壓片機的計算機控制系統分析

田 冰

（丹東弘元科技有限公司，遼寧丹東118000）

0 引言

壓片機作為一個孤立設備無法成為自動化生產線上的聯控，而隨著PLC的推廣普及和大工業生產發展的需要，企業迫切需要降低成本、提高效率，為此，集散式控制系統以其“指揮權集中，控制權分散”的典型分級分布式控制結構，在大規模的控制系統中得到了廣泛的應用。上位機負責各局部控制器調度、指揮，顯示各局部控制器控制工況和運行狀態。局部控制器負責控制現場設備，且分散在各被控設備附近。單位時間內的產量主要與主轉臺的旋轉速度有關，主轉臺的速度不可能做得很高，因為轉速越高，上下沖運行過程中越易改變運行的方向，進而出現“跳沖”現象。同時，對藥片施加的壓力也越接近瞬時沖擊力，導致片劑中的空氣很難排盡，影響片劑的質量。所以，國內多數高速壓片機轉速為100多轉，本文對此進行了重新設計，有2套（3套等）壓輪，單壓轉盤旋轉1周只充填、壓縮、出片各1次，而雙壓（三壓等）壓片機在轉盤旋轉1周時進行充填、壓縮、出片各2（3等）次，產量是單壓的整數倍。設備增加了粉裝回收裝置，降低了漏粉率，使原粉得到了充分的利用。

1 技術方案

本設計解決了制藥企業遇到的“選低速壓片機產量低而選高速壓片機利用率低”的問題，采用了上位機，可以多種畫面顯示全部過程變量、控制變量和其他參數并存，同時可以直接操作各局部控制器，實現了集中操作集中監視，可通過高速數據通道與各局部控制器連接通信，協調系統控制任務，實現生產計劃、管理、決策的最優化，進而實現整個生產過程的最優化自動控制，使自動化、信息化程度進一步提高。

2 系統網絡結構

圖1為系統網絡示意圖。

如圖1所示，本設計中，工業計算機（IPC）為所述系統的控制層部分，主要包括計算機及PLC、數據傳輸單元（DTU）、PCI轉串口卡、圖像采集卡以及無線路由器（802.11b網絡，即WIFI無線網絡）。其中，計算機通過總線橋單元與PLC相連，控制器的輸出端接有各種現場器件；計算機的LAN接口通過LAN總線接至局域網；計算機的USB串口經DTU通過GPRS與遠端控制器進行信號傳送；計算機通過圖像采集卡采集圖像，其接有攝像頭；控制器的輸入端接有機內溫度傳感器、濕度傳感器、室內氣體濃度傳感器，控制器的輸出端接有聲光報警器及電控制按鈕等。計算機中存有圖像處理軟件及工業組態軟件。

本設計還具有GPRS手機、3G智能手機、數傳電臺或藍牙適配器。其中，GPRS手機通過WAP服務器與互聯網相連；3G手機通過3G服務器與互聯網相連；數傳電臺通過串口與計算機、遠程控制器相連；藍牙適配器通過藍牙局域網與控制器進行短距離信號傳輸。

圖1 系統網絡示意圖

設備層部分包括與PLC的I/O端口相連的主電機、供料器、潤滑泵、離合器、液壓泵、照明燈、吸塵器、剔廢閥、分道閥對主壓升、主壓降、預壓升、預壓降等進行控制的設備和照明設備，還有對壓片機內的溫濕度進行檢測的變送器等。具體功能如下：

（1）溫濕度檢測控制。檢測當前室內溫度值，該值被送給控制器，再經計算機讀取控制器中相應單元內的數據后，在計算機組態畫面上進行顯示，同時再由計算機將該值與設定值的差值送給控制器，以改變空調末端設備控制器的運行設定，從而達到溫度的檢測及控制。檢測當前室內濕度值，并在計算機組態畫面上顯示。

（2）采用組態軟件搭建工業控制網絡。組態技術在工業控制網絡中的應用給工控智能化帶來了全新的解決方案。采用RS485網絡使得從封閉的依賴于單個廠商的控制系統到完全可以互相操作的工業智能控制系統的轉變成為現實，可以以組態技術為依托，開發RS485兼容的智能控制節點、各種專用節點以及各種智能傳感器、執行器，搭建新一代的工業控制網絡。其間通過路由器連接。有關設備都掛接在RS485網組成的總線上。

（3）通過DTU和無線路由器實現個人電腦間通信，達到遠程監控目的。

（4）使用GPRS手機或3G手機的用戶可通過遠程GPRS手機或3G手機登陸到指定WAP網頁，即進入到與互聯網相連的控制計算機程序頁面中，選擇頁面上的控制按鈕，控制信號便從GPRS手機或3G手機發送到WAP服務器中，WAP服務器將自動判斷信號的讀、寫等類型，然后自動生成一個WAP控制文本文件，同時將此文本通過文件傳輸協議（FTP）由互聯網發送到指定的控制計算機的內存單元中，組態軟件實時讀取此內存單元中的數據，并對其串口相應控制器的變量緩存器刷新輸出。

