壓片機的計算機控制系統(tǒng)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(shè)備無法成為自動化生產(chǎn)線上的聯(lián)控，而隨著PLC的推廣普及和大工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，企業(yè)迫切需要降低成本、提高效率，為此，集散式控制系統(tǒng)以其“指揮權(quán)集中，控制權(quán)分散”的典型分級分布式控制結(jié)構(gòu)，在大規(guī)模的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。上位機負(fù)責(zé)各局部控制器調(diào)度、指揮，顯示各局部控制器控制工況和運行狀態(tài)。局部控制器負(fù)責(zé)控制現(xiàn)場設(shè)備，且分散在各被控設(shè)備附近。單位時間內(nèi)的產(chǎn)量主要與主轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，主轉(zhuǎn)臺的速度不可能做得很高，因為轉(zhuǎn)速越高，上下沖運行過程中越易改變運行的方向，進(jìn)而出現(xiàn)“跳沖”現(xiàn)象。同時，對藥片施加的壓力也越接近瞬時沖擊力，導(dǎo)致片劑中的空氣很難排盡，影響片劑的質(zhì)量。所以，國內(nèi)多數(shù)高速壓片機轉(zhuǎn)速為100多轉(zhuǎn)，本文對此進(jìn)行了重新設(shè)計，有2套（3套等）壓輪，單壓轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)1周只充填、壓縮、出片各1次，而雙壓（三壓等）壓片機在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)1周時進(jìn)行充填、壓縮、出片各2（3等）次，產(chǎn)量是單壓的整數(shù)倍。設(shè)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(shù)方案

本設(shè)計解決了制藥企業(yè)遇到的“選低速壓片機產(chǎn)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(shù)并存，同時可以直接操作各局部控制器，實現(xiàn)了集中操作集中監(jiān)視，可通過高速數(shù)據(jù)通道與各局部控制器連接通信，協(xié)調(diào)系統(tǒng)控制任務(wù)，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、管理、決策的最優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的最優(yōu)化自動控制，使自動化、信息化程度進(jìn)一步提高。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。

如圖1所示，本設(shè)計中，工業(yè)計算機（IPC）為所述系統(tǒng)的控制層部分，主要包括計算機及PLC、數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）、PCI轉(zhuǎn)串口卡、圖像采集卡以及無線路由器（802.11b網(wǎng)絡(luò)，即WIFI無線網(wǎng)絡(luò)）。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(xiàn)場器件；計算機的LAN接口通過LAN總線接至局域網(wǎng)；計算機的USB串口經(jīng)DTU通過GPRS與遠(yuǎn)端控制器進(jìn)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(nèi)溫度傳感器、濕度傳感器、室內(nèi)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(yè)組態(tài)軟件。

本設(shè)計還具有GPRS手機、3G智能手機、數(shù)傳電臺或藍(lán)牙適配器。其中，GPRS手機通過WAP服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相連；3G手機通過3G服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相連；數(shù)傳電臺通過串口與計算機、遠(yuǎn)程控制器相連；藍(lán)牙適配器通過藍(lán)牙局域網(wǎng)與控制器進(jìn)行短距離信號傳輸。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

設(shè)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(yù)壓升、預(yù)壓降等進(jìn)行控制的設(shè)備和照明設(shè)備，還有對壓片機內(nèi)的溫濕度進(jìn)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(dāng)前室內(nèi)溫度值，該值被送給控制器，再經(jīng)計算機讀取控制器中相應(yīng)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)后，在計算機組態(tài)畫面上進(jìn)行顯示，同時再由計算機將該值與設(shè)定值的差值送給控制器，以改變空調(diào)末端設(shè)備控制器的運行設(shè)定，從而達(dá)到溫度的檢測及控制。檢測當(dāng)前室內(nèi)濕度值，并在計算機組態(tài)畫面上顯示。

（2）采用組態(tài)軟件搭建工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。組態(tài)技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用給工控智能化帶來了全新的解決方案。采用RS485網(wǎng)絡(luò)使得從封閉的依賴于單個廠商的控制系統(tǒng)到完全可以互相操作的工業(yè)智能控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)實，可以以組態(tài)技術(shù)為依托，開發(fā)RS485兼容的智能控制節(jié)點、各種專用節(jié)點以及各種智能傳感器、執(zhí)行器，搭建新一代的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。其間通過路由器連接。有關(guān)設(shè)備都掛接在RS485網(wǎng)組成的總線上。

