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摘 要：在論述螺桿分裝工藝的基礎上，給出基于臺達機電一體化技術平臺的分裝伺服定量控制系統設計。項目實際分裝速度超過設計要求。
關鍵詞：螺桿分裝機 EH2 PLC ASDA伺服器 B系列觸摸屏
1 引言
廣泛應用于靜脈與肌肉注射的粉針是醫學臨床最常用的醫藥制劑。粉針分裝的工藝目的是實現粉劑原料藥定量安瓶包裝。粉針分裝主流技術分為氣流分裝與螺桿分裝。由于螺桿分裝結構簡單和技術成熟度較高，所以盡管分裝精度和速度低于氣流分裝，還是成為中國藥企業當前的主流粉劑包裝設備。
螺桿分裝機屬于容積式包裝類別。通過轉動角度精確控制的螺桿間歇旋轉，按計量要求將藥物定量裝入西林瓶，快速性和準確性是設備的兩個基本要求。縮短螺桿在每次分裝推進時的占用時間，就可以提高分裝速度，這要求螺桿旋轉速度要高，動態響應要快，現在的設備分裝速度已達到300瓶/分。增加設備上螺桿的數量，可以同時對幾只藥瓶進行灌裝，也是提高設備快速性的有效手段，目前國產分裝機上可以見到一頭、二頭、四頭的配置。
2 分裝機工藝原理
2.1 螺桿分裝電控技術
機電伺服系統是控制螺桿分裝系統包裝精度最基本的技術。電控系統在螺桿分裝機具有決定性的重要作用。螺桿分裝系統第一代為螺桿裝量由步進電機與集成電路控制的技術；第二代為螺桿裝量由步迸電機與PLC控制的技術；第三代為近期的螺桿裝量由伺服電機與PLC控制的技術，改善了第二代分裝螺桿的精度穩定性和定量調整能力。
2.2 螺桿分裝定量原理
間歇式螺桿分裝機是通過伺服電機驅動螺桿，將藥品“擠出”攪拌容器，灌裝于藥瓶內。由于劑量需要準確的控制，因此要求伺服電機每次分裝時轉同樣的圈數。具體的旋轉圈數則是由操作者由手動方式試驗出來的，因此，程序不僅要能夠提供可以讓操作者更改的裝藥量，還要提供手動操作裝藥量的操作方式。當一個藥瓶需要被添裝時，定位汽缸會驅動一個定位器將被添裝藥瓶卡在攪拌機的出口下，這時傳動帶雖然繼續運動，但由于藥瓶被定位其卡緊，所以藥瓶將不隨傳動帶運動，直到添裝完畢，定位器松開，藥瓶才會繼續跟隨傳送帶運動，直到進入扣塞機構。圖1是間歇式螺桿分裝機的結構示意圖。
圖1 螺桿分裝結構
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，只要準確地控制螺桿的轉數，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數；L為每圈螺線旋周長，cm，L=πDm/cosθ；F為螺旋截面積，cm2，F=st/2。
3 臺達螺桿分裝解決方案
3.1 伺服與步進
其螺桿分裝機構原來通常使用步進電機作為其驅動設備，在實際使用的過程中，步進電機的響應特性往往達不到使用要求，使得整個設備的效率不高；而且由于頻繁的對電機進行高速的啟動和停止，也使得步進電機的故障率比較高。為了避免故障的頻繁發生和提高整個設備的運行速度，此設備使用了臺達的ASDA –AB系列伺服器和伺服電機替代通常使用的步進電機。并使用了EH2系列PLC用高速脈沖的方式對伺服器進行控制，用以解決高速、定量添裝的問題。
3.2 分裝控制方案
螺桿轉動的轉數與角度是依托伺服電機實施的(即伺服電機轉動的角度)，電機轉動的速度和轉角是由電機驅動器輸出的脈沖信號所決定的，驅動器輸出由PLC進行控制，而PLC是依據人工設定的裝量進行控制的。通過觸摸屏的友好人機界面(HMI)的參數設定(主要有分裝量設定、分裝量調整，速度設定等)，把指令傳送到PLC中，就可以控制整個系統的運行。
由以上分析可以看出，裝入藥劑量的多少要通過伺服電機的旋轉圈數來決定；分裝機運行速度的快慢，除了與添裝速度有關外，還與傳送帶的運行速度有關；以上2個工藝運動參數的控制，連同對藥瓶到位的檢測和定位機構的動作，都是通過PLC來實現的，除此之外，還需要一個人機對話的工具，此設備中選用了臺達B系列的觸摸屏，具體運動控制系統配置如圖2所示。
圖2 臺達伺服運動控制配置
3.3 人機界面設計
控制方式分為手動調試和自動運行2個界面，分別如圖3、圖4所示。根據分裝定量工藝設定與填料（及與伺服相關的）有關的參數，為了防止有的藥瓶瓶口不朝上（添裝時藥劑會落在傳送帶上），還需要有“倒瓶時間”的設定，以防止意外情況的發生。
圖3 自動操作畫面
圖4手動操作畫面
手動操作的界面只是將各種操作的按鈕都進行了配置，唯一值得注意的是伺服器的運行方式，由于手動調整的需要，操作者通常希望伺服器能運行一定裝藥量后暫時停一下，然后再運行同樣的裝藥量，這樣更便于操作與觀察，這就需要使用脈沖標志位對伺服電機狀態進行監控，基于臺達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 結束語
基于伺服技術的螺桿分裝設備控制系統使用了全套的臺達產品，具有非常好的兼容性，設備運行平穩，裝瓶速度達到了125瓶/分鐘，超過了用戶原來要求的120瓶/分鐘的設計標準。
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