臺達機電產品在鋁塑泡罩包裝機的整合應用
Integrated Application of Delta Electromechanical Product in Packing Machine of Aluminum-Plastc Froth Cover
中達電通上海機電HMI/PLC產品處 趙越錦
Zhao Yuejin
摘 要：簡述了鋁塑泡罩包裝機的工作原理，介紹了臺達變頻器、PLC、觸摸屏及溫控器模塊在高速鋁塑泡罩包裝機上的整合應用，最后概略地討論了泡罩包裝機的工藝控制要求和控制相關問題。
關鍵詞：制藥包裝機械 PLC 觸摸屏 變頻器 Modbus通訊
Abstract: It is simply described to the working principle of packing machine for Aluminum-plastc froth cover in this paper. And also it is intruduced to the integrated application of Delta inverter, PLC, intouch screen and temperature controller module in high speed packing machine for Aluminum-plastc froth cover. Finally it is roughly discussed to the technology control demand and the related control prolems of froth cover packing machine.
Key Words: Pharmacy packing mechanism PLC Intouch screen Interver Modbus communication
[中圖分類號] TP273 [文獻標識碼] B 文章編號
1 引言
鋁塑泡罩包裝是目前藥機行業中主要的產品包裝方式，絕大部分片式成品藥最后都需要經過此工序才能作為產品在市場銷售。其工作過程是將各種藥片用PVC成型包裝于鋁塑板上，適用于各種規格的片劑、膠囊、膠丸、素片及各種異型片。為實現大小形狀各不相同藥片的高速包裝，要求控制系統具有高速、準確、協調的控制功能，臺達機電產品的整合應用正是符合這些要求的一個綜合解決方案，它可使包裝效率由一般150板/分鐘提高到200板/分鐘， 鋁塑泡罩包裝機如圖1所示。
2 高速鋁塑泡罩包裝機結構及原理
高速鋁塑泡罩包裝機主要包括機架、輸送機、上料充填裝置、預熱成型裝置、氣動裝置、PVC放卷及步進裝置、沖裁、熱封裝置、電氣控制等各部分，如圖2所示。
機架整機采用框架式全封閉結構，機架由底板、架體、側板等組成，架體采用高強度鋁合金框架構成，具有牢固美觀，安裝方便特點，側板均由不銹鋼板構成，與藥品接觸的材料選用優質不銹鋼，達到美觀、衛生的要求。
輸送機傳動系統的主電機為1.5kW交流電動機，采用臺達VFD015M變頻器控制實現無級調速，具有調速方便、準確，啟動平穩的優點，升降速時間均可分別適當調整以滿足運行要求，例如增大加速時間，使設備啟動過程平穩緩起，減小減速時間并配合制動功能完成快速準確停止。
1）上料充填裝置
上料充填裝置由振動電機和上料電機構成，與通用上料機或圓盤上料機配套，通過上料系統可使各種不同規格藥片整齊有序排列，為下一步成型作好準備。圖3為各種包裝后的藥片產品示意圖。
2）預熱成型裝置
