冷凍式干燥機(簡稱凍干機)是藥品凍干生產過程中的重要工藝裝備,能夠保證藥品在凍干腔室內的無菌狀態下完成干 燥、解吸附除水分和全壓塞等操作。冷凍式干燥機不僅要保證能長期、 穩定、安全的運行,還必須符合 GMP 的要求。
為此,開發一套全自動裝卸料系統,將凍干系統與灌裝系統連線操作,排除人的主觀性對生產過程的影響。系統較為復雜, 國內還沒有這種系統用運于生產。針對冷凍式干燥機自動裝卸料系統 的研究與開發而提出的,該系統涉及到自動裝卸料系統設計、輔助系統設計及自動控制等方面。
首先,選擇和擬定自動裝卸料系統設計方案。凍干機自動裝卸料方式主要有三種,分別是:批裝料和卸料方式、平板式裝料 和卸料方式、行式裝料和卸料方式,后兩種應用較多。這兩種裝 卸料系統各有優缺點:一套平板式裝卸料系統可為多臺凍干機 設備裝卸料,但系統價格較行式裝卸料系統要高,而且由于平板 式裝卸料系統的小車需要導軌作為動力源,在系統整體消毒及 生產過程中會帶來不便;生產線的生產效率對自動裝卸料系統 的選擇有決定性的作用,行式裝卸料系統有較高的生產效率,生 產線的投資也較平板式裝卸料系統低,而且行式裝卸料系統的 占地面積較小,可以節省無菌室空間。因此,本系統采用行式裝卸料方式。
行式裝卸料系統工作原理如下:皮帶傳送裝置將西林瓶從灌裝線上傳輸至冷凍式干燥機前,并通過傳送裝置將西林瓶排列和定位好。光電傳感器標定西林瓶的個數,使一排西林瓶的長度尺寸和冷凍式干燥機擱板的尺寸相符合。整料機械手將排列和定位好的西林 瓶由輸送帶送至過渡板上。另一光電傳感器標定整料機構送來 的西林瓶行數,當排列好的西林瓶數目與擱板規定數目相符合 時,料機構將西林瓶推入擱板,完成一層擱板的上料。這個過程 不斷地循環,直至所有擱板全部裝滿。系統卸料時,把西林瓶通過小門推到送料機上,再由送料系統傳送至下一個工位。系統通 過機架機構連接為一個整體,控制系統控制整個系統的自動運 行。由于凍干機工作環境的特殊性,系統動力元件選用直線電 機,結構簡單。系統原理框圖,如圖 1 所示。
圖 1 自動裝卸料系統結構組成框圖
系統運行過程為:凍干箱 5 的上料小門打開,擱板運動至指定高度位置。裝卸料系統檢測到有輸入信號后,電機四啟動,過 渡板向前運動.運動到位后電機五啟動,過渡板向上運動,運動 到位后導向抨電機啟動,導向擰開始進入凍于機擱板,運動到位 后電機三啟動,送料機構開始工作,把西林瓶從灌裝線運送入整 料機械手。西林瓶排滿后.機械手向前運動,將西林瓶送至過渡 板,而后機械手抬起、后退、下落,機械手完成了一個工作循環。 在機械孚第二次將西林瓶從輸送線送至過渡板時..在排料機構 和防倒瓶機構的協同作用下,將第一次送來的西林瓶向擱板里 層推進一個西林瓶直徑的位置。如此循環,將西林瓶不斷送入凍 干機擱板上。在過渡板上裝有傳感器,當傳感器檢測到送料數目 與程序設定值一致時.終推料機構啟動.將所有的西林瓶推至指 定位置,完成此擱板的裝料任務。此后.排料機構也機啟動,排料 機構從擱板中退出.而后過渡板電機啟動,過波板下降、后退.退 出凍于極送料小門??刂葡到y發出指令.下一擱板運動至裝料位 置裝料。如此循環直至凍于機所有擱握全部裝料完畢。凍于結束 之后,控制系統發出指令,裝卸料小門打開,過波機構首先運動 至指定位置,接著排料機構進入凍干饑擱板。在排料機構中裝有 出料籽,由步進電機帶動同步帶.將所有西林瓶一次由擱板送至 輸送帶機構上,由輸送機構送至下一個生產工位。至此完成了一 次完整的裝卸料過程。裝部料系統機構簡圖,如圖 2 所示。
