基于PLC、HMI和伺服技术的粉针剂分装控制系统

0 引言

　　用于人体静脉注射的抗生素等粉针剂，在国内的医院是一种主流药品，它能减少药品在运输过程中的破损率，并且使用完的瓶子有利于环境回收。粉针制剂的分装原理有多种，目前，国内普遍使用螺杆分装完成。螺杆分装是利用螺杆间歇旋转，并通过控制螺杆的转速按计量要求将粉剂定量装入刭西林瓶，它由于分量可以任意调整，是目前广泛应用的产品。

　　螺杆分装系统大致可分为3个技术时期：第一代为螺杆装量由步进电机与集成电路控制的技术；第二代为螺杆装量由步迸电机与PLC控制的技术；第三代为近期的螺杆装量由伺服电机与PLC控制的技术。对于目前国产医药粉剂分装机而言，主要还是使用PIE加步进电机来构成的一套控制系统，按照这种配置来控制的机器，分装精度在使用一段时间后不太稳定，调整也不方便。随着制药行业生产自动化、控制精密化、维护简便化的发展趋势，文中采用PLC、HMI和伺服技术相结合实现各分装机构的同步协调控制。

1 工艺分析

　　医药粉针剂生产的整个流程可基本分为3个部分：前处理(包括洗瓶、灭菌、风冷)，制备(包括药品注粉、压塞、轧盖、灯检)，后处理(包括贴签、包装)。作为制备环节核心，螺杆分装机的分装精度和速度决定着整个生产线的质量和效益。图1为系统的分装示意图，其具体生产工艺为：

　　西林瓶→理瓶转盘进瓶→螺杆注粉→压塞→出瓶。

图1 分装示慧图

　　经洁净处理的玻璃瓶被进瓶装置依次推送至分装转盘定位槽中并随之做间歇转动，在此过程中，分装螺杆完成间歇计量注粉、盖塞机构完成加塞压塞，然后瓶子被拨至输出导轨上送出。为了控制分装精度，螺杆头数一般不超过4头，系统采用双螺杆分装的结构，即主轴旋转l转，分装转盘转动1次，完成2瓶分装任务。整个过程强调分装盘与螺杆和盖塞器的同步协调性，以及玻璃瓶的定位准确性，达到无瓶不分装、无瓶不加塞以及分装前倒瓶剔除、分装后空瓶剔除的工艺要求。

2 系统硬件设计

　　2.1 系统控制原理

　　分装系统上有送瓶、注粉、压塞及出瓶等不同执行机构，为保证分装准确性，文中以Fx2n系列PLC作为控制核心，采用同步伺服电机来直接驱动分装螺杆，并选用交流电机驱动进出瓶输送装置、分装转盘和盖塞机构。整个控制系统由现场设备元件、信号采集元件、指令控制元件和状态监测元件4个单元构成。伺服系统采用SJT系列的三相永磁同步伺服电机，宽调速比，恒转矩输出，3倍过载能力，具有3 000 rpm的额定转速，2 500 p／r的码盘反馈脉冲精度。驱动单元则采用最新数字信号处理器DSP为核心、大规模可编程门阵列(CPLD)和MITSUBISHI智能化功率模块(IPM)，集成度高、体积小、保护完善、可靠性好，控制过程一目了然。系统控制原理如图2所示。

图2 控制系统示意图

　　螺杆分装是利用螺杆螺旋槽的容腔来计量物料。由于每个螺距都有一定的理论容积，因此，只要准确地控制螺杆的转数，就能获得较为精确的计量值。每次充填物料的重量可由式(1)求出。

    G=Vrn0 (1)

　　式中：V为圈螺旋的容积，cm3，V=FL；r为物料的比重，kg／cm3；n0为充填一次螺杆的转数；L为每圈螺线旋周长，cm，L=πDm/cosθ；F为螺旋截面积，cm2，F=st/2。

　　螺杆转动的转数与角度是依托伺服电机实施的(即伺服电机转动的角度)，电机转动的速度和转角是由电机驱动器输出的脉冲信号所决定的，驱动器输出由PLC进行控制，而PLC是依据人工设定的装量进行控制的。通过触摸屏的友好人机界面(HMI)的参数设定(主要有分装量设定、分装量调整，速度设定等)，把指令传送到PLC中，就可以控制整个系统的运行。