粉針螺桿分裝機(jī)控制系統(tǒng)分析
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【摘要】本文針對傳統(tǒng)螺桿分裝系統(tǒng)容易出現(xiàn)分裝精度變化大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下的問題，提出粉針螺桿分裝機(jī)控制系統(tǒng)方案。依據(jù)整個分裝工藝過程并考慮系統(tǒng)實(shí)時性要求，選擇交流伺服電機(jī)及PLC控制裝置，完成硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過研究生產(chǎn)控制模塊，在確定裝量誤差范圍情況下，設(shè)計分裝精度控制方案，為系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】粉針螺桿分裝機(jī)；控制；分裝精度；裝量誤差
粉體灌裝包裝生產(chǎn)設(shè)備主要有兩種類型：氣流分裝機(jī)和螺桿分裝機(jī)。多年來，在粉針劑生產(chǎn)包裝中很多制藥廠家采用氣流分裝機(jī)，這種包裝機(jī)械具有生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。但是，隨著制藥生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展及藥品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，產(chǎn)品的特性、劑型、劑量不斷變化，使氣流分裝設(shè)備在制藥生產(chǎn)使用上存在較大瓶頸。因此，許多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的制藥企業(yè)選擇采用螺桿分裝機(jī)進(jìn)行粉末灌裝生產(chǎn)，雖然螺桿分裝設(shè)備生產(chǎn)效率相對較低，但采取合適的控制方式及機(jī)械裝置可提高灌裝速度，且使其裝料精確穩(wěn)定，產(chǎn)品收率高，調(diào)節(jié)簡單，避免了氣流包裝設(shè)備存在的對氣源要求高、容易出現(xiàn)漏粉、裝量調(diào)節(jié)不便等方面的缺點(diǎn)，適用于包裝精度高、品種多、規(guī)格多、應(yīng)用價值高的多品種生產(chǎn)。
1粉針螺桿分裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
現(xiàn)針對粉針包裝機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從清洗、灌裝到包裝采取合理的控制措施，完善整個生產(chǎn)流程控制。螺桿分裝機(jī)灌裝的整個過程為：空瓶進(jìn)入洗瓶機(jī)，采用蒸餾水和壓縮空氣進(jìn)行沖洗和吹掃。清洗完成后空瓶通過傳送帶進(jìn)入滅菌烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥滅菌，然后被傳送進(jìn)分裝間。螺桿分裝機(jī)將藥瓶分別放入主傳動轉(zhuǎn)盤中，配藥馬達(dá)根據(jù)預(yù)定的馬達(dá)運(yùn)動曲線，按設(shè)定參數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)將藥粉“擠出”攪拌容器，灌裝入藥瓶，完成配藥分裝，考慮到無菌藥品的風(fēng)險控制，分裝好的藥品應(yīng)立即完成加塞。最后經(jīng)過軋蓋裝置封裝完好，從而完成粉劑灌裝的全部流程。
1.1交流伺服系統(tǒng)
螺桿分裝機(jī)構(gòu)原來通常使用步進(jìn)電機(jī)作為其驅(qū)動裝置，但由于步進(jìn)電機(jī)的控制原理、響應(yīng)速度及累計誤差等不可消除的缺陷，使得整體分裝控制穩(wěn)定性差，精度不高?；诖耍盅b機(jī)控制采用伺服電機(jī)系統(tǒng)，通過其閉環(huán)控制達(dá)到穩(wěn)定的裝量及速度控制要求。其中交流伺服電機(jī)馬達(dá)控制器可與任何伺服電機(jī)兼容，便于系統(tǒng)驅(qū)動器部件的更新與更換，常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。以單片機(jī)為核心的伺服電機(jī)系統(tǒng)，采用串行控制方式，具有串行控制功能。伺服電機(jī)驅(qū)動器之間設(shè)有2條控制線，其中一條用于發(fā)送時鐘脈沖序列，另一條則用于發(fā)送方向電平信號。在設(shè)計中將該控制系統(tǒng)驅(qū)動裝置配置了一個環(huán)形分配器，以控制每一級電機(jī)的勵磁和轉(zhuǎn)換順序。