0 引言

　　用于人體靜脈注射的抗生素等粉針劑，在國內的醫院是一種主流藥品，它能減少藥品在運輸過程中的破損率，并且使用完的瓶子有利于環境回收。粉針制劑的分裝原理有多種，目前，國內普遍使用螺桿分裝完成。螺桿分裝是利用螺桿間歇旋轉，并通過控制螺桿的轉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整，是目前廣泛應用的產品。

　　螺桿分裝系統大致可分為3個技術時期：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。對于目前國產醫藥粉劑分裝機而言，主要還是使用PIE加步進電機來構成的一套控制系統，按照這種配置來控制的機器，分裝精度在使用一段時間后不太穩定，調整也不方便。隨著制藥行業生產自動化、控制精密化、維護簡便化的發展趨勢，文中采用PLC、HMI和伺服技術相結合實現各分裝機構的同步協調控制。

1 工藝分析

　　醫藥粉針劑生產的整個流程可基本分為3個部分：前處理(包括洗瓶、滅菌、風冷)，制備(包括藥品注粉、壓塞、軋蓋、燈檢)，后處理(包括貼簽、包裝)。作為制備環節核心，螺桿分裝機的分裝精度和速度決定著整個生產線的質量和效益。圖1為系統的分裝示意圖，其具體生產工藝為：

　　西林瓶理瓶轉盤進瓶螺桿注粉壓塞出瓶。

　　經潔凈處理的玻璃瓶被進瓶裝置依次推送至分裝轉盤定位槽中并隨之做間歇轉動，在此過程中，分裝螺桿完成間歇計量注粉、蓋塞機構完成加塞壓塞，然后瓶子被撥至輸出導軌上送出。為了控制分裝精度，螺桿頭數一般不超過4頭，系統采用雙螺桿分裝的結構，即主軸旋轉l轉，分裝轉盤轉動1次，完成2瓶分裝任務。整個過程強調分裝盤與螺桿和蓋塞器的同步協調性，以及玻璃瓶的定位準確性，達到無瓶不分裝、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 系統硬件設計

　　2.1 系統控制原理

　　分裝系統上有送瓶、注粉、壓塞及出瓶等不同執行機構，為保證分裝準確性，文中以Fx2n系列PLC作為控制核心，采用同步伺服電機來直接驅動分裝螺桿，并選用交流電機驅動進出瓶輸送裝置、分裝轉盤和蓋塞機構。整個控制系統由現場設備元件、信號采集元件、指令控制元件和狀態監測元件4個單元構成。伺服系統采用SJT系列的三相永磁同步伺服電機，寬調速比，恒轉矩輸出，3倍過載能力，具有3 000 rpm的額定轉速，2 500 p／r的碼盤反饋脈沖精度。驅動單元則采用最新數字信號處理器DSP為核心、大規模可編程門陣列(CPLD)和MITSUBISHI智能化功率模塊(IPM)，集成度高、體積小、保護完善、可靠性好，控制過程一目了然。系統控制原理如圖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。

　　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。

　　2.2 控制決策

　　整個控制系統由主傳動系統和螺桿分裝系統2部分組成。PLC系統為完成螺桿伺服電機控制，需采用專用的位置控制單元模塊，每臺伺服電機接收來自位控單元的脈沖序列完成螺桿推進動作；而主傳動系統涉及分裝盤、壓塞機構及進出瓶軌道的傳動問題，為實現平滑調速，主電機采用變頻器驅動，為此，PLC需配置1塊D／A單元。具體控制模塊如圖3所示。

　　為了調節粉針的劑量，PLC需要不斷檢測螺桿轉動的圈數，根據設置的參數和檢測的螺桿轉速計算出分裝量的誤差范圍。系統中控制分裝螺桿的伺服電機速度的檢測采用光電編碼器，其輸出的脈沖信號輸送到PLC位控單元內的高速計數模塊FX2N-1HC進行計數。另外PLC選用絕緣型RS-232C通訊用適配器與工控機進行通訊，以實現參數的設置和監控。工控機采用研華AWS-825，用Delphi開發工控機的監控程序和控制界面。

　　2.3 協調設計

　　整個分裝系統有送瓶、注粉、壓塞及出瓶等不同執行機構。執行機構之間須有嚴格的時間和位置關系，也就是動作的順序及時間的分配必須協調好。工作轉盤、分裝螺桿、蓋塞機構的運動只有時間關系，只需進行時間同步化設計。圖4為雙螺桿分裝系統的工作循環圖，在一個工作循環(T=1s)內，當分裝盤的藥瓶定位槽轉動至分裝螺桿下方并且停歇時，螺桿完成下粉分裝、壓塞機構完成下行壓塞，三者相互協調，保持同步。

3 系統軟件設計

　　3.1 PLC軟件設計

　　考慮到電機的啟動、運行、調速和制動特性，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順序控制程序。為了編程方便，采用模塊化的程序設計方法。大量采用代碼重用，減少軟件的開發和維護，由PLC、傳感器、各種數據采集卡等設備實時采集數據，發出控制命令。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調一致。

　　3.2 人機界面設計

　　系統選用觸摸屏作為控制級的人機界面，具有直觀、靈活、操作簡便等優點。操作指令由RS-232通信協議送入PLC，再通過PLC控制軟件對該指令進行處理，發布驅動命令信號。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具有開發快速，執行高效、用戶界面好，操作簡便、對硬件及軟件環境要求低等特點，很適合可視化編程。根據工藝要求設計了4個界面，分別為：主界面、自動控制界面、手動控制界面、狀態監控界面，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自動啟動，急停按鈕用于發生緊急情況時停止系統運行，復位按鈕用于故障解除之后系統復位和警報解除，并且設置若干個指示燈用來顯示系統的運行狀態；狀態監控畫面顯示各機構運行情況，當系統某處發生故障時，相對應的指示燈亮并發出警報，提醒工作人員現場修復。

4 結束語

　　現代制藥裝備需要很高的控制精度、較寬的調整范圍和良好的同步穩定性。基于伺服技術和人機界面的PLC粉針劑分裝控制系統，不僅省去了系統按鈕開關、指示燈所對應的PLC輸入點，減小了PLC系統的規模，而且各控制單元在分裝過程中具有良好的同步穩定性能，達到了醫藥粉針劑的生產工藝要求，在自動化生產線中發揮了重要作用。