台达机电自动化在螺杆分装机上的应用设计

［编辑简介］：本文介绍了一种用于医药制剂粉针分装的螺杆分装机的电气控制解决方案。基于台达机电提供的由ASDA –AB系列伺服器和伺服电机与EH2系列PLC构成的控制系统，可使设备运行平稳，装瓶速度达到125瓶/分钟。
［摘要］：在论述螺杆分装工艺的基础上，给出基于台达机电一体化技术平台的分装伺服定量控制系统设计。项目实际分装速度超过设计要求。
［关键词］：螺杆分装机 EH2 PLC ASDA伺服器 B系列触摸屏
　1 引言
　　广泛应用于静脉与肌肉注射的粉针是医学临床最常用的医药制剂。粉针分装的工艺目的是实现粉剂原料药定量安瓶包装。粉针分装主流技术分为气流分装与螺杆分装。由于螺杆分装结构简单和技术成熟度较高，所以尽管分装精度和速度低于气流分装，还是成为中国药企业当前的主流粉剂包装设备。
　　螺杆分装机属于容积式包装类别。通过转动角度精确控制的螺杆间歇旋转，按计量要求将药物定量装入西林瓶，快速性和准确性是设备的两个基本要求。缩短螺杆在每次分装推进时的占用时间，就可以提高分装速度，这要求螺杆旋转速度要高，动态响应要快，现在的设备分装速度已达到300瓶/分。增加设备上螺杆的数量，可以同时对几只药瓶进行灌装，也是提高设备快速性的有效手段，目前国产分装机上可以见到一头、二头、四头 的配置。
2 分装机工艺原理
2.1 螺杆分装电控技术
　　机电伺服系统是控制螺杆分装系统包装精度最基本的技术。电控系统在螺杆分装机具有决定性的重要作用。螺杆分装系统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，改善了第二代分装螺杆的精度稳定性和定量调整能力。
2.2 螺杆分装定量原理
　　间歇式螺杆分装机是通过伺服电机驱动螺杆，将药品“挤出”搅拌容器，灌装于药瓶内。由于剂量需要准确的控制，因此要求伺服电机每次分装时转同样的圈数。具体的旋转圈数则是由操作者由手动方式试验出来的，因此，程序不仅要能够提供可以让操作者更改的装药量，还要提供手动操作装药量的操作方式。当一个药瓶需要被添装时，定位汽缸会驱动一个定位器将被添装药瓶卡在搅拌机的出口下，这时传动带虽然继续运动，但由于药瓶被定位其卡紧，所以药瓶将不随传动带运动，直到添装完毕，定位器松开，药瓶才会继续跟随传送带运动，直到进入扣塞机构。图1是间歇式螺杆分装机的结构示意图。


　　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。
3  台达螺杆分装解决方案
3.1 伺服与步进
　　其螺杆分装机构原来通常使用步进电机作为其驱动设备，在实际使用的过程中，步进电机的响应特性往往达不到使用要求，使得整个设备的效率不高；而且由于频繁的对电机进行高速的启动和停止，也使得步进电机的故障率比较高。为了避免故障的频繁发生和提高整个设备的运行速度，此设备使用了台达的ASDA –AB系列伺服器和伺服电机替代通常使用的步进电机。并使用了EH2系列PLC用高速脉冲的方式对伺服器进行控制，用以解决高速、定量添装的问题。
3.2 分装控制方案
　　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。
　　由以上分析可以看出，装入药剂量的多少要通过伺服电机的旋转圈数来决定；分装机运行速度的快慢，除了与添装速度有关外，还与传送带的运行速度有关；以上2个工艺运动参数的控制，连同对药瓶到位的检测和定位机构的动作，都是通过PLC来实现的，除此之外，还需要一个人机对话的工具，此设备中选用了台达B系列的触摸屏，具体运动控制系统配置如图2所示。

3.3 人机界面设计
　　控制方式分为手动调试和自动运行2个界面，分别如图3、图4所示。根据分装定量工艺设定与填料（及与伺服相关的）有关的参数，为了防止有的药瓶瓶口不朝上（添装时药剂会落在传送带上），还需要有“倒瓶时间”的设定，以防止意外情况的发生。


图4手动操作画面  
　　手动操作的界面只是将各种操作的按钮都进行了配置，唯一值得注意的是伺服器的运行方式，由于手动调整的需要，操作者通常希望伺服器能运行一定装药量后暂时停一下，然后再运行同样的装药量，这样更便于操作与观察，这就需要使用脉冲标志位对伺服电机状态进行监控，基于台达DVPEH2的PLC程序如下所示：

4  结束语
　　基于伺服技术的螺杆分装设备控制系统使用了全套的台达产品，具有非常好的兼容性，设备运行平稳，装瓶速度达到了125瓶/分钟，超过了用户原来要求的120瓶/分钟的设计标准。