伺服控制在包裝領域的應用現狀
伺服系統是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量跟隨輸入目標（或給定值）任意變化的自動控制系統。其主要組件之一就是控制器，這是影響伺服系統性能指標的主要因素。常用的運動控制器包括PLC、PC-Based運動控制卡、專用系統和驅動器集成運動控制，運動控制系統則通過伺服驅動裝置將預定指令變成期望的機構運動。
2004年，中國的伺服產品更多的是集成于專用控制器的設備，占據近60%的市場，PC是伺服產品的第二大平臺，占據20%的市場，同時PLC也是設備的主控制器；但目前只有少數歐洲廠商提供的驅動器集成了運動控制器，且用于對安裝空間要求較高的場合。
那么伺服系統如果應用于包裝生產線上，會給運動控制系統帶來怎么的好處甚至是革新？為此，本刊特邀三位業內專家就“伺服控制在包裝領域的應用”一文，引出各自對于該技術發展及在國內外應用現狀的觀點與見解，希望與行業人士共勉。對于專家們的大力支持，在此表示由衷感謝。
一、包裝技術促進伺服系統的發展
盡管多數制藥商對他們的新設備表現得很平靜，但伺服動力包裝系統仍在工廠中占據了應有的地位。當柔性生產設備成為消費品生產廠家的支柱時，必要的調整卻成為在制藥應用中的強大阻力。
博世包裝公司已為藥品制造商生產了多種伺服控制機器。該公司的電子工程主管戴維•布勞表示，“制藥廠剛剛領略到伺服的好處——生產方法的簡易改變使短期和小批量生產更加經濟，不必再花費4～6小時去清洗、高壓滅菌及改變凸輪和零件，而只需花幾分鐘，就可以對機器重新編程，裝上不同類型或尺寸的部件，使機器重新運轉起來。同時，伺服系統也更加簡易、清潔、不易崩潰”。
與傳統軸傳動包裝系統采用PLC控制和機械連接相比，伺服系統要依賴基于PC的控制系統，這種情況帶來了更多的問題。許多制藥企業為使用伺服設備寧愿多走一段路，尤其是當他們有更多的專業藥品需要多種包裝時，制藥企業都在尋找能夠給他們帶來更大靈活性的設備。
二、伺服系統的優勢
羅克韋爾自動化公司的商務發展經理邁克•瓦格納表示，“暫不說商業壓力，以伺服系統為基礎的設備要比軸傳動設備具有更多優勢。在伺服系統以前，包裝設備有一個大的交流電動機以固定的速度運轉，遠離主軸的機械連接控制每一個包裝程序，將軸運動從一個速度轉換成另一個速度，或者將旋轉運動轉換成直線運動。主軸每轉動一次，就從另一端產出一個產品。當你想將小瓶換成大瓶或者改變包裝尺寸或形狀時，就必須對設備進行重新調整” 。
而伺服系統改變了這種情況，沒有了到主軸的機械連接，每一個伺服系統（包括電動機、齒輪頭和軟件）是獨立運轉的。這樣做的好處是：無論是壓力、速度、位置，都可以改變。以前，改變這些會花費7個小時，除非有足夠大的批量以保證調整的有效性和理想的生產周期，否則很難改變?，F在，只需3～5分鐘就可完成調整，且方法很簡單。
將伺服系統從電動機驅動軸分離開來，使它們可以對包裝過程中的每一個事件進行獨立調整。美國皮斯特公司的副總裁鮑勃•哈塔維哥表示，“一個簡單的低速到中速的灌裝線，由一些簡單設備和一個主機組成，所有設備相互倚賴、協調工作，隨著系統數據的采集，灌裝線上的伺服系統能夠獨立調整發生的任何生產問題”。德國ELAU公司的全球營銷經理約翰•克瓦認為，“伺服系統也將速度和精確度提升到了一個全新的水平。70%～80%銷售到制藥企業的打捆機、外包機、容器打包機、托盤堆垛機都將使用伺服系統”。
