文章通过对灌装工艺的需求分析，确定PLC的I/O分配、控制流程，通过优化PLC程序、触摸屏组态等措施进行了改进设计。运行实践结果显示：改进优化后的控制系统，产品成分比例稳定性提高，故障率降低，系统运行更为流畅，灌装质量及生产效率大大提升。

 

药品的自动灌装生产是一种典型的流程型工业生产形式，其过程是按照固定配方，将液体等原料注入生产线，经过各种设备按照固定流程加工成产品，再经过灌装或瓶装得到最终产品[1]。整个过程没有人工干预，是一个将原料变成产品的自动化过程[1]。

 

本设计通过对药品灌装工艺的需求分析，利用可编程控制器 PLC 作为控制器，触摸屏作为上位机监控设备，设计自动灌装流程，同时对整个生产流程进行监控和操作，保障整条生产流水线的高效准确运行。

 

1、药品自动灌装系统的组成

如图1所示，为药品自动灌装系统工作流程实物示意图。本系统组成主要包括：转盘上料单元、加热与检测单元、灌装加盖单元、输送带单元、机器人搬运单元和立体仓库单元共6个部分。控制系统主要由汇川 H2U 系列 PLC、GX Works2 的PLC 编译软件、昆仑通态触摸屏、MCGS 嵌入版组态软件等组成，构建的系统具有通信和监控功能，通过该药品灌装生产线系统可实现药品生产的空瓶出装、自动灌装、合格产品检测、机器人分拣、搬运、药品盖章、入库储存等一系列自动化生产流程运作。

 

图1 药品自动灌装系统工作流程实物示意图

 

系统每个单元的运作都通过PLC程序进行控制，每个单元的 PLC 控制器与昆仑通态上位机间均通过RE-485通信网络进行数据互通互联，控制各个单元之间相互配合，协调运行。各单元的控制参数通过昆仑通态上位机设置，设置有系统启动、暂停、急停等操作按钮，可选择手动/自动模式，具有报警、系统数据记录储存等功能，可在线实时监控，从而使整条灌装生产线运行衔接顺畅[2]。

 

2、药品自动灌装的控制系统设计

控制设计内容主要包括总体控制方案、硬件选型与配置、系统软件及监控界面等几个方面[3]。

 

2.1控制系统总体方案设计

 

图2为药品自动灌装系统的控制方案图。药品自动灌装系统的总体方案架构分为三层：基础层、现场层、监控层。基础层是构成现场信号采集和控制指令执行的最底层的网格单元，主要由传感器、执行机构等构成；现场层的核心是 PLC，其作用是接收监控层下达的指令并下达给基础层的相关执行机构，同时将基础层传感器检测的信号反馈传递给监控层，监控层根据反馈的信号数据作出对应的判断并下达相应指令。现场层的各模块PLC之间通过RS-485总线进行数据通信，实现信息互换。监控层以工控触摸屏（如昆仑通态、威纶通等）为核心，通过 RS-232 总线与现场层的RS-232接口进行实时通信，从而对系统进行可视化管理[4]。另外，现场层的 RS-232 接口也可以接到电脑端，通过三菱 PLC 编译软件 GX-Works2 进行程序设计，实现在线监控和修改，如传送带速度调节、药液阀调节、比例及积分参数调节等。

图2 药品自动灌装系统的控制方案

 

2.2系统硬件选型和I/O分配

 

根据药品自动灌装系统生产线的工艺需求，控制系统主要由7个模块单元构成，每个模块单元大概需要16个I/O点，7个单元共计100多个I/O点，考虑到有的模块单元之间需要不同的 PLC 控制，因此选用性价比较高的2个 60点左右的汇川PLC。

控制系统中选用了两个 PLC，第一个 PLC 型号是H2U-3232MT，它主要控制转盘上料单元、传送带单元、包装盖章单元、机器人搬运单元、立体仓库单元。它的 3 路高速输出恰好可以控制 2 路步进电机驱动和 1 路伺服脉冲；第二个 PLC 型号是H2U-3624MR，它主要控制灌装加盖单元、加热与检测单元。

