基于PLC控制的全自动药品包装机系统设计：高效、经济、柔性包装解决方案
基于PLC控制的全自动药品包装机系统设计
概括
现代社会对物品的包装要求越来越高，药品也不例外。为了使包装的药品整齐美观并具有良好的包装质量，要求包装机具有动作精确、定位准确、生产率高和一定的效率。灵活性，因此对包装机的控制要求越来越高。传统的继电器已经不能满足现代药品生产的要求，高效、经济、灵活的新型包装机械是市场迫切需要的。本文重点介绍一种基于PLC的全自动制袋药品包装机，并对控制系统的硬件设计和软件设计进行了详细介绍。药品包装机使用FX2N-48MR编程器。 STL指令编程可实现手动、单步、单循环、回原点、连续工作模式之间的切换。论文主要内容： 1、介绍研制全自动药品包装机的意义、国内外研究现状、以往药品包装存在的问题以及本次设计的目的； 2、结合制袋成型自动包装机的机械结构，分析其工作过程，为自动控制做好准备； 3、设计PLC控制系统的硬件，绘制外部接线图分配输入输出点数，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，并进行仿真调试。
经过三周的努力，上述工作终于完成。药品包装机可以实现简单的控制要求，但控制精度有待提高。
关键词：药品包装机；制袋成型； PLC； FX2N-48MR
目录
TOC \o "1-3" \h \z \u 第 1 章 概述 1
1.1 课题研究背景1
1.2 研究意义2
1.3 国内外研究现状3
1.3.1国外制袋包装机发展现状3
1.3.2国内制袋成型包装机发展现状4
1.3.3 自动包装机存在的问题5
1.4 本次设计的任务及设计内容 6
1.4.1 设计内容及要求 6
1.4.2 设计工作任务和工作量要求 6
第二章系统总体设计 7
2.1 制袋成型全自动药品包装机机械结构及工作原理7
2.2 过程分析8
2.2.1 内部内容物的工艺特性分析8
2.2.2 包装材料要求8
2.2.3 系统工作循环流程9
2.2.4 包装机原理框图9
第三章 PLC控制系统硬件设计 10
3.1 硬件配置 10
3.2 操作面板设计10
3.3 输入输出点分配 11
3.4 PLC选型 12
3.5 A/D模块选型 12
3.6 PLC外部接线及电机驱动电路 13
第四章PLC控制系统软件设计 16
4.1 步进指令编程简介 16
4.2 控制系统主程序 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 结论 24
5.1 方案综合评价与结论 24
5.2 经验与展望 24
参考文献 25
第一章概述
1.1 课题研究背景
随着经济持续健康发展，我国已成为世界十大药品生产国和原料出口国之一。但我国医药包装整体水平仍落后于发达国家。上海药品包装检测研究所所长季伟介绍，高速度、低效率、高消耗的粗放式增长是我国药品包装发展的典型特征。国内大部分医药产品的包装质量与发达国家存在较大差距。
目前，我国医药包装产品有65%未达到20世纪80年代发达国家水平；包装材料质量和包装对医药行业的贡献率较低。在发达国家，药品包装占药品价值的30%，而在我国这一比例还不到10%。其中，国内大型医药包装企业的设备虽然与国外相差不大，但其软件环境却不尽如人意。
据了解，造成这种差距的原因主要有三个：一是我国医药工业整体水平较低，药品生产企业技术相对落后。我国医药企业众多，但规模较小，重复生产严重，企业管理水平较低。其次，长期以来药品主要在医院销售，药店销售的药品只占总量的一小部分。企业自然很难花大力气改革包装，而药品包装却长期保持不变。最后，药品包装机械、设备和材料的技术水平落后，从业人员质量意识不强，这也制约了我国药品包装行业的发展。
就包装设备而言，国内大型医药包装企业的设备虽然与国外相差不大，但软件环境却不尽如人意。国内药厂的大部分包装工作，尤其是比较复杂的包装物品的排列和组装，基本上都是手工操作。众多经营者无法保证包装的均匀性和稳定性。即使有的药厂使用了某些包装机械，也只是用在整个包装链的某个环节。
