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臺達機電自動化在螺桿分裝機上的應用

中達電通股份有限公司

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：

480

LD

M40

481

DDRVI

D3000

D3002

Y0

Y1

498

MPS

499

ANI

M1336

500

AND

M41

501

RST

M40

504

MPP

505

AND

M1000

506

OUT

M41

507

LDF

M1336

508

SET

M50

509

LD

M50

510

AND

M51

511

TMR

T20

D10

513

LD

T20

514

RST

M50

515

SET

M40