藥品灌裝線實時重量檢測系統前端子系統設計

藥品灌裝線實時重量檢測系統前端子系統設計

郭銳，黃劼

(四川大學 制造科學與工程學院，四川成都 610065)

根據制藥設備生產企業的實際需求研發粉針灌裝線實時重量檢測系統。基于前端子系統的設計思路和工作原理，設計主從式檢測架構，能夠并行處理傳感器電壓數據，減緩各單元檢測壓力，有效提高檢測速度；此外，設計二級放大電路為前端采集單元硬件架構，能有效減少系統達到穩定的時間，避免將無用的噪音放大。根據具體實驗結果，該系統能有效克服灌裝線上的振動和干擾，實現0.5-2g粉針誤差小于±2%的在線稱重，可應用于實際生產。

實時重量檢測；主從式檢測系統；二級放大電路

0 引言

由于藥品的特殊性，國家相關部門對其計量包裝有嚴格的要求，藥品計量不準問題不僅會給制藥企業帶來經濟效益和聲譽的損失，更會影響藥品療效甚至威脅到服用者的生命安全[1]。在灌裝藥品的同時在線檢測藥品重量既可以使質量檢測全覆蓋，保證藥品質量的可靠性，又能有效提高藥品生產企業的生產效率。根據形態藥品不同，藥品在線檢測系統的技術難度也不同，其中粉針[2](粉狀藥品)的灌裝量較小(一般在0.2g到3g)，灌裝過程速度快且有連續和脈動型震動干擾，對在線檢測系統的抗干擾能力和實時性要求很高，是制藥行業急需解決的技術問題，例如梅特勒-托利多公司研制了用于藥品在線稱重的StarWeigh XS自動檢重秤，可以有效提高提高生產率、增強安全性并且具有較強的靈活性，能夠集成到多種制藥生產過設備[3]。而完善解決這一問題的方案和設備國內至今未見報道[4]。本文采用主從式架構及具有良好環境適應性的信號處理電路完成信號采集和數據處理，滿足了在線測量的技術要求，本研究有助于獲得擁有自主知識產權的相關技術和設備，從源頭上提高粉針計量包裝的準確性，對提高藥品的安全性，推動制藥設備的技術發展有重大意義。

1 藥品灌裝線實時重量檢測系統工作流程及整體框架

本系統采用主從式架構，與國內主流粉針灌裝設備匹配, 分別稱取灌裝前空瓶及灌裝后滿瓶的重量，相減獲得藥品灌裝重量。藥品灌裝量為0.5～2g, 最大稱重50g(含藥瓶)，根據藥典規定，藥粉灌裝誤差小于±2%，因此，系統絕對應誤差小于10mg，相對誤差小于0.02%。

圖1 系統工作原理Fig. 1 The principle of system

藥品灌裝線在線稱重系統架構及工作流程如圖1所示。系統由四部分組成：①上位機：為用戶提供直觀的系統工作監控平臺，同時通過數據處理，完成灌裝量合格性判斷，通過底層調度模塊和PLC中繼控制的機械臂剔除不達標的藥瓶。②調度模塊：數據和命令中轉站，信號采集模塊通過調度模塊的中繼將稱重數據上傳至上位機，上位機通過調度模塊的中轉將控制命令發送至信號采集子模塊和PLC。③信號采集模塊：用于采集稱重信號，將信號進行模數轉換、均值濾波及放大處理，上傳至通信模塊。④稱重傳感器：用于檢測藥瓶灌裝前后的質量，與信號采集模塊中的模擬信號處理模塊相連。

按照灌裝設備的工作流程灌裝線分為三個區域：底層灌裝線傳送鏈由PLC控制，做步進式間歇運動，藥瓶在傳送鏈帶動下按照箭頭所示方向傳動，每四個藥瓶為一組。灌裝線的中間區域為粉針灌裝區；兩側為空瓶稱重區和滿瓶稱重區，這兩個稱重區都安裝有機械臂，用于將藥瓶抓取到并排的四個稱重傳感器上。灌裝線的傳動和機械臂的動作都由PLC控制，PLC還與調度模塊相連。同樣，四個稱重傳感器為一組，連接到一塊信號采集模塊。信號采集模塊共分兩塊，滿瓶稱重區和空瓶稱重區各一塊，分別用于稱重空瓶質量和滿瓶質量。

2 藥品灌裝線實時重量檢測系統通信模塊設計

藥品灌裝線實時重量檢測系統通信模塊主要包括硬件電路和通訊協議兩部分。該模塊主要作用是命令和數據中轉。系統采用主從式通信架構，調度模塊作為主機，八路前端采集單元作為分機。

如圖2所示多機通訊架構是指主機發送的指令廣播傳送到每一路分機或者指定的分機，而每一路分機的數據或請求只能上傳至主機，主機根據查詢方式接收分機請求或數據，分機采用點名方式發送請求或數據。主從式通信架構能夠以中央管控的方式合理協調多機通信的邏輯和時序問題，還能及時下傳多重任務命令。該架構能夠保證通信的完整性和可靠性，而且一路前端采集單元發生故障，不會影響到其他單元的工作狀態，使系統具備較強的容錯性。

