CN108100376A - 一种基于plc的智能药品包装机 - Google Patents

Abstract

为提高包装机的效率和精度，发明了一种基于PLC的智能药品包装机。该包装机以伺服电机控制和移位控制为重点，结合触摸屏SMART 700 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，该包装机满足智能药品包装机的各项技术指标，运行稳定良好。

Description

一种基于PLC的智能药品包装机

技术领域

本发明涉及一种包装机，尤其涉及一种基于S7-200 SMART PLC的智能药品包装机。

背景技术

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(CGMP)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。

IMATIC S7-200 SMART是西门子公司经过大量市场调研，为中国客户量身定制的一款高性价比小型PLC产品。结合SINAMICS驱动产品及SIMATIC人机界面产品，以S7-200SMART为核心的小型自动化解决方案将为中国客户创造更多的价值。全新的S7-200 SMART带来两种不同类型的CPU 模块，标准型和经济型，全方位满足不同行业、不同客户、不同设备的各种需求。 标准型作为可扩展CPU 模块，可满足对I/O规模有较大需求，逻辑控制较为复杂的应用；而经济型CPU 模块直接通过单机本体满足相对简单的控制需求。

发明内容

本发明的目的是为了提高药品包装机的效率和精度，设计了一种基于S7-200SMART PLC的智能药品包装机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于S7-200 SMART PLC的智能药品包装机主要由西门子S7-200SMART PLC、西门子SMART-700 IE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，具有自动检测功能、有友好的人机界面、装盒速度高、自动运行和手工调试两种运行模式。

所述的主伺服电机、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PLC控制。

所述的PLC选用西门子S7-200 SMART PLC，其CPU型号为ST60，采用NPN型传感器，故公共端接+24V。

所述的包装机的控制***选用西门子SMART-700 IE触摸屏实现对设备运行进行监视和提示，完成***参数设置，并对设备故障时进行报警。

所述的包装机控制***采用西门子PLC专用软件STEP 7-MicroWIN SMART进行程序编制。

所述的触摸屏界面的设计通过Wincc实现。

本发明的有益效果是：

基于S7-200 SMART PLC的智能药品包装机利用高可靠性的PLC作为控制***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。经实验验证，该包装机运行稳定，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。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是包装机结构图。

图2是PLC外部接线图。

图3是工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，自动装盒机主要由西门子S7-200SMART PLC、西门子SMART-700 IE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。其工作原理如下：包装机控制两台伺服电机，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。

如图2所示，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PLC控制。PLC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***。由包装机实现的功能分析可得，该包装机主要为数字量控制，需要21个数字输入量，15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20%-30%的备用量原则，选用西门子S7-200 SMART PLC，其CPU型号为ST60，具有36个数字输入点，24个数字输出点。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24V直流信号，支持源型和漏型输入，即对应于NPN和PNP型输出的传感器信号。传感器的电源为24V，则NPN型输出为0V，PNP型输出为24V。将其接入PLC，若为NPN型输出，则PLC输入的COM端接24V；同理，若为PNP型输出，PLC的输入端应接0V。由于PLC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（NPN型或PNP型）。本包装机采用NPN型传感器，故公共端接+24V。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。

药品包装机的包装速度是包装机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***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，满足药品包装位置控制和速度控制的要求。伺服电机每旋转一个角度，主轴上的编码器都会发出对应数量的脉冲传送给PLC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。S7-200SMART PLC的CPU模块本体最多集成3路高速脉冲输出，频率高达100kHz，支持PWM/PTO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160r/min，伺服电机转动一周需要10000个脉冲来计算，高速脉冲的输出频率为：160/60×10000=26.7kHz。PLC最高输出频率为100kHz，完全可以满足要求。本包装机中编码器的分辨率为1000p/r，装盒机最大速度为160r/mi n ， 则编码器的输出脉冲频率为：160/60×1000=2.67kHz。而高速计数器单相最大输入频率为60kHz，双向/正交最大输入频率为40kHz，同样满足要求。

包装机的控制***选用西门子SMART-700 IE触摸屏实现对设备运行进行监视和提示，完成***参数设置，并对设备故障时进行报警。触摸屏和PLC都带有以太网口，通过一根网线即可进行通信。

基于S7-200 SMART PLC的智能药品包装机具有自动检测功能：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。其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。其装盒速度高：设计速度最高可达160盒/min，调速范围宽，以适应不同尺寸、工艺及装盒速度的产品。其运行方式有两种：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。

如图3所示，主程序设计为典型的顺序控制,采用西门子PLC专用软件STEP 7-MicroWIN SMART进行程序编制。包装机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，包装机分为自动运行、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：PLC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。S7-200 SMART提供脉宽调制（PWM）和运动轴两种方式控制服电机，提供“PWM向导”组态PWM，“运动向导”组态运动轴。为PWM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CPU 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。本包装机采用运动向导来组态运动轴控制伺服电机。数字量输出Q0.0组态为运动控制轴0的输出，驱动主伺服电机；Q0.2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PLC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Q0.2、Q1.0。为提高包装机的精度和协调性，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SHRB实现。

触摸屏是操作员与设备之间的接口，其界面的设计通过Wincc实现。Wincc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PLC之间能够进行通讯。它是PLC中所定义的存储位置的映像，无论是触摸屏还是PLC，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PLC。内部变量存储在HMI设备中，不与PLC连接，因此只有HMI设备能够对内部变量进行读写访问。如果在Wincc中创建一个外部变量，必须为其指定与PLC程序中相同的地址，实现触摸屏对PLC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PLC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***报警包括自定义报警和***报警两种。包装机设计中用到的是离散量报警，主要是压力开关、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PLC中的时间获得的。触摸屏与PLC通信协议有多种，本包装机采用TCP/IP（以太网）协议，通过一根网线即可进行通信，方便快捷。

Claims (6)

1.一种基于PLC的智能药品包装机，主要由西门子S7-200SMART PLC、西门子SMART-700IE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，具有自动检测功能、有友好的人机界面、装盒速度高、自动运行和手工调试两种运行模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的智能药品包装机，其特征是所述的主伺服电机、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PLC控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的智能药品包装机，其特征是所述的PLC选用西门子S7-200 SMART PLC，其CPU型号为ST60，采用NPN型传感器，故公共端接+24V。

4.根据权利要求1所述的一种基于PLC的智能药品包装机，其特征是所述的包装机的控制***选用西门子SMART-700 IE触摸屏实现对设备运行进行监视和提示，完成***参数设置，并对设备故障时进行报警。

5.根据权利要求1所述的一种基于PLC的智能药品包装机，其特征是所述的包装机控制***采用西门子PLC专用软件STEP 7-MicroWIN SMART进行程序编制。

6.根据权利要求1所述的一种基于PLC的智能药品包装机，其特征是所述的触摸屏界面的设计通过Wincc实现。