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2.3 协调设计
整个分装系统有送瓶、注粉、压塞及出瓶等不同执行机构。执行机构之间须有严格的时间和位置关系，也就是动作的顺序及时间的分配必须协调好。工作转盘、分装螺杆、盖塞机构的运动只有时间关系，只需进行时间同步化设计。图4为双螺杆分装系统的工作循环图，在一个工作循环(T=1s)内，当分装盘的药瓶定位槽转动至分装螺杆下方并且停歇时，螺杆完成下粉分装、压塞机构完成下行压塞，三者相互协调，保持同步。
图4 药品分装循环图
3 系统软件设计
3.1 PLC软件设计
考虑到电机的启动、运行、调速和制动特性，为了完成控制功能，采用基于FX2N系列PLC的编程软件编写了系统顺序控制程序。为了编程方便，采用模块化的程序设计方法。大量采用代码重用，减少软件的开发和维护，由PLC、传感器、各种数据采集卡等设备实时采集数据，发出控制命令。图5为粉针剂分装控制程序流程图，在保证分装盘与分装系统同步的情况下，粉剂药品的填充和胶塞振荡器的动作也必须保持协调一致。
图5 系统程序流程图
3.2 人机界面设计
系统选用触摸屏作为控制级的人机界面，具有直观、灵活、操作简便等优点。操作指令由RS-232通信协议送入PLC，再通过PLC控制软件对该指令进行处理，发布驱动命令信号。触摸屏程采用用Delphi6.0编写，通过RS-232接口与PLC编程口相连。Delphi具有开发快速，执行高效、用户界面好，操作简便、对硬件及软件环境要求低等特点，很适合可视化编程。根据工艺要求设计了4个界面，分别为：主界面、自动控制界面、手动控制界面、状态监控界面，各界面间可相互切换，操作方便。图6为手动控制界面。
手动画面上的启动按钮用于系统自动启动，急停按钮用于发生紧急情况时停止系统运行，复位按钮用于故障解除之后系统复位和警报解除，并且设置若干个指示灯用来显示系统的运行状态；状态监控画面显示各机构运行情况，当系统某处发生故障时，相对应的指示灯亮并发出警报，提醒工作人员现场修复。
图6 触摸屏手动操作界面
4 结束语
现代制药装备需要很高的控制精度、较宽的调整范围和良好的同步稳定性。基于伺服技术和人机界面的PLC粉针剂分装控制系统，不仅省去了系统按钮开关、指示灯所对应的PLC输入点，减小了PLC系统的规模，各控制单元在分装过程中具有良好的同步稳定性能，达到了医药粉针剂的生产工艺要求，在自动化生产线中发挥了重要作用。
0 引言
用于人体静脉注射的抗生素等粉针剂，在国内的医院是一种主流药品，它能减少药品在运输过程中的破损率，并且使用完的瓶子有利于环境回收。粉针制剂的分装原理有多种，目前，国内普遍使用螺杆分装完成。螺杆分装是利用螺杆间歇旋转，并通过控制螺杆的转速按计量要求将粉剂定量装入刭西林瓶，它由于分量可以任意调整，是目前广泛应用的产品。
螺杆分装系统大致可分为3个技术时期：代为螺杆装量由步进电机与集成电路控制的技术；第二代为螺杆装量由步迸电机与PLC控制的技术；第三代为近期的螺杆装量由伺服电机与PLC控制的技术。对于目前国产医药粉剂分装机而言，主要还是使用PIE加步进电机来构成的一套控制系统，按照这种配置来控制的机器，分装精度在使用一段时间后不太稳定，调整也不方便。随着制药行业生产自动化、控制精密化、维护简便化的发展趋势，文中采用PLC、HMI和伺服技术相结合实现各分装机构的同步协调控制。
1 工艺分析
医药粉针剂生产的整个流程可基本分为3个部分：前处理(包括洗瓶、灭菌、风冷)，制备(包括药品注粉、压塞、轧盖、灯检)，后处理(包括贴签、包装)。作为制备环节核心，螺杆分装机的分装精度和速度决定着整个生产线的质量和效益。图1为系统的分装示意图，其具体生产工艺为：
西林瓶→理瓶转盘进瓶→螺杆注粉→压塞→出瓶。
图1 分装示慧图