圖 2 裝卸科系統機構簡圖
自動裝卸料系統主要采用電動元件為執行元件,控制的關鍵是實現電機的順序自動控制,同時要實現凍于機與自動裝卸 料系統之間的通訊及數據傳輸,作為一個整體對象實現系統功 能。為了提高系統可靠性和實時性,本控制系統決定采用基于 PC 控制方案,同時采用 PLC 控制技術和現場總錢(Profibus)控制技術。
在冷凍式干燥機系統控制中,多數高檔機都應用工業控制機作控制,但產品價格相對較高。在該控制系統中上位機采用工業微機 (PC) ,下位機采用西門子中小型可編程控制器(S7-3∞)。上位 機實現的功能主要是:監測和控制下位機(PLC),并對故障進行 檢測和報警。下位機 PLC 負責現場數據采集及控制電磁閩、各 驅動電機等執行機構。采用西門子Profibus 現場總線技術實現 遠程控制,Profibus DP 現場總線的主控模塊選用 Siemens S7-3∞集成有 DP 接的 CPU。
對控制任務的分析和軟件的編制,是 PLC 控制系統設計的兩個關鍵環節。通過對控制任務的分析,確定 PLC 控制系統的硬件構成和軟件工作過程;通過軟件的編制,實現被控對象的動
作關系??刂品桨傅恼w配置圖,如圖3所示。
圖3基于Pc控制系統配置框圖
設計的步驟為:
(1)本次設計的自動裝卸料系統采用PLC作為整臺機器動作的控制核心,使機器完成一系列動作。整個工藝過程可以大致分為四個部分:送料、整料、推料、出料。四部分的動作均由電機驅動,電機由接近開關控制。過渡板的前進,后退及上升廠F降、導向桿的前進,后退、機械手的上升,下降及前進,后退、終推料桿的前進,后退都是由接近開關控制。
(2)分析各個子任務中執行機構的工作過程。通過對各個子任務執行機構動作過程的分析,畫出動作邏輯關系圖,列出輸入信號和輸出信號,列出要實現的非邏輯功能。對于輸入信號,每個按鈕、接近開關、開關式傳感器等作為輸入信號占用一個輸入點,接觸器的輔助觸點不需要輸入PLC,不作為輸入信號。對于輸出信號,每個輸出執行器件,如接觸器、電磁閥等,均作為輸出信號占用一個輸出點,對于狀態顯示,如果是輸出執行器件的動作顯示,可與輸出執行器件共用輸出點,不再作為新的輸出信號;如果是非動作顯示,如“運行”、“停止”、“故障”等指示,應作為輸出信號占用輸出點。
(3)PLC配置及程序設計。在本系統中,選用西門子$7-300PLC,中央處理單元選用CUP315—2DP,輸入模塊選用兩片SM321DI32xDC24V模塊,每l6點為一組,控制25個輸入信號;輸出模塊選用一片SM322 DO32xDC24V/0.5A高速數字量輸出模塊。在自動裝卸料系統控制程序設計過程中,大量的信號為數字量信號,因此本程序設計運用順序控制梯形圖設計方法。在設計過程中,系統的工作程序設有人工和自動兩種控制方式。啟動自動工作程序之前,系統必須處于要求的初始狀態。如果系統的狀態不滿足啟動自動程序的要求,需要進入手動工作模式,使系統進入規定的初始狀態,然后回到自動工作模式。
根據凍干機生產實際狀況,提出了凍干機自動裝卸料系統設計方案,設計了系統機械結構,分析了各個機構的原理及實現方法。提出了基于Pc控制、同時采用PLC控制技術和現場總線(Profibus)技術的自動裝卸料控制系統。采用開放式數據總線結構,將凍干機與自動裝卸料通過總線連接,實現了整個凍干系統的自動運行。
本文由曹輝、蔣剛、張鎖懷著作。
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