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伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要組件之一就是控制器，這是影響伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)的主要因素。常用的運(yùn)動(dòng)控制器包括PLC、PC-Based運(yùn)動(dòng)控制卡、系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器集成運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)則通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)裝置將預(yù)定指令變成期望的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。
2004年，中國(guó)的伺服產(chǎn)品更多的是集成于控制器的設(shè)備，占據(jù)近60%的市場(chǎng)，PC是伺服產(chǎn)品的第二大平臺(tái)，占據(jù)20%的市場(chǎng)，同時(shí)PLC也是設(shè)備的主控制器；但目前只有少數(shù)歐洲廠商提供的驅(qū)動(dòng)器集成了運(yùn)動(dòng)控制器，且用于對(duì)安裝空間要求較高的場(chǎng)合。
那么伺服系統(tǒng)如果應(yīng)用于包裝生產(chǎn)線上，會(huì)給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶來(lái)怎么的好處甚至是革新？為此，本刊特邀三位業(yè)內(nèi)專家就“伺服控制在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用”一文，引出各自對(duì)于該技術(shù)發(fā)展及在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀的觀點(diǎn)與見(jiàn)解，希望與行業(yè)人士共勉。對(duì)于專家們的大力支持，在此表示由衷感謝。
包裝技術(shù)促進(jìn)伺服系統(tǒng)的發(fā)展
盡管多數(shù)制藥商對(duì)他們的新設(shè)備表現(xiàn)得很平靜，但伺服動(dòng)力包裝系統(tǒng)仍在工廠中占據(jù)了應(yīng)有的地位。當(dāng)柔性生產(chǎn)設(shè)備成為消費(fèi)品生產(chǎn)廠家的支柱時(shí)，必要的調(diào)整卻成為在制藥應(yīng)用中的強(qiáng)大阻力。
博世包裝公司已為藥品制造商生產(chǎn)了多種伺服控制機(jī)器。該公司的電子工程主管戴維·布勞說(shuō)：“制藥廠剛剛領(lǐng)略到伺服的好處——生產(chǎn)方法的簡(jiǎn)易改變使短期和小批量生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)，不必再花費(fèi)4～6小時(shí)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(duì)機(jī)器重新編程，裝上不同類型或尺寸的部件，使機(jī)器重新運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。同時(shí)，伺服系統(tǒng)也更加簡(jiǎn)易、清潔、不易崩潰”。
與傳統(tǒng)軸傳動(dòng)包裝系統(tǒng)采用PLC控制和機(jī)械連接相比，伺服系統(tǒng)要依賴基于PC的控制系統(tǒng)，這種情況帶來(lái)了更多的問(wèn)題。許多制藥企業(yè)為使用伺服設(shè)備寧愿多走一段路，尤其是當(dāng)他們有更多的專業(yè)藥品需要多種包裝時(shí)，制藥企業(yè)都在尋找能夠給他們帶來(lái)更大靈活性的設(shè)備。
伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)
羅克韋爾自動(dòng)化公司的商務(wù)發(fā)展邁克·瓦格納說(shuō)：“暫不說(shuō)商業(yè)壓力，以伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)的設(shè)備要比軸傳動(dòng)設(shè)備具有更多優(yōu)勢(shì)。在伺服系統(tǒng)以前，包裝設(shè)備有一個(gè)大的交流電動(dòng)機(jī)以固定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)離主軸的機(jī)械連接控制每一個(gè)包裝程序，將軸運(yùn)動(dòng)從一個(gè)速度轉(zhuǎn)換成另一個(gè)速度，或者將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)。主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，就從另一端產(chǎn)出一個(gè)產(chǎn)品。當(dāng)你想將小瓶換成大瓶或者改變包裝尺寸或形狀時(shí)，就必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新調(diào)整” 。
而伺服系統(tǒng)改變了這種情況，沒(méi)有了到主軸的機(jī)械連接，每一個(gè)伺服系統(tǒng)（包括電動(dòng)機(jī)、齒輪頭和軟件）是獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的。這樣做的好處是：無(wú)論是壓力、速度、位置，都可以改變。以前，改變這些會(huì)花費(fèi)7個(gè)小時(shí)，除非有足夠大的批量以保證調(diào)整的有效性和理想的生產(chǎn)周期，否則很難改變?，F(xiàn)在，只需3～5分鐘就可完成調(diào)整，且方法很簡(jiǎn)單。
