時間壓力灌裝機的同步跟蹤系統(tǒng)

于 穎 田雪玲 何小榮

(1.中國藥科大學(xué)工學(xué)院，南京 211198；2.江蘇先聲藥業(yè)有限公司，南京 210042)

時間壓力灌裝機的同步跟蹤系統(tǒng)

于 穎1田雪玲2何小榮1

(1.中國藥科大學(xué)工學(xué)院，南京 211198；2.江蘇先聲藥業(yè)有限公司，南京 210042)

直線式全自動時間壓力灌裝機的灌裝速率和精度不僅受灌裝時間和緩沖罐內(nèi)壓力的影響，灌裝針同步跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果對灌裝性能的影響也很大。對時間壓力灌裝機的伺服跟蹤控制系統(tǒng)各工步中灌裝針的運動狀態(tài)進行分析，并進行數(shù)學(xué)計算建立伺服跟蹤模型，計算確定控制參數(shù)并編寫PLC控制程序。測試結(jié)果表明：該模型的運用提高了灌裝效率和穩(wěn)定性。

時間壓力灌裝機 伺服跟蹤系統(tǒng) 跟蹤模型 PLC程序

目前，液體灌裝機的灌裝計量方式可分為4種：容積泵式、金屬/陶瓷柱塞計量泵式、蠕動泵式和時間壓力法。其中時間壓力法是一種相比更為先進的灌裝計量方式，分裝的液體計量是通過時間和液體的流速確定的，液體通道均為管道式，無死角、無摩擦處、無產(chǎn)生微粒處，可實現(xiàn)在線清洗和在線滅菌[1]。直線型全自動時間壓力灌裝機的自動化程度高，而且生產(chǎn)速度快，是目前研究的熱點。但當(dāng)灌裝速度提高時，會產(chǎn)生系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，灌裝效率降低的問題[2]。同步跟蹤系統(tǒng)是制約灌裝速度的主要原因，同步灌裝的穩(wěn)定性和精確性是保證灌裝質(zhì)量的重要條件，目前國內(nèi)對此研究較少。

為了使時間壓力灌裝機在高速灌裝的情況下也能實現(xiàn)灌裝的高效、穩(wěn)定、精確運行，筆者對灌裝針的自動跟蹤灌裝進行深入研究，分析伺服跟蹤系統(tǒng)各工步中灌裝針的運動狀態(tài)，并對它進行數(shù)學(xué)計算，建立伺服跟蹤模型。最后，通過計算確定控制參數(shù)，并編寫PLC控制程序。

1 工藝流程①

在時間壓力法灌裝機(圖1)的上方有一個恒壓緩沖罐，內(nèi)設(shè)液位傳感器和壓力傳感器，當(dāng)有藥液流進緩沖罐時，氮氣調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，藥液進液調(diào)節(jié)閥打開，同時液位傳感器將緩沖罐內(nèi)的液位信號傳送給PLC，由PLC對進液調(diào)節(jié)閥開度進行PID控制，從而控制流入緩沖罐藥液的流量，使液位保持穩(wěn)定。當(dāng)進液停止時，氮氣調(diào)節(jié)閥打開，緩沖罐內(nèi)的壓力信號由壓力傳感器傳送給PLC，通過PID運算控制氮氣調(diào)節(jié)閥的開度，保證緩沖罐內(nèi)的壓力恒定。

緩沖罐連接16個灌裝頭，灌裝頭由隔膜閥控制，灌裝劑量通過隔膜閥的開關(guān)時間控制。在灌裝區(qū)進口前一個瓶位處安裝光纖傳感器，檢測進入灌裝區(qū)瓶子的數(shù)量，當(dāng)檢測到16個時，灌裝針?biāo)欧櫹到y(tǒng)啟動，控制灌裝針的水平和垂直運動；當(dāng)灌裝針伸入灌裝瓶底時，PLC控制灌裝隔膜閥打開進行灌裝，灌裝過程為動態(tài)，灌裝時間由PLC控制。灌裝結(jié)束后，垂直伺服跟蹤系統(tǒng)控制灌裝針加速上升，同時水平跟蹤減速直至停止；隨后，水平伺服電機反轉(zhuǎn)，控制灌裝針返回初始位置。至此，一個周期結(jié)束，進行下一個周期，循環(huán)以上過程。

