基于PLC全自动药品包装机系统设计

机械电子工程专业选修课课程设计任务书

设计题目：基于PLC全自动药品包装机系统设计

1、 设计的目的：

（1）进一步提高查阅资料，熟练地使用设计手册、参考资料等方面的能力。 （2）通过设计使学生掌握可编程控制器应用系统设计的步骤和方法，提高可编程控制器应用能力。

2、 设计内容和要求：

全自动药品包装机工艺全过程包括：制袋、充填、封口、日期打印、切断袋膜等，设计采用PLC对药品包装机工艺过程进行控制，实现手动、自动工作方式。 3、设计工作任务和工作量的要求：

（1）画出PLC I/O端口接线图，并按图接线。 （2）编制控制程序，并画出梯形逻辑图。 （3）完成系统调试，实现控制要求。 （4） 完成课程设计说明书。 4、工作计划及进度：

第一周：查阅资料，完成系统硬件设计； 第二周：完成系统梯形图设计；

第三周：完成系统梯形图调试；提交说明书。

此任务书由指导教师 下达，具体设计内容由 班的 同学来完成。

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摘要

现代社会对物品的包装要求越来越高，药品也不例外，为使包装出的药品整齐美观并且具有良好的包装质量，要求包装机具有精确的动作、定位精度及较高的生产率和一定的柔性，因此对包装机的控制要求是越来越高。传统的继电器已经不能满足现代药品生产的要求了，所以高效、经济且有一定柔性的新型包装机械是市场迫切需要的。本文着重介绍了一种基于PLC的全自动袋成型药品包装机，对控制系统中硬件设计和软件设计做了详细的介绍。该药品包装机选用的是FX2N-48MR型编程器，使用STL指令编程能够实现手动、单步、单周期、回原点、连续各种不同的工作方式的切换。论文主要内容：1.介绍研制全自动药品包装机的意义，国内外的研究现状以及以前的药品包装存在的问题，本次设计的目的；2.结合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准备；3.设计PLC控制系统的硬件，画外部接线图分配输入输出点，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，并且进行仿真调试。

经过三周的努力终于完成了以上的工作，该药品包装机可以实现简单的控制要求，但控制精度还有待于提高。

关键词：药品包装机；袋成型；PLC；FX2N-48MR

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孙晓波 基于PLC全自动药品包装机系统设计

Abstract

Modern society demands on the packaging of goods is more and more high, the drug is not exceptional also, neat appearance for packaging of drugs and has good quality requirements of packaging, packaging machine with precise movements, positioning accuracy and higher productivity and flexibility, is more and more high requirements for control of the packaging machine. The traditional relay has been unable to meet the requirements of production in modern medicine, so efficient, economical and flexible packaging machinery market are urgently needed. This paper introduces a kind of automatic bag forming packaging machine based on PLC, has made the detailed introduction of the control system's hardware design and software design. The pharmaceutical packaging machine used is FX2N-48MR type

programmable device, use the STL command to realize manual, single, single cycle, back to the origin, for different ways of working. The main content of this paper: 1 the development of automatic packaging machine significance, present research status at home and abroad as well as the previous drug packaging problems, the purpose of this design; 2 with the mechanical structure of automatic bag forming packaging machine, analyzes its working process to prepare for the automatic control; 3 the design of PLC control system hardware, painting the external wiring diagram input output distribution, according to the input and output points choose PLC models; 4 the design of PLC control system software, ladder diagram program, and carried on the simulation debugging.

After three weeks of hard work finally completed the above work, the

pharmaceutical packaging machine can realize the requirement of simple control, but the control precision is still to be improved.

