基于S7-200 SMARTPLC的智能药品包装机的控制设计.pdf

1 造 匐 出 基于S 7 2 0 0 S MA R T P L C 的智能药品包装机的控制设计 Des i gn of i nt el l i gen t p har m aceu t i cal p ackagi ng m ach i n e b as ed on 7 - 200 SMART PLC 李海芹，姜印平，翟阳，田鹏 L l Ha i ． q i n ， J I ANG Yi n ． p i n g ， ZHAI f a n g， TI AN Pe n g 天津大学 电气与自动化工程学院，天津 3 0 0 0 7 2 摘 要为提高包装机的效率和精度 ， 设计了基于西门子s 7 2 0 0 S M A R T P L C 的智能药品包装系统。 文章对药品包装机的工作原理、控制要求和工作流程进行了详细分析，从软件设计和硬件设 计两方面阐述了系统实现的功能。系统设计以伺服电机控制和移位控制为重点，结合触摸屏 S MA R T 7 0 0 IE 的显示、参数设置和监控功能，实现了包装过程的可控性、可视化。经测试 ， 该系统满足智能药品包装机的各项技术指标 ，运行稳定良好。 关键词药品包装机；P L C；触摸屏；伺服电机；移位控制 中图分类号T P 2 9 文献标识码A 文章编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 1 O 上 -0 0 4 7 0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 1 0 I- ． 1 4 0 引言 药品包装机是机 电一体化 的综合性较 强的机 械 产品，我 国国产药品装盒机 虽然在近十 几年来 获得 了快速的发 展，但其 面临 的问题依然不 少。 随着现行药 品生产管理规范 CG MP 要求生产流程 的控制质量增 加， 一个更加 自动化 的药物制造 过程 成为关键 。提高包装机 的速度以及控制精度是我 国包装机械亟待解决的问题，也是包装机械今后 的发展方向。药品包装机 不仅 完成伺服电机 开关 点动的 自动控 制，而且要进行 光电定位 、速度显 示 、产品计数 、次品剔除等控 制 。其 不仅能 提高 工作效率 ，降低 包装 的人工成本 ，还可 以提 高卫 生水平 ，在药品包装业中应用广泛。 本文对 药品包装机的工作原理和控制要 求进 行 了详细分析 ，设计 了基于P L C、伺服 电机 、检 测装置 、触摸屏 的药 品包装 系统 。该研究对提高 药品包装机的效率和精度、伺服电机的P L C 控制， P L C 和触摸屏的编程理念具有实际意义 。 1 系统工作原理 自动 装盒 机控 制 系统 主 要 由西 门子S 7 ． 2 0 0 S MAR T P L C、西门子S MART - 7 0 0 I E 触摸屏、伺 服 电机 、光 电传 感器 、接近开关 、真 空阀、电磁 阀等组成。系统结构 图如图1 所示。 其工作原理 如下 系统控制两 台伺服 电机 ， 主 电机带动整个 包装机械运动 ，分药伺服 电机 则 带动 分 药装 置将 药 品放 进药 品输 送 船 内 ；为提 高生产效率 ，采用两个料仓 同时下料 。检测装置 光电传感器检测到输 送船 内的药 品，控制真空阀 吸下说明书，经过 折纸机折叠后传送到与药板 ， 药盒 平行的槽内，等待同药板一起推入药盒；延 时一 定工位 ，控制真 空阀从储盒架上吸下一个纸 盒 ，然后 旋转 打开 ，运 送 到药板 和说 明 书的前 面 ，待推 杆将说 明书和药板推入盒后 ，盒输 送链 带动 药盒移动 的同时进行封盒 ，药盒被传送 到机 器 的出料 口的同时 ，相关的部位被折弯、折叠 、 塞实 ，盒子完全封好 ；为实现药品包装机 的通用 性 ，一盒药 中有时会装多板药，这就可能 出现缺 药或 多药的情况 ，故检测到药后，还要检测药 的 数量 ，如果缺药或多药，则延 时工位 剔除 ；同时 传送带上方装有光 电传 感器实现 计数 功能 ；气缸 实现 次 品剔除功能 。 