（3）通過DTU和無線路由器實現(xiàn)個人電腦間通信，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。

（4）使用GPRS手機或3G手機的用戶可通過遠(yuǎn)程GPRS手機或3G手機登陸到指定WAP網(wǎng)頁，即進(jìn)入到與互聯(lián)網(wǎng)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(fā)送到WAP服務(wù)器中，WAP服務(wù)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(xié)議（FTP）由互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到指定的控制計算機的內(nèi)存單元中，組態(tài)軟件實時讀取此內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)，并對其串口相應(yīng)控制器的變量緩存器刷新輸出。

（5）現(xiàn)場控制系統(tǒng)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(tài)軟件中組態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的地址及串口。

3 單個壓片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為壓片機控制系統(tǒng)示意圖。

3.1 主壓力與藥片厚度的調(diào)節(jié)控制

壓片機的主壓力及預(yù)壓力來自液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)只是提供壓片時所需的壓片力，通過觸摸屏生產(chǎn)/調(diào)試數(shù)據(jù)區(qū)的主壓升、降與預(yù)壓升、降來實現(xiàn)所提供的壓片力的調(diào)節(jié)。其值在生產(chǎn)/調(diào)試數(shù)據(jù)區(qū)的主液壓力、預(yù)液壓力數(shù)據(jù)位上顯示出來。實際的主壓力用片厚調(diào)節(jié)手輪來調(diào)定，調(diào)整范圍是0～9mm。順時針轉(zhuǎn)動是增加片厚（主壓片力減?。?，反之是減小片厚（主壓片力加大）。片厚手輪轉(zhuǎn)1圈，片厚變化0.03mm，微標(biāo)刻度每格為0.0005mm。實際的主壓力在生產(chǎn)/調(diào)試數(shù)據(jù)區(qū)的主壓力（實際值）數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)通過選擇不同沖頭直徑的沖模來實現(xiàn)，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(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)下沖伸入中?？椎纳疃?，來改變封底后的中?？椎膶嶋H長度，調(diào)節(jié)?？字兴幬锏奶畛潴w積。因此，在壓片機上有調(diào)節(jié)下沖在模孔中原始位置的機構(gòu)，本設(shè)計采用伺服控制器驅(qū)動伺服電機達(dá)到精準(zhǔn)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(dá)到劑量調(diào)節(jié)要求。

3.3 藥片厚度及壓實程度控制

圖2 壓片機控制系統(tǒng)示意圖

藥物的劑量是根據(jù)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(diào)節(jié)是必不可少的，它是通過調(diào)節(jié)上沖在?？字械南滦辛縼韺崿F(xiàn)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(diào)節(jié)多是通過調(diào)節(jié)上沖下行量的機構(gòu)來實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)與控制的。圖3為實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

壓片機機械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

轉(zhuǎn)盤周圍均勻設(shè)置有數(shù)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(zhuǎn)盤的前后安裝有強迫加料器，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)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(xiàn)物料的填充和擠壓，潤滑泵通過油管與各軌道相接，以實現(xiàn)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(nèi)，壓輪安裝在壓輪架上，壓輪架的下端與壓力傳感器連接，當(dāng)沖釘與壓輪接觸時，產(chǎn)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(cè)安裝有主壓油缸以產(chǎn)生主壓片力，右立柱下端與油缸活塞桿連接。上橫梁架右側(cè)安裝有主壓力傳感器，以完成主壓力的測量。左側(cè)立柱下端與蝸桿減速箱相連，減速箱內(nèi)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(xiàn)片厚和上沖進(jìn)入中模深度（即成形位置）的調(diào)節(jié)。預(yù)壓部件由上預(yù)壓輪、下預(yù)壓輪組件構(gòu)成。下預(yù)壓輪組件中安裝有預(yù)壓油缸，以產(chǎn)生預(yù)壓片力。而在上預(yù)壓輪組件中安裝有測力傳感器，完成預(yù)壓片力的測量。上、下預(yù)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(diào)節(jié)。壓片力大小直接作為壓力信號通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電壓信號送入PLC，經(jīng)處理后顯示出壓力值大小，準(zhǔn)確可靠，達(dá)到精密測量壓片力的目的。

