摘 要：在論述螺桿分裝工藝的基礎(chǔ)上，給出基于BWS伺服一體化技術(shù)平臺(tái)的分裝伺服定量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目實(shí)際分裝速度超過(guò)設(shè)計(jì)要求。
1 引言
廣泛應(yīng)用于靜脈與肌肉注射的粉針是醫(yī)學(xué)臨床最常用的醫(yī)藥制劑。粉針?lè)盅b的工藝目的是實(shí)現(xiàn)粉劑原料藥定量安瓶包裝。粉針?lè)盅b主流技術(shù)分為氣流分裝與螺桿分裝。由于螺桿分裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和技術(shù)成熟度較高，所以盡管分裝精度和速度低于氣流分裝，還是成為中國(guó)藥企業(yè)當(dāng)前的主流粉劑包裝設(shè)備。
螺桿分裝機(jī)屬于容積式包裝類別。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角度精確控制的螺桿間歇旋轉(zhuǎn)，按計(jì)量要求將藥物定量裝入西林瓶，快速性和準(zhǔn)確性是設(shè)備的兩個(gè)基本要求。縮短螺桿在每次分裝推進(jìn)時(shí)的占用時(shí)間，就可以提高分裝速度，這要求螺桿旋轉(zhuǎn)速度要高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快，現(xiàn)在的設(shè)備分裝速度已達(dá)到300瓶/分。增加設(shè)備上螺桿的數(shù)量，可以同時(shí)對(duì)幾只藥瓶進(jìn)行灌裝，也是提高設(shè)備快速性的有效手段，目前國(guó)產(chǎn)分裝機(jī)上可以見(jiàn)到一頭、二頭、四頭的配置。
2 分裝機(jī)工藝原理
2.1 螺桿分裝電控技術(shù)
機(jī)電伺服系統(tǒng)是控制螺桿分裝系統(tǒng)包裝精度最基本的技術(shù)。電控系統(tǒng)在螺桿分裝機(jī)具有決定性的重要作用。螺桿分裝系統(tǒng)第一代為螺桿裝量由步進(jìn)電機(jī)與集成電路控制的技術(shù)；第二代為螺桿裝量由步迸電機(jī)與PLC控制的技術(shù)；第三代為近期的螺桿裝量由伺服電機(jī)與PLC控制的技術(shù)，改善了第二代分裝螺桿的精度穩(wěn)定性和定量調(diào)整能力。
2.2 螺桿分裝定量原理
間歇式螺桿分裝機(jī)是通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿，將藥品“擠出”攪拌容器，灌裝于藥瓶?jī)?nèi)。由于劑量需要準(zhǔn)確的控制，因此要求伺服電機(jī)每次分裝時(shí)轉(zhuǎn)同樣的圈數(shù)。具體的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)則是由操作者由手動(dòng)方式試驗(yàn)出來(lái)的，因此，程序不僅要能夠提供可以讓操作者更改的裝藥量，還要提供手動(dòng)操作裝藥量的操作方式。當(dāng)一個(gè)藥瓶需要被添裝時(shí)，定位汽缸會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)定位器將被添裝藥瓶卡在攪拌機(jī)的出口下，這時(shí)傳動(dòng)帶雖然繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，但由于藥瓶被定位其卡緊，所以藥瓶將不隨傳動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)，直到添裝完畢，定位器松開(kāi)，藥瓶才會(huì)繼續(xù)跟隨傳送帶運(yùn)動(dòng)，直到進(jìn)入扣塞機(jī)構(gòu)。圖1是間歇式螺桿分裝機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1 螺桿分裝結(jié)構(gòu)
螺桿分裝是利用螺桿螺旋槽的容腔來(lái)計(jì)量物料。由于每個(gè)螺距都有一定的理論容積，因此，只要準(zhǔn)確地控制螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)，就能獲得較為精確的計(jì)量值。每次充填物料的重量可由式(1)求出。
G="Vrn0" (1)
式中：V為圈螺旋的容積，cm3，V=FL；r為物料的比重，kg／cm3；n0為充填一次螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)；L為每圈螺線旋周長(zhǎng)，cm，L=πDm/cosθ；F為螺旋截面積，cm2，F(xiàn)=st/2。
3 BWS螺桿分裝解決方案
3.1 伺服與步進(jìn)
其螺桿分裝機(jī)構(gòu)原來(lái)通常使用步進(jìn)電機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)設(shè)備，在實(shí)際使用的過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)特性往往達(dá)不到使用要求，使得整個(gè)設(shè)備的效率不高；而且由于頻繁的對(duì)電機(jī)進(jìn)行高速的啟動(dòng)和停止，也使得步進(jìn)電機(jī)的故障率比較高。為了避免故障的頻繁發(fā)生和提高整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行速度，此設(shè)備使用了臺(tái)達(dá)的BWS-BBH系列伺服器和BWS-BH系列伺服電機(jī)替代通常使用的步進(jìn)電機(jī)。并使用了BH系列PLC用高速脈沖的方式對(duì)伺服器進(jìn)行控制，用以解決高速、定量添裝的問(wèn)題。
3.2 分裝控制方案
螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)與角度是依托伺服電機(jī)實(shí)施的(即伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和轉(zhuǎn)角是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖信號(hào)所決定的，驅(qū)動(dòng)器輸出由PLC進(jìn)行控制，而PLC是依據(jù)人工設(shè)定的裝量進(jìn)行控制的。通過(guò)觸摸屏的友好人機(jī)界面(HMI)的參數(shù)設(shè)定(主要有分裝量設(shè)定、分裝量調(diào)整，速度設(shè)定等)，把指令傳送到PLC中，就可以控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。
由以上分析可以看出，裝入藥劑量的多少要通過(guò)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來(lái)決定；分裝機(jī)運(yùn)行速度的快慢，除了與添裝速度有關(guān)外，還與傳送帶的運(yùn)行速度有關(guān)；以上2個(gè)工藝運(yùn)動(dòng)參數(shù)的控制，連同對(duì)藥瓶到位的檢測(cè)和定位機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，都是通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，除此之外，還需要一個(gè)人機(jī)對(duì)話的工具，此設(shè)備中選用了臺(tái)達(dá)B系列的觸摸屏；
3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
控制方式分為手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)運(yùn)行2個(gè)界面，分別如圖3、圖4所示。根據(jù)分裝定量工藝設(shè)定與填料（及與伺服相關(guān)的）有關(guān)的參數(shù)，為了防止有的藥瓶瓶口不朝上（添裝時(shí)藥劑會(huì)落在傳送帶上），還需要有“倒瓶時(shí)間”的設(shè)定，以防止意外情況的發(fā)生。
圖3 自動(dòng)操作畫(huà)面
圖4手動(dòng)操作畫(huà)面
手動(dòng)操作的界面只是將各種操作的按鈕都進(jìn)行了配置，唯一值得注意的是伺服器的運(yùn)行方式，由于手動(dòng)調(diào)整的需要，操作者通常希望伺服器能運(yùn)行一定裝藥量后暫時(shí)停一下，然后再運(yùn)行同樣的裝藥量，這樣更便于操作與觀察，這就需要使用脈沖標(biāo)志位對(duì)伺服電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，基于臺(tái)達(dá)DVPEH2的PLC程序如下所示：
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480 |
LD |
M40 |
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481 |
DDRVI |
D3000 |
D3002 |
Y0 |
Y1 |
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498 |
MPS |
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499 |
ANI |
M1336 |
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500 |
AND |
M41 |
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501 |
RST |
M40 |
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504 |
MPP |
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505 |
AND |
M1000 |
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506 |
OUT |
M41 |
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507 |
LDF |
M1336 |
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508 |
SET |
M50 |
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509 |
LD |
M50 |
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510 |
AND |
M51 |
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511 |
TMR |
T20 |
D10 |
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513 |
LD |
T20 |
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514 |
RST |
M50 |
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515 |
SET |
M40 |
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4 結(jié)束語(yǔ)
基于伺服技術(shù)的螺桿分裝設(shè)備控制系統(tǒng)使用了的BWS伺服產(chǎn)品，具有非常好的兼容性，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，裝瓶速度達(dá)到了125瓶/分鐘，超過(guò)了用戶原來(lái)要求的120瓶/分鐘的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
