基于plc的自动配料系统设计.docx

摘要

自动配料系统是近年来新出现的自动化配料系统，可以解决原始配料过程中工人工作繁重、出错率高、无监测、无记录等弊端，在冶金、食品、橡塑化工等诸多行业都有着广泛的应用。其中可编程逻辑控制器（PLC）由于其可编程、可存储等特性在自动配料系统中发挥着越来越大的作用，在大、中、小等多种规模的控制系统中都可以使用。

当前，我国有六千多家持有生产许可证制药企业，其中超过百分之九十的企业是中小型企业，存在着设备老旧、技术更新不及时、操作工人水平参差不齐等情况，其产品品质有待提高，药品安全质量难以保障。实现制剂生产标准化、配比精确化、操作自动化是当前制药行业亟待解决的重要问题之一。

基于以上原因，本文选择制药行业的配料系统作为研究对象。首先对自动控制配料机的原理、工作模式进行介绍和分析，接下来以低成本、高效率为原则，对自动配料系统进行设计。本文的主要内容包括：1.对生产过程控制系统发展和现状进行简要总结和概述。2.介绍配料系统的工作原理及配料控制系统设计的总体框架、设计。总之，本文通过进行PLC编程实现药品配方原料成份识别、料斗自动旋转、制动和成份称重后的自动倒料过程。这种方法既能降低配置过程中失误概率，又能够实现称量精度的提高，同时生产成本降低，可推广性高。

关键词：PLC；旋转；取料；称量；配料；倒料

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.1.1设计目的

自动配料系统是近年来新出现的自动化配料系统，可以解决原始配料过程中工人工作繁重、出错率高、无监测、无记录等弊端，在冶金、食品、橡塑化工等诸多行业都有着广泛的应用。计算机时代的到来使得近年来网络、数据库、可编程逻辑控制器（PLC）等相关技术得到了飞速发展，自动配料系统的控制方案也出现了更多版本。可编程逻辑控制器（PLC）由于其可编程、可存储等特性在自动配料系统中发挥着越来越大的作用，在大、中、小等多种规模的控制系统中都可以使用。其功能由弱到强的过程代表了逻辑控制到数字控制进步的过程，PLC的迅猛发展带来了工业控制领域技术的飞跃，其应用领域从简单控制的单体设备到多过程集合控制（运动控制、过程控制及集散控制等）从小到大的飞跃，PLC应用场合逐渐扩大，正在成为自动配料系统领域的主流控制设备。随着PLC通信能力的增强及其逻辑处理功能基础上诸多功能单元的大量涌现，PLC不仅能应用于逻辑控制中，还慢慢渗透到了生产过程控制、运动控制等各种工业控制中，使用PLC组成各种控制系统的难度大大降低。

许多行业的产品，成份配置要求较高。制药业就是其一，为确保药剂产品的安全生产。配料过程是其中最关键的工序之一，配方成份不得疏漏、重复，每一成份的含量不得超差。这一要求如何实现，是摆在药品生产企业面前的重要课题。本文以配药为例，使用自动控制配料机，利用PLC编程，从而实现药品配方原料成份识别、料斗自动旋转、制动和成份称重后的自动倒料过程。这种控制方法既能避免配药失误，又提高了称量精度，其较低的价格也适合现在市场的需求。

1.1.2设计意义

配料作为高精度、精细化企业生产工艺过程中一道非常重要的工序，其工序质量将直接影响整个产品的质量。

在生产过程中应用自动配料控制系统不仅可以大幅度提高配料质量，也可以减轻劳动力使用量，提高生产效率，进而提高经济效益，推动我国国民经济的发展。

PLC在企业生产过程的应用不但有效提高了产品质量、产量，还能应用于整个配料行业。众所周知，配料系统在若干行业、企业的生产过程中都是极为重要的一环，配料过程能否合理、高效、准确、快速的进行直接影响了各生产环节的进行和产品的高质量、在配料的过程中，原始物料的多样性意味着物料的粘度、比重、粒度都会受环境温度、湿度的影响，进而影响下料精度。但同时，工业生产尤其是药物生产都对每种物料的下料速度和精度有较高要求，对系统整体的配料速度和精度要求也较高。因此，一套完整的自动配料系统必须能够做到完成各种工艺条件的准确配料。

混合料的高质量制备可以直接决定产品质量，随着科技的进步和发展，对配料的质量要求越来越高，配料系统在具有完备的控制功能的基础上还要具备一定的管理功能。因此，进一步提高自动配料系统的运行能力和效率是必然要求。本文本着提高制药业生产水平和制药企业素质的原则，通过PLC编程控制配料机，使制药设备标准化、规范化、自动化，从而达到精确配料的效果。

