藥品灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)前端子系統(tǒng)設(shè)計

郭銳，黃劼

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610065)

根據(jù)制藥設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的實際需求研發(fā)粉針灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)。基于前端子系統(tǒng)的設(shè)計思路和工作原理，設(shè)計主從式檢測架構(gòu)，能夠并行處理傳感器電壓數(shù)據(jù)，減緩各單元檢測壓力，有效提高檢測速度；此外，設(shè)計二級放大電路為前端采集單元硬件架構(gòu)，能有效減少系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間，避免將無用的噪音放大。根據(jù)具體實驗結(jié)果，該系統(tǒng)能有效克服灌裝線上的振動和干擾，實現(xiàn)0.5-2g粉針誤差小于±2%的在線稱重，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

實時重量檢測；主從式檢測系統(tǒng)；二級放大電路

0 引言

由于藥品的特殊性，國家相關(guān)部門對其計量包裝有嚴(yán)格的要求，藥品計量不準(zhǔn)問題不僅會給制藥企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益和聲譽(yù)的損失，更會影響藥品療效甚至威脅到服用者的生命安全[1]。在灌裝藥品的同時在線檢測藥品重量既可以使質(zhì)量檢測全覆蓋，保證藥品質(zhì)量的可靠性，又能有效提高藥品生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率。根據(jù)形態(tài)藥品不同，藥品在線檢測系統(tǒng)的技術(shù)難度也不同，其中粉針[2](粉狀藥品)的灌裝量較小(一般在0.2g到3g)，灌裝過程速度快且有連續(xù)和脈動型震動干擾，對在線檢測系統(tǒng)的抗干擾能力和實時性要求很高，是制藥行業(yè)急需解決的技術(shù)問題，例如梅特勒-托利多公司研制了用于藥品在線稱重的StarWeigh XS自動檢重秤，可以有效提高提高生產(chǎn)率、增強(qiáng)安全性并且具有較強(qiáng)的靈活性，能夠集成到多種制藥生產(chǎn)過設(shè)備[3]。而完善解決這一問題的方案和設(shè)備國內(nèi)至今未見報道[4]。本文采用主從式架構(gòu)及具有良好環(huán)境適應(yīng)性的信號處理電路完成信號采集和數(shù)據(jù)處理，滿足了在線測量的技術(shù)要求，本研究有助于獲得擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)技術(shù)和設(shè)備，從源頭上提高粉針計量包裝的準(zhǔn)確性，對提高藥品的安全性，推動制藥設(shè)備的技術(shù)發(fā)展有重大意義。

1 藥品灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)工作流程及整體框架

本系統(tǒng)采用主從式架構(gòu)，與國內(nèi)主流粉針灌裝設(shè)備匹配, 分別稱取灌裝前空瓶及灌裝后滿瓶的重量，相減獲得藥品灌裝重量。藥品灌裝量為0.5～2g, 最大稱重50g(含藥瓶)，根據(jù)藥典規(guī)定，藥粉灌裝誤差小于±2%，因此，系統(tǒng)絕對應(yīng)誤差小于10mg，相對誤差小于0.02%。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig. 1 The principle of system

藥品灌裝線在線稱重系統(tǒng)架構(gòu)及工作流程如圖1所示。系統(tǒng)由四部分組成：①上位機(jī)：為用戶提供直觀的系統(tǒng)工作監(jiān)控平臺，同時通過數(shù)據(jù)處理，完成灌裝量合格性判斷，通過底層調(diào)度模塊和PLC中繼控制的機(jī)械臂剔除不達(dá)標(biāo)的藥瓶。②調(diào)度模塊：數(shù)據(jù)和命令中轉(zhuǎn)站，信號采集模塊通過調(diào)度模塊的中繼將稱重數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)通過調(diào)度模塊的中轉(zhuǎn)將控制命令發(fā)送至信號采集子模塊和PLC。③信號采集模塊：用于采集稱重信號，將信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、均值濾波及放大處理，上傳至通信模塊。④稱重傳感器：用于檢測藥瓶灌裝前后的質(zhì)量，與信號采集模塊中的模擬信號處理模塊相連。

按照灌裝設(shè)備的工作流程灌裝線分為三個區(qū)域：底層灌裝線傳送鏈由PLC控制，做步進(jìn)式間歇運(yùn)動，藥瓶在傳送鏈帶動下按照箭頭所示方向傳動，每四個藥瓶為一組。灌裝線的中間區(qū)域為粉針灌裝區(qū)；兩側(cè)為空瓶稱重區(qū)和滿瓶稱重區(qū)，這兩個稱重區(qū)都安裝有機(jī)械臂，用于將藥瓶抓取到并排的四個稱重傳感器上。灌裝線的傳動和機(jī)械臂的動作都由PLC控制，PLC還與調(diào)度模塊相連。同樣，四個稱重傳感器為一組，連接到一塊信號采集模塊。信號采集模塊共分兩塊，滿瓶稱重區(qū)和空瓶稱重區(qū)各一塊，分別用于稱重空瓶質(zhì)量和滿瓶質(zhì)量。

2 藥品灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)通信模塊設(shè)計

藥品灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)通信模塊主要包括硬件電路和通訊協(xié)議兩部分。該模塊主要作用是命令和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。系統(tǒng)采用主從式通信架構(gòu)，調(diào)度模塊作為主機(jī)，八路前端采集單元作為分機(jī)。