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。高度自动化的设备应该具备：首先，每个机器人都由计算机控制。为了完成复杂的包装动作，一台包装机需要由多个机器人来完成。完成包装动作时，在电脑控制摄像头的信息和监控下，机械手按照其发出的指令完成规定的动作，保证包装质量；其次，它对材料和厚度具有较高的分辨能力，并且在包装过程中对包装材料进行加工。厚度和材质的变化人眼不易察觉，因此包装机械上应采用计算机控制的摄像头和探测器来识别包装材料厚度和材质的变化，并显示在显示器上。同时机器会根据分离物料的变化改变相关参数，使设备运行在最佳状态； (2)机械功能要求多样。
1.2 研究课题的意义
随着社会的发展和生活水平的提高，人们对药品包装提出了更高的要求。如果采用手工包装药品，劳动强度大、速度慢、效率和质量较差，而且手工包装不能满足卫生要求。因此需要自动包装机来完成这些任务。
包装机械是现代包装工业的基础装备，是商品生产中不可缺少的关键技术装备。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，人们越来越注重包装的质量和品种。包装机械在包装领域发挥着重要的作用。包装机械是产品包装机械化、自动化的根本保证。可大大提高生产效率；降低劳动强度，改善劳动条件；保护环境，节省原材料，降低产品成本；有利于包装产品的卫生，提高产品包装质量，增强市场销售竞争力；由于包装机械计量精度高，产品包装外观美观、整齐、统一、密封严密，提高了产品包装的质量，增强了产品销售的竞争力，可以获得较高的经济效益；延长产品的保质期，有利于产品的流通。 。
包装机械保证了包装产品质量高、生产效率高、品种多、生产环境好、生产成本低、环境污染小，从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。自动包装机堪称龙头机型，发展历史悠久，生命力旺盛。现已被各国视为具有良好前景的包装机械。
由于国内制袋成型自动包装机存在的软、硬件问题，缺乏相应的设计指导理论，对其进行研究和改进是非常有意义的。包装容器的制袋、灌装、封口是包装过程中的必要工序。灌装精度影响厂家的经济效益；密封质量影响包装产品的外观质量和保质期。因此，包装的质量很大程度上取决于袋长和封口质量的精确控制。在了解整机结构的基础上，针对纵封和横封的封合形式，完成了薄膜输送系统等关键部件的硬件设计。在实际生产中也具有非常重要的指导意义。
1.3 国内外研究现状
为了满足现代商品包装的多样化要求，国内外不断开发出适合多品种、小批量的通用包装机械设备，导致包装机械的种类不断增多。制袋成型自动包装机是将热塑性塑料复合薄膜加热软化成包装容器，在一台设备上自动完成制袋、计量、充填、封合、剪切全过程的自动化包装设备。
1.3.1国外制袋包装机发展现状
国外制袋包装机发展全面，优势明显。主要特点是：
结构设计标准化、模块化。当使用一台包装机包装不同的物料时，利用原有机型的模块化设计，可以在短时间内快速改变规格或转换为其他包装形式，并为不同的计量系统提供足够的空间。空间。
更快的包装速度。目前国外小袋包装机的单排包装速度一般为30-80袋/分钟。近年来，许多企业推出了多排包装机（2至10排不等），可以大大提高包装速度。例如意大利ILAPAK公司的300、400系列枕式包装机，计量范围为150～450g，包装速度为120袋/分钟：日本横滨电机制造公司的YDE-70四边封包装机., Ltd. 的测量范围为0.5 至30ml。可运行2至10排，最高速度为800袋/分钟。
