基于PLC的藥片自動裝瓶控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 PLC技術(shù)應用項目說明書 基于PLC的藥片自動裝瓶控制系統(tǒng)設(shè)計 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械電子工程 班 級 2012級機電1班 學生姓名 凌偉 指導老師 余穩(wěn)勝 2015 年 10 月 30 日課 程 設(shè) 計 任 務 書茲發(fā)給 2012級機電1 班學生 凌偉 課程設(shè)計任務書，內(nèi)容如下：1 設(shè)計題目： 基于PLC的藥片自動裝瓶控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 應完成的項目：（1）選題的背景和意義； （2）明確設(shè)計任務，擬定總體設(shè)計方案（有機械結(jié)構(gòu)的要進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，三維軟件建模）； （3）硬件設(shè)計，傳感器、PLC（和電機）選型，設(shè)計信號采集、轉(zhuǎn)換電路，畫出PLC端口分配圖、接線控制端子連接圖； （4）

2、軟件設(shè)計，編寫控制程序流程圖（或重要程序），設(shè)計人機界面； （5）課程設(shè)計說明書1份。 3 參考資料以及說明：（1）金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應用（第二版）M.北京：機械工業(yè)出版社，2004 （2）鐘肇新.可編程控制器原理及應用M.廣州：華南理工大學出版社，2003 （3）常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器M.北京：機械工業(yè)出版社，2004 （4）蓋超會，陽勝峰.三菱PLC與變頻器、觸摸屏綜合培訓教程M.北京：中國電力出版社，2011 （5）濮良貴，陳國定，吳立言.機械設(shè)計M.北京：高等教育出版社，2013 4 本設(shè)計任務書于2015年10月12日發(fā)出，應于2015年10月30日前完成，然后進行答辯

3、。指導教師 簽發(fā) 2015 年 10 月 30 日課程設(shè)計評語：課程設(shè)計總評成績：指導教師簽字：年 月 日摘 要現(xiàn)行裝藥系統(tǒng)多為轉(zhuǎn)盤式或電子計數(shù)式裝藥系統(tǒng)，其裝藥種類與包裝方式存在局限性，在處理小型瓶裝式流水線時，存在著計藥數(shù)量不精確，成本較高等缺點。而本設(shè)計采用三菱公司PLC作為主控制器，通過PLC控制傳送帶步進電機、下藥斗電磁繼電器，并且通過IO口讀入光電藥片計數(shù)器的狀態(tài)，實現(xiàn)分片裝藥功能。為了保證裝藥精度，使用了毛刷式下藥斗作為下藥機構(gòu)，使用高速槽型光耦自行設(shè)計了光電傳感器，在保證計數(shù)和下藥精度的同時，使用了THB7128作為步進電機驅(qū)動器，在節(jié)約PLC的IO資源的同時，精確控制步進電機

4、，實現(xiàn)傳送帶與下藥斗的工作同步。為了提高整個系統(tǒng)的適應性，采用了多種裝藥數(shù)量組合搭配的綜合輸入設(shè)定方式，無需修改程序，即可通過外部按鈕實現(xiàn)藥片輸入數(shù)量組合選擇，提高了系統(tǒng)的適應性。關(guān)鍵詞：光電對管，步進電機，PLC，工業(yè)工程i目 錄第一章 緒論11.1 自動藥片裝瓶機的研究發(fā)展狀況11.2 自動藥片裝瓶機的研究目的及意義2第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計32.1 系統(tǒng)設(shè)計綜述32.1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求32.1.2 工作原理方框圖42.2 系統(tǒng)的設(shè)計方案4第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 PLC機型的選擇53.2 PLC外圍電路器件的選擇73.2.1 光電式傳感器73.2.2 步進電動機93.2.3 裝藥機

5、構(gòu)113.2.4 帶式皮帶機123.2.5 電磁閥13第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計154.1 PLC I/O口的分布154.2 程序設(shè)計流程圖164.3 程序設(shè)計梯形圖184.4 程序指令表214.5 人機界面23第五章 結(jié)論24參考文獻25III第一章 緒論隨著科技的日漸發(fā)展，相應PLC的應用范圍正被不斷擴大，其發(fā)揮主導作用的領(lǐng)域擴展著，醫(yī)藥行業(yè)的應用包含其中，其中具代表性的有自動裝瓶機的應用及發(fā)展。目前，在藥片自動包裝設(shè)備方面，關(guān)于PLC的自動裝瓶技術(shù)已日顯成熟，并且現(xiàn)在國內(nèi)外均有相關(guān)設(shè)備。本技術(shù)應用PLC可以通過其通信協(xié)議直接地控制電機運行，這樣自動藥片裝瓶機的運行方式得到了監(jiān)控，而且裝藥時間也

