粉針螺桿分裝機控制系統分析
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【摘要】本文針對傳統螺桿分裝系統容易出現分裝精度變化大，導致生產效率低下的問題，提出粉針螺桿分裝機控制系統方案。依據整個分裝工藝過程并考慮系統實時性要求，選擇交流伺服電機及PLC控制裝置，完成硬件結構設計。通過研究生產控制模塊，在確定裝量誤差范圍情況下，設計分裝精度控制方案，為系統實際應用奠定基礎。
【關鍵詞】粉針螺桿分裝機；控制；分裝精度；裝量誤差
粉體灌裝包裝生產設備主要有兩種類型：氣流分裝機和螺桿分裝機。多年來，在粉針劑生產包裝中很多制藥廠家采用氣流分裝機，這種包裝機械具有生產效率高的優點，應用較為廣泛。但是，隨著制藥生產技術的快速發展及藥品質量標準的不斷提高，產品的特性、劑型、劑量不斷變化，使氣流分裝設備在制藥生產使用上存在較大瓶頸。因此，許多產品結構復雜多樣的制藥企業選擇采用螺桿分裝機進行粉末灌裝生產，雖然螺桿分裝設備生產效率相對較低，但采取合適的控制方式及機械裝置可提高灌裝速度，且使其裝料精確穩定，產品收率高，調節簡單，避免了氣流包裝設備存在的對氣源要求高、容易出現漏粉、裝量調節不便等方面的缺點，適用于包裝精度高、品種多、規格多、應用價值高的多品種生產。
1粉針螺桿分裝機控制系統設計
現針對粉針包裝機控制系統進行優化設計，從清洗、灌裝到包裝采取合理的控制措施，完善整個生產流程控制。螺桿分裝機灌裝的整個過程為：空瓶進入洗瓶機，采用蒸餾水和壓縮空氣進行沖洗和吹掃。清洗完成后空瓶通過傳送帶進入滅菌烘箱內進行干燥滅菌，然后被傳送進分裝間。螺桿分裝機將藥瓶分別放入主傳動轉盤中，配藥馬達根據預定的馬達運動曲線，按設定參數運轉，其驅動螺桿旋轉將藥粉“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險控制，分裝好的藥品應立即完成加塞。最后經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
螺桿分裝機構原來通常使用步進電機作為其驅動裝置，但由于步進電機的控制原理、響應速度及累計誤差等不可消除的缺陷，使得整體分裝控制穩定性差，精度不高。基于此，分裝機控制采用伺服電機系統，通過其閉環控制達到穩定的裝量及速度控制要求。其中交流伺服電機馬達控制器可與任何伺服電機兼容，便于系統驅動器部件的更新與更換，常見結構如圖1所示。以單片機為核心的伺服電機系統，采用串行控制方式，具有串行控制功能。伺服電機驅動器之間設有2條控制線，其中一條用于發送時鐘脈沖序列，另一條則用于發送方向電平信號。在設計中將該控制系統驅動裝置配置了一個環形分配器，以控制每一級電機的勵磁和轉換順序。由于只有兩條控制線路連接單片機系統和驅動器，體系結構簡單，易于轉換。根據伺服電機速度要求，可在CP控制線上產生相應周期脈沖，以驅動電機轉動。脈沖串可根據馬達增減速要求改變周期，控制伺服馬達的速度，方向控制線則負責控制馬達的方向[1]。采用多數據線與單片機系統接口并行控制方法，可直接控制伺服電機各個相位驅動電路。在伺服馬達驅動中不設分配器，其功能由單片機系統完成。該系統采用兩種方法實現脈沖分配器的功能，一種是純軟件方法，即采用軟件代碼直接實現相序分配，為各個相位提供開啟和關閉信號；另一種方法是利用軟、硬件相結合，特別設計專門的程序接口，由計算機向該接口輸出簡單的代碼數據，由此提供伺服電機各相位通斷信號。
1.2PLC控制模塊
PLC控制器程序寫入方便，可拓展性強，其可與多類控制系統實現數據通訊，在工業控制上有著無可比擬的優勢。分裝機計量分裝的伺服電機系統通過PLC控制器進行控制，PLC控制器同時控制傳輸瓶裝置、攪拌裝置、壓塞裝置等結構的協調動作，并實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動器，伺服驅動器控制伺服電機旋轉一定角度，從而控制螺桿的轉動角度，以此控制粉針劑的裝量。由于伺服電機的角位移控制為全閉環（實時檢測糾偏），可以保證其每個周期內的動作完全一致，所以可以很好的控制每瓶藥的裝量穩定性。另外，PLC控制模塊還可拓展通訊轉換模塊，通過以太網與中央控制室上位機連接，實現遠程控制[2]。