伺服系統的一個主要特點是它的閉環反饋，以伺服系統為基礎的封口機控制轉矩的精度可以達到±0.02%，而標準離合器驅動的封口機的精度僅為20%，由此很清楚看到伺服系統的價值所在。例如，在存儲每一個蓋子的轉矩值后，如果需要召回，只需召回1000瓶，而不是以往的100萬瓶。同樣的數據也可以用來分析封口機磨損的程度以決定是否需要維修。自從伺服系統使用了更小的電機，就極少需要維修了。通常，伺服系統的兩次故障之間的間隔是20萬小時。
現在的伺服系統帶給人們一種遠比過去有價值的感覺，5年前，一個普通的伺服系統價格為1萬美元，如今，只賣5000美元，且價格還在下降。在一個價格100000美元的機器上，加10個伺服系統，價格將提高50%。相應的，在價格50萬～100萬美元的更大機器上增加10個同樣的伺服系統，花費并不明顯，但回報卻是巨大的。
三、伺服系統的不足
某領先制藥企業的一位項目經理表示，“它們將更加快速、精確、易于控制、維修和使用，而且更加持久。當原有系統要淘汰或要建新工廠時，推薦工廠安裝全伺服的包裝線，因為伺服系統可以幫助在問題發生前預測到，并告訴到哪里去解決。所有事情變得簡單，比軸驅動機器前進了一大步”。
然而實際應用情況并非如此，原因與伺服系統控制有關。要弄清原因，需要先看一下老式的軸驅動包裝線。它們也許并不靈活或精確，但機械連接使得它們具有可預見性。一個使用階梯邏輯的可編程邏輯控制器使一個功能緊接著另一個功能，這是一個相對容易確認的系統。
但同時，伺服系統是獨立運行的模塊，它們依靠軟件而不是齒輪、鏈條和凸輪來完成其任務。許多軟件使用基于PC的處理器，這既是它們的強大之處，也是它們脆弱的地方。一方面，個人計算機使得拖放式和觸摸屏控制成為可能。它們支持先進的數據采集、傳輸和分析，也支持21 CFR Part 11法規所遵從的查賬審核的綜合需求。但不足之處是，這些強大的地方也是個人計算機脆弱的地方。PC不像PLC階梯邏輯，計算機可以在同一個時間做10個不同的事情，因此，當這些功能同時進行時，確認一臺機器是一個挑戰。
制藥設備必須在每個單一時間內以同樣的方式運轉。不是三條路，而是只能有一條路來造出產品。對個人計算機系統的關注在于：是否能夠做到，一條路錯了，計算機會發現另一條路而繞過它。而對于臺式計算機的藍屏死機現象，很多企業都很害怕這種事故重復發生。
四、伺服系統的可靠性
一些藥品包裝商堅持采用PLC控制器運轉的伺服系統。從本質上，他們使機器“變傻”以免運作不正常。雖然計算機依然還在，但它被隔離開來，僅僅用于21 CFR Part 11法規的安全和數據記錄，由PLC操縱著機器，這可能改善了穩定性，但也失去了許多將伺服系統放在首要位置的好處。
當然，還有其他方法可以確保穩定性。關鍵在于要在Windows系統之前取得計算機處理器的控制權。在一條計算機控制的包裝線上，在初始化完成后和Windows系統取得處理器的控制權以前，控制結構獲取了100%的處理器控制權。然后它把處理器時間交給Windows系統，此時，你才可以運行Windows程序，但卻在控制結構的主導下。在這種情形下，如果Windows系統死機，包裝線依然可以保持運轉。你只需切換到手動控制，因為人機界面已經失效了，但你的包裝線卻依然運轉。
對于一些廠商而言，這種情況還存在些危險性。他們可以選用計算機和PLC控制器組合而成的聯合控制，通過使用人機界面開關PLC。許多系統采用了插在計算機卡槽中的伺服控制卡，計算機軟件向控制PLC的伺服控制卡發送命令，伺服系統依從于正在執行進程的PLC，然后將有關進程的任何反饋通過PLC送回來。
而另一些公司被混合系統所吸引，他們喜歡伺服系統所帶來的簡化操作、數據采集以及可重復性，將PLC與HMI分離開來也減少了其影響確認包裝過程所產生錯誤的可能性。其他廠商不想處理PC系統令人頭痛的問題，他們只想知道如何保持運轉，他們擔心其穩定性。如果買了一臺PC運行在機器前端，他們首先要求知道PC的貨架壽命并保證能夠買到計算機配件。