6、可根據(jù)需要得到預先規(guī)定，從而節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。很顯然的，此設(shè)計采用FX2N系列PLC實現(xiàn)對藥片自動裝瓶機的控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)的功能控制。1.1 自動藥片裝瓶機的研究發(fā)展狀況國外發(fā)展狀況：“藥片文化”還是“飲食文化”從很早以前就困擾著外國公眾，并且當我國民眾還處于為實現(xiàn)民族獨立，人民解放奮戰(zhàn)的水深火熱中，他們的這種困擾已經(jīng)開始。美國雜志刊登的一份研究報告曾指出，從1974到1997的23個年頭里，針對死亡率問題，包括美國在內(nèi)的九個西方國家接受調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，因疾病引起的死亡率增長了近乎兩倍。其中飲食結(jié)構(gòu)不合理是發(fā)病率的主要原因。尤其是在二戰(zhàn)后，在崇尚速度和效率的美國，快餐業(yè)

7、迅速崛起。就這樣，餐飲業(yè)給業(yè)主帶來利益并給民眾帶來方便的同時，民眾的健康及壽命受到的消極影響顯而易見。各種疾病產(chǎn)生，危及生存。隨之醫(yī)療產(chǎn)業(yè)崛起，速度更是可想而知。這時隨著PLC等自動化技術(shù)的發(fā)展，PLC的應用領(lǐng)域正不斷擴大著，藥片自動裝瓶應需產(chǎn)生，發(fā)展迅速。 國內(nèi)發(fā)展狀況：我國一直秉承的企業(yè)優(yōu)劣性指標是一個企業(yè)的技術(shù)工藝是否具有代表性，是否存在市場方面的競爭。改革開放以來，隨著我國藥物生產(chǎn)設(shè)備市場的迅速發(fā)展，與此市場相關(guān)的技術(shù)開發(fā)與實踐也備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。了解國外藥物裝瓶設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)動向、機械設(shè)備情況、發(fā)展趨勢同時了解國內(nèi)最新動向，對于企業(yè)規(guī)范產(chǎn)品技術(shù)，提高市場競爭力十分有利。 目前我國食品

8、藥品安全的現(xiàn)狀并不令人滿意，國家食品藥品監(jiān)督管理局指出近年來藥品安全性危險事件不斷發(fā)生。其原因主要有，一是藥品生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中不遵守生產(chǎn)工藝、躲避生產(chǎn)監(jiān)管，不安全因素潛在。二是一些企業(yè)在不滿足我國藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的流水線廠房生產(chǎn)醫(yī)療產(chǎn)品。為此想改變現(xiàn)狀，應該建立和完善我國藥品風險管理體系，在加強藥品不良反應監(jiān)測的同時，針對藥品風險來源，擴大安全監(jiān)測范圍，逐步以立法的形式實施風險管理，緩解我國面臨的藥品安全形勢。首先我們要做的是要著力消除生產(chǎn)和包裝這種源頭問題，著手于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將生產(chǎn)采用自動化。顯而易見，此自動控制系統(tǒng)的設(shè)計解決了其中的主要問題。 我國醫(yī)藥及醫(yī)療機械行業(yè)中，有關(guān)醫(yī)藥包裝的

9、機械產(chǎn)品種類已非常豐富。為滿足我們對不同藥片包裝的要求，以及對批量生產(chǎn)的需求。采用PLC直接控制電機運轉(zhuǎn)，使得資源利用率以及產(chǎn)品質(zhì)量相應提高，同時降低了生產(chǎn)成本。另外PLC具有I/O指示功能并且查找故障點十分迅速、方便。當然，最重要的是PLC具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，自身故障率低的優(yōu)點。因此，本文采用FX2N系列PLC設(shè)計自動藥片裝瓶機系統(tǒng)。 我國自動裝瓶設(shè)備行業(yè)和技術(shù)得到了快速發(fā)展，重點表現(xiàn)為以下幾個方面，一是專門化：自動藥片裝瓶系統(tǒng)具有較高的可靠性，工作平穩(wěn)，零故障運行為用戶首選。同時為保障我國藥片安全形勢，產(chǎn)品專業(yè)化程度越來越高。二是智能化：該領(lǐng)域引入一些新技術(shù)，采用全電腦自動控制系統(tǒng)，使得