圖5 壓片機機械結(jié)構(gòu)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(gòu)成。出片槽有廢片和合格片2條通道，通道門由旋轉(zhuǎn)氣缸控制，當(dāng)機器在調(diào)試狀態(tài)壓片時，廢片通道是打開的，片子從廢片通道出片。當(dāng)機器由調(diào)試狀態(tài)轉(zhuǎn)為生產(chǎn)狀態(tài)時，要待壓片達(dá)到設(shè)定的切換片數(shù)后，廢片通道關(guān)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(shè)置的剔片力控制的，當(dāng)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(jù)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(zhuǎn)臺運行到氣動剔廢系統(tǒng)噴嘴孔處的位置點，并在所述位置點觸發(fā)氣動剔廢系統(tǒng)。該裝置的剔廢準(zhǔn)確率高且適應(yīng)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(fù)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(zhuǎn)臺臺面貼近，利用吸塵風(fēng)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(gòu)成，其截面成角鐵形狀，角鐵一直角面靠自重貼在旋轉(zhuǎn)式壓片機轉(zhuǎn)臺的臺面上，角鐵另一直角面圍繞轉(zhuǎn)臺臺面里端的軸頸與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)式壓片機擋粉圈裝置，能有效擋住多余物料留在轉(zhuǎn)臺臺面里端的凹槽里，而不會隨著轉(zhuǎn)臺高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使物料飛揚，物料隨旋轉(zhuǎn)式壓片機轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一周后被起出重新回到加料區(qū)域或是被吸粉裝置回收利用，消除了旋轉(zhuǎn)式壓片機在運轉(zhuǎn)過程中的粉塵飛揚、漏粉量大的現(xiàn)象，節(jié)約了物料。

圖8 吸粉擋粉裝置示意圖

圖9為液壓系統(tǒng)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(yù)壓升降電磁閥、預(yù)壓蓄能器、預(yù)壓油缸及油管路組成?？傄缌鏖y將壓力控制在9.5MPa。主壓力系統(tǒng)溢流閥調(diào)定在8.23MPa，保證最高主壓力達(dá)到80kN。預(yù)壓力系統(tǒng)溢流閥調(diào)定在7.84MPa，保證最高預(yù)壓力達(dá)到20kN。實際使用中，壓片力的調(diào)整是通過觸摸屏或IPC生產(chǎn)/調(diào)試數(shù)據(jù)區(qū)的主壓升、降和預(yù)壓升、降按鍵來實現(xiàn)，同時在該數(shù)據(jù)區(qū)的主液壓力、預(yù)液壓力數(shù)據(jù)位上顯示其值。應(yīng)注意的是，該值已換算成實際能提供的最大主、預(yù)壓力值。

圖10為壓片機潤滑系統(tǒng)示意圖。本機的潤滑系統(tǒng)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(yù)壓輪軸承潤滑。自動潤滑系統(tǒng)由1臺小型潤滑泵、油位及油壓監(jiān)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(diào)整機構(gòu)的步進(jìn)電機齒輪嚙合面等。潤滑供給量是通過調(diào)整觸摸屏上參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的潤滑工作時間和潤滑休止時間來實現(xiàn)。

圖11為強迫加料裝置示意圖。本部件由交流調(diào)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(nèi)，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(jīng)加料葉輪，通過弧形出料口將物料加入到中盤的中模內(nèi)。強迫加料器電機轉(zhuǎn)

圖9 液壓系統(tǒng)示意圖

圖10 壓片機潤滑系統(tǒng)示意圖

圖11 強迫加料裝置示意圖

速由變頻控制器調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

綜上所述，本設(shè)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?yōu)榱艘蝗硕鄼C，機械部分增加了壓輪，使產(chǎn)量得到了成倍的提高，同時設(shè)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(dāng)于增加了利潤。

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［3］余國琮主編.化工機械工程手冊［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2003

［4］朱宏吉，張明賢編.制藥設(shè)備與工程設(shè)計［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2004