2004年，中國的伺服產品更多的是集成于專用控制器的設備，占據近60%的市場，PC是伺服產品的第二大平臺，占據20%的市場，同時PLC也是設備的主控制器；但目前只有少數歐洲廠商提供的驅動器集成了運動控制器，且用于對安裝空間要求較高的場合。
那么伺服系統如果應用于包裝生產線上，會給運動控制系統帶來怎么的好處甚至是革新？為此，本刊特邀三位業內專家就“伺服控制在包裝領域的應用”一文，引出各自對于該技術發展及在國內外應用現狀的觀點與見解，希望與行業人士共勉。對于專家們的大力支持，在此表示由衷感謝。
一、包裝技術促進伺服系統的發展
盡管多數制藥商對他們的新設備表現得很平靜，但伺服動力包裝系統仍在工廠中占據了應有的地位。當柔性生產設備成為消費品生產廠家的支柱時，必要的調整卻成為在制藥應用中的強大阻力。
博世包裝公司已為藥品制造商生產了多種伺服控制機器。該公司的電子工程主管戴維•布勞表示，“制藥廠剛剛領略到伺服的好處——生產方法的簡易改變使短期和小批量生產更加經濟，不必再花費4～6小時去清洗、高壓滅菌及改變凸輪和零件，而只需花幾分鐘，就可以對機器重新編程，裝上不同類型或尺寸的部件，使機器重新運轉起來。同時，伺服系統也更加簡易、清潔、不易崩潰”。
與傳統軸傳動包裝系統采用PLC控制和機械連接相比，伺服系統要依賴基于PC的控制系統，這種情況帶來了更多的問題。許多制藥企業為使用伺服設備寧愿多走一段路，尤其是當他們有更多的專業藥品需要多種包裝時，制藥企業都在尋找能夠給他們帶來更大靈活性的設備。
二、伺服系統的優勢
羅克韋爾自動化公司的商務發展經理邁克•瓦格納表示，“暫不說商業壓力，以伺服系統為基礎的設備要比軸傳動設備具有更多優勢。在伺服系統以前，包裝設備有一個大的交流電動機以固定的速度運轉，遠離主軸的機械連接控制每一個包裝程序，將軸運動從一個速度轉換成另一個速度，或者將旋轉運動轉換成直線運動。主軸每轉動一次，就從另一端產出一個產品。當你想將小瓶換成大瓶或者改變包裝尺寸或形狀時，就必須對設備進行重新調整” 。
而伺服系統改變了這種情況，沒有了到主軸的機械連接，每一個伺服系統（包括電動機、齒輪頭和軟件）是獨立運轉的。這樣做的好處是：無論是壓力、速度、位置，都可以改變。以前，改變這些會花費7個小時，除非有足夠大的批量以保證調整的有效性和理想的生產周期，否則很難改變?，F在，只需3～5分鐘就可完成調整，且方法很簡單。
將伺服系統從電動機驅動軸分離開來，使它們可以對包裝過程中的每一個事件進行獨立調整。美國皮斯特公司的副總裁鮑勃•哈塔維哥表示，“一個簡單的低速到中速的灌裝線，由一些簡單設備和一個主機組成，所有設備相互倚賴、協調工作，隨著系統數據的采集，灌裝線上的伺服系統能夠獨立調整發生的任何生產問題”。德國ELAU公司的全球營銷經理約翰•克瓦認為，“伺服系統也將速度和精確度提升到了一個全新的水平。70%～80%銷售到制藥企業的打捆機、外包機、容器打包機、托盤堆垛機都將使用伺服系統”。
伺服系統的一個主要特點是它的閉環反饋，以伺服系統為基礎的封口機控制轉矩的精度可以達到±0.02%，而標準離合器驅動的封口機的精度僅為20%，由此很清楚看到伺服系統的價值所在。例如，在存儲每一個蓋子的轉矩值后，如果需要召回，只需召回1000瓶，而不是以往的100萬瓶。同樣的數據也可以用來分析封口機磨損的程度以決定是否需要維修。自從伺服系統使用了更小的電機，就極少需要維修了。通常，伺服系統的兩次故障之間的間隔是20萬小時。