10、系統(tǒng)更加快捷、準確、可靠。三是高自動化：自動藥片裝瓶的高自動化主要表現(xiàn)為先進的自動控制科學知識應用其中，實現(xiàn)產(chǎn)品的高自動化。生產(chǎn)率提高的同時，最重要的是能達到國家藥品安全規(guī)定的各項規(guī)范標準。1.2 自動藥片裝瓶機的研究目的及意義首先，自動藥片裝瓶與傳統(tǒng)的手工裝瓶相比，其優(yōu)點是可以避免我們直接與藥品接觸，同時也避免了人與藥品直接接觸帶來的對藥品的玷污，使藥品質(zhì)量得到保證的同時，相應的保障人體健康。其次，由于傳統(tǒng)的手工裝瓶在生產(chǎn)管理方面比較困難，出現(xiàn)錯誤的狀況在所難免。自動藥片裝瓶機的設(shè)計使得管理更加強調(diào)流程和自動化。只有這樣經(jīng)營系統(tǒng)才能改善，生產(chǎn)效率才能提高，控制運行才能更加健康可靠。 第二章

11、系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)設(shè)計綜述經(jīng)由前節(jié)分析，需要設(shè)計一個能夠自主選擇裝藥數(shù)量的系統(tǒng)，完成對整個系統(tǒng)的裝藥過程。為了實現(xiàn)其裝藥流程，需要對整個系統(tǒng)進行分析，并得出設(shè)計要求。自動裝瓶機基本可分為2個動作機構(gòu)：主傳動機構(gòu)、數(shù)粒機構(gòu)。通過以上2個機構(gòu)的聯(lián)動實現(xiàn)包裝產(chǎn)品傳動、藥丸高速計數(shù)、自動供瓶和自動供蓋封蓋等功能。生產(chǎn)中，主傳動機構(gòu)作為整個生產(chǎn)過程的運輸鏈，連接所有的動作。供瓶、數(shù)粒、供蓋封蓋這三個生產(chǎn)過程都將在這條主傳動機構(gòu)上完成。其中供瓶機構(gòu)為，從料斗中落下的瓶，通過電動震動器以及震動通道，依次進入落瓶通道，通道中有三組氣缸聯(lián)動，保證瓶子在設(shè)計時間內(nèi)以正確的方向進入主傳動鏈，之后運送到數(shù)粒

12、機構(gòu)。瓶子到了數(shù)粒機構(gòu)后，開始數(shù)粒模塊。數(shù)粒圓盤在步進電機帶動下轉(zhuǎn)動所設(shè)計的角度，從料斗中選出生產(chǎn)要求的藥粒粒數(shù)，通過落粒通道落入瓶中。裝有藥粒的藥瓶繼續(xù)被傳動鏈帶至供蓋封蓋機構(gòu)。蓋子通過料斗和震動器、震動通道依次進入等待區(qū)域，鉗蓋用氣缸組將蓋子鉗起，由步進電機帶至藥瓶上方，然后由該氣缸組與壓蓋氣缸組配合完成封蓋動作。本設(shè)計的機械設(shè)計要求較多，因此主要完成對供瓶數(shù)粒的PLC控制。2.1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求前文分析可知，現(xiàn)有的裝藥機有電子計數(shù)式與轉(zhuǎn)盤式兩種裝藥方式，而藥品的主要包裝樣式為瓶裝式，轉(zhuǎn)盤式裝藥機雖然精度高，適用于瓶裝式結(jié)構(gòu)，但其機械結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，不利于大規(guī)模的開發(fā)與使用。而帶式裝

13、藥機器效率高，速度快，但結(jié)構(gòu)過于簡單，不利于高精度的設(shè)計實現(xiàn)。綜上所述，本設(shè)計需要設(shè)計一個控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)是將規(guī)定數(shù)量的藥片，有序自動地裝入到藥瓶中。實現(xiàn)自動裝瓶的功能，其裝瓶方式為帶式裝瓶，向每個藥瓶裝入規(guī)定數(shù)量的藥片。其藥片裝瓶數(shù)量需要方便設(shè)置，適用于不同的裝藥需求。查閱資料可知，常規(guī)的瓶裝式藥片數(shù)量有20片、30片、40片等多種規(guī)格，并且通過組合，能在這幾種規(guī)格的基礎(chǔ)上，設(shè)置100片以上的裝藥要求。而系統(tǒng)的裝藥裝置需要設(shè)計，保證控制器能對單一藥片能被篩選出來，實現(xiàn)精準的藥片裝填。采用FX2N系列PLC控制藥片裝瓶機運行，其中按鈕、開關(guān)，光電傳感器分別接PLC輸入口相應位置。電機、電磁