Keywords: drug packaging machine； bag forming；PLC；FX2N-48MR

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1.3 国内外研究现状

为满足现代商品包装多样化的要求，目前国内外开始不断发展适应多品种、小批量的通用包装机械和设备，从而使得包装机械的形式日趋增多。袋成型自动包装机是将具有热塑性的塑料复合膜经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。

1.3.1国外袋成型包装机发展现状

国外袋成型包装机发展全面，优势明显，主要特点有：

结构设计标准化、模块化。用一台包装机完成对不同物料的包装时，利用原有机型的模块化设计可在短时间内迅速进行规格更换或转换为其他包装形式的机型，并为不同的计量系统提供了足够的空间。

包装速度高速化。目前，国外的小袋包装机单列包装速度一般为30-80袋/分，近些年来很多公司推出的多列式包装机（2列到10列不等）可使包装速度大大提高。如意大利ILAPAK公司的300和400系列枕型包装机，计量范围150到450g，包装速度120袋/分：日本横滨电机制作所的YDE-70型四边封合包装机，计量范围:0.5到30ml，可以2到10列，最高速度为800袋/分。

结构运动高精度化。由于采用各种新技术，如通过伺服电机、编码器及数字控制、动力负载控制PLC等高精密执行机构控制各种动作，使整机的充填计量精度和制袋精度都有所提高。如日本东京自动机械的SIGMA3型粉末计量机，配有可调速驱动马达，采用螺杆下料填充，最大充填为每次1.2kg，充填精度60.25%。

控制智能化、弹性化。国外大多机器都通过智能型控制仪表和触摸屏上的菜单式应用软件对机器的各种参数进行跟踪调整。电子显示屏显示切袋长度、包装速度、充填物的净含量以及包装产量等，一目了然。标准的色标跟踪光电系统能绝对保证包装产品的印刷图案正确。另外，机器可对工作过程进行在线状态监测和故障诊断分析，一旦发生问题，自动停机，并显示故障原因及解决方法。

包装形式多样化。国外的袋包装目前既有三边封合袋、四边封合袋、枕形袋，还有风琴式、自立袋等。用户可以根据市场的需要，具有更大的选择空间。

国外的袋包装机执行机构和传动系统趋于简单，横封、纵封等动作的执行机

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构都采用气动原件，包装动作简捷快速，整机噪声小；采用变频调速装置，实现无极变速，不仅调速范围大、平滑性好、低速特性，而且可实现恒转矩调速，节电效果也十分明显。

1.3.2国内袋成型包装机的发展现状

我国包装机械发展较晚，目前正处于起步应用阶段。而且由于用户的技术水平和各种环境因素的限制，我国包装机械的需要就像一座“金字塔”。对高、精、尖设备的需求就是塔尖，越尖端的设备需求越小；对中、低档设备的需求就像“金字塔”底部，量大面广，商机无限。随着市场需求的不断增加，九十年代后，我国袋成型自动包装机有了较快的发展。通过参考国外产品，进行消化、吸收及自主开发、研制，技术上有了很大的提高，计量范围从1g到1000g不等，特别是产品功能和自动化方面也有了长足的进步。

我国通过参考国外同类型产品，进行消化、吸收及自主开发研制，技术上有了很大的发展和提高。我国现有的袋成型自动包装机应用广泛，机型分为立式和卧式两种，可包装液体、糊状物料、粉状物料、颗粒和固体物料，包装形式有枕型袋、三封袋、四封袋、砖形带、屋形带、角形自立袋等多种类型。通过PLC和PC控制技术的不断推广和应用，使袋成型自动包装机的自动化程度得到了很大的提高。

我国生产的袋成型自动包装机以普通型、通用型为主，即在同一台设备上，同一竖直方向上自动完成包装袋成型、计量、打印日期、充填、封口、切断、输出等工序。包装物料一般为：液体、粘稠体、颗粒物料、粉料、膏体、片剂、膨化食品等。充填计量方式一般为：容积式、称重式。容积式又可分为量杯式、旋转阀式、柱塞式；称重式又可分为电子秤、杠杆秤两种。有些包装机还采用组合式，粗供料采用容积式，精供料采用称重式等。所有包装材料主要是具有可热封的塑料单膜和各种复合膜。包装成型袋以扁平袋为多。热封方式主要：有往复、L型闭合式、旋转式。国产中型袋包装机多采用的横封装置是连续对辊式，其缺点是开机和关机时，在辊轮中间都要夹持部分包装材料，既难于清洗又浪费材料。小型袋包装机，横封装置采用的是扇形开合的封口方法，当包装袋的尺寸扩大后，其封口质量难以保证。