高精度结构运动。由于采用了各种新技术，如伺服电机、编码器、数字控制、动力负载控制PLC等高精度执行器来控制各种动作，提高了整机的灌装计量精度和制袋精度。例如，日本东京自动机械公司的SIGMA3粉末计量机，配备了可调速驱动电机，并使用螺杆进行下料和填充。每次最大灌装量1.2kg，灌装精度60.25%。
控制智能化、灵活。国外机器大多采用智能控制仪表和触摸屏上基于菜单的应用软件来跟踪和调整机器的各种参数。电子显示屏显示制袋长度、包装速度、填充物净含量、包装产量等一目了然。标准色标跟踪光电系统绝对能保证包装产品印刷图案的正确性。此外，该机还可以对工作过程进行在线状态监测和故障诊断分析。一旦出现问题，会自动停止并显示故障原因及解决办法。
包装形式多种多样。国外袋包装目前有三边封袋、四边封袋、枕形袋，还有风琴式、自立式袋等，用户可以根据市场需要有更大的选择空间。
国外袋式包装机的执行机构和传动系统趋于简单。横封、纵封等动作执行机构均采用气动元件。包装动作简单快捷，整机噪音低。采用变频调速装置实现无级变速，不仅具有调速范围大、平稳性好、低速特性好，而且可以实现恒转矩调速，节电效果也非常明显。
1.3.2国内制袋成型包装机发展现状
我国包装机械发展较晚，目前处于初级应用阶段。而且，由于用户技术水平和各种环境因素的限制，我国包装机械的需求就像一个“金字塔”。对高端、精密、尖端设备的需求就像金字塔的顶端，设备越精密，需求就越小；中低端设备的需求就像“金字塔”的底部，数量大、领域广，商机无限。随着市场需求的不断增加，我国制袋成型自动包装机自20世纪90年代以来得到迅速发展。通过参考国外产品，消化、吸收和自主开发研究，技术得到了很大提高。测量范围从1g到1000g。尤其是在产品功能和自动化方面取得了长足的进步。
我国通过参考国外同类型产品，对其进行消化、吸收和自主开发、研制，取得了较大的技术发展和提高。我国现有的制袋成型自动包装机应用广泛。型号分为立式和卧式两种。可包装液体、糊状物料、粉状物料、颗粒及固体物料。包装形式有枕形袋、三封袋、袋式、四封袋、砖形带、屋形带、角形自立袋等类型。通过PLC和PC控制技术的不断推广和应用，制袋成型自动包装机的自动化程度得到了很大的提高。
我国生产的制袋自动包装机主要为普通型和通用型，即能在同一设备上、在同一设备上自动完成制袋、计量、打印日期、充填、封合、切断、输出等工序。垂直方向相同。包装材料一般有：液体、粘稠状物料、颗粒状物料、粉末、膏体、片剂、膨化食品等。灌装和计量方式一般有：容量式和称重式。容积式可分为量杯式、转阀式和柱塞式；称重类型可分为电子秤和杠杆秤。有些包装机还采用组合式，粗喂时采用容积式，精喂时采用称重式。所有包装材料主要是可热封的塑料单膜和各种复合膜。包装成型袋大部分是平口袋。主要热封方式有：往复式、L形封闭式、旋转式。国内中型袋包装机多采用的横封装置是一对连续辊。其缺点是开机和停机时必须将部分包装材料夹在滚筒之间，清理困难，浪费材料。对于小型袋包装机，横封装置采用扇形开合封口方式。当包装袋尺寸扩大时，封口质量难以保证。
客观地说，我国生产的制袋成型自动包装机的综合性能与国外先进国家相比还存在较大差距。比较突出的问题是：机械加工技术水平低；机制动作的同步性和协调性差；关键件、易损件、电气元件寿命短、可靠性差；生产速度普遍较慢，自动化水平不高。调节和自动化控制水平低；设备机动性差，维护麻烦；灌装精度低、速度慢；外观和表面质量较差。
1.3.3 自动包装机存在的问题
据调查，现有的自动包装机存在以下问题：
1、包装机长期以来存在包装材料输送速度难以控制的问题。薄膜输送速度不稳定，影响袋长精度、袋形精度和袋形质量；工作开始和结束时，膜卷的直径和速度变化较大。大，转动惯量变化，造成包装运输过程中拉力不均匀，造成袋封长度变化，袋长控制精度不高。
2、包装精度（灌装精度）低，工作不稳定。
3、包装速度低；目前国内包装机的小袋包装速度在60～120袋/分钟之间。当包装速度超过80袋/分钟时，包装质量会下降；中袋包装为35至60袋/分钟。国外设备的包装速度可达1200袋/分钟，中袋包装速度为160袋/分钟。
