摘要：基于PC的控制解決方案在制藥行業(yè)泡罩包裝機中的應(yīng)用

1.引言

瑞士RohrerAG公司在其專為制藥工業(yè)設(shè)計的新型R760泡罩包裝機中完全采用了Beckhoff基于PC的控制系統(tǒng)。憑借Beckhoff功能強大的高精度EtherCATI/O系統(tǒng)和高動態(tài)、緊湊型驅(qū)動器組件，Rohrer能夠開發(fā)一臺不僅能夠以高速和無差錯的方式運行且體積也非常小的機器。

RohrerAG專業(yè)從事用于開發(fā)和配置靈活的薄膜和金屬箔并用它們制造產(chǎn)品的機器。為了生產(chǎn)出定制的工具和機器，公司與客戶一直保持密切合作從最初的構(gòu)想到最終實現(xiàn)。公司提供從樣品開發(fā)到樣機建造再到生產(chǎn)設(shè)備配置等全方位服務(wù)。Beckhoff功能強大的基于PC的控制技術(shù)讓Rohrer能夠使得其R760機器第一次實現(xiàn)每分鐘40個雙泡殼包裝的吞吐量，如圖1所示。

圖1

2模塊化泡罩包裝機

可根據(jù)客戶要求定制的R760包裝機用于完成小到中等批量的包裝任務(wù)。它可用于從柔性薄膜制成的泡罩包裝的開發(fā)到批量生產(chǎn)等所有階段。機器負責(zé)完成所有加工過程，也就是說它可以熱成型、密封、打孔并給泡罩包裝加標記。攝像系統(tǒng)對包裝進行檢查，以確保它們正確填裝，并自動卸下任何不合格的產(chǎn)品。如果空間狹小，可以減少機器的模塊數(shù)量。并且由于它符合GMP設(shè)計（良好作業(yè)規(guī)范）要求，它甚至可以安裝在潔凈室中。

R760機器負責(zé)完成所有加工過程，即它可以完成熱成型、密封、打孔并給泡罩包裝加標記，如圖2所示。R760泡罩包裝機可以加工制藥、化妝品和醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域所需的鋁箔和塑料薄膜。這里所涉及到的項目是一個大型包裝服務(wù)供應(yīng)商針對制藥行業(yè)使用的一臺機器。該機器用來評估新產(chǎn)品和包裝類型。在這一案例中正在包裝的是被稱為口腔崩解片（ODT）的藥片，它采用獲得專利的Lyopan工藝進行凍干，可以在無水的條件下服用。機器的設(shè)計和自動化技術(shù)必須滿足速度和規(guī)模方面的超高要求。其結(jié)果是第一套達到40個循環(huán)的系統(tǒng)，即每分鐘40個雙泡殼包裝的輸出能力。如圖3所示。

圖2

圖3

3所有的控制技術(shù)都基于PC

Rohrer早在2008年就與Beckhoff有了第一次合作，使用了其基于PC的控制技術(shù)，當時該公司安裝了面板型PCCP6200和控制柜式工業(yè)PC。2012年，Rohrer決定完全轉(zhuǎn)向使用PC控制技術(shù)。BerndEsch，Rohrer公司加工&包裝部門控制經(jīng)理在解釋原因時說道：“以前的控制架構(gòu)有很多缺點。例如，它需要多個總線系統(tǒng)。確保安全技術(shù)滿足ENISO13849標準所要求的性能水平也是相當復(fù)雜的。

此外，客戶要求更緊湊的系統(tǒng)，我們當時已經(jīng)不能夠提供比較大的驅(qū)動器和額外要求的EMC濾波器。而另一方面，Beckhoff的AX5000系列驅(qū)動器結(jié)構(gòu)非常緊湊，并集成了EMC濾波器。它們節(jié)約了約30％的控制柜空間。”此外，面板型PCCP6200和工業(yè)PCC6920已經(jīng)為自動化任務(wù)提供了足夠的計算能力。BerndEsch繼續(xù)說道：“TwinCAT自動化軟件不僅提供了所需的PLC功能，而且有一個功能強大的基于軟件的NC系統(tǒng)。這意味著，除了Beckhoff節(jié)省空間的工業(yè)PC，我們并不需要額外的控制器。我需要提到的是，Beckhoff瑞士公司為我們的PC控制解決方案提供了很好的本地應(yīng)用支持。”

另一個顯著的優(yōu)勢是PC控制的開放性，Esch說道：“我們必須能夠?qū)⑽覀兊臋C器控制器連接到任何網(wǎng)絡(luò)。各種EtherCAT總線耦合器和現(xiàn)場總線端子模塊提高了我們在這方面的靈活性。我們也可以很輕松地與IT系統(tǒng)進行通訊，因為有了集成式以太網(wǎng)接口和運行的TwinCATADS層，我們可以調(diào)用我們需要的任何控制數(shù)據(jù)，而不必使修改PLC程序。”與可視化系統(tǒng)的連接也同樣簡單，因為就像市場上的大多數(shù)系統(tǒng)一樣，它已經(jīng)有了TwinCAT驅(qū)動程序。與用于網(wǎng)絡(luò)可視化的基Java的程序以及用于如批處理參數(shù)和故障消息等的MySQL數(shù)據(jù)庫之間的通訊也非常好，Esch如此說道。

