凍干機全自動框式進出料裝置設(shè)計與開發(fā)

李文斌

【摘 要】凍干機設(shè)備主要被應(yīng)用到真空條件下的干燥冷凍處理環(huán)節(jié)中。該設(shè)備可廣泛用于活性物質(zhì)、血液制品、生物制品以及醫(yī)藥用品的處理過程中。隨著凍干機研發(fā)技術(shù)水平提升，自動化凍干機設(shè)備的性能逐步穩(wěn)定。本文以某制藥企業(yè)所用的凍干機設(shè)備為例，對其進出料系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，形成全自動化框式系統(tǒng)，調(diào)整進料流程，提升進料效率，改善凍干機應(yīng)用效果，避免加工所得制品被交叉污染，對相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計工作展開探討。

【關(guān)鍵詞】凍干機;全自動框式;進出料裝置;設(shè)計開發(fā)

中圖分類號： TQ460.5文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）16-0026-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.011

現(xiàn)代凍干機設(shè)備依靠物質(zhì)的升華原理與真空條件，對處理對象的水分進行凍結(jié)，使其升華成水蒸氣，進而去除水分，發(fā)揮干燥冷凍的作用。凍干制品的含水量低，同時具有良好的復(fù)水性，有利于長期運輸與儲存。醫(yī)療行業(yè)中使用凍干機的情況極多，包括制備保健品、生物制藥以及疫苗等，同時也對凍干機提出了嚴苛的要求?，F(xiàn)有某制藥企業(yè)所用的凍干機設(shè)備有新的設(shè)計需求，根據(jù)其進出料要求構(gòu)建新型全自動框式進出料系統(tǒng)。

1 設(shè)備簡介

某市制藥企業(yè)現(xiàn)有凍干機設(shè)備的進料流程如下：開啟凍干箱外側(cè)門，通過手動處理的方式輸入物料，最后再關(guān)閉箱門。使用這種自動化程度低的凍干機設(shè)備時，尤其是在進料環(huán)節(jié)中，必須有工作人員進行操作，如果未做好安全防護工作，最終產(chǎn)品可能會被污染，整批制品都會出現(xiàn)報廢的潛在風(fēng)險，對公司造成嚴重的損失。因此需要對該設(shè)備進料與出料裝置進行改造，盡量減少人為操作，以此來實現(xiàn)對外部污染途徑的控制。

手動操作進出料裝置被自動卸料平臺取代，以此擺脫人工操作，實現(xiàn)自動進料。設(shè)備控制系統(tǒng)由觸摸屏與PLC共同構(gòu)成，相比原有的單片機系統(tǒng)更為耐用與穩(wěn)定，設(shè)備可提供人機交互模式，真彩觸摸屏的實際分辨率也比較高，參數(shù)系統(tǒng)被縮減，所有的操作都變得更為簡單。設(shè)備出現(xiàn)故障后，還可發(fā)出報警信息。

2 進出料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

了解該制藥企業(yè)所用的凍干機的原有進出料裝置存在問題之后，可對裝置的結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，確保裝置本身與電氣系統(tǒng)能夠保持高度配合，實現(xiàn)無人工干預(yù)與全自動化的設(shè)計目標，裝置可在缺少人工干預(yù)的條件下精準地完成出料與送料工作，設(shè)備的結(jié)構(gòu)由如下部分構(gòu)成：進出料門、傳送帶、推桿、直線型導(dǎo)軌、橋接系統(tǒng)、脫框與套框系統(tǒng)、推瓶桿、氣缸、刮板、同步帶與伺服電機設(shè)備。

該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運行情況如下：利用機架系統(tǒng)可以將該進出料裝置直接與凍干機設(shè)備相連接，處于設(shè)備的正面位置。進料門與傳送帶相對設(shè)置，固定系統(tǒng)的外側(cè)部位時使用了直線導(dǎo)軌系統(tǒng)，進料推桿被設(shè)定到直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的前方，推桿中設(shè)有真空吸盤，另外的直線導(dǎo)軌可支持出料活動，處于橋接平臺裝置的正前方區(qū)域。直線型出料導(dǎo)軌系統(tǒng)中同樣使用了推瓶桿部件，脫框平臺處于橋接平臺右邊，傳送帶被設(shè)置到脫框平臺處，除此之外該處還有刮板與脫框氣缸，將同步帶與刮板兩側(cè)緊固連接，輸送鏈系統(tǒng)由伺服電機設(shè)備、傳動輪與同步帶共同構(gòu)成?？蛳到y(tǒng)處的邊框可保持上下翻動的狀態(tài)，另外后方還設(shè)有勾邊，翻動邊框之后，后方還可開設(shè)溝槽。進料系統(tǒng)中傳動帶與門之間存在橋接平臺。設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