預熱成型裝置由上、下加熱板、成型模具等部件構成，配合氣動裝置完成包裝機的主要工序——包裝成型。基于熱塑原理，通過臺達溫控器模塊DTC1000穩定的溫度控制和正壓吹氣工序可使PVC材料在熱塑溫度范圍內預熱成型，將藥片封裝在鋁箔和PVC之間形成泡罩，預熱成型裝置如圖4所示。
3）PVC放卷及步進裝置
該設備具有PVC和鋁箔兩個被動放卷裝置，由主電機提供動力為包裝成型提供材料。PVC步進裝置則是除了預熱成型裝置外的另一個重要設備。PVC采用步進方式，在PVC加熱板之前和成型臺之后由于采用雙夾持步進，可防止在加熱區內已經被加熱軟化的PVC片由于受快速牽拉移動而造成拉伸變形，影響泡罩質量。PVC下加熱板隨著成型臺模具的上下運動并作相應的間歇運動，當PVC夾持移動時下加熱板處于下止點(上下加熱板有間隙)，可減少PVC與加熱板接觸，使PVC不粘片。
4）熱封及沖裁
熱封及沖裁是包裝機的最后工序，當藥片已封裝在泡罩內，通過熱封和沖裁后正式變成板式成品。熱壓輥加熱器的溫度控制準確，熱封方式為輥式連續工作，以利提高包裝效率。采用無廢料橫邊沖裁可以節省包裝材料，沖裁前采用推板式步進方式，以使板塊平整并方便調整。
5） 電氣控制
電氣控制部分選用臺達變頻器、PLC、觸摸屏及溫控器模塊構成電氣控制系統，并配以多個光電傳感器作為檢測，各部件的有機組合，使控制精度及工作效率大大提高。用觸摸屏作為人機對話的窗口，可以方便地對設備參數進行設置，能顯示系統的相關運行參數值及檢測狀態，可對異常警報進行判斷處理，方便管理，由PLC系統控制整個設備的協調高速運行。 實際電氣控制系統如圖5所示。
3 電氣控制系統
3．1 系統配置及說明
高速泡罩包裝機采用的電氣配置：DOP-A57CSTD，5.7” 觸摸屏，256色，分辨率為320×240；DVP-12SA00R，8入/4出PLC主機；DVP-08SN，8點輸出擴展；VFD015M43A，變頻器；DTC1000，模塊化溫控器。系統結構及原理圖如圖6所示。變頻器、模塊化溫控器與PLC通過RS485串行網絡連接到系統，PLC與觸摸屏通過RS232交換數據。
3．2 觸摸屏設計
采用臺達彩色5.7寸觸摸屏，具有色彩豐富，分辨率高，高速CPU可使頁面切換更流暢，通訊速度更快，能夠很好地滿足現場使用。在程序中設置了工作畫面、設備調試、系統參數設定、故障診斷等畫面，使整個設備操作簡單易懂，操作方便，工作畫面如圖7所示。
圖8為為系統主畫面，在主畫面上可完成3組溫度控制的顯示與調整，以及主電機、吸塵器、熱封、上料等各部分的操作。
系統參數設定畫面如圖9所示。在該畫面中可以設置與系統運行相關的各種參數，包括上加熱板溫度、下加熱板溫度、熱封溫度，以及對計數系數、夾持時間、是否上料等的設定。
設備調試畫面如圖10所示。該畫面可以作為設備調試過程中控制各設備運轉畫面，也可作為設備調試完畢后的手動操作畫面。
3．3 PLC控制系統
可編程控制器選用臺達產品DVP12SA00R+DVP08SN，該機種為臺達SLIM型主機，具有體積小巧，安裝快捷方便，特別適合對安裝空間有一定要求的環境，有以下特點：2個標準通訊口（RS232和RS485，符合MODBUS協議），內建高速輸入/輸出，30KHz高速計數器、20KHz脈波輸出，可以檢測外部高速信號（上料檢測、準停檢測、PVC檢測），指令豐富可滿足復雜編程的要求，功能強大，電氣特性穩定，可實現最佳性價比。因為臺達所有產品都符合MODBUS協議，并可方便組成通訊網絡，通過MODBUS使PLC能與變頻器、溫控器互連互通，根據檢測到的設備狀態和運算結果對其進行實時控制。
