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。

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]。

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]。

图2 药品自动灌装系统的控制方案

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。

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。

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7 转盘上料单元工作流程图

图9 PID恒液位控制工作流程图

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。

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。

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。

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。