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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-12-04 20:06
文章通過對灌裝工藝的需求分析，確定PLC的I/O分配、控制流程，通過優(yōu)化PLC程序、觸摸屏組態(tài)等措施進行了改進設(shè)計。運行實踐結(jié)果顯示：改進優(yōu)化后的控制系統(tǒng)，產(chǎn)品成分比例穩(wěn)定性提高，故障率降低，系統(tǒng)運行更為流暢，灌裝質(zhì)量及生產(chǎn)效率大大提升。
藥品的自動灌裝生產(chǎn)是一種典型的流程型工業(yè)生產(chǎn)形式，其過程是按照固定配方，將液體等原料注入生產(chǎn)線，經(jīng)過各種設(shè)備按照固定流程加工成產(chǎn)品，再經(jīng)過灌裝或瓶裝得到最終產(chǎn)品[1]。整個過程沒有人工干預(yù)，是一個將原料變成產(chǎn)品的自動化過程[1]。
本設(shè)計通過對藥品灌裝工藝的需求分析，利用可編程控制器 PLC 作為控制器，觸摸屏作為上位機監(jiān)控設(shè)備，設(shè)計自動灌裝流程，同時對整個生產(chǎn)流程進行監(jiān)控和操作，保障整條生產(chǎn)流水線的高效準確運行。
1、藥品自動灌裝系統(tǒng)的組成
如圖1所示，為藥品自動灌裝系統(tǒng)工作流程實物示意圖。本系統(tǒng)組成主要包括：轉(zhuǎn)盤上料單元、加熱與檢測單元、灌裝加蓋單元、輸送帶單元、機器人搬運單元和立體倉庫單元共6個部分。控制系統(tǒng)主要由匯川 H2U 系列 PLC、GX Works2 的PLC 編譯軟件、昆侖通態(tài)觸摸屏、MCGS 嵌入版組態(tài)軟件等組成，構(gòu)建的系統(tǒng)具有通信和監(jiān)控功能，通過該藥品灌裝生產(chǎn)線系統(tǒng)可實現(xiàn)藥品生產(chǎn)的空瓶出裝、自動灌裝、合格產(chǎn)品檢測、機器人分揀、搬運、藥品蓋章、入庫儲存等一系列自動化生產(chǎn)流程運作。
圖1 藥品自動灌裝系統(tǒng)工作流程實物示意圖
系統(tǒng)每個單元的運作都通過PLC程序進行控制，每個單元的 PLC 控制器與昆侖通態(tài)上位機間均通過RE-485通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)互通互聯(lián)，控制各個單元之間相互配合，協(xié)調(diào)運行。各單元的控制參數(shù)通過昆侖通態(tài)上位機設(shè)置，設(shè)置有系統(tǒng)啟動、暫停、急停等操作按鈕，可選擇手動/自動模式，具有報警、系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儲存等功能，可在線實時監(jiān)控，從而使整條灌裝生產(chǎn)線運行銜接順暢[2]。
2、藥品自動灌裝的控制系統(tǒng)設(shè)計
控制設(shè)計內(nèi)容主要包括總體控制方案、硬件選型與配置、系統(tǒng)軟件及監(jiān)控界面等幾個方面[3]。
2.1控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計
圖2為藥品自動灌裝系統(tǒng)的控制方案圖。藥品自動灌裝系統(tǒng)的總體方案架構(gòu)分為三層：基礎(chǔ)層、現(xiàn)場層、監(jiān)控層。基礎(chǔ)層是構(gòu)成現(xiàn)場信號采集和控制指令執(zhí)行的最底層的網(wǎng)格單元，主要由傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等構(gòu)成；現(xiàn)場層的核心是 PLC，其作用是接收監(jiān)控層下達的指令并下達給基礎(chǔ)層的相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)，同時將基礎(chǔ)層傳感器檢測的信號反饋傳遞給監(jiān)控層，監(jiān)控層根據(jù)反饋的信號數(shù)據(jù)作出對應(yīng)的判斷并下達相應(yīng)指令。現(xiàn)場層的各模塊PLC之間通過RS-485總線進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)信息互換。監(jiān)控層以工控觸摸屏（如昆侖通態(tài)、威綸通等）為核心，通過 RS-232 總線與現(xiàn)場層的RS-232接口進行實時通信，從而對系統(tǒng)進行可視化管理[4]。另外，現(xiàn)場層的 RS-232 接口也可以接到電腦端，通過三菱 PLC 編譯軟件 GX-Works2 進行程序設(shè)計，實現(xiàn)在線監(jiān)控和修改，如傳送帶速度調(diào)節(jié)、藥液閥調(diào)節(jié)、比例及積分參數(shù)調(diào)節(jié)等。
