粉末成型机控制系统设计（开题报告）

一、设计目的、意义

设计目的：

粉末成型机是先进制造技术中，用于零件快速成型的大型机械加工设备，其PLC控制系统是其设备的主要动力匹配机构，负责粉末成型机的各个部件运动协调一致的任务。由于传统的逻辑电路控制不利于产品的更新及工艺的改进，且大型设备其电器的数量多，体积大，耗电多，工作频率低，寿命短，可靠性差。控制系统通常由主控制器，以及各类电磁继电器，传感器等信号组成，在加工过程中，对粉末成型机的主轴及其附加轴的协调运动的要求较高，如若不合理，对产品的质量影响较大，因此，设计方案合理、运动协调性好、易于保证加工精度的控制系统，以提高粉末成型机的生产能力的目的。

设计意义：

随着现代化技术的发展，粉末成型机越来越多使用在工业生产中，市场需求较大，品种也较多，在我国有了较快速的发展。目前，传统设备大多数为继电器接触器控制为主，劳体积大，耗电多，工作频率低，寿命短，可靠性差，生产成本高。这严重制约了制造工业产业能力的快速提升。尤为突出的需要解决的问题，提高劳动生产率，降低能耗，同时也满足制造业的加工要求，因此，设计方案合理、运动协调性好、易于保证加工精度的控制系统，对于整个粉末成型机的设计而言十分重要。

文献综述（研究现状及分析）；

2.1 国内粉末成型工艺发展及其特点

(1)操作简单。这几年粉末成型机制造企业开始重视产品质量，大都奉信“以质取胜”的经营理念。针对国内制药厂家众多、片剂品种繁多、生产规模小特点。粉末成型机制造企业，开发的粉末成型机产品具有操作简单、清理方便快捷的特点，特别是更换品种时，清场迅速方便。

(2)技术含量较低、技术创新后力不足。目前，国内40余家制药装备企业生产六十多个品种规格的粉末成型机。虽然，每年都有新的产品在不断推出。但这其中真正技术水平高、附加值大的品种却寥寥无几。产品重复开发严重、抄袭剽窃盛行，某一品种的粉末成型机生产厂家多达几十家。为了生存，许多小规模的制药装备企业不仅在技术创新上采取“模仿型”战略，有的厂家甚至完全靠抄袭别人的技术作为自己的技术“创新”，有的甚至在“粗制滥造”。为了争夺定单，往往采取压价手段，因为品牌忠诚度低，价格战打起后，这些品牌更加吃亏，现在品牌正在不断贬值。如果这种情况得不到扭转，必将导致我国粉末成型机设计制造水平整体倒退。

我国绝大部分的企业都是民营的企业，在技术、设备、人才等方面都不具备优势，严重制约企业的技术创新。部分企业研发机构缺乏、创新体系不健全，技术人员缺乏技术创新意识，企业整体技术实力不强，科研生产技术装备更新速度十分缓慢。最值得关注的是，整个行业的科技人才都处于一个“青黄不接”的阶段。可以说，人才危机正在整个行业里蔓延。

2.2 国外粉末成型工艺发展及其特点

我们与国外发达国家的粉末成型机与粉末成型技术的差距还在扩大，高速高产、密闭性、模块化、自动化、规模化及先进的检测技术是国外粉末成型机技术最主要的发展方向。先进的粉末成型机基本在欧美，如德国FETTE、KORSCH，英国MANESTY，比利时COURTOY，xxSTOKES等。其产品自动化程序高,符合FDA要求及21CFRPART11的要求。

(1)高速高产量。高速高产量是粉末成型机生产厂商多年以来始终追求的目标，目前世界上主要的粉末成型机厂商都已拥有每小时产量达到100万片的粉末成型机。如Manestry公司生产的Xpress700型粉末成型机高产量达100万片；Korsch公司生产的XL800型粉末成型机最高产量达102万片/h；Courtoy公司生产的ModulD型粉末成型机最高产量达107万片/h；Fette公司生产的4090i型粉末成型机最高产量达150万片/h。其产量远远高于国内粉末成型机的产量，国内粉末成型机要在速度产量上赶上超过国外，需要在粉末成型机设计创新、加工工艺、自动控制等方面有长足的发展。

