0 引言

　　用于人體靜脈注射的抗生素等粉針劑，在國內(nèi)的醫(yī)院是一種主流藥品，它能減少藥品在運(yùn)輸過程中的破損率，并且使用完的瓶子有利于環(huán)境回收。粉針制劑的分裝原理有多種，目前，國內(nèi)普遍使用螺桿分裝完成。螺桿分裝是利用螺桿間歇旋轉(zhuǎn)，并通過控制螺桿的轉(zhuǎn)速按計量要求將粉劑定量裝入剄西林瓶，它由于分量可以任意調(diào)整，是目前廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品。

　　螺桿分裝系統(tǒng)大致可分為3個技術(shù)時期：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)。對于目前國產(chǎn)醫(yī)藥粉劑分裝機(jī)而言，主要還是使用PIE加步進(jìn)電機(jī)來構(gòu)成的一套控制系統(tǒng)，按照這種配置來控制的機(jī)器，分裝精度在使用一段時間后不太穩(wěn)定，調(diào)整也不方便。隨著制藥行業(yè)生產(chǎn)自動化、控制精密化、維護(hù)簡便化的發(fā)展趨勢，文中采用PLC、HMI和伺服技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)各分裝機(jī)構(gòu)的同步協(xié)調(diào)控制。

1 工藝分析

　　醫(yī)藥粉針劑生產(chǎn)的整個流程可基本分為3個部分：前處理(包括洗瓶、滅菌、風(fēng)冷)，制備(包括藥品注粉、壓塞、軋蓋、燈檢)，后處理(包括貼簽、包裝)。作為制備環(huán)節(jié)核心，螺桿分裝機(jī)的分裝精度和速度決定著整個生產(chǎn)線的質(zhì)量和效益。圖1為系統(tǒng)的分裝示意圖，其具體生產(chǎn)工藝為：

　　西林瓶理瓶轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶螺桿注粉壓塞出瓶。

　　經(jīng)潔凈處理的玻璃瓶被進(jìn)瓶裝置依次推送至分裝轉(zhuǎn)盤定位槽中并隨之做間歇轉(zhuǎn)動，在此過程中，分裝螺桿完成間歇計量注粉、蓋塞機(jī)構(gòu)完成加塞壓塞，然后瓶子被撥至輸出導(dǎo)軌上送出。為了控制分裝精度，螺桿頭數(shù)一般不超過4頭，系統(tǒng)采用雙螺桿分裝的結(jié)構(gòu)，即主軸旋轉(zhuǎn)l轉(zhuǎn)，分裝轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動1次，完成2瓶分裝任務(wù)。整個過程強(qiáng)調(diào)分裝盤與螺桿和蓋塞器的同步協(xié)調(diào)性，以及玻璃瓶的定位準(zhǔn)確性，達(dá)到無瓶不分裝、無瓶不加塞以及分裝前倒瓶剔除、分裝后空瓶剔除的工藝要求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)控制原理

　　分裝系統(tǒng)上有送瓶、注粉、壓塞及出瓶等不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為保證分裝準(zhǔn)確性，文中以Fx2n系列PLC作為控制核心，采用同步伺服電機(jī)來直接驅(qū)動分裝螺桿，并選用交流電機(jī)驅(qū)動進(jìn)出瓶輸送裝置、分裝轉(zhuǎn)盤和蓋塞機(jī)構(gòu)。整個控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備元件、信號采集元件、指令控制元件和狀態(tài)監(jiān)測元件4個單元構(gòu)成。伺服系統(tǒng)采用SJT系列的三相永磁同步伺服電機(jī)，寬調(diào)速比，恒轉(zhuǎn)矩輸出，3倍過載能力，具有3 000 rpm的額定轉(zhuǎn)速，2 500 p／r的碼盤反饋脈沖精度。驅(qū)動單元則采用最新數(shù)字信號處理器DSP為核心、大規(guī)模可編程門陣列(CPLD)和MITSUBISHI智能化功率模塊(IPM)，集成度高、體積小、保護(hù)完善、可靠性好，控制過程一目了然。系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

　　螺桿分裝是利用螺桿螺旋槽的容腔來計量物料。由于每個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，cm，L=πDm/cosθ；F為螺旋截面積，cm2，F(xiàn)=st/2。

　　螺桿轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)與角度是依托伺服電機(jī)實施的(即伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度)，電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和轉(zhuǎn)角是由電機(jī)驅(qū)動器輸出的脈沖信號所決定的，驅(qū)動器輸出由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，就可以控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　2.2 控制決策