如圖2所示多機(jī)通訊架構(gòu)是指主機(jī)發(fā)送的指令廣播傳送到每一路分機(jī)或者指定的分機(jī)，而每一路分機(jī)的數(shù)據(jù)或請求只能上傳至主機(jī)，主機(jī)根據(jù)查詢方式接收分機(jī)請求或數(shù)據(jù)，分機(jī)采用點名方式發(fā)送請求或數(shù)據(jù)。主從式通信架構(gòu)能夠以中央管控的方式合理協(xié)調(diào)多機(jī)通信的邏輯和時序問題，還能及時下傳多重任務(wù)命令。該架構(gòu)能夠保證通信的完整性和可靠性，而且一路前端采集單元發(fā)生故障，不會影響到其他單元的工作狀態(tài)，使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的容錯性。

圖2 主從式檢測系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖Fig. 2 The hardware architecture of Master-slave detection system

3 實時重量檢測系統(tǒng)信號采集模塊

在信號采集子模塊中，前端采集單元是整個前端子系統(tǒng)的最重要的數(shù)據(jù)來源，分為硬件電路和控制程序。硬件電路包括模擬信號調(diào)理電路、數(shù)字信號處理電路和485通信模塊[5]，它的主要功能是稱重將傳感器的模擬信號提取并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后由485通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度模塊。

3.1 前端采集單元二級放大電路設(shè)計

藥品灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)前端子系統(tǒng)主要依靠前端采集單元采集稱重信號，經(jīng)信號采集模塊將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號還需作均值濾波處理和上傳至底層通信模塊。電路中每一路單元都設(shè)計有單片機(jī)和隔離電源模塊[6]，實現(xiàn)單元的獨立工作，可以有效從物理線路上切斷耦合途徑。

如圖3所示采集單元模擬信號電路采用兩級放大架構(gòu)。由于MAX293的輸出存在嚴(yán)重的超調(diào)和振蕩，如采用一次放大的方法，容易造成MAX293輸出的振蕩周期變長、振幅變大，同時會延長信號采集模塊的建立時間，且降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。為預(yù)防這一系列問題，采集單元采用兩級放大架構(gòu)。

圖3 采集單元模擬電路架構(gòu)Fig. 3 The analog circuit architecture of acquisition unit

MAX293濾波器置于兩次放大之間，用于提取藥品的稱重信號，經(jīng)過第二次放大后模擬信號就被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)5V模擬信號，最后信號輸入16位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)。兩級放大還可以避免將無用的噪音放大，一級放大器將稱重信號放大到MAX293的觸發(fā)電壓，二級放大用以提高信號增益和濾除MAX293振蕩波，并且增加模擬信號帶負(fù)載的能力。采用該種設(shè)計方案來處理稱重信號的優(yōu)點：電路功耗小，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單。

3.2 第一級放大器INA128

由實驗數(shù)據(jù)可知，前端模塊的模擬電路輸出電壓只有幾毫伏，因此模擬信號調(diào)理電路的總放大倍數(shù)被設(shè)定為1000倍，其中第一級放大器INA128的放大倍數(shù)為250倍。

如圖4所示模擬電路圖，INA128具有不低于120dB的共模抑制比，為了不影響放大器的共模干擾抑制能力，C8/R3和C9/R4在數(shù)值、規(guī)格、位置和布線上都嚴(yán)格對稱(8)。電容C7可以有效的減小C8和C9造成的不匹配誤差，一般C7的電容值是C8或C9的十倍，那么就能夠?qū)8 和C9的不匹配誤差減小二十倍。

圖4 模擬電路圖Fig. 4 Analog Circuit

4 藥品重量檢測數(shù)據(jù)分析

實驗發(fā)現(xiàn)，每次藥瓶被放置在傳感器上的位置不一致，導(dǎo)致稱重傳感器偏心，容易引起誤差，使測試數(shù)據(jù)的離散度變大。采用相應(yīng)的限位措施后，實驗數(shù)據(jù)離散度大大減小，均在上下限范圍內(nèi)，1000mg藥品的測試數(shù)據(jù)均值與真實值的偏差為0.85mg，滿足技術(shù)指標(biāo)。如圖5所示。

圖5 1000mg藥品實時稱重數(shù)據(jù)Fig. 5 Real time weighing data of 1000mg drugs

5 總結(jié)

將主從式檢測架構(gòu)和二級放大電路應(yīng)用到藥品灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)前端子系統(tǒng)中，能夠有效減緩各單元檢測壓力，減少系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間，避免將無用的噪音放大。經(jīng)實驗證實，采用此設(shè)計思路保證了通信的完整性和可靠性，而且一路前端采集單元發(fā)生故障，不會影響到其他單元的工作狀態(tài)，使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的容錯性。

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Design of Front-end Subsystem for Online Weighing System of Pharmaceutical Filling Line

GUO Rui, HUANG Jie
(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan Uniνersity, Chengdu 610065, China)

This topic was based on the actual research and development needs of producing online weighing system for powder-injection filling line of the pharmaceutical enterprise. Based on the design ideas and principles of front-end subsystem, designed detection of master-slave architecture, can parallel process sensor's voltage data, reduce each unit's detecting pressure, improve the detection rate. In addition, the secondary amplifier circuit for front-end acquisition unit hardware architecture, which can effectively reduce system time to stabilize, and avoid the amplification of unwanted noise. Site experiment shows that the system has effective ability to overcome the vibration and interference on the filling line, realize the error less than ±2% by weighing 0.5-2g powder-injection online, and can be applied to practical production.

online weighing; master-slave detection system; double amplification circuit

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.04

國家自然基金青年科學(xué)基金(51405314)

郭銳(1989-), 男, 碩士研究生, 精密儀器及機(jī)械, 研究方向: 智能儀器設(shè)計及應(yīng)用; 黃劼(1966-), 男, 博士, 教授, 碩士生導(dǎo)師, 研究方向: 測試技術(shù)

郭銳，黃劼．藥品灌裝線實時重量檢測系統(tǒng)前端子系統(tǒng)設(shè)計[J]．新型工業(yè)化，2015，5(1)：29-33