(2)粉末成型工艺环节的密闭性及人流、物流的隔离。国外的粉末成型机输入输出的密闭性非常好，尽可能地减少交叉污染。粉末成型用的颗粒通过密闭的料桶及密闭输送系统进入料斗，粉末成型过程中采取有效地手段防止粉尘飞扬和颗粒分层，压好的片剂通过筛片、片中检测、金属探测等进入包装工序，整个过程相当密闭。而国内大多数粉末成型机粉末成型过程是敞开的，或者是没有完全密闭，断裂的工序致使粉末成型间粉尘飞扬。随着GMP的深入实施，在粉末成型工艺环节的密闭性及人流、物流的隔离变的尤为重要，这是我们设计生产制造设备所必须具有的基本功能。

(3)在位清洗。WIP(在位清洗)粉末成型机，使得用户设备使用成本大大降低。改善粉末成型机的清洗功能，除了设计上充分考虑各个部分清洗之外，粉末成型机的清洗功能是强调可拆卸性，只有方便而快速拆卸，才能保证清晰的彻底性。

(4)与整条生产线连接的控制技术。把一台粉末成型机能够连接到一条生产线中，德国和英国的粉末成型机都具有这种功能。它具有开始、结束以及转速调节功能。利用这一选项功能，可以可靠地、自动地与生产线的其它设备，例如筛片、吸尘、检测、输送、桶装等连接在一起，同步完成药片的压制生产任务。同时，在外部设备上也采用了不同的监测手段，提供了很高的安全可靠性能。利用在线检测仪可以为压制的药片清除毛刺、飞边，清除粉尘；吸尘监控功能是利用流量监控仪定期地对吸气管中指定位置的吸气压力进行检测。连续地对设定值和实测值进行比较，若检测仪在吸气管中10s中内没有检测到吸气压力（没有流量）时，粉末成型机即发出故障报警提示并停止运行。这一功能最大程度地保障了生产的可靠性，能够连续清除药片压制生产过程中的粉尘。与整条片剂生产线连接的控制技术是片剂生产控制新技术，是今后的发展趋势。这种技术在国内也刚刚起步。

(5)粉末成型机的远程监测和远程诊断系统。随着网络、宽带网、虚拟等计算机高新技术的迅速发展，设备远程监测和远程诊断技术也日益兴起。计算机控制的粉末成型机开始在药厂广泛应用，使的远程监测和远程诊断技术在粉末成型机行业有了用武之地。目前，国外发达国家先进的粉末成型机上已普遍具备远程监测和远程诊断功能。建立这种系统也是为了实现技术支持中心（服务方）与粉末成型机使用方（用户）通过互联网进行网络对话，使服务方可以在异地通过互联网了解用户粉末成型机出现的故障所在，以及粉末成型机在执行指令的工作状态，进而对粉末成型机的故障进行判断并提出可行的解决方案。通过粉末成型机远程监测和远程诊断系统的建立，可以实时排除故障，大大提高了粉末成型机生产厂商的售后服务响应能力和速度，同时也提高了企业的经济效益。粉末成型机远程监测和远程诊断系统应包括人员的配备、网络的建设、硬件设施、软件的选择等，分别来完成故障的监测、分析、反馈、下达及实时解决服务这些过程，以保证整个系统的有效运行。

当前国外粉末成型机技术发展的方向是向智能化、柔性化、精密化以及符合cGMP的要求，产品高新技术含量不断提升，机械、气、液、光、磁等一体的自动化技术、数控技术、传感器技术、新材料技术等在粉末成型机上得到广泛的应用。

国内的粉末成型机设计、生产制造水平近几年得到了长足的发展，但国外粉末成型机相比还有很大的差距，国产粉末成型机发展任重而远，还需要我们不断地努力。

由于继电器接触器控制是采用固定接线的硬件实现逻辑。如果生产任务或生产工艺发生变化，就必须重新设计，改变硬件结构，这样造成时间和资金的浪费。另外，大型控制系统用继电器接触控制，使用继电器数量多，控制系统体积大，耗电多，且继电器触点为机械触点，工作频率低，在频繁动作情况下寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差。而PLC控制能改善继电器控制器上述的不足, PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术.PLC以其可靠性高、灵活性强、使用方便的优势，迅速占领了工业控制领域。从运动控制到过程控制，PLC可靠性高，抗干扰能力强,通用性强，控制程序可变，使用方便,功能强，适应面广,编程简单，容易掌握;体积小、重量轻、功耗低、维护方便,减少了控制系统的设计及施工的工作量等特点,所以设计时我们采用PLC能集中且较方便地控制.

