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嘉峪檢測網 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，通過優化PLC程序、觸摸屏組態等措施進行了改進設計。運行實踐結果顯示：改進優化后的控制系統，產品成分比例穩定性提高，故障率降低，系統運行更為流暢，灌裝質量及生產效率大大提升。
藥品的自動灌裝生產是一種典型的流程型工業生產形式，其過程是按照固定配方，將液體等原料注入生產線，經過各種設備按照固定流程加工成產品，再經過灌裝或瓶裝得到最終產品[1]。整個過程沒有人工干預，是一個將原料變成產品的自動化過程[1]。
本設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控設備，設計自動灌裝流程，同時對整個生產流程進行監控和操作，保障整條生產流水線的高效準確運行。
1、藥品自動灌裝系統的組成
如圖1所示，為藥品自動灌裝系統工作流程實物示意圖。本系統組成主要包括：轉盤上料單元、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。控制系統主要由匯川 H2U 系列 PLC、GX Works2 的PLC 編譯軟件、昆侖通態觸摸屏、MCGS 嵌入版組態軟件等組成，構建的系統具有通信和監控功能，通過該藥品灌裝生產線系統可實現藥品生產的空瓶出裝、自動灌裝、合格產品檢測、機器人分揀、搬運、藥品蓋章、入庫儲存等一系列自動化生產流程運作。
圖1 藥品自動灌裝系統工作流程實物示意圖
系統每個單元的運作都通過PLC程序進行控制，每個單元的 PLC 控制器與昆侖通態上位機間均通過RE-485通信網絡進行數據互通互聯，控制各個單元之間相互配合，協調運行。各單元的控制參數通過昆侖通態上位機設置，設置有系統啟動、暫停、急停等操作按鈕，可選擇手動/自動模式，具有報警、系統數據記錄儲存等功能，可在線實時監控，從而使整條灌裝生產線運行銜接順暢[2]。
2、藥品自動灌裝的控制系統設計
控制設計內容主要包括總體控制方案、硬件選型與配置、系統軟件及監控界面等幾個方面[3]。
2.1控制系統總體方案設計
圖2為藥品自動灌裝系統的控制方案圖。藥品自動灌裝系統的總體方案架構分為三層：基礎層、現場層、監控層?；A層是構成現場信號采集和控制指令執行的最底層的網格單元，主要由傳感器、執行機構等構成；現場層的核心是 PLC，其作用是接收監控層下達的指令并下達給基礎層的相關執行機構，同時將基礎層傳感器檢測的信號反饋傳遞給監控層，監控層根據反饋的信號數據作出對應的判斷并下達相應指令。現場層的各模塊PLC之間通過RS-485總線進行數據通信，實現信息互換。監控層以工控觸摸屏（如昆侖通態、威綸通等）為核心，通過 RS-232 總線與現場層的RS-232接口進行實時通信，從而對系統進行可視化管理[4]。另外，現場層的 RS-232 接口也可以接到電腦端，通過三菱 PLC 編譯軟件 GX-Works2 進行程序設計，實現在線監控和修改，如傳送帶速度調節、藥液閥調節、比例及積分參數調節等。
圖2 藥品自動灌裝系統的控制方案
2.2系統硬件選型和I/O分配
根據藥品自動灌裝系統生產線的工藝需求，控制系統主要由7個模塊單元構成，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。
控制系統中選用了兩個 PLC，第一個 PLC 型號是H2U-3232MT，它主要控制轉盤上料單元、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。
在控制系統的基礎層執行機構是氣缸、電磁閥和電動機，傳感器是現場信號采集的主要執行者，采集信號的主要是空瓶上料個數的光電傳感器、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、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，然后經過氣動 3聯件對空氣進行過濾、減壓，再把氣壓能送到執行機構，本系統設計的氣動執行機構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。為使每一步都執行流暢，在程序設計時，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。電流參數設置為 1.0 A；細分設置為撥碼000，細分數10；電機邊距角0.18。
2）減速電機。型號 Z2D-60 系列，DC24 V，轉速為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，搬運機器人執行動作狀態表如表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 搬運機器人執行動作狀態表
2.3構建通信網絡
在自動化工業生產中，生產控制單元和生產管理系統之間協調運作，是通過各模塊控制器之間的信息互通、指令傳遞來實現和保障的，控制器與各種生產設備之間的信息傳遞通道是整個系統正常生產運作的命脈，構建通信網絡是非常重要的[5-6]。由于系統使用到多臺 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。在本系統中，上料單元、傳送帶單元要和灌裝單元進行生產工序之間的協調，上料的速度應匹配灌裝的速度，在灌裝工序未完成前，灌裝上料口應暫停上料。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，因此要相互協調，PLC1 與 PLC2 進行通信是必不可少。監控層要實時監控現場設備的運行狀態，構建通信網絡也是不可缺少的。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、計算機鏈接協議、自由通信協議等，通過內部特殊 D 元件來選擇。串口通信需要的線路少，因此本系統采用串口通信，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控協議進行通信，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，數據更新和采集也更快。1#PLC 與 2#PLC 之間的網絡架構是 RS-485 主從架構，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、通信速率高等優點。系統使用的通信協議是Modbus-RTU協議。系統通信網絡如圖4所示，通信配置如圖5、圖6所示。