14、閥、指示燈分別接PLC輸出口相應位置。就這樣，通過按藥片數(shù)量選擇按鈕S1、S2或S3，可選擇裝入藥瓶中藥片的數(shù)量，按S1為20片，按S2為30片，按S3為40片。相應數(shù)量上的指示燈H的亮暗表示目前藥瓶裝藥數(shù)量。當裝藥數(shù)量被選定，接著系統(tǒng)啟停被接通，電動機M帶動皮帶轉(zhuǎn)動，延時5秒后，皮帶機將停止運轉(zhuǎn)，這時皮帶上的裝藥瓶到達指定位置進行裝藥。裝有藥片的裝置由電磁閥打開，經(jīng)由光電感應傳感器，那么裝入藥瓶的藥片被一一計數(shù)。藥瓶中的藥片數(shù)量達到預先規(guī)定值時，電磁閥Y會關(guān)閉，皮帶機重新開始運行，使藥片裝瓶過程控制順利進行。在裝藥過程中，當藥片裝入的量需要更改時，這時只有當前皮帶機上的藥瓶中藥片裝滿后，且從

15、下一個藥瓶開始，裝填改變后的藥片數(shù)量。如果在裝藥過程中系統(tǒng)啟停開關(guān)被斷開，則只有當前藥瓶中藥片裝滿后，控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)才能停止。為了保證裝藥機運行的準確性，需要使用PLC的定時功能完成對與傳送帶的配合，密切配合傳送帶的停止與運行。綜上，PLC需要使用兩路IO口分別控制傳送帶與裝藥器電磁閥，同時，通過讀光電傳感器返回的數(shù)字量對當前裝藥數(shù)進行計數(shù)。同時使用三路IO口讀取裝藥數(shù)設(shè)定值，完成裝藥數(shù)量的控制。2.1.2 工作原理方框圖人工控制自動藥片裝瓶機三菱FX系列PLC 設(shè)定裝藥 數(shù)量實現(xiàn)裝藥流程圖2-2 系統(tǒng)原理方框圖2.2 系統(tǒng)的設(shè)計方案根據(jù)自動藥片裝瓶機需要實現(xiàn)的控制要求和功能，首先應制定出系統(tǒng)

16、硬件控制的方案。硬件設(shè)計包括PLC的選型依據(jù)及其具體型號選擇，外圍電路器件的選型依據(jù)與具體型號，其中包括按鈕、電機、電磁閥、光電傳感器、指示燈等，然后是PLC的硬件接線設(shè)計。最后是制定軟件部分的設(shè)計方案，包括PLC各個I/O口的分配、程序設(shè)計思路、流程圖、指令表、梯形圖等。即通過軟硬件結(jié)合的方式，通過按動啟動、停止按鈕等控制命令來驅(qū)動電機帶動皮帶運動或停止。通過光電傳感器，對裝入瓶中的藥片進行數(shù)量統(tǒng)計，如果藥瓶中藥片數(shù)量達到預先規(guī)定值，此時電磁閥將停止工作。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)自動裝瓶機的控制功能要求，設(shè)計該設(shè)備控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案。方案設(shè)計包括各步進電機、電磁閥、下藥斗、光電傳感器、皮

17、帶機等的選型與設(shè)計。3.1 PLC機型的選擇機型選擇標準的基本要求為滿足系統(tǒng)的功能要求，并且應最大程度上滿足系統(tǒng)可靠性、維護使用方便性及性能價格比良好性等優(yōu)點?？紤]因素包括以下幾個方面：（1）結(jié)構(gòu)合理根據(jù)工藝過程、環(huán)境條件以及維修量的大小，選用不同結(jié)構(gòu)的PLC。（2）功能強大根據(jù)控制系統(tǒng)開關(guān)量控制及控制速度要求的不同，選用不同檔次的PLC。（3）機型統(tǒng)一整體式和模塊式是PLC的兩種結(jié)構(gòu)形式。雖然整體式結(jié)構(gòu)的PLC有其特有的優(yōu)點，但通常整體式結(jié)構(gòu)PLC功能有缺陷，因此一般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結(jié)構(gòu)，以使得系統(tǒng)功能得到擴展。（4） 環(huán)境適應性在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應確定控制方案，下一步工作就

18、是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應的控制系統(tǒng)。輸入輸出點數(shù)的估算。I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根?jù)估計的輸入輸出點數(shù)，再增加10% -20%的可擴展。余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造商PLC的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。根據(jù)估算的方法故本設(shè)計的I/O點數(shù)為輸入6點，輸出8點。存儲器容量是可編

19、程序控制器本身提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲容量。設(shè)計階段，由于用戶應用程序還未編制。因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來代替。存儲器內(nèi)存儲量的估算沒固定的公式，許多文獻資料中給出了不同的公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10-15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)，另外再按此數(shù)的25%考慮余量。另外PLC這種工業(yè)控制器可直接用于工業(yè)控制各個領(lǐng)域。因此，大多數(shù)生產(chǎn)廠家會把PLC設(shè)計為可在較差工作環(huán)境條件下仍可靠穩(wěn)定工作的優(yōu)良