2軟件程序設計
2.1生產控制模塊設計
整機可編程控制器軟件編程的核心是分裝生產過程控制模塊設計，通過既定程序模塊實現伺服電機及機械結構等精準動作，使設備具有自動輸送、定位、定量、分裝和故障報警等功能，主要生產控制流程見圖2所示。（1）輸瓶子程序：主傳動電機啟停及轉速控制子程序，通過設定速度控制主傳動電機轉速，帶動輸瓶網或分裝轉盤轉動。（2）計量分裝子程序：螺桿電機啟停及轉速轉角控制子程序，PLC根據接近開關信號輸出灌裝下料開始及停止信號，并根據預設裝量輸出控制信號（脈沖信號）至伺服電機控制器，伺服驅動器控制電機轉動及轉角，并以此控制螺桿動作。（3）故障處理子程序：在生產過程中，始終監控缺瓶、倒瓶、卡瓶、無粉等失效信號。如果有輸入信號出現，現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送給主機以獲得提示信息。（4）程序控制子程序：PLC收到主驅動電機發出的啟動及結束信號，循環執行計量分裝程序。
2.2分裝精度控制方案設計
按照國家藥品生產法規，每一種粉針劑都有一定的標準裝入量，并基于這個標準裝入量允許出現一定的波動，即裝量不超過一定的誤差范圍，企業在分裝過程中內部裝載誤差范圍是在國家規定的誤差范圍內自行確定的，如圖3所示。（1）速度控制采用伺服電機系統與PLC聯合控制，其一方面響應快速，另一方面閉環控制可使各機械動作保持高度同步，有效保證了輸瓶、定位、下粉的協調性。PLC通過不斷檢測各伺服電機轉速，并對檢測值和設置參數進行比較，判斷誤差是否在可接受范圍內，各伺服控制器通過PLC計算結果輸出指令，穩定控制電機轉速。分裝盤的速度控制與注粉螺桿動作進行了時間同步設計，保證分裝盤定位槽的空瓶轉至注粉噴頭下方時，注粉螺桿立即轉動開始灌裝注粉，兩個裝置的速度間歇高度匹配，保證了注粉的準確性和一致性。（2）攪拌器旋轉控制攪拌機的旋轉速度及穩定性對于粉體流動性有一定影響，從而對灌裝精度產生影響。在調試過程中通過有意識地設定不同的起動順序和不同的工作頻率，發現攪拌器和螺桿同步運行時具有最佳的控制精度，即攪拌機轉速與螺桿轉速保持一致。此外，攪拌速度會受到粉料的流動性影響，當粉料流動性好時，攪拌器運轉速度應較慢；而當藥粉流動性差時，攪拌器運轉速度相對較快，以此確保最佳的粉體流動性進而提高裝量精度。（3）螺桿旋轉控制螺桿的旋轉依靠伺服電機的旋轉控制，其旋轉精度直接影響了注粉精度，為確保每瓶注粉量的一致性，螺桿的旋轉角度必須保持高度穩定。伺服控制系統有效的解決了步進系統的原始誤差及累計誤差問題。PLC控制器發送控制信號至螺桿電機伺服驅動器（通訊或是高速脈沖），伺服驅動器根據指令（脈沖個數、頻率、方向信號）控制螺桿電機運轉，其運轉速度及角度根據預設值執行。電機運行時其編碼器同時反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，實時調整電機旋轉角度，達到精準控制電機轉角的目的，亦使灌粉螺桿每個周期內的轉角完全一致，保證了裝量誤差在目標范圍內。
3結束語
通過對系統的需求分析，將粉針劑分裝控制系統設計為閉環控制系統，采用伺服電機系統及PLC控制器對分裝機各工位進行精準控制，彌補了原開環控制系統的失穩缺陷。該系統有效提高了粉針螺桿分裝機控制性能和分裝精度，確保了藥品生產質量，且在后期使用中具備較好的修正及拓展能力，在制藥企業藥品分裝包裝工藝中可發揮重要作用。
參考文獻
[1]張靖輝.基于單片機的伺服電機控制系統[J].電子技術與軟件工程,2019,2(15):230-231.
[2]潘楊,朱磊,張帆.基于C8051F340的USB與以太網通信轉換器設計[J].國外電子測量技術,2018,6(8):128-133.
作者：鄭江 單位：河南百年康鑫藥業有限公司