DSP吹-灌-封（BFS）設備控制系統的設計

李福進，郭 磊

（華北理工大學電氣工程學院，河北 唐山063210）

1 引言

我國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大等社會問題，隨之對醫藥的需求量越來越大，伴之，對醫藥注射劑封裝質量、安全可靠、方便快捷逐漸引起了消費者的關注。我國醫藥注射劑封裝機伴隨自動化技術的發展，也取得了非常大的進步，但存在智能化、自動化程度較低，控制系統成本較高等缺點，很難保證產品的質量［1］。

BFS封裝設備是將以往獨立的吹瓶、灌裝、封蓋單元通過控制技術和機械傳輸機構結合在同一個工作平臺上自動完成上述工序的工業設備［2］。當下BFS設備正朝著誤差微小、響應速度快和功耗小無污染的方向發展。與之相比，傳統的液壓結構雖具有維護成本低的優點，但已無法全部滿足時下和未來的設備封裝需求，且其驅動裝置也有所不同，無法用常規的簡單控制方法進行精密控制［3］。全電動的BFS設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］，伺服液壓驅動的BFS設備回避了兩者的劣勢，故逐漸成為BFS設備發展的趨勢。

這里提出了一種基于DSP輔之以觸摸屏的吹-灌-封（BFS）設備伺服液壓控制系統，在DSP環境下實現對醫藥注射劑封裝機的同步控制。采用全閉環的控制方式，對控制器進行了設計研究，利用觸摸屏來完成實時監控，從而實現醫藥注射劑封裝機的自動控制和有效監控。顯著提高了包裝質量、效率、控制精度和響應速度［5］。

2 吹-灌-封設備

2.1 吹-灌-封三合一設備結構

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

擠出機：它是由擠壓、傳動、加熱和冷卻系統共同組成的。擠壓系統主要由料斗、機筒、螺桿、機頭和模具等共同組成；傳動系統的主要作用是驅動螺桿保證在擠出過程中產生恰當的力矩和轉速；而加熱和冷卻系統是擠出機正常運行的關鍵保證。塑料顆粒通過擠壓系統而塑化成均勻的熔體被螺桿連續的擠出機頭形成型坯，型坯內部有連續的無菌空氣吹入。

橫切器：橫切器是經擠出機頭形成型坯后送入模具并在一次合模時按照設定的長度參數進行橫向封合和切斷。

模架：模架即模具的支撐，它是由推出機構、導向機構、預復位機構模腳墊塊和座板組成。

注液模頭：是吹-灌-封三合一設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軌將模具精確移動到注液機構下，通過注射模頭進行所需液體的注射。

底部的釵叉：當模具夾著型胚運動到注射腔下時，釵叉上升，等到注液完成時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送到指定位置。

BFS設備的系統部分結構圖，如圖1所示。

圖1 BFS設備系統結構Fig.1 BFS Equipment System Structure

2.2 吹-灌-封三合一設備工藝流程

BFS設備工藝流程，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中熔化形成型坯并吹入無菌空氣后，由移模機構移動模具完成第一合模，并將其精準的移動到注射模槍下實現無菌溶液的注入同時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 硬件系統的設計

根據BFS設備工藝流程，這里采用觸摸屏（HIM）和數字信號處理器（DSP）相結合的控制方式，DSP將觸摸屏和伺服液壓系統緊密的聯系起來。因此觸摸屏、DSP控制模塊、I/O信號采集模塊、溫度控制模塊和伺服液壓系統共同構成BFS設備完整的同步運動控制。控制系統整體框圖，如圖3所示［6-7］。

圖3 系統硬件總體結構Fig.3 System Hardware Overall Structure

3.1 上位機觸摸屏（HIM）

上位機觸摸屏（HIM）不僅是現為止相對簡便、直接的人機交互形式，還是確保整個系統能夠平穩運行的關鍵保證。操控人員對上位機輸入相應控制指令的同時設備所有控制狀態會顯示在觸摸屏上實現監控。

由于BFS設備對工作環境要求較高。為了保證此設備在該環境下穩定的運行，同時又考慮到實用性及成本的問題，因此該控制系統觸摸屏采用OMRON的NP系NB7W-TW00B觸摸屏。該款觸摸屏有兩個RS232/485通訊口、速度較快，兼容標準的C語言宏指令，擁有32位RISC超快處理器。經過實際應用，該觸摸屏有很強的實用性強、可靠性，能夠滿足BFS設備的控制需求。

3.2 下位機

下位機作為BFS設備控制系統的核心部分，其主要作用是對控制系統各個機構的同步控制。BFS設備在開機之后，首先在上位機觸摸屏上設定定量油泵輸出液壓油的油量及壓力，油量及壓力信號傳送給伺服控制器，伺服控制器利用相應的轉換算法將油量和壓力信號轉換為伺服電機的輸出轉速和轉矩，之后伺服電機接收到轉矩和轉速信號，相應的傳感器把運行狀態傳送至伺服驅動器，形成閉環控制來調整電機的運行狀態。最后，電機帶動油泵轉動進而將轉速和轉矩轉化為流量和壓力，監測二者的傳感器將其信號反饋伺服控制器，整個過程形成雙閉環控制。