3. 基本内容、拟解决的主要问题；

3.1设计基本内容

本题目不但对粉末成型机控制系统设计的零件及外形进行设计,还对粉末成型机控制系统设计的外观进行更快递员性化、更合理的设计。让粉末成型机控制系统设计更具竞争力的同时,也让自己成为复合型人才，提高自己的水平，提高自己的竞争力。

综合运用机械设计、机械绘图、公差与技术测量、机械原理及零件等理论知识，分析和解决粉末成型机控制系统设计外形设计问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。

为了适应社会的发展要求，满足企业对快递员才的需求，本学院对部分同学提出粉末成型机控制系统设计设计这一个毕业设计课题。此课题研究过程中涉及到我们大学4年所学的大量专业知识如：机械制图、计算机辅助绘图、CAD、公差与技术测量、粉末成型机控制系统设计材料及粉末成型机控制系统设计设计等专业基础课和专业课方面的知识。

本次我的设计题目是粉末成型机控制系统设计，在设计之前对此类零件没有太多了解，经过多次调查研究和指导老师的细心指导下,使我能够很好的完成这次设计。此次设计不但培养了我们综合运用所学知识分析和解决本专业一般技术问题的能力，而且也进一步巩固扩大和深化了我们所学的基本理论、基本知识和基本操作技能，同时也培养了我们树立正确的设计思想和取货观念、经济观念、全局观念，养成了理论联系实际和严谨的工作作风，培养我们掌握机械加工的一般工艺规程和方法，独立正确的使用技术文献资料和正确的表达自己设计思想的能力。

3.2 需要解决的问题：

1.依据粉末成型机的机械要求，设计控制系统，并进行选型分析。

2.进行控制系统的主要器件选型设计与参数匹配设计。

3.设计编写控制系统的T型图，研究粉末成型机的控制系统对加工零件的影响。

3.3 技术要求

应满足工作可靠，结构简单，使用和维护方便等。

粉末成型机的公称力：1600kN。

液压工作压力：26MPa。

滑块的最大行程：250mm。

3.4.技术路线或研究方法；

1研究方法

1. 驱动部分：它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和电机四种驱动形式。

2. 控制部分：它是粉末成型机控制系统动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序(程序)、位置和时间(甚至速度与加速度)等。

3. 其它部分：如机体、下行机构、行程检测装置和传感装置等。

2技术路线

1）粉末成型机控制系统PLC总体方案的确定

2）粉末成型机控制系统本体结构的确定

5.总体方案设计（至少两个方案。进行比较、经济性分析）

5.1 方案一：

1 PLC控制系统设计

可编程控制器简称PLC，英文名programmable Logic Controller，是以微处理器为核心的新型自动化控制装置，在工作环境中使用的数字操作电子系统，使用可编程存储器内部储存用户设计的指令，用这些指令来实现逻辑运算、顺序操作、定时计数以及算术运算，并通过数字和模拟输入/输出来控制各类型的机械或过程，他将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体。其具体的组成部分可有如下模块：基本单元、I/O（输入/输出）、扩展单元以及外围设备[8]。如图：

　　图3-1 PLC组成模块简图

　　传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点:只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。

2 扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

(一) 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(二) 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

(三) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

　　图3-2 PLC设计图

　　3 PLC控制系统原理说明

（1） 按下泵启动按钮SB1，M100得电自锁，Y007得电液压泵启动。

（2） 按下系统执行按钮SB2，M101得电自锁，M101得电接通Y001、Y003系统进入快进阶段。（注：SB3为应急制动开关按下后M102失电系统停止运转）

（3） 主液压缸快进至SQ2，X005接通M104得电常闭形式M104断开Y003失电差动链接停止，系统进入工进阶段。

（4） 压力继电器达到预设压力后X010闭合，M103得电导致Y006失电，M105得电自锁，启动时间继电器T10系统进入定时保压阶段。

（5） 定时20秒结束T10闭合， Y006得电系统卸荷结束

（6） M106得电导致M101失电Y002得电，M101失电导致Y003得电。系统主液压缸进入快退阶段，碰SQ1停止动作。

（7） SQ1按下M108得电自锁接通Y004上位，副液压缸工进。

（8） 工进至SQ3后X006闭合M109，Y005得电副液压缸退回。

5.2 方案二：

1 继电器控制系统

继电器控制系统，一般由主令电器、接触器、继电器和导线等部分组成,其逻辑功能由传统的继电器来完成的，比如控制时间，就有相应的时间继电器，且继电器的动作一般与电磁有关。

继电器控制系统一般由主令电器、接触器、继电器和导线等部分组成，可以把继电器看做电磁开关。给线圈加一个电压，产生一个磁场，该磁场使继电器的触点闭合。触点被看做是开关，它们允许电流流过，从而将主电路闭合。[1]