2 灌裝針自動跟蹤裝置

灌裝針自動跟蹤裝置由灌裝針組、垂直跟蹤機構(gòu)及水平跟蹤機構(gòu)等組成。水平跟蹤機構(gòu)由水平支撐座、移動座、絲杠及伺服電機等構(gòu)成，水平絲桿的運動帶動灌裝針沿水平方向往復(fù)運動，實現(xiàn)灌裝同步。垂直跟蹤機構(gòu)包括垂直導(dǎo)向支座、滾珠絲杠及導(dǎo)桿等，它通過垂直跟蹤電機的支座固定在灌裝機底板，通過控制垂直滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)垂直導(dǎo)桿沿垂直方向上下運動，從而實現(xiàn)灌裝針的上下運動，保證灌裝針的插入深度。

圖1 時間壓力法灌裝機組成簡圖

3 自動跟蹤系統(tǒng)伺服電機的控制

3.1伺服電機選型

灌裝跟蹤系統(tǒng)的控制，由于動作時間相對較低，因而要求控制電機的轉(zhuǎn)動速度要快，可控性要好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)迅速啟動、加速、減速及停止等動作要求，同時沖擊較小，故選用交流伺服電機控制。對于電機的選型，應(yīng)該根據(jù)負(fù)載慣量、最大速度及啟停制動時間等，計算慣量比、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，進行核算，選出合適的電機[3]。松下A5系列伺服電機具有速度響應(yīng)頻率高、定位時間短、穩(wěn)定性好及分辨率高等優(yōu)點，被應(yīng)用于各種運動精度要求高的場合。本設(shè)計也選擇松下A5系列伺服電機。

本設(shè)計中時間壓力灌裝機的已知參數(shù)有：工作臺質(zhì)量m1=60kg，工件質(zhì)量m2=20kg，絲杠長度BL=0.7m，絲杠直徑BD=0.02m，絲杠螺距Bp=0.02m，絲杠效率Bη=0.9，移動距離L=0.5m。

計算過程以灌裝針下降為例，此過程伺服電機運轉(zhuǎn)參數(shù)有：加速時間ta=0.1s，勻速時間tb=0.8s，減速時間tc=0.1s，循環(huán)時間td=2.0s。

參照松下A5系列伺服電機選型手冊，可知：

根據(jù)以上各參數(shù)的計算，本設(shè)計選用松下A5系列MSMD022G1U和MADHT1507E。

3.2伺服電機控制方式

伺服電機控制方式常見的有3種：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。

位置控制一般通過外部輸入脈沖頻率確定轉(zhuǎn)動速度，通過輸入的脈沖個數(shù)確定轉(zhuǎn)動角度。由于位置控制模式可以對速度和位置進行嚴(yán)格的控制，故一般應(yīng)用于定位裝置中。

速度控制通過模擬量輸入或脈沖頻率控制轉(zhuǎn)速，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時，速度控制模式也可進行定位。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號直接由最終負(fù)載端的檢測裝置提供，其優(yōu)勢在于可以減少中間傳動過程的誤差，增加整個系統(tǒng)的定位精度。

轉(zhuǎn)矩控制通過外部模擬量的輸入或直接的地址賦值設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩，可以通過即時改變模擬量設(shè)定來改變設(shè)定力矩的值，也可通過通信方式改變對應(yīng)地址的數(shù)值實現(xiàn)。

4 灌裝針?biāo)欧櫣嘌b過程設(shè)計

灌裝針?biāo)欧櫣嘌b過程是保證灌裝機高速、高精度運行的標(biāo)準(zhǔn)，也是整個灌裝控制系統(tǒng)設(shè)計的核心。當(dāng)光電傳感器檢測到有16個空瓶通過時，PLC控制灌裝針?biāo)欧櫹到y(tǒng)啟動，水平伺服跟蹤系統(tǒng)控制灌裝針從靜止開始加速做跟位運動，至灌裝針的水平運動速度與灌裝瓶傳送速度相同，垂直伺服跟蹤系統(tǒng)控制灌裝針從靜止開始加速下降并插入罐裝瓶，隨后開始同步灌裝，同時垂直伺服跟蹤系統(tǒng)控制灌裝針上升并與灌裝瓶內(nèi)液面保持恒定距離。灌裝過程中，灌裝針?biāo)竭\動速度恒定；灌裝結(jié)束后，垂直伺服跟蹤系統(tǒng)控制灌裝針加速上升；然后，水平伺服跟蹤停止并控制灌裝針返回初始位置。完成一個灌裝周期，并開始下一個周期。