圖4 系統通信架構
圖5 主機Modbus-RTU通信配置
圖6 從機Modbus-RTU通信配置
3、PLC程序設計
3.1轉盤上料單元控制程序設計
轉盤上料單元為整個系統的起始部分，其工作流程圖如圖7所示。在程序設計時，采用虛實結合控制設計，在每一步工序中，用軟中間繼電器設置一個“總開關”，串聯至每個輸出點。所有輸出點均單獨設有正常通道和應急通道，以增強處置突發事件的能力；在“總開關”接通的情況下，輸出點均有兩條并聯通道導通。一條通道是系統正常運行狀態下的通道，另一條通道是系統在應急狀態下的通道。通常情況下，系統默認選擇正常運行狀態下的通道來使輸出點導通。特殊情況下，應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。轉盤上料單元程序設計如圖8所示。本系統的其他模塊編程方式類似，不做贅述。
圖7 轉盤上料單元工作流程圖
圖8 轉盤上料單元PLC程序設計
3.2加熱檢測、液位控制設計
閉環加熱工序為系統的第二部分模塊，為確保灌裝液體的均勻性和穩定性，利用 PLC 對藥液進行恒溫恒液位控制。系統對加熱絲進行加熱，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恒液位控制，液位保持在設定的某一高度上。恒液位控制采用 PID 算法，根據液位設定值與液位反饋值相減得到的偏差，經 PID 模塊運算后，得出運算結果，系統將運算結果通過模擬量H2U-4AM模塊轉換成相應的電壓值，控制變頻器，系統可根據液位偏差結果，柔性調控潛水泵的抽液量，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計
在灌裝加蓋單元工序中，PLC 軟件設計采用了模塊化設計。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，方便在主程序中調用。
圖10 灌裝加蓋單元實物圖
撥桿工作子程序對應圓盤卡位 1 工作內容；注藥液1子程序對應圓盤卡位2工作內容；注藥液2子程序對應圓盤卡位3工作內容；加蓋子程序對應圓盤卡位 4 工作內容；旋蓋子程序對應圓盤卡位5工作內容；卡位6沒有灌裝任務，無子程序；出料子程序對應圓盤卡位 7 工作內容，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。要實現多瓶藥品連續灌裝，初始化時需要從第一步依次執行到第六步，之后一直循環至第六步。
圖11 灌裝藥液各卡位工序流程圖
3.4機器人搬運設計
藥品灌裝完畢，并經檢測后，進入搬運模塊。搬運模塊由雙軸機器人實現碼垛功能，對檢測完的物料進行分揀搬運，合格的產品進入包裝箱，不合格產品進入廢料箱。
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機器人的16個點位（狀態），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，復位。軟件設計上，使用計數器 C3 統計不合格數量，計數器 C4 統計合格數量，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包裝蓋章與入庫設計
通過機器人分揀的合格產品箱滿后進入運送、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[4，7]。根據步進距離，設定發送脈沖量。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，D12 暫存伺服電機脈沖個數。根據不同控制距離要求，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 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PLC控制程序總框圖
4、觸摸屏組態設計
昆侖通態觸摸屏是工業上常用的觸摸屏，它具有工作穩定性較好、價格實惠等諸多優點。MCGS嵌入版組態軟件是昆侖通態公司專門開發用于MCGSTPC的組態軟件，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制[8]。通過控制系統的工藝流程開發出主監控界面和各工序子界面。如圖15所示為自動監控選項界面。
圖15 HMI監控選項界面
該界面提供了轉盤上料單元、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、運行監控等圖標按鈕，點擊對應圖標，便可進入相應的單元進行參數設定和運行狀態監控。界面左上角提供通信狀態顯示條，可判別觸摸屏和PLC主機通信連接狀態。點擊相應單元模塊圖標便可進入到相應工作流程界面，如圖16所示為轉盤上料單元及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，可以對轉盤上料單元的工作狀態進行直觀地了解，其工作流程步驟的進行，指示燈都有相應的動畫演示；在線模式下，可根據現場的PLC運行狀態，實時進行動畫播放，將運行狀態動態顯示。此外，該窗口還設置了一些設備的手動控制按鈕，如轉盤電機、輸送帶電機、推桿氣缸電磁閥、1#PLC總開關等，便于處置突發意外事件。
5、結束語
通過實踐運行，本文設計的灌裝系統在實際應用中，生產運行流暢，穩定可靠，性能良好，提升了生產效率及產品合格率，藥品灌裝質量得到了保障，滿足了企業對藥品灌裝成分比例穩定性的要求。
參考文獻
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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，僅供交流學習。
來源：Internet