在继电器控制系统中，要完成一个控制任务，需由导线将各种输入设备（按钮、控制开关、限位开关、传感器等）与若干中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的具有一定逻辑的控制电路相连接，然后通过输出设备（接触网、电磁阀等执行元件）去控制被控对象动作或运行，这种控制系统称做接线控制系统，所实现的逻辑称为布线逻辑，即输入对输出的控制作用是通过“接线程序”来实现的。在这种控制系统中，控制要求的变更或修改必须通过改变控制电路的硬接线来完成。因此，虽然其结构简单易懂，在工业控制领域中被长期广泛使用，但设备体积大、动作速度慢、功能单一、接线复杂、通用性和灵活性差，已愈来愈不能满足现代生产中生产过程及工艺复杂多变的控制要求。

2 继电器控制系统的特点

继电器控制系统由器件和导线连接而成，具有结构简单、成本低等优点，同时由于原理简单，对工程技术人员来说易于掌握。但继电器控制系统对于复杂系统，整个系统的设计和安装的工作量就特别大，有时变得不可能完成。机械触点的物理接触容易带来损坏；接线也易受振动等影响，可靠性会变差。[1]

由于控制作用是通过器件的连接来实现的，当需要改变控制作用时，就需要改变硬件接线，对控制系统的维护性和升级很不利。[1]

但继电器的动作对于控制系统来说，是一种可靠的机械隔离，所以经常和其他控制装置（如可编程控制器）配合使用。

5.3 方案对比：

1 PLC与普通继电器相比的优点

继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动[8]。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而PLC是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变PLC内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于PLC来讲，只要用PLC配备的编程器在现场就可以完成更改。至于PLC对外部的联系，只有I/O点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。

从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而PLC则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。

PLC一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而PLC除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的PLC还具有A/D、D/A转换装置，可以用来对模拟量进行控制。

1.控制方式

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2.控制速度

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3.延时控制

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

总的来说，继电器控制系统是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时和计数等功能。一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计，重新配线。传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，所以各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性和安装维护等各方面比较，PLC都有显著的优势。

因此本次设计采用PLC控制系统，成型机具体结构方案草图如下：

综上所述，采用PLC控制系统进行设计。

5.4 设计经济性分析。

设计由于它采用液压油做为动力源，因而具有使用灵活和噪声小，性能较高的特点.由于液压器具有质量小、性能稳定、工作可靠、适合于大批量生产等优点，所以已成为成型机的主流。

成型机控制系统所需设备主要零件有：液压缸、导向柱、导套、轴承、冲模板等，所有费用明细评估如下：

综上分析，总费用估价63000元。

6.进度安排；

明确设计任务，查阅相关的参考文献资料，完成开题报告；

确定粉末成型机控制系统的方案设计；

进行粉末成型机控制系统工况分析；

进行粉末成型机控制系统硬件设计计算；

进行粉末成型机控制系统的软件编程设计；

进行粉末成型机控制系统的图纸的绘制；

撰写设计说明书；完成设计，准备答辩。

7. 主要参考文献。

[1]叶金玲，叶峰．基于PLC控制的塑料注射成型机液压系统的设计[J]．机床与液压．2014.01:26-29.

[2]郝用兴，刘仕平，华林.集成式植物纤维一次性餐具成型机液压机PLC控制系统[J].液压与气动. 2005（08）：34～37.

[3]李青虹，吴龙，晋芳伟.陶瓷粉料液压成型机PLC 控制系统的设计[J].长春工业大学学报（自然科学版），2010（12）:56-58.

[4]刘晓丽，李晓红.基于PLC的建筑砌块成型机液压系统设计[J].机床与液压,2017（01）：41-44.

[5]吴超等.基于PLC控制的液压粉尘成型机设计[J].机床与液压。2013（08）：63-66.

[6] 朱春东等.PLC在半轴套管成型机液压控制系统中的应用[J].制造业自动化，2008（12）.

[7] 陈少克等.全自动热成型机控制系统设计[J].包装工程，2015.01.

[8] J.Manuf.Sci.Eng.A New Type of Controllable Mechanical Press: Motion Control and Experiment Validation[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineer, 2005(127): 731-742.

[9] 杜鹏东.生物质固化成型机控制系统的综述[J].森林工程．2013，（05）：42~43．

[10]钟亚丽．500T粉末成型机控制系统设计及其故障诊断研究[D].南京理工大学,2015.

[11]Vladimir Solovyov，Alexandr Cherniavsky.Computational and experimental analysis of trawl winches barrels deformations[J]. Engineering Failure Analysis，2012.

​​​​​​​