药行业中，医药包装机械产品种类丰富，药品的形状、性质、包装要求等差异很大，且产量大。

因此，自动装瓶机品种众多，目前医药包装设备中，大颗粒、规则形状的药丸自动包装技术已经非常成熟，国内外均有相关设备，但针对异型粒、异型瓶等包装技术则较为有限。

PLC通过USS通信协议直接控制电机,不仅能够实现对装药机方式运行的控制,而且能够根据需要灵活控制装药时间,达到节约电能,降低成本,提高生产质量的目的。

手工装瓶直接接触药品，长期接触药品的人会对身体造成伤害，采用自动装瓶机杜绝了这种现象的发生，同时避免了人与药品接触带来的对药品的污染，保证了药品的质量，符合药用要求，符合保障人体健康、安全的标准。

手工装瓶生产难于管理，容易出现纰漏和混乱，自动装瓶机建立了一个能控制整个数据中心运营的综合性管理平台使管理更加强调流程和自动化，改善了经营系统，提高了工作效率，使企业运营更有加稳定。

考虑到对药品包装的特殊要求，主要是防止塑料瓶内的药品气体挥发和外部气体向瓶内渗透，要求塑料瓶口与瓶盖间有很好的密封性能。

自动装瓶机可以满足药品包装的这种性能要求，同时消除了人为因素对药品灌装的不合格的处理动作，提高了灌装质量。

目前，我国制剂生产能力不够，医院配制制剂品种较多，不能满足市场需求，无法保障药品及时供应。

使用实用新型的片剂自动装瓶机，明显地降低了片剂装瓶包装的劳动强度和生产成本，提高了生产效率，缩短了生产周期，社会效益和经济效益明显增加。

本文是应用三菱FX2N-16MR与simulator6c仿真软件设计的自动药片装瓶机系统。

1方案设计

1.1任务描述

这是一个将一定数量药片自动连续地装入到药瓶中的控制任务。

按下按钮S1、S2、S3或者S4，可选择每瓶装入3片、5片、7片或者10片药片，通过指示灯HI、H2、H3或者H4表示当前每瓶的装药数量。

当选定要装入瓶中的药片的数量后，接通系统开关，电动机M驱动皮带机运转，位置检测检测到皮带机上的药瓶到达装瓶机的位置，皮带机停止运转。

当电磁阀Y打开药片自动装瓶的装置后，通过光电传感器B1，对进入药瓶的药片进行计数，当药瓶中的药片达到预先选定的数量后，电磁阀Y关闭，皮带机重新自动启动，使药片装瓶过程自动连续运行。

如果当前的装药过程正在进行时，需要改变药片装入数量（例如7片改为5片），则只有在当前药瓶装满后，从下一个药瓶开始装入改变后的数量。

如果在装药过程中断开系统开关，则在当前药瓶装满后，系统停止运行。

当系统开关X0的常闭触点闭合时，采用手动操作，首先选择装药量，如果按下每瓶装3片按钮S1，电磁阀打开，开始装药，通过光电传感器和计数器对药片进行计数，当达到3片时电磁阀关闭，停止装药。

同样的对于5片、7片、10片。

自动药片装瓶机模型如图1-1所示。

图1-1自动药片装瓶机控制系统模拟器示意图

1.2生产工作过程和要求

（1）实际试验和生产表明，该控制系统能够达到生产所提出的速度和效率

要求。

并且该控制系统扩展性和通用性良好。

由该装瓶机控制系统可见，一般药品包装动作均可分为以下几个模块：

①药品容器供应（如药瓶供应）；

②药品供应（如药丸药粒等供应）；

③密封方案实现（如瓶盖供应与封盖）；

④成品半成品运输（如主传动链，连接各个动作阶段，直至完成装瓶）；

⑤最终封装（如装箱等）。

PLC的逻辑控制能力强，处理数字与模拟信号能力稳定快速，而且对于基于时间的顺序动作控制能力尤其强，因此是医药行业中自动药品包装机械的理想控制平台。

只要药品包装的各个动作能通过机械方式实现，就能够找到相应的控制系统来实现自动化。

（2）典型的自动控制动作有：

①精确的位置控制可由高精度的步进电机或伺服电机实现，以及通过设计闭环控制系统使用传感技术实现；

②运动的控制可由各种电机实现；

③单向或双向的冲击动作可由气压系统实现，液压系统还可以完成带负载的有位置要求的动作；

④对于各种动作所需要的条件判断可利用各种传感技术输入信号至PLC来实现等。

由此可见，该自动装瓶机的控制系统稍加改进，能实现各种异型瓶、异型粒的自动包装，在药品包装行业中能够实现绝大多数的包装机械的自动化。

另外，该自动装瓶机所有动作均可由气缸和步进电机来完成，因此也可由数字量的输入输出控制来完成。

现在多元化的产品和市场要求可能在产品包装中需要能够处理模拟量的控制系统，如精确可调或连续的位置量、参量等。

PLC的功能同样可以处理模拟量的控制。

1.3程序流程图

程序流程图设计如图1-2所示

图1-2程序流程图

1.4系统总体设计

FX2N系列可编程控制器是功能齐全的中小型PLC，其控制规模包括16点/32点/48点/64点/80点/128点/，输出具有继电器/晶体管/晶闸管输出，内置8KB容量的EEPROM存储器，CPU运算处理速度0.55~0.7us/基本指令，在三菱FX2N系列PLC器件的右侧可连接I/O扩展模块和特殊功能模块。

图1-3自动药片装瓶控制系统PLC资源分配

2硬件设计

2.1PLC的基本结构

PLC（ProgrammableLogicController），可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