4、密封质量难以保证
5、外观质量。国家规定，包装袋封口处应平整、纹理清晰，不得有烧焦、压痕。然而，现有的包装机不能很好地满足国家标准；
包装成品的密封强度低；
由于塑料包装材料与被包装物之间的静电相互作用，被包装物的微小颗粒会吸附在塑料袋的内壁上。如果不去除，横封将密封不严，严重影响包装袋的封口质量。
自动包装机横封机构的运动形式不合理会导致封口质量问题。传统包装机的封口机构具有扇形开合功能，封口部位的热封时间不同，导致封口部位不平整、局部烧焦或强度不够。当两个横封机构采用左横封运动时，两个横封机构对包装袋施加的力不同，会造成封口不均匀。而且封口周期长，包装速度慢。
1.4 本次设计的任务及设计内容
1.4.1 设计内容及要求
全自动药品包装机的整个流程包括：制袋、灌装、封合、打印日期、切袋膜等。设计采用PLC控制药品包装机流程，实现手动和自动工作方式。
1.4.2 设计工作任务和工作量要求
(1)画出PLC I/O口接线图，并按图接线。
(2)编制控制程序并绘制梯形图逻辑图。
(3)完成系统调试并达到控制要求。
（4）完成课程设计说明。
第二章系统总体设计
2.1 制袋自动药品包装机机械结构及工作原理
制袋成型自动药品包装机是将热塑性包装材料加热软化成包装容器，在一台设备上自动完成制袋、计量、充填、封合、剪切全过程的自动化包装设备。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所示：
图2-1 机构原理图
制袋自动药品包装机运行时，拉膜电机启动，通过传动机构带动拉膜带连续匀速运行。拉膜带速度可根据包装速度设定值自动调节。缠绕膜带内侧为齿形带外侧为高弹性橡胶带。高弹橡胶带可增强其与薄膜之间的摩擦力。在这种摩擦力的作用下，包装材料随膜带向下运动。制袋成型全自动药品包装机工作原理如图2-2所示：
图2-2 工作原理图
2.2 流程分析
2.2.1 内部内容物工艺特性分析
药物主要为颗粒剂、粉末剂或液体剂型。该包装机在稍加改动的基础上即可完成固体物料的包装。如果实体内部的形状发生变化，只需更改零件即可。如果尺寸发生变化，可以调整或更换前者。其他的可以简单调整。对于易碎物品，可在中封牵引和端封切刀上粘贴一些缓冲材料，使机器适应范围广，无需更换零件。如果包装由粉末变为液体，则需要更换物料输送模块和物料灌装计量装置。总而言之，给袋成型自动包装机用途广泛，可以包装具有通用特性的药品。
2.2.2 包装材料要求
包装材料在包装机械设计中也很重要。塑料包装的出现引发了包装机械的一场革命。包装工艺和包装技术发生了巨大的变化。例如，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。考虑到薄膜被拉动时，薄膜受到较大的拉力。一般来说，包装速度越高，包装材料越容易破裂。如果包装材料的拉伸强度不够，必然会影响包装速度的提高。因此，选择包装材料的质量非常重要。
2.2.3 系统工作循环流程
制袋式自动药品包装机的结构适用于连续自动包装。从技术角度看，包装工作循环流程如图2-3所示。该过程是连续的。仅当供应内部内容物时，端封切割机才必须密封并切割每件物品。
图2-3 包装工作循环流程
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流程，设计了包装机的功能框图，如图2-4所示。
图2-4 原理框图
第三章PLC控制系统硬件设计
3.1 硬件配置
系统硬件配置结构如图3-1所示：
系统硬件配置 图3-1
包括中央处理器和I/O扩展单元、检测部件（光电开关、接近开关等）、操作面板（旋转开关、按钮开关）、控制部件（交流接触器、电磁阀）和执行部件（电机、气缸） ）等几部分。操作面板作为设备控制的操作界面，接受操作人员的操作指令，指示设备的运行状态；检测元件检测料位测量、送料结束信号以及各部分动作的完成情况； PLC在一个循环中自动扫描各输入输出点的当前状态，并根据梯形图程序确定的逻辑关系更新输出点的状态，控制电机的启停和气缸的动作通过切断交流接触器和换向电磁阀，从而完成从膜卷输送到物料整个卸料过程的自动控制。