经洁净处理的玻璃瓶被进瓶装置依次推送至分装转盘定位槽中并随之做间歇转动，在此过程中，分装螺杆完成间歇计量注粉、盖塞机构完成加塞压塞，瓶子被拨至输出导轨上送出。为了控制分装精度，螺杆头数一般不超过4头，系统采用双螺杆分装的结构，即主轴旋转l转，分装转盘转动1次，完成2瓶分装任务。整个过程强调分装盘与螺杆和盖塞器的同步协调性，以及玻璃瓶的定位准确性，达到无瓶不分装、无瓶不加塞以及分装前倒瓶剔除、分装后空瓶剔除的工艺要求。
2 系统硬件设计
2.1 系统控制原理
分装系统上有送瓶、注粉、压塞及出瓶等不同执行机构，为保证分装准确性，文中以Fx2n系列PLC作为控制核心，采用同步伺服电机来直接驱动分装螺杆，并选用交流电机驱动进出瓶输送装置、分装转盘和盖塞机构。整个控制系统由现场设备元件、信号采集元件、指令控制元件和状态监测元件4个单元构成。伺服系统采用SJT系列的三相永磁同步伺服电机，宽调速比，恒转矩输出，3倍过载能力，具有3000 rpm的额定转速，2 500p／r的码盘反馈脉冲精度。驱动单元则采用新数字信号处理器DSP为核心、大规模可编程门阵列(CPLD)和MITSUBISHI智能化功率模块(IPM)，集成度高、体积小、保护完善、可靠性好，控制过程一目了然。系统控制原理如图2所示。
图2 控制系统示意图
螺杆分装是利用螺杆螺旋槽的容腔来计量物料。由于每个螺距都有一定的理论容积，只要准确地控制螺杆的转数，就能获得较为jingque的计量值。每次充填物料的重量可由式(1)求出。
G=Vrn0 (1)
式中：V为圈螺旋的容积，cm3，V=FL；r为物料的比重，kg／cm3；n0为充填一次螺杆的转数；L为每圈螺线旋周长，cm，L=πDm/cosθ；F为螺旋截面积，cm2，F=st/2。
螺杆转动的转数与角度是依托伺服电机实施的(即伺服电机转动的角度)，电机转动的速度和转角是由电机驱动器输出的脉冲信号所决定的，驱动器输出由PLC进行控制，而PLC是依据人工设定的装量进行控制的。通过触摸屏的友好人机界面(HMI)的参数设定(主要有分装量设定、分装量调整，速度设定等)，把指令传送到PLC中，就可以控制整个系统的运行。
2.2 控制决策
整个控制系统由主传动系统和螺杆分装系统2部分组成。PLC系统为完成螺杆伺服电机控制，需采用专用的位置控制单元模块，每台伺服电机接收来自位控单元的脉冲序列完成螺杆推进动作；而主传动系统涉及分装盘、压塞机构及进出瓶轨道的传动问题，为实现平滑调速，主电机采用变频器驱动，为此，PLC需配置1块D／A单元。具体控制模块如图3所示。
图3 PLC系统配置
为了调节粉针的剂量，PLC需要不断检测螺杆转动的圈数，根据设置的参数和检测的螺杆转速计算出分装量的误差范围。系统中控制分装螺杆的伺服电机速度的检测采用光电编码器，其输出的脉冲信号输送到PLC位控单元内的高速计数模块FX2N-1HC进行计数。PLC选用绝缘型RS-232C通讯用适配器与工控机进行通讯，以实现参数的设置和监控。工控机采用研华AWS-825，用Delphi开发工控机的监控程序和控制界面。
其中，对于多段调速界面，此处设置了七种转速选择触摸键位，正反转各一个触摸键位，启动停止各一个键位；无级调速界面中，为了便于理解，给出系统框图，设置了正反转触摸键位各一个，输入频率框和输出频率框各一个，写入和读取控制按键各一个。当输入频率写入输入框后，需要按动写入按键，将频率写入PLC，通过PLC发送到变频器进行控制。按动读取键位时，变频器的实时运行频率显示在输出频率框内。
图4 无级调速控制界面
2.2 PLC软件设计
PLC软件设计主要包括两大部分，即：PLC与触摸屏的通信程序设计，通过在FX-PCS-DU-WIN-C软件中建立触摸键与PLC继电器的通道连接既可完成，即在设计触摸屏界面时编制完毕；PLC与变频器的通信程序设计，通过控制PLC输出寄存器的高低电平，来设置变频器RH、RM、RL的控制组合方式，通过对输出电平的控制实现对电机的多段速调速输出，程序流程如图5所示；在无级调速中，PLC响应触摸屏的按键动作，按照与触摸屏的通道设置，通过RS485通讯模式从变频器读取数据和向变频器写入数据来改变变频器的运行频率，从而控制电机的转速，以达到对电机实现无级调速的目的。程序流程如图6所示。