由于只有兩條控制線路連接單片機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動器，體系結(jié)構(gòu)簡單，易于轉(zhuǎn)換。根據(jù)伺服電機(jī)速度要求，可在CP控制線上產(chǎn)生相應(yīng)周期脈沖，以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。脈沖串可根據(jù)馬達(dá)增減速要求改變周期，控制伺服馬達(dá)的速度，方向控制線則負(fù)責(zé)控制馬達(dá)的方向[1]。采用多數(shù)據(jù)線與單片機(jī)系統(tǒng)接口并行控制方法，可直接控制伺服電機(jī)各個相位驅(qū)動電路。在伺服馬達(dá)驅(qū)動中不設(shè)分配器，其功能由單片機(jī)系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)采用兩種方法實(shí)現(xiàn)脈沖分配器的功能，一種是純軟件方法，即采用軟件代碼直接實(shí)現(xiàn)相序分配，為各個相位提供開啟和關(guān)閉信號；另一種方法是利用軟、硬件相結(jié)合，特別設(shè)計專門的程序接口，由計算機(jī)向該接口輸出簡單的代碼數(shù)據(jù)，由此提供伺服電機(jī)各相位通斷信號。
1.2PLC控制模塊
PLC控制器程序?qū)懭敕奖悖赏卣剐詮?qiáng)，其可與多類控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，在工業(yè)控制上有著無可比擬的優(yōu)勢。分裝機(jī)計量分裝的伺服電機(jī)系統(tǒng)通過PLC控制器進(jìn)行控制，PLC控制器同時控制傳輸瓶裝置、攪拌裝置、壓塞裝置等結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)動作，并實(shí)時處理各工位傳感器反饋信號。在粉針劑計量分裝時，通過PLC的脈沖信號傳輸給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，從而控制螺桿的轉(zhuǎn)動角度，以此控制粉針劑的裝量。由于伺服電機(jī)的角位移控制為全閉環(huán)（實(shí)時檢測糾偏），可以保證其每個周期內(nèi)的動作完全一致，所以可以很好的控制每瓶藥的裝量穩(wěn)定性。另外，PLC控制模塊還可拓展通訊轉(zhuǎn)換模塊，通過以太網(wǎng)與中央控制室上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[2]。
2軟件程序設(shè)計
2.1生產(chǎn)控制模塊設(shè)計
整機(jī)可編程控制器軟件編程的核心是分裝生產(chǎn)過程控制模塊設(shè)計，通過既定程序模塊實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等精準(zhǔn)動作，使設(shè)備具有自動輸送、定位、定量、分裝和故障報警等功能，主要生產(chǎn)控制流程見圖2所示。（1）輸瓶子程序：主傳動電機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速控制子程序，通過設(shè)定速度控制主傳動電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動輸瓶網(wǎng)或分裝轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。（2）計量分裝子程序：螺桿電機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角控制子程序，PLC根據(jù)接近開關(guān)信號輸出灌裝下料開始及停止信號，并根據(jù)預(yù)設(shè)裝量輸出控制信號（脈沖信號）至伺服電機(jī)控制器，伺服驅(qū)動器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)角，并以此控制螺桿動作。（3）故障處理子程序：在生產(chǎn)過程中，始終監(jiān)控缺瓶、倒瓶、卡瓶、無粉等失效信號。如果有輸入信號出現(xiàn)，現(xiàn)場的故障傳感器就會將信號反饋給PLC控制器，PLC輸出控制信號停止灌裝并發(fā)送給主機(jī)以獲得提示信息。（4）程序控制子程序：PLC收到主驅(qū)動電機(jī)發(fā)出的啟動及結(jié)束信號，循環(huán)執(zhí)行計量分裝程序。
2.2分裝精度控制方案設(shè)計