1）變頻器控制
變頻器的啟動、停止以及運行頻率均由PLC通過通訊方式給定，在畫面中可通過啟動、停止、升速、降速等按鈕對變頻器操作，其中主要是控制主電機停止時的準停功能，也就是說電機停止并不是在任意位置都可以，如果那樣那么重新開機時包裝位置將不準確，PVC板塊會有停機痕跡，因此需要根據準停檢測位置計算出準確的停止位置，保持下次重新啟動時能夠進行正常包裝。在程序中當接收到停止信號后，PLC即時檢測是否到達準停位置，再與準停值比較，如已到達準停位置，變頻器給定頻率開始做勻速遞減，讓主電機速度下降，減小慣性停車，從而實現在準確位置停車，保證PVC板塊無停機痕跡。
2）模塊式溫控器的控制
由3個模塊式溫控器組成設備溫控系統，包括上加熱板、下加熱板和熱封，該設備中溫度控制的精度也直接影響包裝效果，PVC的成型與溫度直接關系，按泡罩成型工藝要求不容許偏離容許溫度偏差。因此在控制系統中選擇了臺達產品中的DTC1000溫控器，該產品有獨立的溫度控制功能，并具有RS485接口，可以直接連入PLC主機的RS485網絡中，可以根據變化隨時調整溫度。系統實際運行表明，設定溫度與實際溫度誤差在±1度以內，PVC加熱器和熱壓輥加熱器溫度場均勻、準確，不會對包裝材料和藥品造成損傷，特別適應于對熱塑溫度范圍較窄的包裝材料的應用。
4 結束語
鋁塑泡罩包裝機控制系統改造前使用繼電器線路控制，手動有級調速，控制精度低，包裝效率低，電路穩定差，故障率高。經技術改造后的控制系統，采用臺達告訴的人機界面、SA系列可編程控制器、變頻器和溫控器，經過整合后，整機性能得到極大的提高。這說明在工業設備控制系統中，單一產品的運用有時不一定能滿足生產設備各方面的性能要求，而經過多產品的整合應用，給客戶以最佳的解決方案才是提高設備性能的最終途徑。目前，前期的5套設備已順利調試完畢，各項功能指標均符合要求，中達公司提供的這套整體解決方案是受到客戶肯定和好評的。
參考文獻[略]
作者簡介
趙越錦（1975-），男，自動化設備工程師，主要從事自動化系統工程方面的設計、開發與產品的技術支持工作。
中達電通上海機電HMI/PLC產品處 趙越錦
Zhao Yuejin
摘 要：簡述了鋁塑泡罩包裝機的工作原理，介紹了臺達變頻器、PLC、觸摸屏及溫控器模塊在高速鋁塑泡罩包裝機上的整合應用，最后概略地討論了泡罩包裝機的工藝控制要求和控制相關問題。
關鍵詞：制藥包裝機械 PLC 觸摸屏 變頻器 Modbus通訊
Abstract: It is simply described to the working principle of packing machine for Aluminum-plastc froth cover in this paper. And also it is intruduced to the integrated application of Delta inverter, PLC, intouch screen and temperature controller module in high speed packing machine for Aluminum-plastc froth cover. Finally it is roughly discussed to the technology control demand and the related control prolems of froth cover packing machine.