这 样就 完成 了整个 包装过 程 ，实现 了药板下药 、吸盒 、吸说明书，折叠 、 封盒 、计数、剔除的自动控制 。 触 摸 屏 图1 系统结构图 收稿日期2 0 1 3 - 0 7 - 0 2 作者简介李海芹 1 9 8 9一，女，山东青州人，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置。 真空阀 真空泵 汽 缸 第3 5 卷第1 0 期2 0 1 3 1 0 上 【 4 7 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 I 造 匐 化 2 系统硬件设计 2 ． 1 主控制器P L C 由图1 可 以看出 ，主伺服 电机 、分 药伺服 电 机 、真空泵 、真空阀、气缸 、光电检测开关 、接 近开关等都 由主控制器P L C 控制。P L C 是一种工业 计算机 ，它具有模块化结构 、操作方便、可靠性 高 、抗干扰能力强、编程简单等特点。它取代继 电器执行逻辑、定时、计数和顺序控制功能 ，建 立灵活的可编程控制 系统口 】 。由系统实现的功能分 析可得 ，该 系统主要为数字量控制，需要2 1 4 - 数 字输入量，1 5 个数字输出量 。根据输入输出信号的 数量、类型、控制要求，同时按I ／ O点数2 0 ％． 3 0 ％的 备 用 量原 则 ，选用 西 门子S 7 2 0 0 S MART P L C， 其C P U型号为S T 6 0 ，具有3 6 个数字输入点，2 4 个数 字输出点。P L C的接线图如图2 所示。 输 入／ 输 出信号 接线 的关 键是 要构 成 闭合 电 路 。数字量输入都是2 4 V直流信号 ，支持源型和 漏型输入 ，即对应于NP N和P NP 型输出的传感器 2L 1 M 2M Dl a ． 0 DQa ． 0 Dl a ． 1 DQa ． 1 DI a ． 2 DQa ． 2 Dl a ． 3 DQa ． 3 DI a ． 4 DQa ． 4 Dl a ． 5 ∽DQa ． 5 Dl a ． 6 DQa． 6 Dl a ． 7 DQa ． 7 -7 8 DI b ． 0 ， 3 L DI b ． 1 3M DI b ． 2 DQb ．0 DI b ． 3 DQb ．1 、， D I b ．4 D Q b ． 2 DI b ． 5 DQb ．3 DI b - 6 --I DQb ．4 DI b ． 7 0 DQb ．5 DI c ． 0 DQb ．6 DI c DQb ．7 DI c． 2 DI c． 3 ‘ DI c． 4 L l 图2 P L C g b 部接 线图 [ 4 8 1 第3 5 卷第1 O 期2 0 1 3 1 0 上 信号。传感器的电源为2 4 V， IJ N P N型输 出为0 V， P NP 型输出为2 4 V。将其接入P L C，若为NP N型输 出，NP L C 输入的C O M端接2 4 V；同理 ，若为P N P 型输出，P L C 的输入端应接0 V。由于P L C 所有的输 入点共用一个公共端，因此所需传感器必须选择相 同类型 NP N型或P N P 型。本系统采用NP N型传 感器，故公共端接 2 4 V。光电传感器、接近开关等 检测装置主要检测药品、说明书、纸盒的有无，是 否缺药、缺盒、缺书，检测装盒数量以及推杆故障 等，在包装机的自动化设计中是不可或缺的。 2 ． 2 伺服 电机 药 品包装机 的包装速度是系统设计 的一个重 要方面 。包装速度主要取决于主伺服 电机 的运行 速度 。因此 ，包装速度主要是对主伺服 电机运行 速度 的控制 。伺服电机在 自动控制系统 中，用作 执行元件 ，把所收到 的电信号转换成 电动机轴上 的角位移或角速度输 出。伺服电机 可使速度控制， 位置精度非常准确，满足药品包装系统位置控制 和速度控制的要求。