台达机电自动化在螺杆分装机上的应用

内容摘要：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。

　　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。

图1 螺杆分装结构

　　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。nextpage

图2 台达伺服运动控制配置

　　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3 自动操作画面

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：

480

M40

481

DDRVI

D3000

D3002