圖2 藥品自動灌裝系統(tǒng)的控制方案
2.2系統(tǒng)硬件選型和I/O分配
根據(jù)藥品自動灌裝系統(tǒng)生產(chǎn)線的工藝需求，控制系統(tǒng)主要由7個模塊單元構(gòu)成，每個模塊單元大概需要16個I/O點，7個單元共計100多個I/O點，考慮到有的模塊單元之間需要不同的 PLC 控制，因此選用性價比較高的2個 60點左右的匯川PLC。
控制系統(tǒng)中選用了兩個 PLC，第一個 PLC 型號是H2U-3232MT，它主要控制轉(zhuǎn)盤上料單元、傳送帶單元、包裝蓋章單元、機器人搬運單元、立體倉庫單元。它的 3 路高速輸出恰好可以控制 2 路步進電機驅(qū)動和 1 路伺服脈沖；第二個 PLC 型號是H2U-3624MR，它主要控制灌裝加蓋單元、加熱與檢測單元。
在控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)層執(zhí)行機構(gòu)是氣缸、電磁閥和電動機，傳感器是現(xiàn)場信號采集的主要執(zhí)行者，采集信號的主要是空瓶上料個數(shù)的光電傳感器、氣缸前后限位的位置傳感器、立體倉庫堆垛機的行程限位開關(guān)、加熱模塊的溫度傳感器、液位高低的液位傳感器、壓力傳感器等，共使用了 50 多個，這些基礎(chǔ)層的傳感器為管理層作決策提供了非常有用的信息。
氣動來源主要由 1臺 10 L的空氣壓縮機提供氣壓能，然后經(jīng)過氣動 3聯(lián)件對空氣進行過濾、減壓，再把氣壓能送到執(zhí)行機構(gòu)，本系統(tǒng)設(shè)計的氣動執(zhí)行機構(gòu)有兩位三通電磁閥控制的直線氣缸、吸盤、手抓氣缸。使用的是10 L的空氣壓縮機，氣壓有限，是造成多路氣路同時工作時，壓力不夠的主要原因。為使每一步都執(zhí)行流暢，在程序設(shè)計時，就要盡可能考慮到各氣路電磁閥不同時打開，從而保證機械手吸盤吸力和推瓶推桿的推力足夠。
圖3 PLC信號控制資源分配圖
PLC 控制資源分配如圖3 所示。其他主要器件有：
1）步進電機。電流參數(shù)設(shè)置為 1.0 A；細分設(shè)置為撥碼000，細分數(shù)10；電機邊距角0.18。
2）減速電機。型號 Z2D-60 系列，DC24 V，轉(zhuǎn)速為1800 r/min。
3）光電反射器。NPN 型（NPN—信號輸出0 V、PNP—信號輸出24 V）。
4）電磁閥。普4V210-06 DC24 V二位五通換氣閥等。
PLC 控制器和傳感器等器件選型配置完成后，便可對 PLC 進行相應(yīng)的 I/O 分配。其輸入/輸出（I/O）分配表如表1、表2所示，搬運機器人執(zhí)行動作狀態(tài)表如表3所示。
表1 1#PLC輸入/輸出（I/O）分配表
表2 2#PLC 輸入/輸出（I/O）分配表
表3 搬運機器人執(zhí)行動作狀態(tài)表
2.3構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)
在自動化工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)控制單元和生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運作，是通過各模塊控制器之間的信息互通、指令傳遞來實現(xiàn)和保障的，控制器與各種生產(chǎn)設(shè)備之間的信息傳遞通道是整個系統(tǒng)正常生產(chǎn)運作的命脈，構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)是非常重要的[5-6]。由于系統(tǒng)使用到多臺 PLC，因此，除了 PLC與計算機、觸摸屏進行通信外，還要在PLC與PLC之間進行通信。在本系統(tǒng)中，上料單元、傳送帶單元要和灌裝單元進行生產(chǎn)工序之間的協(xié)調(diào)，上料的速度應(yīng)匹配灌裝的速度，在灌裝工序未完成前，灌裝上料口應(yīng)暫停上料。但由于上料單元、傳送帶單元是由PLC1控制、灌裝單元是由PLC2控制，因此要相互協(xié)調(diào)，PLC1 與 PLC2 進行通信是必不可少。監(jiān)控層要實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)也是不可缺少的。匯川 PLC有 3個彼此獨立的 RS-485 通信端口，支持 1：1、N：N、Modbus 主或從、計算機鏈接協(xié)議、自由通信協(xié)議等，通過內(nèi)部特殊 D 元件來選擇。串口通信需要的線路少，因此本系統(tǒng)采用串口通信，工作方式有全雙工和半雙工方式。