1.2课题发展状况及趋势

配料工序是药品生产过程中非常重要的环节，它主要包括成份的抓取和称量。这看起来可能很平常，但其实这一部分至关重要的。这个环节一旦出错，会直接影响后续所有加工环节的进行，一旦检测出来，整批产品都可能会被做报废处理，这一批生产过程中的原料成本、人工成本等都是不小的开支。在现实生活中，很多时候都是药品生产完成后才发现称重、配药的失误，这会直接浪费一整批药品。

目前药品生产厂家大部分精力都集中在提高生产效率，例如用机器代替人工进行混料、搅拌、成型等过程，另有各种包装设备的存在，但配药、称重环节往往被忽视，当前大多数药品生产厂家仍采用传统的人工作业，由人工来进行取料和称重法，效率低下并且人为因素造成的失误现象时常发生，很容易造成某一成份的重复或漏加现象。

当前也有部分制药厂用简单机械操作的方法进行自动称重，也很难达到高精度完成药品成份的要求。

当前我国已经研发出配料、称重、打包三部分功能基于一体的设备，此类设备将多道工序合于一体，做到了节省空间、降低成本的目的，但不适于配方成份较多、精度要求较高的情况。

在七十年代至八十年代中期，我国首钢、鞍钢、武钢等第一批烧结厂率先应用了自动配料设备，其使用证明了自动配料相比传统配料优势在于：

稳定了配料比，提升了配料精度，提高了产品的质量；

节约固体燃料；

产品性能得到改善，产品质量进一步更高；

降低了工人的劳动强度。

在激烈的市场竞争中，要求生产企业具有更高的生产率和更低的生产成本。高质量的原材料，燃料和先进可靠的设备是实现此目标必不可少的先决条件。建立高性能，稳定可靠的配料控制系统，有效地控制配料过程是工业生产的必然趋势。

近年来，随着现场总线技术的发展，将传统的配料控制系统改进为基于现场总线的控制系统已成为科学技术进步的必然趋势。当前，用于配料的许多称重仪表都具有Profibus、Modbus等现场总线接口，这使得基于现场总线的

配料控制系统成为可能，并且基于现场总线的配料控制系统正在迅速推广。

自动化软件的普及和发展有很多因素，包括技术水平和商业水平，但是制造业的需求是决定性的。随着制造业的发展，对自动化软件的需求不断增加，这也决定了自动化软件将从过去的简单配置监控功能发展到越来越高的水平。

性技术

自动化软件正逐渐成为协作制造过程中不同阶段的核心系统。用户和硬件供应商都使用自动化软件作为整个工厂中信息收集和集成的工具，这需要大量自动化软件采用“标准化技术”，例如OPC，DDE，ActiveX控件，OM/

DCOM等。这使得自动化软件发展成为一个软件平台，当软件功能不能满足用户的特殊需求时，用户可以根据自己的需求进行二次开发。例如，组态王6.0提供了四个开发工具包，使用户能够进行二次开发。自动化软件采用标准化技术，也便于互连本地功能。

构造全厂信息平台

ERP在我国是一个热门话题，但目前的ERP主要用于商业企业的财务，销售，物流等各个方面。在国内外的企业生产中，很少有企业能够集成生产信息和ERP系统来最大化生产效率和市场效率，也就是说，在工业领域中，实时历史数据和ERP之间存在差距。如何使实时历史数据进入企业信息管理系统是现代信息工厂的迫切需求。随着科学技术的发展随着数据库技术的日趋成熟，世界上主要的自动化制造商已经开发了相关的平台，这使自动化软件朝着制造和管理信息系统的方向发展。自动化软件已成为整个工厂信息平台承上启下的重要组成部分。

无线的人机界面解决方案

数字终端变得越来越强大和智能。正如我们现在所看到的，预装了wince的PDA具有非常好的图形处理能力。且蓝牙技术发展迅速。据专家预测，其未来的传输距离可以达到100m。另外，已经建立了基于XML的WML语言标准。这些技术的发展为无线人机界面解决方案提供了前提条件。与其他技术相比，无线人机界面能够以较低的成本，更快的连接和更容易的访问获得重要的生产信息，例如紧急警报，重要事件，生产过程中的重要参数等。

以客户为导向的软件设计

如何从客户的角度设计软件是所有自动化软件制造商都应面临的挑战。自动化软件涉及从控制，人机界面到生产管理的多个级别，并且相应地有多个模块。例如，亚控目前有两大产品模块，即组态王和软逻辑。保持不同模块的一致性可以有效减少用户的学习时间。相同的数据结构还可以促进企业内产品的集成。这种一致性不仅体现在外观和感觉上，还体现在兼容性、平台、编程工具、数据访问、控制引擎、电子商务和许多其他方面。例如，WinCC和