20、特性。每種PLC自然會有其特殊的環(huán)境技術(shù)要求，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計時，應充分考慮環(huán)境條件。面對眾多廠家提出的多種系列、功能各異的PLC產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)、性能、價格各不相同。三菱FX2N-16MR型號，其輸入輸出點分別為8，F(xiàn)X2N是FX系列中功能最強、速度最高的微型PLC。他的基本指令執(zhí)行時間高達0.08us，內(nèi)置的用戶存儲器為8K步，可擴展到16K步，最大可以擴展到256個I/O點，有多種特殊功能模塊或功能擴展板，可為裝箱機提供最大的方便和控制能力。根據(jù)課題研究系統(tǒng)自動藥片裝瓶機控制所用的外圍設(shè)備，我們可以來設(shè)計PLC輸入輸出設(shè)備的執(zhí)行元器件的點數(shù)。輸入輸出部分的點數(shù)分別如3-1、3-2表所示：

21、表3-1 輸入部分點數(shù)輸入部分點數(shù)系統(tǒng)開按鈕1系統(tǒng)關(guān)按鈕1數(shù)量選擇按鈕11數(shù)量選擇按鈕21數(shù)量選擇按鈕31光電傳感器1 表3-2 輸出部分點數(shù)輸出部分點數(shù)皮帶機驅(qū)動器1指示燈11指示燈21指示燈31電磁閥1步進電機驅(qū)動器1步進電機驅(qū)動器1 頻率發(fā)生器1 針對本課題的研究特點和系統(tǒng)性能要求的輸入輸出總點數(shù)，本系統(tǒng)采用三菱公司FX2N系列中的16MR，即FX2N-16MR類型。其為三菱FX2N系列、輸入輸出總點數(shù)為16、繼電器輸出。此PLC滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，并且在小型PLC控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。3.2 PLC外圍電路器件的選擇3.2.1 光電式傳感器光電式傳感器（photoelectric

22、 transducer），即基于光電效應的一種傳感器，當可見光照射傳感器，光電效應就會產(chǎn)生，光信號將被轉(zhuǎn)換成電信號從而輸出。在測量位移溫度等物理量方面均應用廣泛。光電測量時不與被測對象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。同時在測量時，光電式傳感器的優(yōu)點是與被測對象之間無摩擦和壓力，保證測量準確性。在某些方面，光電式傳感器也有其缺點，包括成本較高，測量的環(huán)境條件要求較高等。光電式傳感器的種類很多，測量準確、靈敏、非接觸，并且測量參數(shù)多。本設(shè)計的控制系統(tǒng)中，其中的光電式傳感器對裝入藥瓶的藥片數(shù)進行一一計數(shù)，可以滿足本設(shè)計的要求。常見的光電式傳感器有對射式與

23、反射式兩種類型，其中反射式傳感器安裝要求低，占地小，但其由于為反射式檢測方式，紅外調(diào)制發(fā)射器與接收器均在一端安裝，其檢測準確率較低，而對射式光電傳感器雖然安裝復雜，但由于發(fā)射器與接收器分開，其檢測精度較高，非常適合于本設(shè)計。同時為了兼容PLC的24V輸入輸出電平，需要選擇電平與反應速度均兼容的光電傳感器完成此部分設(shè)計。經(jīng)過甄選，最終采用了臺灣億光公司的槽型光耦作為光電式傳感器，其體積小巧，便于安裝，但需要設(shè)計外圍電路，完成光電傳感器的數(shù)字量輸出。光電式傳感器及其計數(shù)電路如圖3-1所示：通過LM358搭建了24V的正向放大器，放大器為正反饋放大器，即搭建成為比較器電路，在高于設(shè)定12V時產(chǎn)生輸出

24、信號跳變，從而對光電傳感器的返回波形進行整形，完成光電傳感器與PLC的IO口信號匹配。光電傳感器輸出波形整形電路如圖3-2所示： 圖3-1 光電傳感器及其計數(shù)電路 圖3-2 光電傳感器輸出波形整形電路 3.2.2 步進電動機步進式伺服驅(qū)動系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，執(zhí)行元件是步進電機。它受驅(qū)動控制線路的控制，將進給脈沖的電平信號直接變換為具有一定方向、大小和速度的機械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，它的精度較差，速度也受到步進電機性能的限制。但它的結(jié)構(gòu)和控制簡單、容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場合具有一定的使用價值。步進電機的工作原理實際上

