DSP吹-灌-封（BFS）設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李福進(jìn)，郭 磊

（華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山063210）

1 引言

我國(guó)正面臨著快速老齡化以及精神壓力過大造成亞健康人群逐漸擴(kuò)大等社會(huì)問題，隨之對(duì)醫(yī)藥的需求量越來越大，伴之，對(duì)醫(yī)藥注射劑封裝質(zhì)量、安全可靠、方便快捷逐漸引起了消費(fèi)者的關(guān)注。我國(guó)醫(yī)藥注射劑封裝機(jī)伴隨自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，也取得了非常大的進(jìn)步，但存在智能化、自動(dòng)化程度較低，控制系統(tǒng)成本較高等缺點(diǎn)，很難保證產(chǎn)品的質(zhì)量［1］。

BFS封裝設(shè)備是將以往獨(dú)立的吹瓶、灌裝、封蓋單元通過控制技術(shù)和機(jī)械傳輸機(jī)構(gòu)結(jié)合在同一個(gè)工作平臺(tái)上自動(dòng)完成上述工序的工業(yè)設(shè)備［2］。當(dāng)下BFS設(shè)備正朝著誤差微小、響應(yīng)速度快和功耗小無污染的方向發(fā)展。與之相比，傳統(tǒng)的液壓結(jié)構(gòu)雖具有維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，但已無法全部滿足時(shí)下和未來的設(shè)備封裝需求，且其驅(qū)動(dòng)裝置也有所不同，無法用常規(guī)的簡(jiǎn)單控制方法進(jìn)行精密控制［3］。全電動(dòng)的BFS設(shè)備采購和維修投入大且零部件更換周期快也存在合模力不足等問題［4］，伺服液壓驅(qū)動(dòng)的BFS設(shè)備回避了兩者的劣勢(shì)，故逐漸成為BFS設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。

這里提出了一種基于DSP輔之以觸摸屏的吹-灌-封（BFS）設(shè)備伺服液壓控制系統(tǒng)，在DSP環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)藥注射劑封裝機(jī)的同步控制。采用全閉環(huán)的控制方式，對(duì)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，利用觸摸屏來完成實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)藥注射劑封裝機(jī)的自動(dòng)控制和有效監(jiān)控。顯著提高了包裝質(zhì)量、效率、控制精度和響應(yīng)速度［5］。

2 吹-灌-封設(shè)備

2.1 吹-灌-封三合一設(shè)備結(jié)構(gòu)

這里所研究的吹-灌-封三合一設(shè)備主要由擠出機(jī)、橫切器、獨(dú)立的模架及模具、注液模頭（腔）、底部釵叉、輸出裝置組成。

擠出機(jī)：它是由擠壓、傳動(dòng)、加熱和冷卻系統(tǒng)共同組成的。擠壓系統(tǒng)主要由料斗、機(jī)筒、螺桿、機(jī)頭和模具等共同組成；傳動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是驅(qū)動(dòng)螺桿保證在擠出過程中產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)牧睾娃D(zhuǎn)速；而加熱和冷卻系統(tǒng)是擠出機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵保證。塑料顆粒通過擠壓系統(tǒng)而塑化成均勻的熔體被螺桿連續(xù)的擠出機(jī)頭形成型坯，型坯內(nèi)部有連續(xù)的無菌空氣吹入。

橫切器：橫切器是經(jīng)擠出機(jī)頭形成型坯后送入模具并在一次合模時(shí)按照設(shè)定的長(zhǎng)度參數(shù)進(jìn)行橫向封合和切斷。

模架：模架即模具的支撐，它是由推出機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、預(yù)復(fù)位機(jī)構(gòu)模腳墊塊和座板組成。

注液模頭：是吹-灌-封三合一設(shè)備較為重要的核心部件之一，主要作用是初次合模以后通過導(dǎo)軌將模具精確移動(dòng)到注液機(jī)構(gòu)下，通過注射模頭進(jìn)行所需液體的注射。

底部的釵叉：當(dāng)模具夾著型胚運(yùn)動(dòng)到注射腔下時(shí)，釵叉上升，等到注液完成時(shí)隨著釵叉的下降包裝成品隨著下降，等待輸出裝置的輸出。

輸出裝置：輸出裝置夾著封裝好的成品運(yùn)送到指定位置。

BFS設(shè)備的系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 BFS設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 BFS Equipment System Structure