Key Words: Pharmacy packing mechanism PLC Intouch screen Interver Modbus communication
[中圖分類號] TP273 [文獻標識碼] B 文章編號
1 引言
鋁塑泡罩包裝是目前藥機行業中主要的產品包裝方式，絕大部分片式成品藥最后都需要經過此工序才能作為產品在市場銷售。其工作過程是將各種藥片用PVC成型包裝于鋁塑板上，適用于各種規格的片劑、膠囊、膠丸、素片及各種異型片。為實現大小形狀各不相同藥片的高速包裝，要求控制系統具有高速、準確、協調的控制功能，臺達機電產品的整合應用正是符合這些要求的一個綜合解決方案，它可使包裝效率由一般150板/分鐘提高到200板/分鐘， 鋁塑泡罩包裝機如圖1所示。
2 高速鋁塑泡罩包裝機結構及原理
高速鋁塑泡罩包裝機主要包括機架、輸送機、上料充填裝置、預熱成型裝置、氣動裝置、PVC放卷及步進裝置、沖裁、熱封裝置、電氣控制等各部分，如圖2所示。
機架整機采用框架式全封閉結構，機架由底板、架體、側板等組成，架體采用高強度鋁合金框架構成，具有牢固美觀，安裝方便特點，側板均由不銹鋼板構成，與藥品接觸的材料選用優質不銹鋼，達到美觀、衛生的要求。
輸送機傳動系統的主電機為1.5kW交流電動機，采用臺達VFD015M變頻器控制實現無級調速，具有調速方便、準確，啟動平穩的優點，升降速時間均可分別適當調整以滿足運行要求，例如增大加速時間，使設備啟動過程平穩緩起，減小減速時間并配合制動功能完成快速準確停止。
1）上料充填裝置
上料充填裝置由振動電機和上料電機構成，與通用上料機或圓盤上料機配套，通過上料系統可使各種不同規格藥片整齊有序排列，為下一步成型作好準備。圖3為各種包裝后的藥片產品示意圖。
2）預熱成型裝置
預熱成型裝置由上、下加熱板、成型模具等部件構成，配合氣動裝置完成包裝機的主要工序——包裝成型。基于熱塑原理，通過臺達溫控器模塊DTC1000穩定的溫度控制和正壓吹氣工序可使PVC材料在熱塑溫度范圍內預熱成型，將藥片封裝在鋁箔和PVC之間形成泡罩，預熱成型裝置如圖4所示。
3）PVC放卷及步進裝置
該設備具有PVC和鋁箔兩個被動放卷裝置，由主電機提供動力為包裝成型提供材料。PVC步進裝置則是除了預熱成型裝置外的另一個重要設備。PVC采用步進方式，在PVC加熱板之前和成型臺之后由于采用雙夾持步進，可防止在加熱區內已經被加熱軟化的PVC片由于受快速牽拉移動而造成拉伸變形，影響泡罩質量。PVC下加熱板隨著成型臺模具的上下運動并作相應的間歇運動，當PVC夾持移動時下加熱板處于下止點(上下加熱板有間隙)，可減少PVC與加熱板接觸，使PVC不粘片。
4）熱封及沖裁
熱封及沖裁是包裝機的最后工序，當藥片已封裝在泡罩內，通過熱封和沖裁后正式變成板式成品。熱壓輥加熱器的溫度控制準確，熱封方式為輥式連續工作，以利提高包裝效率。采用無廢料橫邊沖裁可以節省包裝材料，沖裁前采用推板式步進方式，以使板塊平整并方便調整。
5） 電氣控制
電氣控制部分選用臺達變頻器、PLC、觸摸屏及溫控器模塊構成電氣控制系統，并配以多個光電傳感器作為檢測，各部件的有機組合，使控制精度及工作效率大大提高。用觸摸屏作為人機對話的窗口，可以方便地對設備參數進行設置，能顯示系統的相關運行參數值及檢測狀態，可對異常警報進行判斷處理，方便管理，由PLC系統控制整個設備的協調高速運行。 實際電氣控制系統如圖5所示。
3 電氣控制系統
3．1 系統配置及說明
高速泡罩包裝機采用的電氣配置：DOP-A57CSTD，5.7” 觸摸屏，256色，分辨率為320×240；DVP-12SA00R，8入/4出PLC主機；DVP-08SN，8點輸出擴展；VFD015M43A，變頻器；DTC1000，模塊化溫控器。系統結構及原理圖如圖6所示。變頻器、模塊化溫控器與PLC通過RS485串行網絡連接到系統，PLC與觸摸屏通過RS232交換數據。
