李文斌

【摘 要】?jī)龈蓹C(jī)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(jī)研發(fā)技術(shù)水平提升，自動(dòng)化凍干機(jī)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(jī)設(shè)備為例，對(duì)其進(jìn)出料系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成全自動(dòng)化框式系統(tǒng)，調(diào)整進(jìn)料流程，提升進(jìn)料效率，改善凍干機(jī)應(yīng)用效果，避免加工所得制品被交叉污染，對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)工作展開探討。

【關(guān)鍵詞】?jī)龈蓹C(jī);全自動(dòng)框式;進(jìn)出料裝置;設(shè)計(jì)開發(fā)

中圖分類號(hào)： TQ460.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）16-0026-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.011

現(xiàn)代凍干機(jī)設(shè)備依靠物質(zhì)的升華原理與真空條件，對(duì)處理對(duì)象的水分進(jìn)行凍結(jié)，使其升華成水蒸氣，進(jìn)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(shí)具有良好的復(fù)水性，有利于長(zhǎng)期運(yùn)輸與儲(chǔ)存。醫(yī)療行業(yè)中使用凍干機(jī)的情況極多，包括制備保健品、生物制藥以及疫苗等，同時(shí)也對(duì)凍干機(jī)提出了嚴(yán)苛的要求。現(xiàn)有某制藥企業(yè)所用的凍干機(jī)設(shè)備有新的設(shè)計(jì)需求，根據(jù)其進(jìn)出料要求構(gòu)建新型全自動(dòng)框式進(jìn)出料系統(tǒng)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

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

手動(dòng)操作進(jìn)出料裝置被自動(dòng)卸料平臺(tái)取代，以此擺脫人工操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)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(jī)系統(tǒng)更為耐用與穩(wěn)定，設(shè)備可提供人機(jī)交互模式，真彩觸摸屏的實(shí)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(jiǎn)單。設(shè)備出現(xiàn)故障后，還可發(fā)出報(bào)警信息。

2 進(jìn)出料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

了解該制藥企業(yè)所用的凍干機(jī)的原有進(jìn)出料裝置存在問題之后，可對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，確保裝置本身與電氣系統(tǒng)能夠保持高度配合，實(shí)現(xiàn)無(wú)人工干預(yù)與全自動(dòng)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，裝置可在缺少人工干預(yù)的條件下精準(zhǔn)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(jìn)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(jī)設(shè)備。

該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)行情況如下：利用機(jī)架系統(tǒng)可以將該進(jìn)出料裝置直接與凍干機(jī)設(shè)備相連接，處于設(shè)備的正面位置。進(jìn)料門與傳送帶相對(duì)設(shè)置，固定系統(tǒng)的外側(cè)部位時(shí)使用了直線導(dǎo)軌系統(tǒng)，進(jìn)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(dòng)，處于橋接平臺(tái)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(tái)處于橋接平臺(tái)右邊，傳送帶被設(shè)置到脫框平臺(tái)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(jī)設(shè)備、傳動(dòng)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(dòng)的狀態(tài)，另外后方還設(shè)有勾邊，翻動(dòng)邊框之后，后方還可開設(shè)溝槽。進(jìn)料系統(tǒng)中傳動(dòng)帶與門之間存在橋接平臺(tái)。設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

機(jī)箱單元中設(shè)有電氣系統(tǒng)，可對(duì)進(jìn)出料裝置進(jìn)行有效支撐，輸送線單元的主要輸送對(duì)象為瓶子，推瓶機(jī)構(gòu)可將產(chǎn)品以平緩的方式移動(dòng)到滑板與緩存平臺(tái)處，將瓶子從一條輸送線轉(zhuǎn)移到其他輸送線時(shí)需利用連接轉(zhuǎn)盤機(jī)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(jī)構(gòu)則幫助攔截瓶子。操作人員在調(diào)控該系統(tǒng)時(shí)，利用觸摸屏來(lái)調(diào)整與設(shè)定參數(shù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)輸情況進(jìn)行監(jiān)督，最后階段可利用推框機(jī)構(gòu)推出瓶子，使其被輸送到對(duì)接平臺(tái)處[1]。

這種裝置設(shè)計(jì)方式可以使自動(dòng)裝卸料的加工處理工作順暢展開，進(jìn)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(huì)出現(xiàn)倒瓶的狀況，整個(gè)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(jì)