整個灌裝過程分為：灌裝跟位運動，灌裝針垂直下降運動，同步灌裝，灌裝針垂直上升，水平跟蹤停止和回程運動。

4.1灌裝初始位置

伺服跟蹤系統(tǒng)未得到任何動作指令前所在的位置，即為灌裝初始位置，如圖2所示，以灌裝針組的第一個灌裝針的初始位置O點為準(zhǔn)。

圖2 伺服跟蹤初始位置

設(shè)灌裝機生產(chǎn)能力(Q)為每小時18 000瓶，根據(jù)圖2，兩個瓶位間距離L=40mm，可計算得到傳送帶的速度v0和運行單位瓶位所需時間T分別為：

4.2灌裝跟位運動

當(dāng)檢測到有16個空瓶進入灌裝區(qū)時，水平伺服跟蹤系統(tǒng)啟動，灌裝針由初始位置開始加速移動，至灌裝針?biāo)竭\動速度vx與傳送帶的速度v0一致時，跟位完成。此時的灌裝針針頭應(yīng)對準(zhǔn)灌裝瓶口，故在跟位過程中，灌裝針的水平移動位移應(yīng)是瓶位的整數(shù)倍，且跟位時間應(yīng)是運行單位瓶位時間的整數(shù)倍。

為滿足高速灌裝需求，取k1=1，k2=2，即在跟位過程(圖3)中，灌裝針?biāo)轿灰茷橐粋€瓶位距離L，傳送帶移動位移為兩個瓶位距離2L，故空瓶計數(shù)光電傳感器位置應(yīng)位于O點前(x軸負(fù)方向)一個瓶位處。

圖3 伺服跟蹤跟位過程

將參數(shù)代入上述各式計算得：tx1=0.4s，ax1=25rev/s2，X1=2rev。

4.3垂直下降運動

當(dāng)光電傳感器檢測到有16個空瓶通過時，垂直伺服跟蹤系統(tǒng)啟動，使灌裝針垂直向下運動直至插入灌裝瓶底。灌裝針垂直下降運動過程(圖4)先加速，再勻速，最后減速至停止。

圖4 伺服跟蹤垂直下降過程

灌裝針向下運動可分為3個時間段：0～t1，加速運動，t1=0.1s；t1～t2，勻速運動，t2=0.8s；t2～t3，減速運動，t3=0.1s。

聯(lián)立上述算式，可得到垂直下降運動時伺服電機在各時間段的加速度ay1=83.3rev/s2，ay2=-83.3rev/s2。由此可計算出各時間段的運行位移Y1=0.42rev、Y2=6.66rev、Y3=0.42rev。

4.4垂直上升運動

當(dāng)垂直伺服跟蹤系統(tǒng)下降運動結(jié)束時，隔膜閥打開進行灌裝，同時垂直伺服跟蹤系統(tǒng)控制灌裝針向上運動，離開灌裝瓶，完成灌裝。

本設(shè)計采用動態(tài)灌裝，故灌裝針上升運動(圖5)比較復(fù)雜，當(dāng)隔膜閥打開時灌裝針就開始上升，在整個灌裝進行過程中，灌裝針口與灌裝瓶內(nèi)液面的距離始終保持一致；灌裝完畢后，再加速向上運動，然后勻速，最后減速到初始高度。所以上升過程經(jīng)歷兩次加速運動、兩次勻速運動、一次減速運動。

圖5 伺服跟蹤垂直上升運動過程

灌裝針向上運動分為5個時間段：0～t1′為加速運動段，t1′=0.1s；t1′～t2′為勻速運動段，t2′與灌裝時間相同；t2′～t3′為加速運動段，t3′=0.05s；t3′～t4′為勻速運動段，t4′=0.5s；t4′～t5′為減速運動至停止段，t5′=0.1s。

4.5水平伺服跟蹤停止與回程運動

當(dāng)灌裝完成，灌裝針加速上升時，水平伺服跟蹤減速至停止(圖6)，并立即返回初始位置。

圖6 水平伺服跟蹤減速至停止的過程

水平伺服跟蹤停止與回程運動規(guī)劃：2T～10T為水平伺服跟蹤系統(tǒng)控制灌裝針與傳送帶同步運動，速度為v0；10T～12T為水平伺服跟蹤減速至停止；12T～16T為水平伺服跟蹤系統(tǒng)返回至初始位置；2T～10T為勻速運動，故此過程的水平運行位移X2=nx1×8T=10rev/s×1.6s=16rev；10T～12T為減速運動，此過程加速度與跟位過程大小相等、方向相反，位移與跟位過程相等，故減速運動的加速度ax2=-25rev/s2，此過程水平運行位移X3=X1=2rev。水平伺服跟蹤電機從跟位到跟蹤停止總位移X=X1+X2+X3=20rev。