3.2 操作面板设计
为了满足生产现场的需要，许多设备需要多种工作模式。本次设计的药品包装机也需要它。系统有手动、单循环、单步、连续、回原点五种工作模式。工作模式选择开关的5个位置对应5种工作模式，操作面板左下方的8个按钮为手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC出现故障时）能够可靠地切断PLC的负载电源，安装了交流接触器。当PLC开始运行时，按下“加载电源”按钮，KM线圈通电并自锁。连接 KM 的主触点，为负载提供交流电源。紧急情况下，可使用“紧急停止”按钮断开负载电源。
操作面板如图3-2所示：
操作面板 图3-2
3.3 输入输出点分配
全自动包装机的流程由制袋、充填、封合、冷却等部分组成。包装机控制系统的输入信号包括：启动、停止及急停信号检测、膜袋长度色标检测、缺袋检测、定量灌装部分返回是否有灌装信号、横封到位检测、横封到位检测、垂直封口检测。输出信号包括：卷膜牵引启动、卷膜横封控制、防过冲制动控制、水冷却控制、卷膜纵封控制、卷膜切刀控制、印刷控制、搅拌送料电机启停控制、基于上述控制要求，并基于整个控制系统和备份点的总成本，本设计采用24个输入点、24个输出点的PLC基本单元。 I/O点分配如下：
输入端子说明 输出端子说明
X0安全门限位 Y0印刷滚筒电磁阀
X1扩张用Y1纵封气缸电磁阀
X2纵封到位检测 Y2动板气缸电磁阀
X3膨胀用Y3刮油缸电磁阀
X4动板到位检测 Y4横封气缸电磁阀
X5料满检测 Y5刀缸电磁阀
X6横封到位检测 Y6走袋电机
X7扩展用Y7进给电机
X10手动Y10冷却泵电机
X11回原点 Y11横封加热管
X12单步 Y12纵封加热管
X13单循环 Y13空压机
X14连续Y14
X15 开始 Y15
X16 停止 Y16
X17 胶片供应 Y17
X20 打印 Y20
X21立式密封 Y21
X22动板移动Y22
X23 进给 Y23
X24 刮刀移动 Y24
X25横封Y25
X26 切断 Y26
带 Y27 的 X27 扩展
3.4 PLC选型
根据输入输出点数，控制系统采用日本三菱公司生产的FX2N-48MR可编程控制器，并选择交流电源、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集成PLC。可实现高速运算，每个基本指令步长为0.08微秒。最大程序容量为16K步，基本指令27条，步指令2条，功能指令298条。它是一款功能强大的小型PLC，内置高速计数器，内部元件丰富。由于其结构紧凑、执行速度快、功能强大、性价比高，满足了本系统各方面的要求。
3.5 A/D 模块选型
药品包装机需要监控一些非开关量（色标检测、温度检测）。普通限位开关已不能满足使用要求。因此，此处使用发射器转换这些模拟量，然后将其改编为PLC。配备的A/D模块将信号传输到PLC的内部。包装机需要检测三个模拟量，即彩色标记检测，水平密封温度检测和垂直密封温度检测。此处选择了FX2N-4AD模拟输入模块。输入模块有4个通道，可以同时接收和处理4个模拟量。定量输入信号的最大分辨率为12位。通道1输入颜色标记检测量，通道2输入纵向密封温度检测量，并且通道3输入水平密封温度检测量。这三个值需要在初始化程序中读取到PLC中。
3.6 PLC外部接线和电机驱动电路
全自动药品包装机控制系统的外部接线图如图3-3所示。系统的外部接线是基于选定的PLC模型和I/O分配表设计的。主电路图如图3-4所示。根据控制系统的要求，系统中需要多个电动机。主要电动机是移动电动机，它为系统提供必要的膜，是确保系统正常操作的关键。进料电机，冷却泵电动机和空气压缩机分别向电磁阀提供材料，冷却和空气源。水平密封加热管和纵向密封加热管分别用于增加水平密封运动的温度和纵向密封运动。此外，功率模块为电磁阀和A/D模块提供工作电压。由于需要控制电动机，因此在系统中还使用交流接触器来控制其开关条件。为了防止过载和其他情况，添加热继电器。