25、是電磁鐵的作用原理。步進電機的主要特性有以下幾個方面：（1）步距角：步進電機的步距角是反映步進電機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。它是決定步進伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)。步距角越小，數(shù)控機床的控制精度越高。（2）矩角特性：矩角特性是步進電機的一個重要特性，它是指步進電機產(chǎn)生的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的變化規(guī)律。（3）啟動頻率：空載時，步進電機由靜止突然啟動到正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電機就不能正常啟動?？蛰d啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。（4）連續(xù)運行的最高工作頻率：步進電機連續(xù)運行時，它所能接受的，

26、即保證不丟步運行的極限頻率，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。（5）加減速特性：步進電機的加減速特性是描述步進電機由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。當要求步進電機啟動到大于突跳頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升。同樣，從最高工作頻率或高于突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。其中逐漸上升和下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時間常數(shù)和減速時間常數(shù)來描述步進電機的升速和降速特性。步進電動機有如下六個特點：（1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴

27、格成正比。因此，當它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。（2）由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)既簡單、廉價又非?？煽?。同時，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。（3）步進電動機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速。（4）速度可在相當寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)矩，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。（5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。（6） 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應措施。在選擇步進電動機時首先考慮的是步進電動機的類型選擇，其次是具體的品種選擇，在該自動藥片裝瓶機控制系統(tǒng)設(shè)計中要求

28、步進電動機的電壓低、電流小、有定位轉(zhuǎn)矩，確定步進電動機采用二相八拍混合式步進電動機。在進行步進電動機的品種選擇時，要綜合考慮速比、軸向力、額定轉(zhuǎn)矩和運行頻率，以確定步進電動機的具體規(guī)格和控制裝置。選用電機型號為BS110HB99-05，為了完成PLC對步進電機的控制，需要設(shè)計步進電機驅(qū)動器對步進電機進行驅(qū)動。為了節(jié)約PLC的IO資源，同時提高PLC的控制性能，需要設(shè)計一個可由PWM控制的，高細分度的步進電機控制器。THB7128為國產(chǎn)的128高細分度二相步進電機驅(qū)動芯片，其單相通路輸出電流在24V時最大為3.3A。同時其內(nèi)部高速MOS管搭建的雙H橋驅(qū)動電路保證開關(guān)速度。實現(xiàn)了PLC慢速輸出與驅(qū)

29、動電路高速控制的匹配。其原理圖如圖3-4所示：圖3-4 THB7128原理圖由于步進電機控制傳送帶，而傳送帶的工作穩(wěn)定性直接決定了裝藥的成功與否，故128細分度的THB7128控制器為不二之選。在實際使用時，僅需要設(shè)計PLC的Y0口輸出固定數(shù)量脈沖，即可實現(xiàn)步進電機步進角度的控制。3.2.3 裝藥機構(gòu)由于裝藥機通過對裝藥數(shù)量計數(shù)來實現(xiàn)裝藥數(shù)量的精確控制，故需要設(shè)計一個完整的裝藥機構(gòu)，完成對藥片的單個分離與釋放，實現(xiàn)系統(tǒng)的預計功能。常見的藥片分離器為多級傳送帶式分離系統(tǒng)，通過舵機傳送帶對藥片進行分離后，進入下藥斗，完成單片藥片的裝填。而為了簡化設(shè)計，本設(shè)計直接采用了現(xiàn)有的集成式下藥斗完成藥片的分

30、離，而僅在下藥口安裝光電傳感器完成對藥片裝填數(shù)量的控制。1為底板用螺釘安裝在支架組件的側(cè)面板上，4為料斗固裝在1底板上，而實現(xiàn)控片以準確計數(shù)的部件采用轉(zhuǎn)刷3，它由2轉(zhuǎn)刷電機直接驅(qū)動。當皮帶上模孔組通過加料器下方時，由于轉(zhuǎn)刷與皮帶在接觸區(qū)域的速度是反向的，這樣就將?？咨戏蕉嘤嗟乃幬镒钃踝。瑥亩ＷC藥片掉落的準確性。圖3-5 下藥斗3.2.4 帶式皮帶機皮帶輸送機也叫帶式輸送機或膠帶輸送機，是組成有節(jié)奏的流水作業(yè)線所不可缺少的經(jīng)濟型物流輸送設(shè)備。皮帶式輸送機具有輸送量大、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、部件標準化等優(yōu)點。其廣泛應用于礦山、冶金、煤炭等行業(yè)，用來輸送松散物料或成件物品，根據(jù)輸送工藝要求，可單臺輸