3．2 觸摸屏設計
采用臺達彩色5.7寸觸摸屏，具有色彩豐富，分辨率高，高速CPU可使頁面切換更流暢，通訊速度更快，能夠很好地滿足現場使用。在程序中設置了工作畫面、設備調試、系統參數設定、故障診斷等畫面，使整個設備操作簡單易懂，操作方便，工作畫面如圖7所示。
圖8為為系統主畫面，在主畫面上可完成3組溫度控制的顯示與調整，以及主電機、吸塵器、熱封、上料等各部分的操作。
系統參數設定畫面如圖9所示。在該畫面中可以設置與系統運行相關的各種參數，包括上加熱板溫度、下加熱板溫度、熱封溫度，以及對計數系數、夾持時間、是否上料等的設定。
設備調試畫面如圖10所示。該畫面可以作為設備調試過程中控制各設備運轉畫面，也可作為設備調試完畢后的手動操作畫面。
3．3 PLC控制系統
可編程控制器選用臺達產品DVP12SA00R+DVP08SN，該機種為臺達SLIM型主機，具有體積小巧，安裝快捷方便，特別適合對安裝空間有一定要求的環境，有以下特點：2個標準通訊口（RS232和RS485，符合MODBUS協議），內建高速輸入/輸出，30KHz高速計數器、20KHz脈波輸出，可以檢測外部高速信號（上料檢測、準停檢測、PVC檢測），指令豐富可滿足復雜編程的要求，功能強大，電氣特性穩定，可實現最佳性價比。因為臺達所有產品都符合MODBUS協議，并可方便組成通訊網絡，通過MODBUS使PLC能與變頻器、溫控器互連互通，根據檢測到的設備狀態和運算結果對其進行實時控制。
1）變頻器控制
變頻器的啟動、停止以及運行頻率均由PLC通過通訊方式給定，在畫面中可通過啟動、停止、升速、降速等按鈕對變頻器操作，其中主要是控制主電機停止時的準停功能，也就是說電機停止并不是在任意位置都可以，如果那樣那么重新開機時包裝位置將不準確，PVC板塊會有停機痕跡，因此需要根據準停檢測位置計算出準確的停止位置，保持下次重新啟動時能夠進行正常包裝。在程序中當接收到停止信號后，PLC即時檢測是否到達準停位置，再與準停值比較，如已到達準停位置，變頻器給定頻率開始做勻速遞減，讓主電機速度下降，減小慣性停車，從而實現在準確位置停車，保證PVC板塊無停機痕跡。
2）模塊式溫控器的控制
由3個模塊式溫控器組成設備溫控系統，包括上加熱板、下加熱板和熱封，該設備中溫度控制的精度也直接影響包裝效果，PVC的成型與溫度直接關系，按泡罩成型工藝要求不容許偏離容許溫度偏差。因此在控制系統中選擇了臺達產品中的DTC1000溫控器，該產品有獨立的溫度控制功能，并具有RS485接口，可以直接連入PLC主機的RS485網絡中，可以根據變化隨時調整溫度。系統實際運行表明，設定溫度與實際溫度誤差在±1度以內，PVC加熱器和熱壓輥加熱器溫度場均勻、準確，不會對包裝材料和藥品造成損傷，特別適應于對熱塑溫度范圍較窄的包裝材料的應用。
4 結束語
鋁塑泡罩包裝機控制系統改造前使用繼電器線路控制，手動有級調速，控制精度低，包裝效率低，電路穩定差，故障率高。經技術改造后的控制系統，采用臺達告訴的人機界面、SA系列可編程控制器、變頻器和溫控器，經過整合后，整機性能得到極大的提高。這說明在工業設備控制系統中，單一產品的運用有時不一定能滿足生產設備各方面的性能要求，而經過多產品的整合應用，給客戶以最佳的解決方案才是提高設備性能的最終途徑。目前，前期的5套設備已順利調試完畢，各項功能指標均符合要求，中達公司提供的這套整體解決方案是受到客戶肯定和好評的。
參考文獻[略]
作者簡介
趙越錦（1975-），男，自動化設備工程師，主要從事自動化系統工程方面的設計、開發與產品的技術支持工作。
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