按照國家藥品生產(chǎn)法規(guī)，每一種粉針劑都有一定的標(biāo)準(zhǔn)裝入量，并基于這個標(biāo)準(zhǔn)裝入量允許出現(xiàn)一定的波動，即裝量不超過一定的誤差范圍，企業(yè)在分裝過程中內(nèi)部裝載誤差范圍是在國家規(guī)定的誤差范圍內(nèi)自行確定的，如圖3所示。（1）速度控制采用伺服電機(jī)系統(tǒng)與PLC聯(lián)合控制，其一方面響應(yīng)快速，另一方面閉環(huán)控制可使各機(jī)械動作保持高度同步，有效保證了輸瓶、定位、下粉的協(xié)調(diào)性。PLC通過不斷檢測各伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，并對檢測值和設(shè)置參數(shù)進(jìn)行比較，判斷誤差是否在可接受范圍內(nèi)，各伺服控制器通過PLC計算結(jié)果輸出指令，穩(wěn)定控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。分裝盤的速度控制與注粉螺桿動作進(jìn)行了時間同步設(shè)計，保證分裝盤定位槽的空瓶轉(zhuǎn)至注粉噴頭下方時，注粉螺桿立即轉(zhuǎn)動開始灌裝注粉，兩個裝置的速度間歇高度匹配，保證了注粉的準(zhǔn)確性和一致性。（2）攪拌器旋轉(zhuǎn)控制攪拌機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度及穩(wěn)定性對于粉體流動性有一定影響，從而對灌裝精度產(chǎn)生影響。在調(diào)試過程中通過有意識地設(shè)定不同的起動順序和不同的工作頻率，發(fā)現(xiàn)攪拌器和螺桿同步運(yùn)行時具有最佳的控制精度，即攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速與螺桿轉(zhuǎn)速保持一致。此外，攪拌速度會受到粉料的流動性影響，當(dāng)粉料流動性好時，攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)速度應(yīng)較慢；而當(dāng)藥粉流動性差時，攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)速度相對較快，以此確保最佳的粉體流動性進(jìn)而提高裝量精度。（3）螺桿旋轉(zhuǎn)控制螺桿的旋轉(zhuǎn)依靠伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制，其旋轉(zhuǎn)精度直接影響了注粉精度，為確保每瓶注粉量的一致性，螺桿的旋轉(zhuǎn)角度必須保持高度穩(wěn)定。伺服控制系統(tǒng)有效的解決了步進(jìn)系統(tǒng)的原始誤差及累計誤差問題。PLC控制器發(fā)送控制信號至螺桿電機(jī)伺服驅(qū)動器（通訊或是高速脈沖），伺服驅(qū)動器根據(jù)指令（脈沖個數(shù)、頻率、方向信號）控制螺桿電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其運(yùn)轉(zhuǎn)速度及角度根據(jù)預(yù)設(shè)值執(zhí)行。電機(jī)運(yùn)行時其編碼器同時反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，實(shí)時調(diào)整電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，達(dá)到精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)角的目的，亦使灌粉螺桿每個周期內(nèi)的轉(zhuǎn)角完全一致，保證了裝量誤差在目標(biāo)范圍內(nèi)。
3結(jié)束語
通過對系統(tǒng)的需求分析，將粉針劑分裝控制系統(tǒng)設(shè)計為閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用伺服電機(jī)系統(tǒng)及PLC控制器對分裝機(jī)各工位進(jìn)行精準(zhǔn)控制，彌補(bǔ)了原開環(huán)控制系統(tǒng)的失穩(wěn)缺陷。該系統(tǒng)有效提高了粉針螺桿分裝機(jī)控制性能和分裝精度，確保了藥品生產(chǎn)質(zhì)量，且在后期使用中具備較好的修正及拓展能力，在制藥企業(yè)藥品分裝包裝工藝中可發(fā)揮重要作用。
參考文獻(xiàn)
[1]張靖輝.基于單片機(jī)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2019,2(15):230-231.
[2]潘楊,朱磊,張帆.基于C8051F340的USB與以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換器設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2018,6(8):128-133.
作者：鄭江 單位：河南百年康鑫藥業(yè)有限公司