31、送，也可多臺組成或與其它輸送設(shè)備組成水平或傾斜的輸送系統(tǒng)，以滿足不同布置型式的作業(yè)線需要，適用于輸送堆積密度小于1.67/噸/立方米，易于掏取的粉狀、粒狀、小塊狀的低磨琢性物料及袋裝物料，如煤、碎石、砂、水泥、化肥、糧食等。被送物料溫度小于60度。其機長及裝配形式可根據(jù)用戶要求確定，傳動可用電滾筒，也可用帶驅(qū)動架的驅(qū)動裝置。皮帶輸送機結(jié)構(gòu)形式多樣，有槽型皮帶機、平型皮帶機、爬坡皮帶機、側(cè)傾皮帶機、轉(zhuǎn)彎皮帶機等多種形式。常用的膠帶輸送機可分為：普通帆布芯膠帶輸送機、鋼繩芯高強度膠帶輸機、全防爆下運膠帶輸送機、難燃型膠帶輸送機、雙速雙運膠帶輸送機、可逆移動式膠帶輸送機、耐寒膠帶輸送機等等。皮帶輸送

32、機主要由機架、輸送皮帶、皮帶輥筒、張緊裝置、傳動裝置等組成。皮帶機按其輸送能力可分為重型皮帶機如礦用皮帶輸送機，輕型皮帶機如用在電子塑料，食品輕工，化工醫(yī)藥等行業(yè)。皮帶輸送機具有輸送能力強，輸送距離遠，結(jié)構(gòu)簡單易于維護，能方便地實行程序化控制和自動化操作。當運用輸送帶的連續(xù)或間歇運動來輸送100KG以下的物品或粉狀、顆狀物品時，其運行高速、平穩(wěn)，噪音低，并可以上下坡傳送。皮帶輸送機廣泛應用于家電、電子、電器、機械、煙草、注塑、郵電、印刷、食品等各行各業(yè)，物件的組裝、檢測、調(diào)試、包裝及運輸?shù)?。線體輸送可根據(jù)工藝要求選用普通連續(xù)運行、節(jié)拍運行、變速運行等多種控制方式。線體因地制宜選用直線、彎道、斜

33、坡等線體形式。由前文可知，現(xiàn)有的裝藥機有電子計數(shù)式與轉(zhuǎn)盤式兩種裝藥方式，而藥品的主要包裝樣式為瓶裝式，轉(zhuǎn)盤式裝藥機雖然精度高，適用于瓶裝式結(jié)構(gòu)，但其機械結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，不利于大規(guī)模的開發(fā)與使用。而帶式裝藥機器效率高，速度快，但結(jié)構(gòu)過于簡單，不利于高精度的設(shè)計實現(xiàn)。綜上所述，本設(shè)計需要設(shè)計一個控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)是將規(guī)定數(shù)量的藥片，有序自動地裝入到藥瓶中。實現(xiàn)自動裝瓶的功能，其裝瓶方式為帶式裝瓶，向每個藥瓶裝入規(guī)定數(shù)量的藥片。其藥片裝瓶數(shù)量需要方便設(shè)置，適用于不同的裝藥需求。3.2.5 電磁閥電磁閥（Electromagnetic valve）是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是用來控制流體的自動化基

34、礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動。用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調(diào)節(jié)閥等。電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔連接不同的油管，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來開啟或關(guān)閉不同的排油孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置。這樣通過控制電磁鐵的電

35、流通斷就控制了機械運動。電磁閥從原理上分為三大類：（1）直動式電磁閥：原理：通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。（2）分步直動式電磁閥：原理：它是一種直動和先導式相結(jié)合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門打開。當入口與出口達到啟動壓差時，通電后，電磁力先導小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時，先導閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動關(guān)閉件，向下移動，使閥門關(guān)閉。特點：在零壓差或

36、真空、高壓時亦能動作，但功率較大，要求必須水平安裝。（3）先導式電磁閥：原理：通電時，電磁力把先導孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關(guān) 閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動關(guān)閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導孔關(guān)閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動關(guān)閉件向下移動，關(guān)閉閥門。特點：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝但必須滿足流體壓差條件。根據(jù)本設(shè)計的要求，采用直動式電磁閥進行設(shè)計。3.3 PLC硬件接線圖PLC的硬件接線圖如下圖所示：圖3-7 PLC的硬件接線圖第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計裝瓶過程主要程序設(shè)計的思路可以認為系統(tǒng)采用手動操作。首先應該選擇裝入藥