图3-3外部接线图
图3-4控制系统的主电路图
第4章PLC控制系统的软件设计
4.1步骤指导编程简介
全自动药品包装机控制系统的软件设计部分包括系统控制流程图和梯形图程序的设计。借助程序驱动，整个控制系统可以根据设计要求起作用。在梯形图设计中，必须完全考虑每个部分要实现的函数。对于复杂的控制要求，使用步骤指令（STL/RET）指令编程更容易。使用FX Series PLC的状态继电器编写序列控制程序时，应将其与STL指令一起使用。 S0〜S9用于初始步骤，S10〜S19用于自动返回到原点。使用STL指令的状态继电器的通常打开联系称为STL联系人。这是一个胖接触。由STL触点驱动的电路块具有三个功能，即驱动负载，指定转换条件并指定转换目标。 。
使用步骤说明的说明：
1）STL触点是连接到左躯干的通常打开的接触。连接STL触点时，相应的状态是活动步骤。
2）连接到STL联系人的联系人应用LD或LDI指令，仅在执行RET后才返回左总线；
3）STL触点可以通过其他触点直接驱动或驱动Y，M，S，T和其他组件的线圈；
4）由于PLC仅执行与活动步骤相对应的电路块，因此使用STL指令时允许双线圈输出（序列程序可以在不同的步骤中多次驱动相同的线圈）；
5）MC和MCR指令不能在STL触点驱动的电路块中使用，但是可以使用CJ指令。
4.2控制系统的主要程序
以上设计是控制系统每个部分的子例程，它们分别实现系统初始化，手动控制，自动返回到Origin和自动控制。将上述程序组合到程序中可以实现手册，返回原点，单个步骤，单个周期，用于连续转换各种工作模式的主要程序流程图，如图4-1所示。
图4-1主要程序流程图
4.3初始化过程
FX系列PLC的状态初始化指令IST与STL指令一起使用。它专门用于设置具有多个工作模式的控制系统的初始状态，并设置相关特殊辅助继电器的状态，该继电器可以简化复杂的顺序控制程序的设计。 。 IST指令只能使用一次。它应放置在程序的开头，并在其后将其控制的STL电路放置。
药物包装机系统的初始化程序用于设置初始状态和原点状态。初始化程序如图4-3所示。 M30〜M37和X10〜X16之间的关系已在该程序中写入。与工作模式开关相对应的X10〜X14中只能同时处于ON状态。必须使用选择器开关来确保可以打开这五个输入中的两个。
当满足IST指令的执行条件时，初始状态继电器S0〜S2和以下状态辅助继电器将自动分配给以下功能。即使IST指令的执行条件关闭，这些组件的功能也保持不变：
M8041禁止转换
M8042转换开始
M8043启动脉冲
M8044返回原点完成
M8047STL监视有效
S0手动操作初始状态继电器
S1初始状态继电器返回原始操作
S2自动操作的初始状态继电器
初始化过程如下：
图4-2初始化程序
4.4手动程序
图4-3是手动程序。在手动操作期间，对应于X17〜X26控制膜的供应，打印，垂直密封，移动板移动，进食，刮板运动，水平密封和切割的8个按钮。为了确保系统的安全操作，在手动程序中设置了一些必要的软件互锁和按钮互锁。例如，膜供应电机在打印，垂直密封，水平密封和切割过程中无法运行，并且刮板在进食过程中无法移动。切刀在水平密封期间无法移动，以避免机械干扰。
图4-3手动程序
4.5自动返回原始过程
在从手动工作模式转换为自动工作模式之前，必须满足原始条件，否则不能执行它，因此在此处编写返回到原始程序。自动返回到原点后，使用设置指令将M8043设置为标志。返回到原始程序的流程图如图4-4所示，自动返回到原始的控制程序如图4-5所示。这台药品包装机的起源是，安全门已关闭，移动板就位，并且移动袋的电动机已关闭。