3.1 控制器

為保障系統(tǒng)形成最高的生產(chǎn)水平并增強(qiáng)其易用性，選擇了SIMATIC S7-300控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)功能豐富，整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，可給進(jìn)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(xiàng)功能均已形成可擴(kuò)展性。

控制器內(nèi)部組件構(gòu)成豐富，中央處理器可對(duì)用戶程序進(jìn)行有效執(zhí)行，系統(tǒng)除了有主電源之外，還設(shè)有多個(gè)備用電源;信號(hào)模塊支持信號(hào)輸出與輸入活動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，使用小型設(shè)備時(shí)控制器可妥善控制設(shè)備運(yùn)行。

本項(xiàng)目中的進(jìn)出料裝置構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行精準(zhǔn)度與速度均有嚴(yán)格的要求，該控制器同樣可滿足控制應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。將可編程控制系統(tǒng)與該控制器無(wú)縫集成，強(qiáng)化組態(tài)效果，提升組態(tài)運(yùn)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(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者與使用者都可以更多地關(guān)注設(shè)計(jì)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(biāo)也可隨之達(dá)成。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

進(jìn)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(dòng)器所需的設(shè)置性軟件，同時(shí)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(duì)CAM編輯軟件進(jìn)行選擇。在運(yùn)行系統(tǒng)中找出[3S software]-[CoDeSys V2.3]-InstallTarget，直接點(diǎn)擊Open按鈕，找出Compax3.tnf按鈕，點(diǎn)擊Install按鈕，這一操作步驟適合被運(yùn)用到T40與T30版本中，進(jìn)行操作之后，可將伺服控制器的軟件系統(tǒng)中的庫(kù)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(jìn)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(yùn)用已有的幫助文件。確定所有的軟件都無(wú)問題后才可進(jìn)行后續(xù)操作。完成軟件安裝工作之后，需針對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行連線操作，而后設(shè)定伺服驅(qū)動(dòng)器的基本參數(shù)，最后進(jìn)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(duì)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面所需的軟件進(jìn)行了研發(fā)，該軟件可以給使用者展示數(shù)個(gè)功能畫面，以此支持自動(dòng)控制或者切換手動(dòng)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(duì)進(jìn)出料系統(tǒng)進(jìn)行安全控制，采集進(jìn)出料系統(tǒng)運(yùn)行期間的各類數(shù)據(jù)。

應(yīng)用軟件時(shí)，應(yīng)注意設(shè)置正確的信號(hào)源位置，根據(jù)編碼的具體線數(shù)確定具體對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度數(shù)值，可調(diào)整計(jì)數(shù)方向[3]。另外參數(shù)優(yōu)化處理工作也必須正常進(jìn)行，進(jìn)入優(yōu)化參數(shù)的頁(yè)面，根據(jù)頁(yè)面提供的具體功能來(lái)調(diào)整參數(shù)，包括定位、點(diǎn)動(dòng)與回零，慣性測(cè)試、參數(shù)值觀測(cè)、I/O模擬等功能。當(dāng)前使用軟件的示波器功能可幫助對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行檢測(cè)，完成所有的參數(shù)調(diào)整工作之后，需對(duì)VP進(jìn)行點(diǎn)擊，實(shí)現(xiàn)掉電保存需求，將之前的錯(cuò)誤操作去除[4]。

3.3 電氣控制實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)時(shí)，需要先確認(rèn)電機(jī)設(shè)備的編號(hào)與主要功能，在該系統(tǒng)中，1號(hào)到11號(hào)電機(jī)屬于網(wǎng)帶電機(jī)，同時(shí)也是變頻電機(jī)，12號(hào)電機(jī)屬于花盤伺服電機(jī)，14號(hào)電機(jī)屬于套框電機(jī)，15號(hào)電機(jī)是推料電機(jī)，16號(hào)電機(jī)是升降電機(jī)，19號(hào)電機(jī)為轉(zhuǎn)盤電機(jī)。