伺服电机每旋转一个角度 ， 24V OV 主伺服正转 主 伺服 方 向信 号 分板伺服正转 分板伺服使能 主伺服使能 真空泵 吸 书 24V 0V 分 药伺服 方 向信 { 吸盒 压料汽缸 剔除汽缸 指示灯 绿灯 指示灯 黄灯 指示 灯 红 灯 报警复位 主轴上 的编码器都会发 出对应数量 的脉冲传送给P L C控制器 。而分药 伺服的运行速度不仅取决于主电机 的速度 ，还与每盒药所装的药板数 有关 。S 7 ． 2 0 0 S MAR T P L C的C P U 模块 本体最 多集成3 路高速脉 冲输 出，频率高达 1 0 0 k Hz ，支持P WM／ P T O输 出方式以及多种运动模式 ， 可 自由设置运动包络 。配 以方便易 用的向导设置功能 ，快速实现设备 调速，定位等功能。 若按装盒机的最大速度为1 6 0 r ／ mi n ，伺服电机转动一 周需要1 0 0 0 0 个脉 冲来计算，高速脉冲的输 出频 率为1 6 0 ／ 6 0 X 1 0 0 0 0 2 6 ． 7 k Hz 。 P L C最高输出频率为1 0 0 k H z ，完全 可以满足要求。 本 系统 中编 码 器 的 分 辨率 为 1 0 0 0 p ／ r ，装盒机 最大速度为 1 6 0 r ／ mi n ， 则编 码 器 的输 出脉 冲频 率 为 l 6 0 ／ 6 0 1 0 0 0 2 ． 6 7 k Hz 。 而 高 速计 数 器单 相 最大 输 入频 率 为 6 0 k Hz ，双 向／ 正交最大输入频率为 4 0 k Hz ，同样满足要求。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 2 ． 3触摸屏 控制 系统选用西 门子S MA RT ． 7 0 0 I E 触摸屏实 现对设 备运 行进行 监视和提示 ，完成系统参数设 置 ，并对设备故障时进行报警 。触摸屏和P L C 都带 有以太网口，通过一根 网线即可进行通信。 3 系统软件设计 3 ． 1 控制要求 1 具 有 自动检测功能上 电时检测分药伺服 电机 是否在原点并 自动找原点；安全条件达 不到 时不能开机 能实现无药板不下说明书、不下纸 盒；一盒药 中可能装多板药，能 自动检测是否缺 药 ；原料不足报警 并定位停机 ；缺说明书或者缺 药时 自动剔除 ；检测不到药盒定位停机 ；伺服电 机 故障时报警 、急停 ；包装机设 有三色灯塔指 示 报警情况，并将报警信息在触摸屏上显示。 2 具有 友好 的人机 界 面 实现三 级解 码 ， 不同身份的人对包装机 有不同的操作权 限，操作 工人 拥有基本 的操作权 限，生产部 门可 以看到产 量 ，工程部 门可 以修 改参数 ；可实时对设备 的运 行状 态进 行监视和控制 ，实现参数设置 、数据采 集、速度控制以及信号报警等各项功能。 3 装 盒速 度高 设 计速 度最 高可 达 1 6 0 盒／ mi n ，调速范围宽 ，以适应不同尺寸 、工艺及装盒 速度 的 产 品 。 4 运行方式有两种 自动运行 、手动调试 。 每种 方式下又设有 “ 点动 ”以提 高设备调试 的灵 活性 。 3 ．2 主程序设计 主程序设计为典型 的顺序控制 ，控 制系统 工 作流程 图如 图3 所 示 。采用西 门子P LC专用软 件 S T E P 7 - Mi c r o WI N S MA R T 进行程序编制 。系统控 制程 序采用模块化 思想，结构清 晰，调试方便 。 根据 各个模块所实现 的功能 、控制对象 的不 同， 系统分为 自动运行 、手动运行 、分药伺服 电机找 原点 、移位控制 、计数 、报警等子程序 。其 中， 伺服 电机控制 、编码器 的角度控制 、工位延时控 制等作为重难点问题 ，分析如下 P L C采用 高速脉冲输 出控制伺服 电机 。伺 服 电机接收到1 个脉 冲，就会旋转 1 个脉冲对应 的角 度，从而实现位移 。