考慮到設備運動控制的要求，基于DSP設計了通用的伺服控制器，其硬件采用TMS320LF2407A最小系統設計方案，為16位可編程數字信號處理器。其他模塊包括：擴展的異步接收/發送（UART）串行通信接口完成與上位機觸摸屏通訊；I/O模塊接收按鈕及傳感器觸發信號；模數轉換器ADC；PWM輸出模塊；JTAG接口等。利用PC機編寫運行程序，通過JTAG接口下載調試。下位機的主要作用在于各機構的運動、溫度控制以及故障分析和診斷等。

4 軟件設計

BFS設備控制系統的軟件設計包括HIM程序和下位機程序。在人機界面中主要包括初始畫面、主控畫面、報警畫面。其中，初始畫面主要包括名牌界面、中英文語言設置；主控畫面包括了手動和自動畫面、溫度畫面、I/O畫面、運行畫面、系統參數等；報警畫面由歷史和當前報警記錄構成。人機界面組成，如圖4所示。根據上述人機界面組成及需求，利用組態EV5000軟件設計了人機界面圖，產量監控畫面截圖，如圖5所示。

圖4 人機界面組成Fig.4 Human Machine Interface Composition

圖5 人機界面Fig.5 Human Machine Interface

BFS設備控制系統在開機運行前首先要對機筒、模具進行預熱，判斷機筒、模具溫度是否達到所設定的目標溫度，并保溫20min。然后，分別對安全門開合和手動、自動運行狀態進行判斷，當安全門閉合并且處于手動運行狀態時，BFS設備進行獨立運行；若是自動運行狀態時，按照設置好的參數進行子程序的循環運行。控制系統的程序流程圖，如圖6所示。

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

4.1 PID控制器的優化

這里研究對象為伺服液壓控制系統，通過伺服控制器控制永磁同步電機運行進而控制液壓油泵來驅動BFS設備執行機構完成整個工藝流程，因此在硬件結構的基礎上用適當的方法優化傳統PID控制器來實現對液壓油泵件的精確控制意義重大。

BFS設備液壓伺服控制系統的結構，如圖7所示。伺服控制器、伺服電機、BFS設備液壓油泵及油泵上的壓力和流量傳感器構成一個閉環系統［8-11］。

圖7 BFS設備液壓控制系統結構Fig.7 BFS Equipment Hydraulic Control System Structure

由于BFS設備的液壓系統驅動整個設備的全部機械運動，所以設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速度。而液壓系統存在著非線性、時變性及強耦合作用等復雜的關系因此BFS設備的伺服液壓控制系統是不能存在超調量的控制系統。傳統的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和收斂速度快的特性根據BFS設備不同的生產階段和生產要求，用粒子群算法在線調整PID控制器的比例、積分和微分三個參數，實現對液壓油泵的精確控制從而能夠實現對BFS控制系統的精確控制。用傳統的PID控制方法和優化后的控制方法測試對液壓油泵的控制性能曲線，如圖8所示。采用優化后的控制方法超調量明顯減小能夠較高程度上減少液壓控制系統中油量的波動。收斂性較好，能夠在2.35s仿真時長內實現油量波動的收斂，其收斂誤差精確到了0.028。提高了控制精度和響應速度。

圖8 不同優化方法所得參數所對應的系統單位階躍響應曲線Fig.8 System Unit Step Response Curve Corresponding to The Parameters Obtained by Different Optimization Methods

5 實驗分析

為了證實BFS設備控制系統的可行性，進行了實驗驗證并分析。對設備控制系統進行安裝和調試并對電機進行測試。選用傳統設備控制方式作為實驗的對比組對BFS設備控制系統進行對比實驗，實驗數據結果如表1所示。

從表1中的實驗數據可知，設計后的控制系統精確度和生產效率會更高，可以保證封裝質量和使用性能。控制誤差率比傳統控制方法的誤差率降低了1.67%，生產效率提高了7.89%。

表1 實驗數據結果表Tab.1 Experimental Data Results Table

6 結論

針對BFS設備的各個機構及工藝流程，提出并設計了基于DSP為核心輔之以觸摸屏的伺服液壓控制系統，同時在硬件結構的基礎上設計了與之相匹配的軟件系統。最后用粒子群算法對PID三個參數進行在線整定。該控制系統完全可以滿足BFS設備的運動控制要求，顯著提高了醫藥注射劑封裝質量、精度、效率及自動化智能化水平并取得了滿意的控制效果。