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客观地讲，我国生产的袋成型自动包装机综合性能与国外先进国家的产品还存在着很大差距。比较突出的问题是：机械加工工艺技术水平低；机构动作的同步、协调性差；关键零部件、易损件、电气元件寿命短、可靠性差；生产速度一般都比较慢，自动化水平不高，自动化调节、自动化控制水平低；设备的可操控性差，维护保养较麻烦；充填精度低、速度慢；外观造型和表面质量差。

1.3.3自动包装机存在的问题

据调查，现有自动包装机存在以下问题：

1.包装机长期存在着包装材料输送速度难以控制的问题，薄膜输送速度不稳，对袋长精度和袋形精度和袋形质量的影响；工作初期和末期，带膜卷的直径速度变化很大，转动惯量变化，造成包装输送时拉力不均匀，使得袋封长度变化，袋长控制精度不高。

2.包装精度（充填精度）低且工作时不稳定。

3.包装速度低；目前国产包装机的包装速度，小袋包装在60~120袋/分之间，包装速度超过80袋/分时包装质量将下降；中袋包装为35~60袋/分。国外设备的包装速度以达到1200袋/分，中袋包装160袋/分。

4.封口质量难以保证

5.外观质量。国家规定，包装袋的封口处应平整，网纹清晰，不得有灼化和压穿现象。而现有的包装机不能很好的达到国家的标准；

包装成品的封口强度低；

由于塑料包装材料与被包装物之间的静电作用，在塑料袋内壁上会吸附细小的被包装物粉粒，若不除去会造成横封口处封口不牢，严重影响包装袋封口质量。

自动包装机的横封机构运动形式的不合理，将导致封口质量问题。传统的包装机的封口机构，其作用封块是扇形开合，封口部位热封时间不同，导致封口处不平滑，部分灼化或者强度不够。两横封快机构采用左横封快运动时，两横封快对包装袋的作用力不同，会造成其封口不匀。而且封口周期长，包装速度慢。

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1.4 本次设计的任务和设计内容

1.4.1设计内容和要求

全自动药品包装机工艺全过程包括：制袋、充填、封口、日期打印、切断袋膜等，设计采用PLC对药品包装机工艺过程进行控制，实现手动、自动工作方式。

1.4.2设计工作任务和工作量的要求

（1）画出PLC I/O端口接线图，并按图接线。 （2）编制控制程序，并画出梯形逻辑图。 （3）完成系统调试，实现控制要求。 （4） 完成课程设计说明书。

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第2章 系统总体设计

2.1袋成型自动药品包装机的机械结构以及工作原理

袋成型自动药品包装机是将具有热塑性的包材经加热软化制成包装容器，在一台设备上自动完成制袋成型、计量充填、封合剪切等全过程的自动包装设备。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：

图2-1 机构原理图

当袋成型药品自动包装机整机运行时，拉膜电机启动，通过传动机构带动拉膜带恒速连续运行，拉膜带的速度可以按照包装速度设定值自动调整。拉膜带的内测为齿形带外侧为高弹力的橡胶带。高弹力橡胶带可以增强其与薄膜的摩擦力，在该摩擦力的作用下，包装材料随拉膜带向下运动。袋成型自动药品包装机的工作原理如图2-2：

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3.6 PLC外部接线及电机的驱动电路

全自动药品包装机控制系统外部接线图如图3-3所示，依据选好的PLC型号和I/O分配表设计出系统的外部接线。主电路图如图3-4所示。根据控制系统的要求，系统中需要多台电动机。其中主电动机是走袋电动机，它给系统提供必需的膜，是保障系统正常运行的关键所在。供料电动机、冷却泵电动机和空气压缩机等分别是给系统提供物料、冷却和给电磁阀提供风源的。横封加热管和纵封加热管分别是给横封运动和纵封运动提升温度的。另外，电源模块是给电磁阀和A/D模块提供工作电压的。由于要控制电机，所以系统中还要运用交流接触器来控制其通断情况，为了防止过载等情况发生还有加入热继电器等。