R760機器的PC控制解決方案的核心是C6920控制柜式工業(yè)PC，它采用1.9GHz的Intel®Celeron®處理器和多語言版WindowsXPProfessional操作系統(tǒng)，并安裝了TwinCATNCPTP軟件。操作人員通過一臺具有15英寸的觸摸屏、定制屏幕薄膜和定制鍵盤擴展件的安裝臂安裝式控制面板CP7902控制機器。運動控制功能由8個AX5112、AX5140和AX5206系列伺服驅(qū)動器執(zhí)行，包括一張TwinSAFE安全卡AX5805，和10個AM8000系列伺服電機。大約150個I/O數(shù)據(jù)點由約100個EtherCAT模擬量/數(shù)字量和TwinSAFE端子模塊收集并通過四個EtherCAT耦合器EK1100集成到控制系統(tǒng)中。如圖4所示。

圖4

4高動態(tài)驅(qū)動器需要的安裝工作量最少

除了結(jié)構(gòu)非常緊湊，Beckhoff的伺服驅(qū)動技術(shù)還具有出色的動態(tài)性能，BerndEsch說道：“通過相應(yīng)地調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，我們能夠快速地實現(xiàn)每分鐘40個雙泡殼包裝的高吞吐量。我們在沒有達到機器的伺服驅(qū)動技術(shù)的極限的情況下成功地實現(xiàn)了這一切。”Rohrer借助具有低轉(zhuǎn)動慣量和高達5倍的過載能力的AM8000系列高性能電機達到了這一性能水平。它們驅(qū)動三個用于打開和關(guān)閉壓機的伺服軸、兩個用于箔運輸?shù)妮S、一個用于進給和將托盤定位到機器的軸、兩個用于處理泡罩輸出的軸，以及用于根據(jù)產(chǎn)品位置移動加工站到其適當位置的調(diào)整軸。如圖5所示。

圖5

Rohrer也從Beckhoff的單電纜技術(shù)（OCT）將動力和反饋系統(tǒng)結(jié)合到一根電機電纜中獲益匪淺。單電纜解決方案通過數(shù)字量接口可靠、無干擾地傳輸信息。這樣電機和控制器側(cè)無需使用多根電線和連接器，從而顯著節(jié)省了組件使用量，減少了調(diào)試工作。BerndEsch也意識到這一點：“由于布線需求減少，對我們來說，OCT節(jié)約了巨大的資源，特別是因為兩個驅(qū)動器采用拖鏈。它讓我們能夠?qū)⒁磺械捏w積都減小一點，這也有助于整個機器的設(shè)計?？偠灾?，OCT幫我們減少了約25％的安裝和材料成本。這也使得調(diào)試過程更加輕松。過去，發(fā)生故障時的標準解決方案是運行一個全新的編碼器行?，F(xiàn)在，它們被集成到電機電纜中，我們不再需要長時間討論有關(guān)重路由布線的事宜。”

5集成的安全技術(shù)提供了新的選擇

簡化了機器工程設(shè)計的其它功能包括自動化系統(tǒng)的集成安全功能，包括TwinCAT安全編輯器、SafetyoverEtherCAT通信協(xié)議以及TwinSAFE端子模塊和TwinSAFE驅(qū)動器選項卡AX5805。他們讓BerndEsch在設(shè)計安全功能時具有更大的靈活性：“我們可以設(shè)計更開放的安全系統(tǒng)。例如，每個安全門現(xiàn)在有自己的TwinSAFE端子模塊，從而無需向以前通常的做法那樣串聯(lián)安全開關(guān)或急停按鈕。”

TwinSAFE系統(tǒng)的靈活性還簡化了為單個機器模塊選擇性地執(zhí)行安全功能的工作。例如，某些機器組件可以在機器啟動時保持“激活”，而當安全門打開時，其他組件則被安全關(guān)閉。BerndEsch：“在過去，實施這些是非常困難的，只有在要進行大量布線的前提下才可能實現(xiàn)。有了TwinSAFE，我們可以擁有一個外觀更優(yōu)雅和緊湊的解決方案，它需要的組件更少，成本也更低。”

6高速和高確定性控制技術(shù)帶來高精度

錫箔用于密封托盤且托盤本身具有基準點（視覺參考點），在它們經(jīng)過機器時讀出。根據(jù)托盤的相對位置，機器讀取輸送系統(tǒng)的確切終點位置，并計算加工單元的相對位置。通過使用高速EtherCAT通訊組件，Rohrer能夠以每秒約250毫米（10英寸）的速度高速移動產(chǎn)品，如果使用Beckhoff的XFC極速控制技術(shù)，速度還可以再快一倍。BerndEsch：“借助XFC端子模塊和匹配的傳感器，我們實現(xiàn)了每秒高達500毫米（20英寸）的速度。盡管速度極快，系統(tǒng)仍然能夠可靠地檢測到基準點，并準確地進行計算和閉環(huán)控制操作。XFC對我們來說也是非常有吸引力的，因為它可以讓正在移動的產(chǎn)品以極高的精度觸發(fā)檢測攝像頭。”