在觸摸屏與主站1#PLC之間采用了匯川的下載監(jiān)控協(xié)議進行通信，物理接口是 RS-232 接口，工作方式是全雙工，這樣可以極大地提高PLC1與觸摸屏之間的傳輸速率，數(shù)據(jù)更新和采集也更快。1#PLC 與 2#PLC 之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是 RS-485 主從架構(gòu)，工作方式是半雙工。RS-485通信端口采用差分信號傳輸方式，具有抗干擾能力強、通信距離遠、通信速率高等優(yōu)點。系統(tǒng)使用的通信協(xié)議是Modbus-RTU協(xié)議。系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，通信配置如圖5、圖6所示。
圖4 系統(tǒng)通信架構(gòu)
圖5 主機Modbus-RTU通信配置
圖6 從機Modbus-RTU通信配置
3、PLC程序設(shè)計
3.1轉(zhuǎn)盤上料單元控制程序設(shè)計
轉(zhuǎn)盤上料單元為整個系統(tǒng)的起始部分，其工作流程圖如圖7所示。在程序設(shè)計時，采用虛實結(jié)合控制設(shè)計，在每一步工序中，用軟中間繼電器設(shè)置一個“總開關(guān)”，串聯(lián)至每個輸出點。所有輸出點均單獨設(shè)有正常通道和應(yīng)急通道，以增強處置突發(fā)事件的能力；在“總開關(guān)”接通的情況下，輸出點均有兩條并聯(lián)通道導(dǎo)通。一條通道是系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的通道，另一條通道是系統(tǒng)在應(yīng)急狀態(tài)下的通道。通常情況下，系統(tǒng)默認選擇正常運行狀態(tài)下的通道來使輸出點導(dǎo)通。特殊情況下，應(yīng)急通道的選擇由上位機工控觸摸屏來完成，通過軟觸點即可控制輸出線圈的輸出。轉(zhuǎn)盤上料單元程序設(shè)計如圖8所示。本系統(tǒng)的其他模塊編程方式類似，不做贅述。
圖7 轉(zhuǎn)盤上料單元工作流程圖
圖8 轉(zhuǎn)盤上料單元PLC程序設(shè)計
3.2加熱檢測、液位控制設(shè)計
閉環(huán)加熱工序為系統(tǒng)的第二部分模塊，為確保灌裝液體的均勻性和穩(wěn)定性，利用 PLC 對藥液進行恒溫恒液位控制。系統(tǒng)對加熱絲進行加熱，不同顏色的燈光顯示不同溫度階段，變頻器控制潛水泵實現(xiàn)恒液位控制，液位保持在設(shè)定的某一高度上。恒液位控制采用 PID 算法，根據(jù)液位設(shè)定值與液位反饋值相減得到的偏差，經(jīng) PID 模塊運算后，得出運算結(jié)果，系統(tǒng)將運算結(jié)果通過模擬量H2U-4AM模塊轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，控制變頻器，系統(tǒng)可根據(jù)液位偏差結(jié)果，柔性調(diào)控潛水泵的抽液量，保證加液罐充裝液體液位高度的恒定。液位控制工作流程如圖9所示。
圖9 PID恒液位控制工作流程圖
3.3灌裝單元控制程序設(shè)計
在灌裝加蓋單元工序中，PLC 軟件設(shè)計采用了模塊化設(shè)計。如圖10為灌裝加蓋模塊實物圖。對灌裝過程的 6 個工作卡位逐一編寫子程序，方便在主程序中調(diào)用。
圖10 灌裝加蓋單元實物圖
撥桿工作子程序?qū)?yīng)圓盤卡位 1 工作內(nèi)容；注藥液1子程序?qū)?yīng)圓盤卡位2工作內(nèi)容；注藥液2子程序?qū)?yīng)圓盤卡位3工作內(nèi)容；加蓋子程序?qū)?yīng)圓盤卡位 4 工作內(nèi)容；旋蓋子程序?qū)?yīng)圓盤卡位5工作內(nèi)容；卡位6沒有灌裝任務(wù)，無子程序；出料子程序?qū)?yīng)圓盤卡位 7 工作內(nèi)容，灌裝圓盤一共有 8 卡位，如圖11 所示為灌裝藥液各卡位工序流程圖。圖中，卡位 1 為灌裝上料口；卡位 2 電磁閥 V1控制加藥液 1；卡位 3電磁閥 V2控制加藥液2；卡位 4 電磁閥 V3 控制推管加蓋；卡位 5 電機控制擰蓋；卡位6灌裝完畢；卡位7電磁閥V4控制推管將藥瓶推進檢測傳送帶。要實現(xiàn)多瓶藥品連續(xù)灌裝，初始化時需要從第一步依次執(zhí)行到第六步，之后一直循環(huán)至第六步。
圖11 灌裝藥液各卡位工序流程圖