S 7 2 0 0 S MAR T 提供脉 宽调 制 P WM和运动轴两种方式控制服电机 ，提供 “ P WM向导 ”组态P WM， “ 运动向导 ”组态运 动轴 。为P WM操作组态输 出时 ，输 出的周期是固 定的 ，脉宽或脉冲 占空比可通过程序进行控制 。 脉宽的变化可用于在应用中控制速度或位置 。运 动轴提供 了带有集成方向控制 和禁用输 出的单 脉 冲 串输 出 。运动 轴还 包括 可编 程输 入 ，允许 将 C P U 组态为包括 自动参考点搜索在内的多种操作 模式 。运动轴为步进电机或伺服 电机 的速度和位 置开环控制提供 了统一 的解决方案 。本系统采用 运动向导来组态运动 轴控制伺服 电机 。数字量输 出QO ． 0 组态为运动控制轴0 的输 出，驱动主伺服电 机；Q O ． 2 组态为运动控制轴2 的输 出，驱动分药伺 服电机。电机的方向信号是P L C内部固定的，运动 控制轴0 和2 对应的方向信号控制点分别为QO ． 2 、 Q1 ． 0 。 蕊] 触摸屏提示 否 伺 服 是 否 ～ 1 是 ⋯ ＼ I 是 且 ～ 一 ～ ～ 一 纸盒料低 ／L 。 _上 l丁 篓 卜 ⋯ 定 速 度f l ’ 一 苎 墨 垦 卜 ⋯ 。_ 1 里 竺 壁 竺 f 丽 ～ 鼋 是 匦 压料气缸作用l 兰 三 竺 l 厂 窿 ； 网 rd 罡 个 工 位 J l 盘 I 蟑 卤 l 连续 张 一l L ⋯ 厩 定 位 停 机l 1 延 迟 n 3 工 位『_ 一 踢 除 H 计 数 减 1 图3 系统工作流程图 为提 高系统 的精度和协调性 ，检药、检书 、 检盒 以及分药伺服的运动都是在一定的角度范 围 第3 5 卷第1 O 期2 0 1 3 1 0 上 【 4 9 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 内完成 的。编码器所发的脉冲数 与转动角度成线 性对应关 系。因此 由脉冲数可求得转动角度，进 而进行控制 。在一个工位 内根据药板 、说 明书、 纸盒检 测装置的所在位置确定其角度范围。如果 在 角度范 围内没有检测到相应的对象 ，视 为该对 象缺失 ，执行报警或停机操作 。编码器 发出的脉 冲频率高 ，使用普通的计数器会丢失计数脉 冲， 而高速计数器可以对普通计数器无能为力的事件 进行计数 。编码器 每圈发 出一定数量的计数脉冲 和一个复位脉冲，作为高速计数器的输入 。 工 位延 时 是检 测到 药后 ，延 时工 位 执行 吸 书 、吸盒 、压料 以及剔除操作。工位延时通过移 位寄存器位指令S H R B 实现。 3 ． 3触摸屏软件设计 触摸屏是操作员与设 备之 间的接 口，其界面 的设计通过Wi n c c 实现 。Wi n c c 提供了多种控制器 件 、图形控件和功能组件 ，使过程可视化 ，实现 操作 员对过程的控制 ，显示报警，记录过程值和 报警信息 ，实现参数设置和管理 。软件为不 同的 操作人员设 置不同的操作密码和操作权 限，以防 不相关人 员造成误操作。触摸屏界面的设计主要 包括登录界面 、自动 运行界面 、手动运行界面 、 参数设置界面等 。具体步骤如下 1 使用 变量 外部变量使得HMI 设备和P L C 之 间能够进行通 讯。它是P L C中所定义的存储位置的映像，无论是 触摸屏还是P L C，都 可以对该存储位置进行读写 访问，其数据类型取决于控制器P L C。内部变量存 储在H MI 设备中，不与P L C 连接 ，因此只有H MI 设 备能够对 内部变量进行读写访 。如果在Wi n c c 中创建一个外部变量，必须为其指定与P L C 程序中 相 同的地址 ，实现触摸屏对P L C 参数 的输入 ，状 态、当前值 以及报警信号 的输 出，控制电机 的起 停等。 2 创建画面 画面组态包括文本显示 、输入／ 输 出区域、按 钮 、指示灯 等，用于实现触摸屏对P L C的参数输 入，状 态显示 、控制器件开关 、以及显示报警信 息等。 3 创建报警系统 报警 包括 自定义报警和 系统报警两种 。