進(jìn)料系統(tǒng)中，灌裝機(jī)輸送出西林瓶，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)與4號(hào)網(wǎng)帶電機(jī)立即啟動(dòng)，花盤電機(jī)保持尋零狀態(tài)。檢測(cè)到進(jìn)料傳感器M13.0與M12.4之后，12號(hào)花盤電機(jī)隨之啟動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)到一定位置后會(huì)停止，花盤電機(jī)計(jì)數(shù)準(zhǔn)備工作隨之結(jié)束。5號(hào)網(wǎng)帶電機(jī)與12號(hào)花盤電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，花盤電機(jī)完成計(jì)數(shù)活動(dòng)之后停止運(yùn)行，網(wǎng)帶電機(jī)將會(huì)持續(xù)運(yùn)行，抵達(dá)目標(biāo)處之后，停止運(yùn)轉(zhuǎn)。16號(hào)推料電機(jī)展開小推控制活動(dòng)，如檢測(cè)到進(jìn)料多瓶時(shí)無(wú)法繼續(xù)小推活動(dòng)，剔瓶后繼續(xù)，一次小推活動(dòng)結(jié)束。14號(hào)套框電機(jī)下降到一定位置展開套框活動(dòng)，下降到位之后，6號(hào)電機(jī)停止運(yùn)行，15號(hào)推料電機(jī)展開大推活動(dòng)，框抵達(dá)一定位置后系統(tǒng)可發(fā)出信號(hào)，接通M13.2時(shí)，大推活動(dòng)隨著14號(hào)套框電機(jī)由原來(lái)的位置上升，進(jìn)料理瓶一個(gè)回合完成。

出料系統(tǒng)中，堵瓶信號(hào)與M13.5保持接通狀態(tài)時(shí)，7號(hào)、8號(hào)與9號(hào)網(wǎng)帶電機(jī)停止運(yùn)行。一號(hào)凍干機(jī)進(jìn)行出料活動(dòng)，7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)與19號(hào)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);二號(hào)凍干機(jī)進(jìn)行出料，9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)與19號(hào)電機(jī)啟動(dòng)，M14.5與脫框計(jì)數(shù)信號(hào)接通，9號(hào)網(wǎng)帶電機(jī)設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn);M14.4與脫框到位信號(hào)接通，10號(hào)網(wǎng)帶電機(jī)將不再運(yùn)行，16號(hào)升降電機(jī)開始上升活動(dòng);10號(hào)網(wǎng)帶電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，M14.6與脫框完成信號(hào)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，16號(hào)升降電機(jī)向下降;M14.4與脫框到位信號(hào)形成斷開狀態(tài)后，9號(hào)網(wǎng)電機(jī)運(yùn)行。

4 性能測(cè)試

性能測(cè)試工作主要圍繞產(chǎn)品的機(jī)械特性展開，現(xiàn)對(duì)進(jìn)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(jìn)行測(cè)定，并展示測(cè)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(shí)現(xiàn)，改造時(shí)要注重對(duì)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行把控，同時(shí)考慮到相關(guān)設(shè)備如灌裝機(jī)與包裝設(shè)備的配合應(yīng)用需求，確保改造之后的進(jìn)出料系統(tǒng)仍舊能夠被運(yùn)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(jī)門前的網(wǎng)帶系統(tǒng)必須為可移動(dòng)的，對(duì)接需確保牢固性與簡(jiǎn)易度，不可受到經(jīng)常性的移動(dòng)影響，而出現(xiàn)對(duì)接偏移的結(jié)果。凍干框的尺寸達(dá)標(biāo)的同時(shí)，還需在偏短的一側(cè)使用聚四氟材料，以此來(lái)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(qiáng)的聯(lián)動(dòng)性，網(wǎng)帶展開自動(dòng)脫框活動(dòng)時(shí)，整體運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)順暢。

5 總結(jié)

本文分析了凍干機(jī)進(jìn)出料過程存在的問題，開發(fā)設(shè)計(jì)了全新的自動(dòng)化框式進(jìn)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(lái)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(hào)。對(duì)進(jìn)出料系統(tǒng)的構(gòu)造與運(yùn)行情況進(jìn)行分析后，還詳細(xì)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(dá)到良好的控制效果，在進(jìn)行了性能測(cè)試后確定進(jìn)出料裝置不僅達(dá)到預(yù)期功能目標(biāo)，其工藝應(yīng)用效果與電氣控制系統(tǒng)均無(wú)問題。這套裝置切實(shí)地解決了凍干機(jī)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(jià)值。

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