機箱單元中設(shè)有電氣系統(tǒng)，可對進出料裝置進行有效支撐，輸送線單元的主要輸送對象為瓶子，推瓶機構(gòu)可將產(chǎn)品以平緩的方式移動到滑板與緩存平臺處，將瓶子從一條輸送線轉(zhuǎn)移到其他輸送線時需利用連接轉(zhuǎn)盤機構(gòu)，堵瓶系統(tǒng)可使不同排的瓶子保持合適的間隙;截瓶機構(gòu)則幫助攔截瓶子。操作人員在調(diào)控該系統(tǒng)時，利用觸摸屏來調(diào)整與設(shè)定參數(shù)，對設(shè)備運輸情況進行監(jiān)督，最后階段可利用推框機構(gòu)推出瓶子，使其被輸送到對接平臺處[1]。

這種裝置設(shè)計方式可以使自動裝卸料的加工處理工作順暢展開，進出料節(jié)奏加快，除了有效抑制了物料污染問題之外，還不會出現(xiàn)倒瓶的狀況，整個系統(tǒng)的安全性也得以提升，減少人力成本，產(chǎn)品合格率超過99%。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制器

為保障系統(tǒng)形成最高的生產(chǎn)水平并增強其易用性，選擇了SIMATIC S7-300控制器，實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)中的控制需求。相比該系列原有的控制器，該型號功能豐富，整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，可給進出料裝置提供持續(xù)化的技術(shù)支持，具有模塊化的結(jié)構(gòu)，多項功能均已形成可擴展性。

控制器內(nèi)部組件構(gòu)成豐富，中央處理器可對用戶程序進行有效執(zhí)行，系統(tǒng)除了有主電源之外，還設(shè)有多個備用電源;信號模塊支持信號輸出與輸入活動，與原有系統(tǒng)不同，系統(tǒng)新增了通信模塊與工藝模塊[2]。該編程控制器內(nèi)部使用了多種創(chuàng)新技術(shù)手段，技術(shù)標準也隨之更新，生產(chǎn)效率水平提升得極為明顯?？刂破飨到y(tǒng)的適用性比較強，使用小型設(shè)備時控制器可妥善控制設(shè)備運行。

本項目中的進出料裝置構(gòu)造復(fù)雜，對運行精準度與速度均有嚴格的要求，該控制器同樣可滿足控制應(yīng)用標準。將可編程控制系統(tǒng)與該控制器無縫集成，強化組態(tài)效果，提升組態(tài)運行效率，可編程控制系統(tǒng)還幫助形成穩(wěn)定安全的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計者與使用者都可以更多地關(guān)注設(shè)計產(chǎn)品的過程。產(chǎn)品開發(fā)的全過程均可被重視，并行工程建設(shè)的目標也可隨之達成。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

進行系統(tǒng)調(diào)試需先完成軟件安裝的工作，兼顧到所需軟件的版本，需要安裝伺服驅(qū)動器所需的設(shè)置性軟件，同時還要使用伺服控制器的編程軟件，確定其能夠適用Compax3 T30、T40版本?？紤]T40版本，需對CAM編輯軟件進行選擇。在運行系統(tǒng)中找出[3S software]-[CoDeSys V2.3]-InstallTarget，直接點擊Open按鈕，找出Compax3.tnf按鈕，點擊Install按鈕，這一操作步驟適合被運用到T40與T30版本中，進行操作之后，可將伺服控制器的軟件系統(tǒng)中的庫文件有效安裝，其使用的下載地址與Codesys相同。除了安裝以上軟件之外，還需進行幫助軟件的安裝，將ServoManager打開，選擇[？]-[Help]按鍵，而后將需要使用的幫助文件一一找出，從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中獲取幫助文件，也可運用已有的幫助文件。確定所有的軟件都無問題后才可進行后續(xù)操作。完成軟件安裝工作之后，需針對驅(qū)動器進行連線操作，而后設(shè)定伺服驅(qū)動器的基本參數(shù)，最后進行編寫與調(diào)試PLC程序的工作。

在TIA Portal V14軟件的基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)的人機界面所需的軟件進行了研發(fā)，該軟件可以給使用者展示數(shù)個功能畫面，以此支持自動控制或者切換手動控制的功能，除了基礎(chǔ)的控制功能之外，軟件還能夠幫助對進出料系統(tǒng)進行安全控制，采集進出料系統(tǒng)運行期間的各類數(shù)據(jù)。

應(yīng)用軟件時，應(yīng)注意設(shè)置正確的信號源位置，根據(jù)編碼的具體線數(shù)確定具體對應(yīng)的長度數(shù)值，可調(diào)整計數(shù)方向[3]。另外參數(shù)優(yōu)化處理工作也必須正常進行，進入優(yōu)化參數(shù)的頁面，根據(jù)頁面提供的具體功能來調(diào)整參數(shù)，包括定位、點動與回零，慣性測試、參數(shù)值觀測、I/O模擬等功能。當(dāng)前使用軟件的示波器功能可幫助對兩個通道進行檢測，完成所有的參數(shù)調(diào)整工作之后，需對VP進行點擊，實現(xiàn)掉電保存需求，將之前的錯誤操作去除[4]。

3.3 電氣控制實現(xiàn)