 

在控制系统的基础层执行机构是气缸、电磁阀和电动机，传感器是现场信号采集的主要执行者，采集信号的主要是空瓶上料个数的光电传感器、气缸前后限位的位置传感器、立体仓库堆垛机的行程限位开关、加热模块的温度传感器、液位高低的液位传感器、压力传感器等，共使用了 50 多个，这些基础层的传感器为管理层作决策提供了非常有用的信息。

 

气动来源主要由 1台 10 L的空气压缩机提供气压能，然后经过气动 3联件对空气进行过滤、减压，再把气压能送到执行机构，本系统设计的气动执行机构有两位三通电磁阀控制的直线气缸、吸盘、手抓气缸。使用的是10 L的空气压缩机，气压有限，是造成多路气路同时工作时，压力不够的主要原因。为使每一步都执行流畅，在程序设计时，就要尽可能考虑到各气路电磁阀不同时打开，从而保证机械手吸盘吸力和推瓶推杆的推力足够。

 

图3 PLC信号控制资源分配图

PLC 控制资源分配如图3 所示。其他主要器件有：

 

1）步进电机。电流参数设置为 1.0 A；细分设置为拨码000，细分数10；电机边距角0.18。

 

2）减速电机。型号 Z2D-60 系列，DC24 V，转速为1800 r/min。

 

3）光电反射器。NPN 型（NPN—信号输出0 V、PNP—信号输出24 V）。

 

4）电磁阀。普4V210-06 DC24 V二位五通换气阀等。

 

PLC 控制器和传感器等器件选型配置完成后，便可对 PLC 进行相应的 I/O 分配。其输入/输出（I/O）分配表如表1、表2所示，搬运机器人执行动作状态表如表3所示。

 

表1 1#PLC输入/输出（I/O）分配表

表2 2#PLC 输入/输出（I/O）分配表

表3 搬运机器人执行动作状态表

 

2.3构建通信网络

 

在自动化工业生产中，生产控制单元和生产管理系统之间协调运作，是通过各模块控制器之间的信息互通、指令传递来实现和保障的，控制器与各种生产设备之间的信息传递通道是整个系统正常生产运作的命脉，构建通信网络是非常重要的[5-6]。由于系统使用到多台 PLC，因此，除了 PLC与计算机、触摸屏进行通信外，还要在PLC与PLC之间进行通信。在本系统中，上料单元、传送带单元要和灌装单元进行生产工序之间的协调，上料的速度应匹配灌装的速度，在灌装工序未完成前，灌装上料口应暂停上料。但由于上料单元、传送带单元是由PLC1控制、灌装单元是由PLC2控制，因此要相互协调，PLC1 与 PLC2 进行通信是必不可少。监控层要实时监控现场设备的运行状态，构建通信网络也是不可缺少的。汇川 PLC有 3个彼此独立的 RS-485 通信端口，支持 1：1、N：N、Modbus 主或从、计算机链接协议、自由通信协议等，通过内部特殊 D 元件来选择。串口通信需要的线路少，因此本系统采用串口通信，工作方式有全双工和半双工方式。

在触摸屏与主站1#PLC之间采用了汇川的下载监控协议进行通信，物理接口是 RS-232 接口，工作方式是全双工，这样可以极大地提高PLC1与触摸屏之间的传输速率，数据更新和采集也更快。1#PLC 与 2#PLC 之间的网络架构是 RS-485 主从架构，工作方式是半双工。RS-485通信端口采用差分信号传输方式，具有抗干扰能力强、通信距离远、通信速率高等优点。系统使用的通信协议是Modbus-RTU协议。系统通信网络如图4所示，通信配置如图5、图6所示。

图4 系统通信架构

图5 主机Modbus-RTU通信配置

图6 从机Modbus-RTU通信配置

 

3、PLC程序设计

3.1转盘上料单元控制程序设计

 

