凍干機全自動框式進出料裝置設計與開發

李文斌

【摘 要】凍干機設備主要被應用到真空條件下的干燥冷凍處理環節中。該設備可廣泛用于活性物質、血液制品、生物制品以及醫藥用品的處理過程中。隨著凍干機研發技術水平提升，自動化凍干機設備的性能逐步穩定。本文以某制藥企業所用的凍干機設備為例，對其進出料系統進行優化改進，形成全自動化框式系統，調整進料流程，提升進料效率，改善凍干機應用效果，避免加工所得制品被交叉污染，對相應的系統開發與設計工作展開探討。

【關鍵詞】凍干機;全自動框式;進出料裝置;設計開發

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

現代凍干機設備依靠物質的升華原理與真空條件，對處理對象的水分進行凍結，使其升華成水蒸氣，進而去除水分，發揮干燥冷凍的作用。凍干制品的含水量低，同時具有良好的復水性，有利于長期運輸與儲存。醫療行業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有某制藥企業所用的凍干機設備有新的設計需求，根據其進出料要求構建新型全自動框式進出料系統。

1 設備簡介

某市制藥企業現有凍干機設備的進料流程如下：開啟凍干箱外側門，通過手動處理的方式輸入物料，最后再關閉箱門。使用這種自動化程度低的凍干機設備時，尤其是在進料環節中，必須有工作人員進行操作，如果未做好安全防護工作，最終產品可能會被污染，整批制品都會出現報廢的潛在風險，對公司造成嚴重的損失。因此需要對該設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，實現自動進料。設備控制系統由觸摸屏與PLC共同構成，相比原有的單片機系統更為耐用與穩定，設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，參數系統被縮減，所有的操作都變得更為簡單。設備出現故障后，還可發出報警信息。

2 進出料裝置結構設計

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

該結構系統的運行情況如下：利用機架系統可以將該進出料裝置直接與凍干機設備相連接，處于設備的正面位置。進料門與傳送帶相對設置，固定系統的外側部位時使用了直線導軌系統，進料推桿被設定到直線導軌系統的前方，推桿中設有真空吸盤，另外的直線導軌可支持出料活動，處于橋接平臺裝置的正前方區域。直線型出料導軌系統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緊固連接，輸送鏈系統由伺服電機設備、傳動輪與同步帶共同構成?？蛳到y處的邊框可保持上下翻動的狀態，另外后方還設有勾邊，翻動邊框之后，后方還可開設溝槽。進料系統中傳動帶與門之間存在橋接平臺。設備結構見圖1。

機箱單元中設有電氣系統，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，推瓶機構可將產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移到其他輸送線時需利用連接轉盤機構，堵瓶系統可使不同排的瓶子保持合適的間隙;截瓶機構則幫助攔截瓶子。操作人員在調控該系統時，利用觸摸屏來調整與設定參數，對設備運輸情況進行監督，最后階段可利用推框機構推出瓶子，使其被輸送到對接平臺處[1]。

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

3 電氣控制系統設計

3.1 控制器

為保障系統形成最高的生產水平并增強其易用性，選擇了SIMATIC S7-300控制器，實現對電氣系統中的控制需求。相比該系列原有的控制器，該型號功能豐富，整個系統更加穩定，可給進出料裝置提供持續化的技術支持，具有模塊化的結構，多項功能均已形成可擴展性。

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

本項目中的進出料裝置構造復雜，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用標準。將可編程控制系統與該控制器無縫集成，強化組態效果，提升組態運行效率，可編程控制系統還幫助形成穩定安全的設計環境，設計者與使用者都可以更多地關注設計產品的過程。產品開發的全過程均可被重視，并行工程建設的目標也可隨之達成。

3.2 系統調試

進行系統調試需先完成軟件安裝的工作，兼顧到所需軟件的版本，需要安裝伺服驅動器所需的設置性軟件，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。考慮T40版本，需對CAM編輯軟件進行選擇。在運行系統中找出[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，從網絡系統中獲取幫助文件，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操作。完成軟件安裝工作之后，需針對驅動器進行連線操作，而后設定伺服驅動器的基本參數，最后進行編寫與調試PLC程序的工作。

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

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

3.3 電氣控制實現

設計電氣控制系統時，需要先確認電機設備的編號與主要功能，在該系統中，1號到11號電機屬于網帶電機，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號電機為轉盤電機。

進料系統中，灌裝機輸送出西林瓶，1號、2號、3號與4號網帶電機立即啟動，花盤電機保持尋零狀態。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，在旋轉到一定位置后會停止，花盤電機計數準備工作隨之結束。5號網帶電機與12號花盤電機同時運行，花盤電機完成計數活動之后停止運行，網帶電機將會持續運行，抵達目標處之后，停止運轉。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小推活動，剔瓶后繼續，一次小推活動結束。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可發出信號，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。

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

4 性能測試

性能測試工作主要圍繞產品的機械特性展開，現對進料裝置的輸送系統的功能、應用工藝與電氣控制情況進行測定，并展示測試結果。根據客戶提出的設備使用需求，其基本功能必須有效實現，改造時要注重對產品的尺寸進行把控，同時考慮到相關設備如灌裝機與包裝設備的配合應用需求，確保改造之后的進出料系統仍舊能夠被運用到廠房中。有調整與操作需求的設備部件應當被設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。凍干機門前的網帶系統必須為可移動的，對接需確保牢固性與簡易度，不可受到經常性的移動影響，而出現對接偏移的結果。凍干框的尺寸達標的同時，還需在偏短的一側使用聚四氟材料，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動性，網帶展開自動脫框活動時，整體運行狀態相對順暢。

5 總結

本文分析了凍干機進出料過程存在的問題，開發設計了全新的自動化框式進出料系統，該系統的整體結構合理，利用了電氣控制技術來控制該系統，選用的控制器與軟件均屬于可信度較高的品牌型號。對進出料系統的構造與運行情況進行分析后，還詳細地闡述了電氣控制系統設置與應用狀況。該系統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期功能目標，其工藝應用效果與電氣控制系統均無問題。這套裝置切實地解決了凍干機設備應用過程中的污染隱患，提升了企業生產效益，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研報告[J].干燥技術與設備，2015（6）：10-15.

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

[3]王敏，周曉華.剁齒機全自動送料裝置的設計[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設計[J].化學工程與裝備，2017（9）：222-224.