是工业控制的核心部分。

PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活、易学易用、体积小，重量轻和价格便宜的特点。

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

（1）电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。

一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

（2）中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

（3）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（4）输入输出接口电路。

①现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

②现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

（5）功能模块如计数、定位等功能模块。

（6）通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。

（7）存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

（8）输入输出接口电路。

①现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

②现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

（9）功能模块如计数、定位等功能模块。

（10）通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。

2.1.1PLC的软件结构

PLC的软件由系统程序和用户程序两大部分组成。

系统程序由PLC制造商固化在机内，用以控制PLC本身的运作；用户程序则是由使用者编制并输入的，用来控制外部对象的运作。

系统程序主要包括三部分。

第一部分为系统管理程序，他控制PLC的运行。

第二部分为用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行。

第三部分为标准程序模块与系统调用程序，包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序。

（1）系统管理程序

系统管理程序是系统程序中最重要的部分，用以控制PLC的运作。

其作用有三，一是进行运行管理，控制PLC何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等时间上的分配管理；二是存储空间管理，即生成用户环境、规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数、存储地址化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变为用户很方便的直接使用的元件。

三是系统自检程序，包括系统出错检验，用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。

（2）用户指令解释程序

用户指令解释程序是联系高级语言和机器码的桥梁。

PLC可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂的梯形图变成机器易懂的机器语言，这就是解释程序的任务。

解释程序将梯形图逐条解释，翻译成相应的机器语言指令，再由CPU执行这些指令。

（3）标准程序模块与系统调用程序

标准程序模块与系统调用程序由许多独立的程序块组成，各块程序有不同的功能，有的完成输入、输出处理，有的完成特殊运算等。

PLC的各种具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。

整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏很大程度上影响PLC的性能。

因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬设备的条件下改善PLC的性能。

用户程序即应用程序，是PLC的使用者针对具体控制对象编制的应用程序。

根据不同控制要求编制不同的程序，相当于改变PLC的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”。

程序既可有编程器方便的送入PLC内部的存储器中，也能通过他方便的读出、检查与修改。

PLC编程语言有多种，它是用PLC的编程语言或某种PLC指令的助记符编制而成的。

编程语言可以是语句表、梯形图或状态流程图（功能图）。

各个元件的助记符随PLC型号的不同而略有不同。

2.1.2PLC的编程语言

（1）梯形图（LAD）

梯形图是一种类似于继电器控制线路图的一种语言。

这种语言继承传统继电器控制系统中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读，具有形象实用的特点，因此应用最广泛。

PLC梯形图的一个关键概念是“能流”，是一种假想的“能量流”。

把左边的母线假设为电源“火线”，而把右边的母线假想为电源“零线”。

如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。

要强调的是，引入“能流”概念，是为了和继电接触器控制系统相比较，告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作，实际上并不存在这种“能流”。

（2）语句表（STL）

语句表是一种类似于计算机汇编语言的助记符语言，它是PLC最基础的编程语言。

由不同的指令所构成的语句组成的，其中的指令则由操作码和操作数组成，其中操作码指出了指令的功能，操作数指出了指令所用的元件或数据。

例如图2-2所示。

图2-2梯形图

（2）状态流程图（SFC）

状态流程图“SFC”编程是一种较新的方法，它是用“功能图”来表达一个顺序控制过程，是一种图形化的编程方法。

用方框表示整个控制过程中一个个“状态”，或称“功能”或称“步”，用线段表示方框间的关系及方框间状态转换的条件。

2.1.3用户程序结构

设计一个好的用户程序，就要设计一个合适的用户程序结构，正确地使用用户程序语言才能编写出满足工程需要的程序。

主要包括：

用户程序、数据块和参数块。

（1）用户程序

用户程序是程序中的必须项。

用户程序在存储器空间中称为组织块，他处于最高层次，可以管理其他快，他是用各种语言编写的用户程序。

不同机型的CPU，其程序空间容量也不同。

用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包含一个主程序、若干子程序和若干中断程序三大部分，不同编程设备对各程序块的安排方法也不同。

（3）数据块

数据块为可选部分，他主要存放控制程序所需的数据，在数据块中允许以下数据类型：

布尔型，表示编程元件的状态；十进位、二进位制或十六进制数；字母、数字和字符型。

（3）参数块

参数块也是可选部分，他存放的是CPU组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上来进行CPU组态，则系统默认值进行自动配置。

2.2PLC的基本工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（1）输入采样阶段。

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。

即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

（3）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

2.3PLC控制系统的设计基本原则

（1）分析控制系统的控制要求熟悉被控对象的工艺要求，确定必须完成的动作及动作完成的顺序，归纳出顺序功能图。

（2）选择适当类型的PLC根据生产工艺要求，确定I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等），并列出I/O点清单。

进行内存容量的估计，适当留有余量。

根据经验，对于一般开关量控制系统，用户程序所需存储器的容量等于I/O总数乘以8；对于只有模拟量输入的控制系统，每路模拟量需要100个存储器字；对于既有模拟量输入又有模拟量输出的控制系统，每路模拟量需要200个存储器字。

确定机型时，还要结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定性能价格比好一些的PLC机型。

（3）硬件设计根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。

按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电气控制系统原理接线图。

（4）软件设计

①软件设计的主要任务是根据控制系统要求将顺序功能图转换为梯形图，在程序设计的时候最好将使用的软元件（如内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途，以便于程序设计、调试和系统运行维护、检修时查阅。

②模拟调试。

将设计好的程序下载到PLC主单元中。

由外接信号源加入测试信号，可用按钮或小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。

现场调试在