转盘上料单元为整个系统的起始部分，其工作流程图如图7所示。在程序设计时，采用虚实结合控制设计，在每一步工序中，用软中间继电器设置一个“总开关”，串联至每个输出点。所有输出点均单独设有正常通道和应急通道，以增强处置突发事件的能力；在“总开关”接通的情况下，输出点均有两条并联通道导通。一条通道是系统正常运行状态下的通道，另一条通道是系统在应急状态下的通道。通常情况下，系统默认选择正常运行状态下的通道来使输出点导通。特殊情况下，应急通道的选择由上位机工控触摸屏来完成，通过软触点即可控制输出线圈的输出。转盘上料单元程序设计如图8所示。本系统的其他模块编程方式类似，不做赘述。

图7 转盘上料单元工作流程图

 

图8 转盘上料单元PLC程序设计

 

3.2加热检测、液位控制设计

 

闭环加热工序为系统的第二部分模块，为确保灌装液体的均匀性和稳定性，利用 PLC 对药液进行恒温恒液位控制。系统对加热丝进行加热，不同颜色的灯光显示不同温度阶段，变频器控制潜水泵实现恒液位控制，液位保持在设定的某一高度上。恒液位控制采用 PID 算法，根据液位设定值与液位反馈值相减得到的偏差，经 PID 模块运算后，得出运算结果，系统将运算结果通过模拟量H2U-4AM模块转换成相应的电压值，控制变频器，系统可根据液位偏差结果，柔性调控潜水泵的抽液量，保证加液罐充装液体液位高度的恒定。液位控制工作流程如图9所示。

图9 PID恒液位控制工作流程图

 

3.3灌装单元控制程序设计

 

在灌装加盖单元工序中，PLC 软件设计采用了模块化设计。如图10为灌装加盖模块实物图。对灌装过程的 6 个工作卡位逐一编写子程序，方便在主程序中调用。

图10 灌装加盖单元实物图

 

拨杆工作子程序对应圆盘卡位 1 工作内容；注药液1子程序对应圆盘卡位2工作内容；注药液2子程序对应圆盘卡位3工作内容；加盖子程序对应圆盘卡位 4 工作内容；旋盖子程序对应圆盘卡位5工作内容；卡位6没有灌装任务，无子程序；出料子程序对应圆盘卡位 7 工作内容，灌装圆盘一共有 8 卡位，如图11 所示为灌装药液各卡位工序流程图。图中，卡位 1 为灌装上料口；卡位 2 电磁阀 V1控制加药液 1；卡位 3电磁阀 V2控制加药液2；卡位 4 电磁阀 V3 控制推管加盖；卡位 5 电机控制拧盖；卡位6灌装完毕；卡位7电磁阀V4控制推管将药瓶推进检测传送带。要实现多瓶药品连续灌装，初始化时需要从第一步依次执行到第六步，之后一直循环至第六步。

 

图11 灌装药液各卡位工序流程图

 

3.4机器人搬运设计

 

药品灌装完毕，并经检测后，进入搬运模块。搬运模块由双轴机器人实现码垛功能，对检测完的物料进行分拣搬运，合格的产品进入包装箱，不合格产品进入废料箱。

机器人的控制方式采用外部端子，PLC4个输出点组合起来对应机器人的16个点位（状态），如表1 所示，未在表中列出的为备用点。工作过程中，机器人等待上料，判断药瓶是否合格，若到料，机器人到取料点，取料气缸启动，吸盘气缸启动，吸取物料，机器人搬放物料，复位。软件设计上，使用计数器 C3 统计不合格数量，计数器 C4 统计合格数量，并且每个搬运工作都编写 1个子程序。机器人搬运工序流程图如图12所示。

 

图12 机器人搬运工序流程图

 

3.5包装盖章与入库设计

 