2.2 吹-灌-封三合一設(shè)備工藝流程

BFS設(shè)備工藝流程，如圖2所示。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart

其中，固體小顆粒在螺桿擠出機(jī)中熔化形成型坯并吹入無菌空氣后，由移模機(jī)構(gòu)移動(dòng)模具完成第一合模，并將其精準(zhǔn)的移動(dòng)到注射模槍下實(shí)現(xiàn)無菌溶液的注入同時(shí)底部的釵叉升起支撐BFS安瓶隨后完成二次合模并鎖模，最后由輸出裝置送出成品。

3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)BFS設(shè)備工藝流程，這里采用觸摸屏（HIM）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）相結(jié)合的控制方式，DSP將觸摸屏和伺服液壓系統(tǒng)緊密的聯(lián)系起來。因此觸摸屏、DSP控制模塊、I/O信號(hào)采集模塊、溫度控制模塊和伺服液壓系統(tǒng)共同構(gòu)成BFS設(shè)備完整的同步運(yùn)動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)整體框圖，如圖3所示［6-7］。

圖3 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)Fig.3 System Hardware Overall Structure

3.1 上位機(jī)觸摸屏（HIM）

上位機(jī)觸摸屏（HIM）不僅是現(xiàn)為止相對(duì)簡(jiǎn)便、直接的人機(jī)交互形式，還是確保整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵保證。操控人員對(duì)上位機(jī)輸入相應(yīng)控制指令的同時(shí)設(shè)備所有控制狀態(tài)會(huì)顯示在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

由于BFS設(shè)備對(duì)工作環(huán)境要求較高。為了保證此設(shè)備在該環(huán)境下穩(wěn)定的運(yùn)行，同時(shí)又考慮到實(shí)用性及成本的問題，因此該控制系統(tǒng)觸摸屏采用OMRON的NP系NB7W-TW00B觸摸屏。該款觸摸屏有兩個(gè)RS232/485通訊口、速度較快，兼容標(biāo)準(zhǔn)的C語言宏指令，擁有32位RISC超快處理器。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，該觸摸屏有很強(qiáng)的實(shí)用性強(qiáng)、可靠性，能夠滿足BFS設(shè)備的控制需求。

3.2 下位機(jī)

下位機(jī)作為BFS設(shè)備控制系統(tǒng)的核心部分，其主要作用是對(duì)控制系統(tǒng)各個(gè)機(jī)構(gòu)的同步控制。BFS設(shè)備在開機(jī)之后，首先在上位機(jī)觸摸屏上設(shè)定定量油泵輸出液壓油的油量及壓力，油量及壓力信號(hào)傳送給伺服控制器，伺服控制器利用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換算法將油量和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，之后伺服電機(jī)接收到轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)，相應(yīng)的傳感器把運(yùn)行狀態(tài)傳送至伺服驅(qū)動(dòng)器，形成閉環(huán)控制來調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。最后，電機(jī)帶動(dòng)油泵轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為流量和壓力，監(jiān)測(cè)二者的傳感器將其信號(hào)反饋伺服控制器，整個(gè)過程形成雙閉環(huán)控制。

考慮到設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制的要求，基于DSP設(shè)計(jì)了通用的伺服控制器，其硬件采用TMS320LF2407A最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，為16位可編程數(shù)字信號(hào)處理器。其他模塊包括：擴(kuò)展的異步接收/發(fā)送（UART）串行通信接口完成與上位機(jī)觸摸屏通訊；I/O模塊接收按鈕及傳感器觸發(fā)信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC；PWM輸出模塊；JTAG接口等。利用PC機(jī)編寫運(yùn)行程序，通過JTAG接口下載調(diào)試。下位機(jī)的主要作用在于各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、溫度控制以及故障分析和診斷等。

4 軟件設(shè)計(jì)

BFS設(shè)備控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括HIM程序和下位機(jī)程序。在人機(jī)界面中主要包括初始畫面、主控畫面、報(bào)警畫面。其中，初始畫面主要包括名牌界面、中英文語言設(shè)置；主控畫面包括了手動(dòng)和自動(dòng)畫面、溫度畫面、I/O畫面、運(yùn)行畫面、系統(tǒng)參數(shù)等；報(bào)警畫面由歷史和當(dāng)前報(bào)警記錄構(gòu)成。人機(jī)界面組成，如圖4所示。根據(jù)上述人機(jī)界面組成及需求，利用組態(tài)EV5000軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)界面圖，產(chǎn)量監(jiān)控畫面截圖，如圖5所示。