图5 多段调速控制流程图
图6 无级调速控制流程图
3 结语
基于HMI和PLC的变频调速系统，使操作过程更为简便，实现了控制过程的智能化与可视化，提高了系统的可靠性，优化了PLC控制系统的实时操作性能，达到了节省PLC的I／O模组、按钮开关、数字设定、指示灯等的目的，为现场操作人员对运行过程的实时监控和维护带来了方便。本系统作为实验室试验系统的子系统之一，将理论与实际相结合，对学生掌握相关理论，提高动手能力，有着很好的指导意义和现实意义，提高了学生的感性认识和理性思维，并在实际应用中得到了较好的反馈
随着国内自动化技术方面的发展，人机界面HMI产品越来越受到人们的关注。人机界面能够取代传统的控制面板功能，从而达到节省PLC的I／O模组、按钮开关、数字设定、指示灯等的目的，触摸屏监控平台作为交流变频调速系统的人机交互界面，在未来的工业领域将会不断得到普及，特别是随着可编程控制器在工业控制中占据越来越重要的位置，以及工业现场对设备小型化，易操作化的要求的不断提升，触摸屏技术的应用前景将越来越受到重视。本文提出了一种基于HMI和PLC的调速系统的设计方法，经验证，控制效果良好。
1 系统组成与连接
1.1 系统组成
本系统主要包括以下三个模块：人机交互模块、可编程控制模块、变频器调节模块。
1.1.1 人机交互模块
此模块建立的主要工作包括触摸屏的选择，上位机交互界面设计、触摸屏与PC的通信及触摸屏与PLC的通信设计。此处使用的是三菱F940GOT-LWD-C型触摸屏。
1.1.2 可编程控制模块
该模块作为系统控制核心，是触摸屏指令的执行中枢和变频器的指令触发机构。此处使用的是日本三菱微型可编程控制器MELSEC-F的FX2N系列中FX2N-32MR型可编程控制器。
1.1.3 变频器调节模块
此模块为控制执行模块的前端，连接电机以实现对电机的多段调速和无级调速控制。系统连接框图如图1所示。
图1 电机调速系统框图
1.2 系统的连接
1.1.2 触摸屏与PLC之间的连接与通信
触摸屏的电源由PLC提供，为24 V DC的直流电源，PLC的COM端接触摸屏的“24V负”，PLC的“24 V正”接触摸屏的“24 V正”，触摸屏也要接地；PC与触摸屏的通信通过RS232C通信电缆通过串口通信的方式实现，连接完成后将电脑上制作好的用户画面传至触摸屏，完成PC与触摸屏的通信；PC与PLC通信通过一条SC-90电缆线实现，连接完成后再将PC机上编制好的梯形图程序下载至PLC。触摸屏与PLC的通信是通过FX-50DU-CAB0型连接用电缆来实现。
1.2.2 PLC与变频器的连接
通过PLC对变频器的控制，实现电机的两种控制模式，即多段调速及无级调速。如图2所示，FX2N-32MR的Y001~Y004作为控制输出端，直接与变频器的多功能输入端连接，实现多段调速控制，通过RS485通信直接将调速指令发给变频器完成无级调速。
图2 PLC与变频器的连接
2 软件设计
2.1 触摸屏软件设计
触摸屏人机交互界面的开发平台，采用三菱公司的FX-PCS-DU-WIN-C编程软件，该软件类似于组态软件，不用编制程序，只须将相关元件拖到预先定义的画面上，根据需要设置相关参数、合理配置地址即可完成操作。FX-PCS-DU-WIN-C编程软件的运行环境一般是在计算机上，利用触摸屏自带的RS232接口与PC机RS232串型接口通信，可以将设计完成后的人机交互界面下载到触摸屏。触摸屏上电后(使用24V电源，可由PLC直接供给)直接进入所设计的画面，操作人员可以根据需要直接通过人机交互的方式，对下位机PLC进行控制和监视。交互界面如图3所示。
图3 多段调速控制界面