設(shè)計電氣控制系統(tǒng)時，需要先確認電機設(shè)備的編號與主要功能，在該系統(tǒng)中，1號到11號電機屬于網(wǎng)帶電機，同時也是變頻電機，12號電機屬于花盤伺服電機，14號電機屬于套框電機，15號電機是推料電機，16號電機是升降電機，19號電機為轉(zhuǎn)盤電機。

進料系統(tǒng)中，灌裝機輸送出西林瓶，1號、2號、3號與4號網(wǎng)帶電機立即啟動，花盤電機保持尋零狀態(tài)。檢測到進料傳感器M13.0與M12.4之后，12號花盤電機隨之啟動，在旋轉(zhuǎn)到一定位置后會停止，花盤電機計數(shù)準備工作隨之結(jié)束。5號網(wǎng)帶電機與12號花盤電機同時運行，花盤電機完成計數(shù)活動之后停止運行，網(wǎng)帶電機將會持續(xù)運行，抵達目標處之后，停止運轉(zhuǎn)。16號推料電機展開小推控制活動，如檢測到進料多瓶時無法繼續(xù)小推活動，剔瓶后繼續(xù)，一次小推活動結(jié)束。14號套框電機下降到一定位置展開套框活動，下降到位之后，6號電機停止運行，15號推料電機展開大推活動，框抵達一定位置后系統(tǒng)可發(fā)出信號，接通M13.2時，大推活動隨著14號套框電機由原來的位置上升，進料理瓶一個回合完成。

出料系統(tǒng)中，堵瓶信號與M13.5保持接通狀態(tài)時，7號、8號與9號網(wǎng)帶電機停止運行。一號凍干機進行出料活動，7號、8號、9號、10號、11號與19號電機運轉(zhuǎn);二號凍干機進行出料，9號、10號、11號與19號電機啟動，M14.5與脫框計數(shù)信號接通，9號網(wǎng)帶電機設(shè)備停止運轉(zhuǎn);M14.4與脫框到位信號接通，10號網(wǎng)帶電機將不再運行，16號升降電機開始上升活動;10號網(wǎng)帶電機運轉(zhuǎn)，M14.6與脫框完成信號保持斷開狀態(tài)，16號升降電機向下降;M14.4與脫框到位信號形成斷開狀態(tài)后，9號網(wǎng)電機運行。

4 性能測試

性能測試工作主要圍繞產(chǎn)品的機械特性展開，現(xiàn)對進料裝置的輸送系統(tǒng)的功能、應(yīng)用工藝與電氣控制情況進行測定，并展示測試結(jié)果。根據(jù)客戶提出的設(shè)備使用需求，其基本功能必須有效實現(xiàn)，改造時要注重對產(chǎn)品的尺寸進行把控，同時考慮到相關(guān)設(shè)備如灌裝機與包裝設(shè)備的配合應(yīng)用需求，確保改造之后的進出料系統(tǒng)仍舊能夠被運用到廠房中。有調(diào)整與操作需求的設(shè)備部件應(yīng)當(dāng)被設(shè)置到操作人員觸手可及的位置，以便確保觀察與操作的便捷性。凍干機門前的網(wǎng)帶系統(tǒng)必須為可移動的，對接需確保牢固性與簡易度，不可受到經(jīng)常性的移動影響，而出現(xiàn)對接偏移的結(jié)果。凍干框的尺寸達標的同時，還需在偏短的一側(cè)使用聚四氟材料，以此來消除凍干隔板與凍干框間的摩擦。箱門與過渡板之間具有較強的聯(lián)動性，網(wǎng)帶展開自動脫框活動時，整體運行狀態(tài)相對順暢。

5 總結(jié)

本文分析了凍干機進出料過程存在的問題，開發(fā)設(shè)計了全新的自動化框式進出料系統(tǒng)，該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)合理，利用了電氣控制技術(shù)來控制該系統(tǒng)，選用的控制器與軟件均屬于可信度較高的品牌型號。對進出料系統(tǒng)的構(gòu)造與運行情況進行分析后，還詳細地闡述了電氣控制系統(tǒng)設(shè)置與應(yīng)用狀況。該系統(tǒng)可以達到良好的控制效果，在進行了性能測試后確定進出料裝置不僅達到預(yù)期功能目標，其工藝應(yīng)用效果與電氣控制系統(tǒng)均無問題。這套裝置切實地解決了凍干機設(shè)備應(yīng)用過程中的污染隱患，提升了企業(yè)生產(chǎn)效益，具備推廣使用的價值。

【參考文獻】

[1]劉志強，於永幸，樓唯，et al.符合GMP規(guī)范及歐盟標準的高性價比凍干機西林瓶全自動進出料料車創(chuàng)研報告[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2015（6）：10-15.

[2]於永幸.2013年底最新推出的醫(yī)用真空冷凍干燥機全自動進出料系統(tǒng)介紹[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2014（1）：14-18.

[3]王敏，周曉華.剁齒機全自動送料裝置的設(shè)計[J].機械制造，2015，53（3）：15-17.

[4]葉金雨，韓凱文，張曉光，et al.一種纏繞式硬幣自動包裝裝置的開發(fā)設(shè)計[J].化學(xué)工程與裝備，2017（9）：222-224.