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臺達自動化平臺在高速螺桿分裝機上的集成應用中達電通股份有限公司

摘要：本文在簡要分析高速螺桿分裝機自動化技術特點的基礎上，重點介紹臺達機電產品在高速螺桿分裝機應用上的整體自動化平臺集成技術優勢。關鍵字：分裝機藥粉 PLC 引言粉針是醫學臨床應用上的重要的藥品劑型，廣泛應用于靜脈注射、肌肉注射用途，不斷擴大的用量需求和不斷提高的分裝要求推動著粉針分裝設備的更新和發展。粉針分裝可以通過不同的原理完成。國內螺桿分裝機是粉劑制藥企業當前的主流設備。螺桿分裝機機械原理成熟可靠，設備占地面積小，便于同前后工序的制藥、包裝設備聯線工作。螺桿分裝機的機械系統設計經歷了幾個階段的發展過程，在每一階段都有與之相適應的電氣控制系統配合工作。機械系統設計目前已趨于穩定成熟，電氣控制系統的研究和進步對整機分裝性能的進一步提高有著突出的作用。螺桿分裝機的工作原理是通過高速旋轉的螺桿向藥瓶內推進藥粉，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可以達到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。為保證分裝準確性，通常采用交流伺服電機來直聯驅動分裝螺桿，早期設備應用過步進電機，但隨著設備要求的提高和伺服電機價格的下降，步進電機在該設備上已基本不用。伺服電機動態性能的調整也至關重要，如果加減速響應遲緩，連續灌裝中前后相鄰兩次推進的藥粉沒有清晰的邊界，也會造成裝量不準確。因此，電氣控制系統的合理設計與提升螺桿分裝機的工作性能直接相關。臺達自動化產品可以為螺桿分裝機的應用提供一套完整的控制驅動解決方案，設計中通過優化控制結構和應用性能更高的控制器件可以使得分裝機工作更快速、更精準。本文中介紹的是應用臺達自動化產品設計的一臺4頭螺桿分裝機的應用實例。控制系統分析以一臺四頭螺桿分裝機的控制為例，設備要求完成送瓶傳送帶的變頻調速驅動和帶動螺桿的4臺伺服電機的同步驅動。其它控制要求，如送粉控制、送塞控制、藥粉攪拌控制、灌裝口藥瓶檢測、螺桿碰壁報警等，都是常見的開關量控制邏輯，通常的PLC系統都可以完成，本文為突出重點，略去不作討論。通用設計方案中控制系統結構如圖1所示。 PLC系統為完成1-4軸伺服電機控制，要采用專用的位置控制單元模塊，每一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。對于只要求做1軸或2軸控制的螺桿分裝機，通常也會采用PLC主機內置的2軸脈沖輸出，但是PLC主機輸出的脈沖頻率上限都較低，為使伺服電機達到最高轉速，需要調低伺服電機的控制分辨率，設備分裝的精確性會受到影響。送瓶傳送帶電機要用變頻器驅動，為實現平滑調速PLC要配置1塊D/A單元。臺達自動化方案特色采用臺達自動化產品，為完成上述的任務，設計中采用如圖2所示的控制結構。系統中省去了D/A單元和位控單元，節省了成本，減少了配線，更重要的是系統性能有了實質性的提高。獨立自動化技術平臺 PLC主機通過RS-485總線與變頻器和四臺伺服驅動器聯在一起。這是臺達自動化產品的特色，臺達的任何一種控制器件，小到一只溫控儀表都在本機上配置有符合MOS-BUS通訊協議的RS-485總線，設計中可以根據系統具體要求靈活地組成不同的控制架構，提高系統的功能和效率。本例中，共有四臺伺服電機，每次分裝的動作要求，即電機的旋轉角度和旋轉速度通過PLC的485通訊接口傳送到驅動器的寄存器里，每次動作執行由PLC的一個輸出點來觸發。臺達PT伺服模式伺服電機工作在臺達特有的PR模式（即寄存器控制定位模式）下，工作時只需要等待觸發信號，而不必接收脈沖序列，這也可以看作由內部預置的脈沖發生器來指揮運行。與傳統的脈沖序列定位模式（在臺達稱PT模式，仍可以選有）相比，本機上應用PR模式的優點是：提高信號抗擾能力如果伺服電機采用脈沖序列來工作的話，脈沖的傳遞線路極易受到電氣干擾，但在PR模式下，不再有脈沖信號的傳遞，也就沒有抗擾工作的麻煩。簡化布線 PR模式省去復雜的雙絞屏蔽線的布線的煩瑣，特別在設備被控軸數多的時候，對比特別明顯。提高定位運行品質伺服電機在定位執行過程中，驅動器知道總的目標值，進而知道確切的脈沖偏差數，不像在PT模式下，一方面伺服的運行使得脈沖偏差在縮小，同時后續的脈沖又使得偏差在增大，因此PR模式在位置閉環運算中可以獲得更好的控制品質。便于系統擴展當系統要對更多數量的伺服軸進行控制時，只需要把它們分別聯在RS-485總線上，對PLC的點數和位控輸出的軸數沒有影響，便于實現系統擴展。降低PLC系統成本通常的系統中，因為對PLC輸出脈沖的上限頻率的軸數的特別要求，總是要功能相對要強的PLC類型，自然價格就相對要高。而在臺達提供的方案中，PLC只要能完成基本的邏輯控制任務即可，實際應用中我們也是采用相對功能簡單的模塊來實現的。送瓶傳送帶的變頻器控制，也是同樣道理，采用RS-485總線來傳送速度指令。因為是數字通訊，速度傳送沒有偏差，同時也具有簡化布線、便于擴展的優點。結語以上是臺達自動化產品在螺桿分裝機上的一個應用實例，臺達可以提供用以解決生產設備自動化控制的整套解決方案，基于各種完成控制、驅動、操作、測量任務的單元器件，可以搭建出不同架構的控制系統，特別適合于利用分布式控制原則解決綜合性的控制任務，目前臺達自動化產品已成功應用于國內制造的幾乎全部種類的制藥機械上。作者簡介秦勇男工程師，研究方向：機電一體化設備的自動控制系統。