圖2 主從式檢測系統硬件架構圖Fig. 2 The hardware architecture of Master-slave detection system

3 實時重量檢測系統信號采集模塊

在信號采集子模塊中，前端采集單元是整個前端子系統的最重要的數據來源，分為硬件電路和控制程序。硬件電路包括模擬信號調理電路、數字信號處理電路和485通信模塊[5]，它的主要功能是稱重將傳感器的模擬信號提取并轉化為數字信號，然后由485通信模塊將數據上傳至調度模塊。

3.1 前端采集單元二級放大電路設計

藥品灌裝線實時重量檢測系統前端子系統主要依靠前端采集單元采集稱重信號，經信號采集模塊將轉化后的數字信號還需作均值濾波處理和上傳至底層通信模塊。電路中每一路單元都設計有單片機和隔離電源模塊[6]，實現單元的獨立工作，可以有效從物理線路上切斷耦合途徑。

如圖3所示采集單元模擬信號電路采用兩級放大架構。由于MAX293的輸出存在嚴重的超調和振蕩，如采用一次放大的方法，容易造成MAX293輸出的振蕩周期變長、振幅變大，同時會延長信號采集模塊的建立時間，且降低系統的穩定性[7]。為預防這一系列問題，采集單元采用兩級放大架構。

圖3 采集單元模擬電路架構Fig. 3 The analog circuit architecture of acquisition unit

MAX293濾波器置于兩次放大之間，用于提取藥品的稱重信號，經過第二次放大后模擬信號就被轉換成標準5V模擬信號，最后信號輸入16位A/D轉換器轉。兩級放大還可以避免將無用的噪音放大，一級放大器將稱重信號放大到MAX293的觸發電壓，二級放大用以提高信號增益和濾除MAX293振蕩波，并且增加模擬信號帶負載的能力。采用該種設計方案來處理稱重信號的優點：電路功耗小，靈敏度高，結構簡單。

3.2 第一級放大器INA128

由實驗數據可知，前端模塊的模擬電路輸出電壓只有幾毫伏，因此模擬信號調理電路的總放大倍數被設定為1000倍，其中第一級放大器INA128的放大倍數為250倍。

如圖4所示模擬電路圖，INA128具有不低于120dB的共模抑制比，為了不影響放大器的共模干擾抑制能力，C8/R3和C9/R4在數值、規格、位置和布線上都嚴格對稱(8)。電容C7可以有效的減小C8和C9造成的不匹配誤差，一般C7的電容值是C8或C9的十倍，那么就能夠將C8 和C9的不匹配誤差減小二十倍。

圖4 模擬電路圖Fig. 4 Analog Circuit

4 藥品重量檢測數據分析

實驗發現，每次藥瓶被放置在傳感器上的位置不一致，導致稱重傳感器偏心，容易引起誤差，使測試數據的離散度變大。采用相應的限位措施后，實驗數據離散度大大減小，均在上下限范圍內，1000mg藥品的測試數據均值與真實值的偏差為0.85mg，滿足技術指標。如圖5所示。

圖5 1000mg藥品實時稱重數據Fig. 5 Real time weighing data of 1000mg drugs

5 總結

將主從式檢測架構和二級放大電路應用到藥品灌裝線實時重量檢測系統前端子系統中，能夠有效減緩各單元檢測壓力，減少系統達到穩定的時間，避免將無用的噪音放大。經實驗證實，采用此設計思路保證了通信的完整性和可靠性，而且一路前端采集單元發生故障，不會影響到其他單元的工作狀態，使系統具備較強的容錯性。

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Design of Front-end Subsystem for Online Weighing System of Pharmaceutical Filling Line

GUO Rui, HUANG Jie
(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan Uniνersity, Chengdu 610065, China)

This topic was based on the actual research and development needs of producing online weighing system for powder-injection filling line of the pharmaceutical enterprise. Based on the design ideas and principles of front-end subsystem, designed detection of master-slave architecture, can parallel process sensor's voltage data, reduce each unit's detecting pressure, improve the detection rate. In addition, the secondary amplifier circuit for front-end acquisition unit hardware architecture, which can effectively reduce system time to stabilize, and avoid the amplification of unwanted noise. Site experiment shows that the system has effective ability to overcome the vibration and interference on the filling line, realize the error less than ±2% by weighing 0.5-2g powder-injection online, and can be applied to practical production.

online weighing; master-slave detection system; double amplification circuit

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.04

國家自然基金青年科學基金(51405314)

郭銳(1989-), 男, 碩士研究生, 精密儀器及機械, 研究方向: 智能儀器設計及應用; 黃劼(1966-), 男, 博士, 教授, 碩士生導師, 研究方向: 測試技術

郭銳，黃劼．藥品灌裝線實時重量檢測系統前端子系統設計[J]．新型工業化，2015，5(1)：29-33