STEP7使用相同的数据结构，这使用户只需要在系统中定义一次数据点。

1.3研究基本内容

配料系统的总体设计及控制方案；

设计自动配料工艺流程；

PLC选型及I/O分配；

PLC控制程序的编写。

1.4拟解决的主要问题

实现配料和校称两个工作状态；

完成10种原料的混合；

实现原料识别、称量；

避免传统配料中出现的配错和配量不准的问题。

1.5技术路线或研究方法

综上，本设计方案为了满足中小企业的需求，可以实现高精度，低价位，质量安全的自动控制配料。该装置通过PC，可编程控制器和条形码识别仪实现药物配方及各种原料所需数量的识别和显示。它使用电子天平精确称量，同时，其他辅助设备可确保配方的原料不会重复、泄漏且数量准确，然后由自动倒料装置实现自动倒料，这样既减少人员的工作量，更重要的是完全避免了人为失误。该设备可以很好地适合我国国情，满足制药行业的新生产要求。另外，该设备也适用于其他配料精度要求较高的企业(如轮胎制造业)，有较好的市场前景。

研究方法：

选取自动控制方案；

设计自动配料机的工艺流程；

控制要求实现的过程；

PLC选型及I/O分配；

PLC控制程序的编写，上机调试通过。

第2章总体方案设计

2.1方案论证

总体设计思路

本设计总体思路是使用三菱FX系列PLC作为自动配料控制系统的主控制器，控制自动控制配料机的10个供料桶

(分别盛有各配方成份)和10个储料桶(各成份的组合)转盘的启动和制动，通过PC机条形码阅读器识别，若是处方成份，PC机会显示该成份数量，则按需取料即可。若非处方成份，则拒绝取料。重复取料，控制系统也会拒绝。重量正确，将自动开缸、自动倒料，重量超差，系统将拒绝接料。

本设计的可行性验证

1、方案论证比较

在工业产品的制造领域中，应用自动控制技术可以大幅度的提高生产效率和产品质量。同时，也能够代替繁重的体力劳动以及重复性的手工操作。制药行业的配料工序就是一种烦琐地，重复劳动的过程。而且极易造成人为失误。因此，有必要设计简单易行且可靠性较强的自动控制方案。结合当前自动控制系统的发展情况，可有以下几种控制方案来实现自动控制配料机的动作。根据题目要求，我们分析以下方案设计进行对比论证：方案一：继电接触控制

继电器触点控制系统：具有电路图直观，元件结构简单，价格低廉，抗干扰能力强的优点。但是它也有一些不容忽视的缺点，例如在继电器控制逻辑中使用大量的机械触点，触点在打开和闭合时会被电弧损坏，机械磨损且使用寿命短。因此，其可靠性和可维护性差。另外，继电器接线复杂并且功耗高。一旦构建了系统，就很难更改或添加功能。继电器触点的数量有限，因此灵活性和可扩展性很差。

方案二：PC机控制

微型计算机控制是现代自动控制系统的另一主流，已广泛应用于工业控制领域。它的优点是：具有完善的输入输出通道；具有实时控制功能，或完善的中断系统，实时时钟和高速数据通道，确保了与被控对象的实时信息交换；可靠性高，微机控制对环境的适应性特别强，可以保证现场生产的各种要求。

微机控制的缺点如下：

①操作设计人员对微机控制系统的要求较高。它要求用户具有一定的计算机硬件和软件知识，这对于一般的机械和电气控制技术人员来说，要花很长时间才能掌握这些知识。

②准备时间很长。通常，在使用微计算机控制时，应在输入和输出接口上完成许多工作。例如，考虑现场与微型计算机之间的连接，每个接口的扩展，输入和输出信号的处理以及要选择的接口模式。另外，除了设计控制程序外，还需要在各种硬件和软件上工作。

方案三：单片机控制

随着大规模集成电路的出现和发展，单片机的出现。它具有以下特点：优良的性价比；精度高，体积小，可靠性高，功能强；电压低，功耗低，安全性强。

但是单片机的缺点是它需要太多专业知识。例如，它的语言是汇编语言和C语言，因此很难学习。因此，普通人很难掌握。

方案四：可编程控制器控制

PLC是基于微处理器的工业控制设备。它结合了传统的继电器控制系统和计算机技术，将可编程存储器用于内部存储程序，执行逻辑控制，顺序控制，定时，计数，乘法和除法运算指令，并通过数字输入和输出控制各种类型的机械生产过程。具有体积小，重量