　　整個控制系統(tǒng)由主傳動系統(tǒng)和螺桿分裝系統(tǒng)2部分組成。PLC系統(tǒng)為完成螺桿伺服電機(jī)控制，需采用專用的位置控制單元模塊，每臺伺服電機(jī)接收來自位控單元的脈沖序列完成螺桿推進(jìn)動作；而主傳動系統(tǒng)涉及分裝盤、壓塞機(jī)構(gòu)及進(jìn)出瓶軌道的傳動問題，為實現(xiàn)平滑調(diào)速，主電機(jī)采用變頻器驅(qū)動，為此，PLC需配置1塊D／A單元。具體控制模塊如圖3所示。

　　為了調(diào)節(jié)粉針的劑量，PLC需要不斷檢測螺桿轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和檢測的螺桿轉(zhuǎn)速計算出分裝量的誤差范圍。系統(tǒng)中控制分裝螺桿的伺服電機(jī)速度的檢測采用光電編碼器，其輸出的脈沖信號輸送到PLC位控單元內(nèi)的高速計數(shù)模塊FX2N-1HC進(jìn)行計數(shù)。另外PLC選用絕緣型RS-232C通訊用適配器與工控機(jī)進(jìn)行通訊，以實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控。工控機(jī)采用研華AWS-825，用Delphi開發(fā)工控機(jī)的監(jiān)控程序和控制界面。

　　2.3 協(xié)調(diào)設(shè)計

　　整個分裝系統(tǒng)有送瓶、注粉、壓塞及出瓶等不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間須有嚴(yán)格的時間和位置關(guān)系，也就是動作的順序及時間的分配必須協(xié)調(diào)好。工作轉(zhuǎn)盤、分裝螺桿、蓋塞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動只有時間關(guān)系，只需進(jìn)行時間同步化設(shè)計。圖4為雙螺桿分裝系統(tǒng)的工作循環(huán)圖，在一個工作循環(huán)(T=1s)內(nèi)，當(dāng)分裝盤的藥瓶定位槽轉(zhuǎn)動至分裝螺桿下方并且停歇時，螺桿完成下粉分裝、壓塞機(jī)構(gòu)完成下行壓塞，三者相互協(xié)調(diào)，保持同步。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 PLC軟件設(shè)計

　　考慮到電機(jī)的啟動、運(yùn)行、調(diào)速和制動特性，為了完成控制功能，采用基于FX2N系列PLC的編程軟件編寫了系統(tǒng)順序控制程序。為了編程方便，采用模塊化的程序設(shè)計方法。大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護(hù)，由PLC、傳感器、各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備實時采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令。圖5為粉針劑分裝控制程序流程圖，在保證分裝盤與分裝系統(tǒng)同步的情況下，粉劑藥品的填充和膠塞振蕩器的動作也必須保持協(xié)調(diào)一致。

　　3.2 人機(jī)界面設(shè)計

　　系統(tǒng)選用觸摸屏作為控制級的人機(jī)界面，具有直觀、靈活、操作簡便等優(yōu)點。操作指令由RS-232通信協(xié)議送入PLC，再通過PLC控制軟件對該指令進(jìn)行處理，發(fā)布驅(qū)動命令信號。觸摸屏程采用用Delphi6.0編寫，通過RS-232接口與PLC編程口相連。Delphi具有開發(fā)快速，執(zhí)行高效、用戶界面好，操作簡便、對硬件及軟件環(huán)境要求低等特點，很適合可視化編程。根據(jù)工藝要求設(shè)計了4個界面，分別為：主界面、自動控制界面、手動控制界面、狀態(tài)監(jiān)控界面，各界面間可相互切換，操作方便。圖6為手動控制界面。

　　手動畫面上的啟動按鈕用于系統(tǒng)自動啟動，急停按鈕用于發(fā)生緊急情況時停止系統(tǒng)運(yùn)行，復(fù)位按鈕用于故障解除之后系統(tǒng)復(fù)位和警報解除，并且設(shè)置若干個指示燈用來顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；狀態(tài)監(jiān)控畫面顯示各機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況，當(dāng)系統(tǒng)某處發(fā)生故障時，相對應(yīng)的指示燈亮并發(fā)出警報，提醒工作人員現(xiàn)場修復(fù)。

4 結(jié)束語

　　現(xiàn)代制藥裝備需要很高的控制精度、較寬的調(diào)整范圍和良好的同步穩(wěn)定性。基于伺服技術(shù)和人機(jī)界面的PLC粉針劑分裝控制系統(tǒng)，不僅省去了系統(tǒng)按鈕開關(guān)、指示燈所對應(yīng)的PLC輸入點，減小了PLC系統(tǒng)的規(guī)模，而且各控制單元在分裝過程中具有良好的同步穩(wěn)定性能，達(dá)到了醫(yī)藥粉針劑的生產(chǎn)工藝要求，在自動化生產(chǎn)線中發(fā)揮了重要作用。