圖4 人機(jī)界面組成Fig.4 Human Machine Interface Composition

圖5 人機(jī)界面Fig.5 Human Machine Interface

BFS設(shè)備控制系統(tǒng)在開機(jī)運(yùn)行前首先要對(duì)機(jī)筒、模具進(jìn)行預(yù)熱，判斷機(jī)筒、模具溫度是否達(dá)到所設(shè)定的目標(biāo)溫度，并保溫20min。然后，分別對(duì)安全門開合和手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)安全門閉合并且處于手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，BFS設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行；若是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，按照設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行子程序的循環(huán)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)的程序流程圖，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 Control System Program Flow Char

4.1 PID控制器的優(yōu)化

這里研究對(duì)象為伺服液壓控制系統(tǒng)，通過伺服控制器控制永磁同步電機(jī)運(yùn)行進(jìn)而控制液壓油泵來驅(qū)動(dòng)BFS設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成整個(gè)工藝流程，因此在硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上用適當(dāng)?shù)姆椒▋?yōu)化傳統(tǒng)PID控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油泵件的精確控制意義重大。

BFS設(shè)備液壓伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。伺服控制器、伺服電機(jī)、BFS設(shè)備液壓油泵及油泵上的壓力和流量傳感器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)［8-11］。

圖7 BFS設(shè)備液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 BFS Equipment Hydraulic Control System Structure

由于BFS設(shè)備的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備的全部機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所以設(shè)備控制性能的好壞很大程度取決于液壓部件的控制精度和響應(yīng)速度。而液壓系統(tǒng)存在著非線性、時(shí)變性及強(qiáng)耦合作用等復(fù)雜的關(guān)系因此BFS設(shè)備的伺服液壓控制系統(tǒng)是不能存在超調(diào)量的控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的PID控制器很難滿足控制的需求。因此這里利用粒子群算法的全局最優(yōu)和收斂速度快的特性根據(jù)BFS設(shè)備不同的生產(chǎn)階段和生產(chǎn)要求，用粒子群算法在線調(diào)整PID控制器的比例、積分和微分三個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油泵的精確控制從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)BFS控制系統(tǒng)的精確控制。用傳統(tǒng)的PID控制方法和優(yōu)化后的控制方法測(cè)試對(duì)液壓油泵的控制性能曲線，如圖8所示。采用優(yōu)化后的控制方法超調(diào)量明顯減小能夠較高程度上減少液壓控制系統(tǒng)中油量的波動(dòng)。收斂性較好，能夠在2.35s仿真時(shí)長(zhǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)油量波動(dòng)的收斂，其收斂誤差精確到了0.028。提高了控制精度和響應(yīng)速度。

圖8 不同優(yōu)化方法所得參數(shù)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線Fig.8 System Unit Step Response Curve Corresponding to The Parameters Obtained by Different Optimization Methods

5 實(shí)驗(yàn)分析

為了證實(shí)BFS設(shè)備控制系統(tǒng)的可行性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并分析。對(duì)設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行安裝和調(diào)試并對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。選用傳統(tǒng)設(shè)備控制方式作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)比組對(duì)BFS設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

從表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)后的控制系統(tǒng)精確度和生產(chǎn)效率會(huì)更高，可以保證封裝質(zhì)量和使用性能?？刂普`差率比傳統(tǒng)控制方法的誤差率降低了1.67%，生產(chǎn)效率提高了7.89%。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表Tab.1 Experimental Data Results Table

6 結(jié)論

針對(duì)BFS設(shè)備的各個(gè)機(jī)構(gòu)及工藝流程，提出并設(shè)計(jì)了基于DSP為核心輔之以觸摸屏的伺服液壓控制系統(tǒng)，同時(shí)在硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了與之相匹配的軟件系統(tǒng)。最后用粒子群算法對(duì)PID三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定。該控制系統(tǒng)完全可以滿足BFS設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制要求，顯著提高了醫(yī)藥注射劑封裝質(zhì)量、精度、效率及自動(dòng)化智能化水平并取得了滿意的控制效果。