現在的伺服系統帶給人們一種遠比過去有價值的感覺，5年前，一個普通的伺服系統價格為1萬美元，如今，只賣5000美元，且價格還在下降。在一個價格100000美元的機器上，加10個伺服系統，價格將提高50%。相應的，在價格50萬～100萬美元的更大機器上增加10個同樣的伺服系統，花費并不明顯，但回報卻是巨大的。
三、伺服系統的不足
某領先制藥企業的一位項目經理表示，“它們將更加快速、精確、易于控制、維修和使用，而且更加持久。當原有系統要淘汰或要建新工廠時，推薦工廠安裝全伺服的包裝線，因為伺服系統可以幫助在問題發生前預測到，并告訴到哪里去解決。所有事情變得簡單，比軸驅動機器前進了一大步”。
然而實際應用情況并非如此，原因與伺服系統控制有關。要弄清原因，需要先看一下老式的軸驅動包裝線。它們也許并不靈活或精確，但機械連接使得它們具有可預見性。一個使用階梯邏輯的可編程邏輯控制器使一個功能緊接著另一個功能，這是一個相對容易確認的系統。
但同時，伺服系統是獨立運行的模塊，它們依靠軟件而不是齒輪、鏈條和凸輪來完成其任務。許多軟件使用基于PC的處理器，這既是它們的強大之處，也是它們脆弱的地方。一方面，個人計算機使得拖放式和觸摸屏控制成為可能。它們支持先進的數據采集、傳輸和分析，也支持21 CFR Part 11法規所遵從的查賬審核的綜合需求。但不足之處是，這些強大的地方也是個人計算機脆弱的地方。PC不像PLC階梯邏輯，計算機可以在同一個時間做10個不同的事情，因此，當這些功能同時進行時，確認一臺機器是一個挑戰。
制藥設備必須在每個單一時間內以同樣的方式運轉。不是三條路，而是只能有一條路來造出產品。對個人計算機系統的關注在于：是否能夠做到，一條路錯了，計算機會發現另一條路而繞過它。而對于臺式計算機的藍屏死機現象，很多企業都很害怕這種事故重復發生。
四、伺服系統的可靠性
一些藥品包裝商堅持采用PLC控制器運轉的伺服系統。從本質上，他們使機器“變傻”以免運作不正常。雖然計算機依然還在，但它被隔離開來，僅僅用于21 CFR Part 11法規的安全和數據記錄，由PLC操縱著機器，這可能改善了穩定性，但也失去了許多將伺服系統放在首要位置的好處。
當然，還有其他方法可以確保穩定性。關鍵在于要在Windows系統之前取得計算機處理器的控制權。在一條計算機控制的包裝線上，在初始化完成后和Windows系統取得處理器的控制權以前，控制結構獲取了100%的處理器控制權。然后它把處理器時間交給Windows系統，此時，你才可以運行Windows程序，但卻在控制結構的主導下。在這種情形下，如果Windows系統死機，包裝線依然可以保持運轉。你只需切換到手動控制，因為人機界面已經失效了，但你的包裝線卻依然運轉。
對于一些廠商而言，這種情況還存在些危險性。他們可以選用計算機和PLC控制器組合而成的聯合控制，通過使用人機界面開關PLC。許多系統采用了插在計算機卡槽中的伺服控制卡，計算機軟件向控制PLC的伺服控制卡發送命令，伺服系統依從于正在執行進程的PLC，然后將有關進程的任何反饋通過PLC送回來。
而另一些公司被混合系統所吸引，他們喜歡伺服系統所帶來的簡化操作、數據采集以及可重復性，將PLC與HMI分離開來也減少了其影響確認包裝過程所產生錯誤的可能性。其他廠商不想處理PC系統令人頭痛的問題，他們只想知道如何保持運轉，他們擔心其穩定性。如果買了一臺PC運行在機器前端，他們首先要求知道PC的貨架壽命并保證能夠買到計算機配件。
文章版權歸西部工控xbgk所有，未經許可不得轉載。
下一篇：中外泵業巨頭打響“研發大戰”
服務咨詢