3.4機器人搬運設(shè)計
藥品灌裝完畢，并經(jīng)檢測后，進入搬運模塊。搬運模塊由雙軸機器人實現(xiàn)碼垛功能，對檢測完的物料進行分揀搬運，合格的產(chǎn)品進入包裝箱，不合格產(chǎn)品進入廢料箱。
機器人的控制方式采用外部端子，PLC4個輸出點組合起來對應(yīng)機器人的16個點位（狀態(tài)），如表1 所示，未在表中列出的為備用點。工作過程中，機器人等待上料，判斷藥瓶是否合格，若到料，機器人到取料點，取料氣缸啟動，吸盤氣缸啟動，吸取物料，機器人搬放物料，復(fù)位。軟件設(shè)計上，使用計數(shù)器 C3 統(tǒng)計不合格數(shù)量，計數(shù)器 C4 統(tǒng)計合格數(shù)量，并且每個搬運工作都編寫 1個子程序。機器人搬運工序流程圖如圖12所示。
圖12 機器人搬運工序流程圖
3.5包裝蓋章與入庫設(shè)計
通過機器人分揀的合格產(chǎn)品箱滿后進入運送、蓋章、入庫工序，由3#傳送帶輸送，其采用步進電機控制，步進的移動距離用 DPLSY 指令來實現(xiàn)[4，7]。根據(jù)步進距離，設(shè)定發(fā)送脈沖量。入庫單元由一臺兩相步進電機和伺服電機控制，步進電機脈沖輸出端子為 Y02，方向控制為 Y05；伺服電機脈沖輸出端子設(shè)置為 Y00 端子，方向控制為Y04 端子；程序編寫用 D10 來暫存步進電機脈沖個數(shù)，D12 暫存伺服電機脈沖個數(shù)。根據(jù)不同控制距離要求，D10、D12的值是隨之變化的。Y4置1 時，箱臺上升，Y4 置 0 時，箱臺下降。軟件控制要求系統(tǒng)的工作為上電先尋找原點，然后相對原點上升一定距離到達裝箱臺位置，把成品箱入庫到存料臺相應(yīng)位置。其工作流程如圖13所示。
圖13 包裝蓋章單元工作流程
綜上所述，灌裝系統(tǒng) PLC 的程序控制整體框圖如圖14所示。
圖14 藥瓶自動灌裝系統(tǒng)PLC控制程序總框圖
4、觸摸屏組態(tài)設(shè)計
昆侖通態(tài)觸摸屏是工業(yè)上常用的觸摸屏，它具有工作穩(wěn)定性較好、價格實惠等諸多優(yōu)點。MCGS嵌入版組態(tài)軟件是昆侖通態(tài)公司專門開發(fā)用于MCGSTPC的組態(tài)軟件，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制[8]。通過控制系統(tǒng)的工藝流程開發(fā)出主監(jiān)控界面和各工序子界面。如圖15所示為自動監(jiān)控選項界面。
圖15 HMI監(jiān)控選項界面
該界面提供了轉(zhuǎn)盤上料單元、輸送帶單元、機器人搬運單元、立體倉庫單元、灌裝加蓋單元、加熱與檢測單元、運行監(jiān)控等圖標按鈕，點擊對應(yīng)圖標，便可進入相應(yīng)的單元進行參數(shù)設(shè)定和運行狀態(tài)監(jiān)控。界面左上角提供通信狀態(tài)顯示條，可判別觸摸屏和PLC主機通信連接狀態(tài)。點擊相應(yīng)單元模塊圖標便可進入到相應(yīng)工作流程界面，如圖16所示為轉(zhuǎn)盤上料單元及1#傳送帶界面。另外，報警界面提供了各種報警事項的歷史列表，方便操作人員、維修人員進行查看。其他界面因篇幅限制，不一一闡述。
圖16 轉(zhuǎn)盤上料單元及1#傳送帶界面
該窗口有兩個運行模式：離線運行模式，在該模式下，可以對轉(zhuǎn)盤上料單元的工作狀態(tài)進行直觀地了解，其工作流程步驟的進行，指示燈都有相應(yīng)的動畫演示；在線模式下，可根據(jù)現(xiàn)場的PLC運行狀態(tài)，實時進行動畫播放，將運行狀態(tài)動態(tài)顯示。此外，該窗口還設(shè)置了一些設(shè)備的手動控制按鈕，如轉(zhuǎn)盤電機、輸送帶電機、推桿氣缸電磁閥、1#PLC總開關(guān)等，便于處置突發(fā)意外事件。
5、結(jié)束語
通過實踐運行，本文設(shè)計的灌裝系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，生產(chǎn)運行流暢，穩(wěn)定可靠，性能良好，提升了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品合格率，藥品灌裝質(zhì)量得到了保障，滿足了企業(yè)對藥品灌裝成分比例穩(wěn)定性的要求。
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本文作者曾新紅、朱日旺，廣州航海學院，來源于機電技術(shù)，僅供交流學習。
來源：Internet
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