通过机器人分拣的合格产品箱满后进入运送、盖章、入库工序，由3#传送带输送，其采用步进电机控制，步进的移动距离用 DPLSY 指令来实现[4，7]。根据步进距离，设定发送脉冲量。入库单元由一台两相步进电机和伺服电机控制，步进电机脉冲输出端子为 Y02，方向控制为 Y05；伺服电机脉冲输出端子设置为 Y00 端子，方向控制为Y04 端子；程序编写用 D10 来暂存步进电机脉冲个数，D12 暂存伺服电机脉冲个数。根据不同控制距离要求，D10、D12的值是随之变化的。Y4置1 时，箱台上升，Y4 置 0 时，箱台下降。软件控制要求系统的工作为上电先寻找原点，然后相对原点上升一定距离到达装箱台位置，把成品箱入库到存料台相应位置。其工作流程如图13所示。

图13 包装盖章单元工作流程

 

综上所述，灌装系统 PLC 的程序控制整体框图如图14所示。

 

图14 药瓶自动灌装系统PLC控制程序总框图

 

4、触摸屏组态设计

昆仑通态触摸屏是工业上常用的触摸屏，它具有工作稳定性较好、价格实惠等诸多优点。MCGS嵌入版组态软件是昆仑通态公司专门开发用于MCGSTPC的组态软件，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制[8]。通过控制系统的工艺流程开发出主监控界面和各工序子界面。如图15所示为自动监控选项界面。

 

图15 HMI监控选项界面

 

该界面提供了转盘上料单元、输送带单元、机器人搬运单元、立体仓库单元、灌装加盖单元、加热与检测单元、运行监控等图标按钮，点击对应图标，便可进入相应的单元进行参数设定和运行状态监控。界面左上角提供通信状态显示条，可判别触摸屏和PLC主机通信连接状态。点击相应单元模块图标便可进入到相应工作流程界面，如图16所示为转盘上料单元及1#传送带界面。另外，报警界面提供了各种报警事项的历史列表，方便操作人员、维修人员进行查看。其他界面因篇幅限制，不一一阐述。

 

图16 转盘上料单元及1#传送带界面

 

该窗口有两个运行模式：离线运行模式，在该模式下，可以对转盘上料单元的工作状态进行直观地了解，其工作流程步骤的进行，指示灯都有相应的动画演示；在线模式下，可根据现场的PLC运行状态，实时进行动画播放，将运行状态动态显示。此外，该窗口还设置了一些设备的手动控制按钮，如转盘电机、输送带电机、推杆气缸电磁阀、1#PLC总开关等，便于处置突发意外事件。

 

5、结束语

通过实践运行，本文设计的灌装系统在实际应用中，生产运行流畅，稳定可靠，性能良好，提升了生产效率及产品合格率，药品灌装质量得到了保障，满足了企业对药品灌装成分比例稳定性的要求。

 

参考文献

 

[1] 段华伟. 基于MES的自动灌装生产线控制系统的研究与设计[D]. 济南：齐鲁工业大学，2020：92.

 

[2] 朱凌云，林琳. 基于WINCC 的PLC 控制系统仿真平台设计[J]. 实验室研究与探索，2010，29（5）：49-53.

 

[3] 钟晓英. 柔性灌装生产线教学设备研究与开发[D]. 广州：华南理工大学，2018：72.

 

[4] 谢述双，周明理，周大伟，等. PLC 高速脉冲控制步进电机实验装置的设计[J]. 柳州职业技术学院学报，2019，19（3）：118-123.

 

[5] 吴萍，杨杰忠. 电气控制与PLC应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2016.

 

[6] 薛迎成，何坚强. 工控机及组态控制技术原理与应用[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

 

[7] 户佩佩，赵媛媛. PLC控制步进电机在立体仓库单元中的应用[J]. 农机使用与维修，2019（10）：23-24.

 

[8] 刘长国，黄俊强. MCGS嵌入版组态应用技术[M]. 2版. 北京：机械工业出版社，2021.

 

本文作者曾新红、朱日旺，广州航海学院，来源于机电技术，仅供交流学习。