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图3-3 外部接线图

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图3-4 控制系统主电路图

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第4章 PLC控制系统的软件设计

4.1 步进指令编程的介绍

全自动药品包装机控制系统的软件设计部分包括了系统控制流程图和梯形图程序的设计。有了程序的驱动整个控制系统才能按照设计要求动作，在梯形图设计这一块，要充分考虑各个部分要实现的功能等。对于复杂的控制要求使用步进指令（STL/RET）指令编程较为简洁，用FX系列PLC的状态继电器编写顺序控制程序时，应与STL指令一起使用。S0~S9用于初始步，S10~S19用于自动返回原点。使用STL指令的状态继电器的常开触点称为STL触点，它是一种胖触点，STL触点驱动的电路块有三个功能，即对负载的驱动处理、指定转换条件和指定转换目标。

步进指令的使用说明：

1）STL触点是与左侧母线相连的常开触点，某STL触点接通，则对应的状态为活动步；

2）与STL触点相连的触点应用LD或LDI指令，只有执行完RET后才返回左侧母线；

3）STL触点可直接驱动或通过别的触点驱动Y、M、S、T等元件的线圈； 4）由于PLC只执行活动步对应的电路块，所以使用STL指令时允许双线圈输出（顺控程序在不同的步可多次驱动同一线圈）；

5) STL触点驱动的电路块中不能使用MC和MCR指令，但可以用CJ指令。

4.2 控制系统的主程序

以上设计的是控制系统各部分的子程序，分别实现系统初始化、手动控制、自动回原点和自动控制，把以上程序结合在一起成为一段程序就能够实现手动、回原点、单步、单周期、连续各种不同的工作方式的变换，其主程序流程图如图4-1所示。

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图4-1 主程序流程图

4.3 初始化程序

FX系列PLC的状态初始化指令IST与STL指令一起使用，专门用来设置具有多种工作方式的控制系统的初始状态，和设置有关的特殊辅助继电器的状态，可以简化复杂的顺序控制程序的设计工作。IST指令只能使用一次，它应放在程序开始的地方，被它控制的STL电路应放在它的后面。

该药品包装机系统的初始化程序用来设置初始状态和原点状态条件。初始化程序如图4-3，M30~M37与X10~X16的关系，已经在程序中写出，与工作方式开关对应的X10~X14中同时只能用一个处于ON状态，必须使用选择开关，以保证这5个输入中不可能有两个同事为ON。

IST指令的执行条件满足时，初始状态继电器S0~S2和下列状态辅助继电器被自动指定为一下功能，以后即使IST指令的执行条件变为OFF，这些元件的功能仍保持不变：

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M8041 M8042 M8043 M8044 M8047 S0 S1 S2 初始化程序如下：

禁止转换 转换启动 起动脉冲 回原点完成 STL监控有效 手动操作的初始状态继电器 回原点操作的初始状态继电器 自动操作的初始状态继电器

图4-2 初始化程序

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4.4 手动程序

图4-3是手动程序，手动操作时X17~X26对应的8个按钮控制供膜、打印、纵封、动盘移动、供料、刮板移动、横封、切断。为了保证系统的安全运行，在手动程序中设置了一些必要的软件互锁和按钮联锁，如打印、纵封、横封、切断时供膜电机不能运行，在供料时刮板不能移动，在横封时切刀不能移动等，以免机械发生干涉。

图4-3 手动程序

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4.5 自动回原点程序

由手动工作方式切换到自动工作方式之前必须满足原点条件否则无法执行，所以此处编写一段回原点程序。自动返回原点结束后，用SET指令将M8043置为ON做为标志。回原点程序流程图如图4-4，自动回原点控制程序如图4-5。该药品包装机的原点为安全门关闭、动盘到位、走袋电动机关闭。

图4-4 自动回原点流程图

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图4-5 自动回原点程序

4.6 自动程序

图4-6是自动控制程序流程图，图4-7中是自动控制程序，能够在原点条件满足且切换到自动运行时，实现自动运行。自动程序能够实现单周期、单步、连续的功能。使用IST指令后，系统的单周期、单步、连续的几种工作方式的切换时系统程序自动完成。工作方式的切换时通过特殊辅助继电器M8040~M8042实现的，IST指令自动驱动M8040~M8042。

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图4-6 自动程序流程图

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