水平伺服跟蹤電機在12T～16T電機反轉(zhuǎn)，使灌裝針返回至初始位置，如圖7所示。

圖7 水平伺服跟蹤回程運動

5 控制系統(tǒng)

依據(jù)上述分析計算設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)，文獻[7]給出了基于S7-200 PLC設(shè)計的時間壓力法直線式全自動灌裝機的控制系統(tǒng)，硬件部分包括：控制電腦、CUP224XP PLC、一個EM223 24V DC16輸入/16輸出、一個EM223 24V DC8輸入/8輸出、17個A5系列的伺服電機、19套電動機、一個加料隔膜閥、16個QSVP-16K智能電動調(diào)節(jié)閥、一個氮氣隔膜閥、一個清洗隔膜閥、一個光電傳感器、一個液位傳感器、一個壓力傳感器。該系統(tǒng)中有液位和壓力兩個模擬量，為滿足需要選用模擬量擴展模塊EM232。模擬量轉(zhuǎn)換過程如圖8所示。

圖8 模擬量轉(zhuǎn)換過程

該系統(tǒng)的控制工藝流程如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)流程

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)過程的灌裝控制，同時還實現(xiàn)了無瓶不灌裝功能。當(dāng)發(fā)生缺瓶或倒瓶時，相應(yīng)的灌裝閥不動作，同時發(fā)出報警信號。圖10為液體灌裝控制系統(tǒng)組態(tài)控制界面，其中10工位為缺瓶狀態(tài)。

圖10 液體灌裝控制系統(tǒng)界面

6 結(jié)束語

基于時間壓力灌裝機的工藝流程和結(jié)構(gòu)，對灌裝針?biāo)欧櫹到y(tǒng)做了深入研究，分析了灌裝針?biāo)欧櫹到y(tǒng)中各工步運動部件的運動狀態(tài)，并通過數(shù)學(xué)計算合理確定伺服電機，建立伺服跟蹤系統(tǒng)模型，同時確定了PLC的控制參數(shù)，并編寫了PLC控制程序。通過分析伺服跟蹤系統(tǒng)在整個灌裝過程中的動態(tài)特性，保證了整個灌裝過程的平穩(wěn)性與精確性，提高了時間壓力灌裝機的運行速度，實現(xiàn)了時間壓力法過程的灌裝控制。

[1] 童倫偉.時間-壓力法定量灌裝技術(shù)特點[J].現(xiàn)代制造,2005,(24):37～38.

[2] 田耀華.淺析制藥裝備的若干難題[J].現(xiàn)代制造,2007,(17):14～20.

[3] 劉革菊,董立新.交流永磁同步無刷伺服電機的選型[J].機械管理開發(fā),2012,(3):109～111.

[4] 肖瀟,楊金堂,全芳成,等.伺服電機的選型原則與計算[J].機床與液壓,2014,42(22):44～46.

[5] 王軍鋒,唐宏.伺服電機選型的原則和注意事項[J].裝備制造技術(shù),2009,(11):129～131.

[6] 王勇.慣性匹配在伺服電動機選型中的應(yīng)用[J].金屬加工(冷加工),2011,(15):72～73.

[7] 田雪玲,于穎,盧存義,等.時間-壓力法灌裝機構(gòu)控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2015,42(1):71～76,114.

SynchronousTrackingSystemforTimePressureFillingMachine

YU Ying1, TIAN Xue-ling2,HE Xiao-rong1

(1.CollegeofEngineering,ChinaPharmaceuticalUniversity,Nanjing211198,China;2.JiangsuSimcerePharmaceuticalUniversity,Nanjing210042,China)

Both filling time and pressure influence the linear auto-filling machine’s filling rate and the filling accuracy，and the tracking effect of filling needle’s synchronous tracking system affects the filling efficiency much. Having the filling needle’s motion state in servo tracking control system’s process analyzed, and the servo tracking model established and control parameters determined as well as PLC control program written to show that the model application can improve efficiency and stability of the filling system.

time-pressure filling machine, servo tracking system, tracking model, PLC program

2016-02-03(修改稿)

華海藥業(yè)研究生創(chuàng)新基金資助項目(CX13S-005HH)

TH862+.6

A

1000-3932(2016)04-0396-07