（5）現場控制系統PLC通過通信電纜、總線橋與IPC的串口（COM1）相連接，此PLC要在IPC組態軟件中組態，并設置相應的地址及串口。

3 單個壓片機控制系統結構

圖2為壓片機控制系統示意圖。

3.1 主壓力與藥片厚度的調節控制

壓片機的主壓力及預壓力來自液壓系統，液壓系統只是提供壓片時所需的壓片力，通過觸摸屏生產/調試數據區的主壓升、降與預壓升、降來實現所提供的壓片力的調節。其值在生產/調試數據區的主液壓力、預液壓力數據位上顯示出來。實際的主壓力用片厚調節手輪來調定，調整范圍是0～9mm。順時針轉動是增加片厚（主壓片力減小），反之是減小片厚（主壓片力加大）。片厚手輪轉1圈，片厚變化0.03mm，微標刻度每格為0.0005mm。實際的主壓力在生產/調試數據區的主壓力（實際值）數據位上顯示。

3.2 劑量的控制

各種片劑有不同的劑量要求，大的劑量調節通過選擇不同沖頭直徑的沖模來實現，如有6mm、8mm、11.5mm、12mm等沖頭直徑。在選定沖模尺寸之后，微小的劑量調節是通過調節下沖伸入中模孔的深度，來改變封底后的中模孔的實際長度，調節模孔中藥物的填充體積。因此，在壓片機上有調節下沖在模孔中原始位置的機構，本設計采用伺服控制器驅動伺服電機達到精準的位置控制，使不同批號的藥粉配制比容的差異得以滿足，達到劑量調節要求。

3.3 藥片厚度及壓實程度控制

圖2 壓片機控制系統示意圖

藥物的劑量是根據處方及藥典確定的，不可更改。為了滿足貯運、保存和崩解時限要求，壓片時對一定劑量的壓力是有要求的，它將影響藥片的實際厚度和外觀。壓片時的壓力調節是必不可少的，它是通過調節上沖在模孔中的下行量來實現的。有的壓片機在壓片過程中不單有上沖下行動作，同時也有下沖上行動作，由上、下沖相對運動共同完成壓片過程。但壓力調節多是通過調節上沖下行量的機構來實現壓力調節與控制的。圖3為實現以上各種控制的電路原理圖。

圖3 壓片機電路原理圖

具體的程序流程如圖4所示。

4 壓片機機械結構

壓片機機械結構如圖5所示。

轉盤周圍均勻設置有數副上沖、下沖和中模，上沖的尾部嵌在上沖整體式余弦曲線軌道上，下沖的尾部嵌在固定于主體上的下沖上軌道和下沖下軌道上；轉盤的前后安裝有強迫加料器，轉盤旋轉時帶動中模通過強迫加料器、上壓輪和下壓輪，同時上沖和下沖隨著軌道作升降運動，實現物料的填充和擠壓，潤滑泵通過油管與各軌道相接，以實現自動潤滑。

壓片機機械部件如圖6所示，壓力傳感器裝在蝸輪箱體內，壓輪安裝在壓輪架上，壓輪架的下端與壓力傳感器連接，當沖釘與壓輪接觸時，產生的壓片力通過壓輪軸的中心直接作用在壓力變送器上。其中，主壓部件由上、下橫梁架、左右立柱、1個同時安裝2個蝸桿減速器的蝸輪箱和主壓油缸等主要部件組成。上下橫梁中分別安裝了帶有圓錐滾子軸承的上、下主壓輪。下橫梁右側安裝有主壓油缸以產生主壓片力，右立柱下端與油缸活塞桿連接。上橫梁架右側安裝有主壓力傳感器，以完成主壓力的測量。左側立柱下端與蝸桿減速箱相連，減速箱內裝有蝸輪蝸桿，分別由萬向傳動軸和2個有位置指示的手輪相連，實現片厚和上沖進入中模深度（即成形位置）的調節。預壓部件由上預壓輪、下預壓輪組件構成。下預壓輪組件中安裝有預壓油缸，以產生預壓片力。而在上預壓輪組件中安裝有測力傳感器，完成預壓片力的測量。上、下預壓輪的位置分別由各自的蝸桿減速器，以及有位置刻度指示的手輪和萬向傳動軸來調節。壓片力大小直接作為壓力信號通過壓力傳感器轉換成電壓信號送入PLC，經處理后顯示出壓力值大小，準確可靠，達到精密測量壓片力的目的。