37、瓶中藥片數(shù)量，當按下數(shù)量選擇按鈕S1，此時電磁閥被打開，裝藥開始進行，此過程中通過數(shù)據(jù)計數(shù)器和光電式傳感器對藥片裝入數(shù)進行統(tǒng)計，當藥片數(shù)量達到預先規(guī)定值時電磁閥關(guān)閉，裝藥停止；當按下數(shù)量選擇按鈕S2，此時電磁閥被打開，裝藥開始進行，此過程中通過數(shù)據(jù)計數(shù)器和光電式傳感器對藥片裝入數(shù)進行統(tǒng)計，當藥片數(shù)量達到預先規(guī)定值時電磁閥關(guān)閉，裝藥停止；當按下數(shù)量選擇按鈕S3，此時電磁閥被打開，裝藥開始進行，此過程中通過光電式傳感器和數(shù)據(jù)計數(shù)器對藥片裝入數(shù)進行統(tǒng)計，當藥片數(shù)量達到預先規(guī)定值時電磁閥關(guān)閉，裝藥停止。當手動皮帶機驅(qū)動按鈕被按下，皮帶機開始轉(zhuǎn)動，5秒后將停止運轉(zhuǎn)，在此過程中各個數(shù)據(jù)計數(shù)器將會復位，同時

38、在此過程中可選擇裝入藥瓶中的藥片數(shù)量繼續(xù)裝藥。4.1 PLC I/O口的分布基于PLC的自動藥片裝藥機其I/O分配表如表4-1所示：表4-1 I/O口分配輸入器件地址輸出器件地址系統(tǒng)開ONXO皮帶機驅(qū)動KMY0系統(tǒng)關(guān)OFFX1步進電機驅(qū)動MY1每瓶裝20片按鈕S1X2步進電機驅(qū)動 MY2每瓶裝30片按鈕S2X3頻率發(fā)生器MY3每瓶裝40片按鈕S3X420片指示燈H1Y4光電傳感器B1X530片指示燈 H2Y540片指示燈H3Y6電磁閥YY7 其他編程元件的地址分配表如表4-2所示：表4-2 地址分配表編程元件編程地址符號作用輔助繼電器M0M0狀態(tài)標志M1M1狀態(tài)標志M2M2狀態(tài)標志M3M3狀態(tài)

39、標志M4M4狀態(tài)標志M5M5狀態(tài)標志M6M6狀態(tài)標志計數(shù)器C1C1計數(shù)C2C2計數(shù)C3C3計數(shù)定時器T0T0到達裝瓶位置 4.2 程序設(shè)計流程圖控制系統(tǒng)的程序設(shè)計流程圖如圖4-1所示： 圖4-1 程序流程圖裝粒過程程序設(shè)計流程圖如圖 4-2所示： 圖4-2 裝粒過程程序流程圖4.3 程序設(shè)計梯形圖圖4-3 梯形圖4.4 程序指令表程序指令表如表4-3所示：表4-3 程序指令表0 LD X0001 OR M02 ANI M33 OUT M04 LD Y0015 AND Y0026 AND C17 LD Y0018 AND Y0029 AND C210 ORB 11 LD Y00212 AND Y

40、00313 AND C214 ORB15 LD Y00216 AND Y00317 AND C318 ORB19 LD Y00320 AND Y00121 AND C122 ORB 23 LD Y00324 AND Y00125 AND C326 ORB27 OUT M128 LD X00129 OR M230 ANI M331 OUT M232 LD M233 AND C134 LD M235 AND C236 ORB37 LD M338 AND C339 ORB40 OUT M341 LD CI42 AND Y00243 LD C144 AND Y00345 ORB46 OUT M447

41、LD C248 AND Y00149 LD C250 AND Y00351 ORB52 OUT M553 LD C354 AN Y00155 LD C356 AND Y00257 ORB 58 OUT M659 LD Y00160 OR Y00261 OR Y00362 AND M063 ANI T064 ANI M365 ANI Y00466 OUT Y00067 LD X00268 OR Y00169 OR M570 OR M671 ANI M372 ANI M173 OUT Y00174 LD X00375 OR Y00276 OR M477 OR M678 ANI M379 ANI M

42、180 OUT Y00281 LD X00482 OR Y00383 OR M484 OR M585 ANI M386 ANI M187 OUT Y00388 LD M089 AND T090 LDI C191 AND Y00192 LDI C291 AND Y00192 LDI C293 AND Y00294 ORB95 LDI C396 AND Y00397 ORB 98 ANB99 ANI Y000100 OUT Y004101 LD M0102 LDI C1103 AND Y001104 LDI C2105 AND Y002106 ORB107 LDI C3108 AND Y003109 ORB 110 ANB111 OUT T0 K50112 LD C1113 OR C2114 OR C3115 ZRST C1 C3116 LD Y001117 AND X005118 OUT C1 K3119 LD Y002120 AND X005121 OUT C2 K5122 LD Y003123 AND X005124 OUT C3 K7125 END 4.5 人機界面人機界面如下圖4-3：圖4-3 人