系统 设 计中用到 的是离散量报警，主要是压力开关、 [ 5 0 1 第3 5 卷第1 O 期2 0 1 3 1 0 上 安全 开关 、电锁开关、缺药、缺盒、缺书 、急停 报警，通过报警视图将其显示出来。 4 通 信 触摸屏上显示 的时间和 日期是使用区域指针 通信 读取P LC中的时间获得 的。触摸屏与P L C通 信协议有 多种 ，本系统采用T C P ／ I P 以太网协 议，通过一根网线即可进行通信，方便快捷。 4 结论 现代包装生产、GMP 与包装工艺对装盒机的 要求是真正集机 、电、气一体化的产品，它 由产 品下料 装置 、折说明书机构和纸盒包装机构 纸 盒成型、推入 内物品及说明书三部分构成喁 】 。本 文利用高可靠性 的P L C作为控制系统核心 ，与 日 益成熟的传感器技术、伺服 电机 、人机交互触摸 屏技 术相结合设计 了高速智能药 品包装机控制 系 统 。经实验验证 ，该系统运行稳定 ，性能 良好 ， 伺服 电机定位准确迅速，检测无误 。同时 ，触摸 屏能够实时检测包装机 的运行状况 ，完成了各项 性能指标。 参考文献 [ 1 】M o h a na d Al a t a ，Ba s ha r EI k ha s a wne h，Sh i r e e n AI H O11 r a ni ． M e cha t r o ni C S i n Pha r m a c eu t i C a l En g i n e e r i n g Ad v a n c e d Co n t r o l t O Up g r a d e a Ta b l e t Co a t i n g M a c h i n e [ C] ．M e c h a t r o n i c s a n d I t s Ap p l i c a t i o n s ， 20 08 ． 【 2 】Do n g h u a J i a n g ， Do n g we i S h a o ， Gu i f u W u ． T h e S t u d y o n El e c t r i c a l Co n t r o l S y s t e m o f M a c h i n e f o r S u p p l e m e n t i n g t h e T r a d i t i o n a l C h i n e s e Me d i c i n a l P i l l s B a s e d o n P L C[ C ] ． Me c h a n i c A u t o ma t i o n a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g MA CE ， 2 01 1 8 7 8 8 8 0 ． 【 3 】赵 志 旭 ， 王 丛 岭 ， 吴 鱼 榕 ． 基 于PLC的 糖 果 包 装机 控 制 系 统设 计 【 J 】 ． 河 南 工 业 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 8 0 8 2 ． [ 4 】蔡行建， 黄文钰， 李娟． 深入浅出西门子S 7 2 0 0 P L C [ M] ． 北 京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 7 ， 7 1 4 1 5 ． 【 5 】边 娟 鸽 ， 陈 婵 娟 ， 田 卫 明 ， 李 春 义 ． 基 于 P LC的 全 自 动 药 板 装 盒 机 控 制 系 统 设 计 【 J 】 ． 包 装 与 食 品 机 械， 2 0 0 8 ， 2 6 4 1 3 1 6 ． [ 6 】廖常初． s 7 2 0 0 P L C 编程及应用[ M] ． 北京 机械工业出版 社， 2 0 0 7 1 1 1 - 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