圖5 壓片機機械結構示意圖

圖6 壓片機機械部件示意圖

圖7 剔片裝置示意圖

單片剔廢裝置如圖7所示。本裝置由出片槽組件和剔片組件構成。出片槽有廢片和合格片2條通道，通道門由旋轉氣缸控制，當機器在調試狀態壓片時，廢片通道是打開的，片子從廢片通道出片。當機器由調試狀態轉為生產狀態時，要待壓片達到設定的切換片數后，廢片通道關閉，正常片從合格片通道出片。剔片組件安裝有剔片氣閥。剔片氣閥是由計算機設置的剔片力控制的，當某一片子的主壓片力超過剔片力上限或下限時，計算機輸出信號將氣閥打開，壓縮氣將廢片吹到廢片通道排出。PLC根據所述各主壓壓力值判斷是否啟動剔廢程序，在啟動剔廢程序時，PLC通過所述沖頭計算出存在廢片的沖模隨壓片機轉臺運行到氣動剔廢系統噴嘴孔處的位置點，并在所述位置點觸發氣動剔廢系統。該裝置的剔廢準確率高且適應性好。

壓片機粉料回收裝置主要由吸塵裝置和擋粉圈組成，如圖8所示。其中，吸塵墊板用螺釘裝在吸塵腔體上，吸粉組件的上平面開出斜面，并在最凹處有一條狹縫，利用狹縫中的負壓吸附力將粘于上沖桿形面上的微小顆粒和飄在上方的粉塵吸入吸塵腔；該組件與轉臺臺面貼近，利用吸塵風機將粘于臺面上的微小顆粒吸走。擋粉圈是2個小于120°（或3個小于60°）的圓弧形構成，其截面成角鐵形狀，角鐵一直角面靠自重貼在旋轉式壓片機轉臺的臺面上，角鐵另一直角面圍繞轉臺臺面里端的軸頸與轉臺臺面里端的凹槽形成遮蓋的空間，讓多余物料通過。為便于裝拆，擋粉圈（小于120°的圓弧）分為2件。本旋轉式壓片機擋粉圈裝置，能有效擋住多余物料留在轉臺臺面里端的凹槽里，而不會隨著轉臺高速旋轉產生的離心力使物料飛揚，物料隨旋轉式壓片機轉臺轉過一周后被起出重新回到加料區域或是被吸粉裝置回收利用，消除了旋轉式壓片機在運轉過程中的粉塵飛揚、漏粉量大的現象，節約了物料。

圖8 吸粉擋粉裝置示意圖

圖9為液壓系統示意圖。其由電機、柱塞泵、主壓升降電磁閥、主壓蓄能器、壓力變送器、主壓油缸及預壓升降電磁閥、預壓蓄能器、預壓油缸及油管路組成。總溢流閥將壓力控制在9.5MPa。主壓力系統溢流閥調定在8.23MPa，保證最高主壓力達到80kN。預壓力系統溢流閥調定在7.84MPa，保證最高預壓力達到20kN。實際使用中，壓片力的調整是通過觸摸屏或IPC生產/調試數據區的主壓升、降和預壓升、降按鍵來實現，同時在該數據區的主液壓力、預液壓力數據位上顯示其值。應注意的是，該值已換算成實際能提供的最大主、預壓力值。

圖10為壓片機潤滑系統示意圖。本機的潤滑系統分為鋰基脂潤滑和自動潤滑2種。鋰基脂潤滑是對主軸上、下軸承，上、下主壓輪軸承，上、下預壓輪軸承潤滑。自動潤滑系統由1臺小型潤滑泵、油位及油壓監測傳感器和油泵控制器組成。潤滑點為上、下沖桿，下沖填充軌，上、下主壓輪外圓面，填充深度自動調整機構的步進電機齒輪嚙合面等。潤滑供給量是通過調整觸摸屏上參數設置數據區內的潤滑工作時間和潤滑休止時間來實現。

圖11為強迫加料裝置示意圖。本部件由交流調速電機、萬向傳動軸、強迫加料器及料斗組件組成。將顆粒物料加入料斗內，物料落入強迫加料器混合緩沖室，由葉輪混合后壓入加料室，再經加料葉輪，通過弧形出料口將物料加入到中盤的中模內。強迫加料器電機轉

圖9 液壓系統示意圖

圖10 壓片機潤滑系統示意圖

圖11 強迫加料裝置示意圖

速由變頻控制器調節。

5 結語

綜上所述，本設計對電氣控制部分采用了計算機上位機控制和管理，原本一人一機變為了一人多機，機械部分增加了壓輪，使產量得到了成倍的提高，同時設計了粉裝回收裝置，降低了漏粉率，使原粉得到了充分的利用，相當于增加了利潤。

［1］（加）CapesCE著.造粒技術［M］.錢樹德，顧芳珍譯.化學工業出版社，1992

［2］（美）FayedME，OttenL編.粉體工程手冊［M］.盧壽慈，王佩云譯.化學工業出版社，1992

［3］余國琮主編.化工機械工程手冊［M］.化學工業出版社，2003

［4］朱宏吉，張明賢編.制藥設備與工程設計［M］.化學工業出版社，2004