將伺服系統(tǒng)從電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸分離開來(lái)，使它們可以對(duì)包裝過(guò)程中的每一個(gè)事件進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整。美國(guó)皮斯特公司的副總裁鮑勃·哈塔維哥說(shuō)：“一個(gè)簡(jiǎn)單的低速到中速的灌裝線，由一些簡(jiǎn)單設(shè)備和一個(gè)主機(jī)組成，所有設(shè)備相互倚賴、協(xié)調(diào)工作，隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，灌裝線上的伺服系統(tǒng)能夠獨(dú)立調(diào)整發(fā)生的任何生產(chǎn)問(wèn)題”。德國(guó)ELAU公司的營(yíng)銷約翰·克瓦認(rèn)為：“伺服系統(tǒng)也將速度和精確度提升到了一個(gè)全新的水平。70%～80%銷售到制藥企業(yè)的打捆機(jī)、外包機(jī)、容器打包機(jī)、托盤堆垛機(jī)都將使用伺服系統(tǒng)”。
伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是它的閉環(huán)反饋，以伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)的封口機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的精度可以達(dá)到±0.02%，而標(biāo)準(zhǔn)離合器驅(qū)動(dòng)的封口機(jī)的精度僅為20%，由此很清楚看到伺服系統(tǒng)的價(jià)值所在。例如，在存儲(chǔ)每一個(gè)蓋子的轉(zhuǎn)矩值后，如果需要召回，只需召回1000瓶，而不是以往的1000000瓶。同樣的數(shù)據(jù)也可以用來(lái)分析封口機(jī)磨損的程度以決定是否需要維修。自從伺服系統(tǒng)使用了更小的電機(jī)，就極少需要維修了。通常，伺服系統(tǒng)的兩次故障之間的間隔是200000小時(shí)。
現(xiàn)在的伺服系統(tǒng)帶給人們一種遠(yuǎn)比過(guò)去有價(jià)值的感覺(jué)，5年前，一個(gè)普通的伺服系統(tǒng)價(jià)格為10000美元，如今，只賣5000美元，且價(jià)格還在下降。在一個(gè)價(jià)格100000美元的機(jī)器上，加10個(gè)伺服系統(tǒng)，價(jià)格將提高50%。相應(yīng)的，在價(jià)格50萬(wàn)到100萬(wàn)美元的更大機(jī)器上增加10個(gè)同樣的伺服系統(tǒng)，花費(fèi)并不明顯，但回報(bào)卻是巨大的。
伺服系統(tǒng)的不足
某制藥企業(yè)的一位項(xiàng)目說(shuō)：“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(dāng)原有系統(tǒng)要淘汰或要建新工廠時(shí)，*工廠安裝全伺服的包裝線，因?yàn)樗欧到y(tǒng)可以幫助在問(wèn)題發(fā)生前預(yù)測(cè)到，并告訴到哪里去解決。所有事情變得簡(jiǎn)單，比軸驅(qū)動(dòng)機(jī)器前進(jìn)了一大步”。
然而實(shí)際應(yīng)用情況并非如此，原因與伺服系統(tǒng)控制有關(guān)。要弄清原因，需要先看一下老式的軸驅(qū)動(dòng)包裝線。它們也許并不靈活或精確，但機(jī)械連接使得它們具有可預(yù)見(jiàn)性。一個(gè)使用階梯邏輯的可編程邏輯控制器使一個(gè)功能緊接著另一個(gè)功能，這是一個(gè)相對(duì)容易確認(rèn)的系統(tǒng)。
但同時(shí)，伺服系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的模塊，它們依靠軟件而不是齒輪、鏈條和凸輪來(lái)完成其任務(wù)。許多軟件使用基于PC的處理器，這既是它們的強(qiáng)大之處，也是它們脆弱的地方。一方面，個(gè)人計(jì)算機(jī)使得拖放式和觸摸屏控制成為可能。它們支持*的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，也支持21 CFR Part 11法規(guī)所遵從的查賬審核的綜合需求。但不足之處是，這些強(qiáng)大的地方也是個(gè)人計(jì)算機(jī)脆弱的地方。PC不像PLC階梯邏輯，計(jì)算機(jī)可以在同一個(gè)時(shí)間做10個(gè)不同的事情，因此，當(dāng)這些功能同時(shí)進(jìn)行時(shí)，確認(rèn)一臺(tái)機(jī)器是一個(gè)挑戰(zhàn)。
制藥設(shè)備必須在每個(gè)單一時(shí)間內(nèi)以同樣的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。不是三條路，而是只能有一條路來(lái)造出產(chǎn)品。對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)注在于：是否能夠做到，一條路錯(cuò)了，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)另一條路而繞過(guò)它。而對(duì)于臺(tái)式計(jì)算機(jī)的藍(lán)屏死機(jī)現(xiàn)象，很多企業(yè)都很害怕這種事故重復(fù)發(fā)生。
伺服系統(tǒng)的可靠性
一些藥品包裝商堅(jiān)持采用PLC控制器運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服系統(tǒng)。從本質(zhì)上，他們使機(jī)器“變傻”以免運(yùn)作不正常。雖然計(jì)算機(jī)依然還在，但它被隔離開來(lái)，僅僅用于21 CFR Part 11法規(guī)的安全和數(shù)據(jù)記錄，由PLC操縱著機(jī)器，這可能改善了穩(wěn)定性，但也失去了許多將伺服系統(tǒng)放在首要位置的好處。
當(dāng)然，還有其他方法可以確保穩(wěn)定性。關(guān)鍵在于要在Windows系統(tǒng)之前取得計(jì)算機(jī)處理器的控制權(quán)。在一條計(jì)算機(jī)控制的包裝線上，在初始化完成后和Windows系統(tǒng)取得處理器的控制權(quán)以前，控制結(jié)構(gòu)獲取了*的處理器控制權(quán)。然后它把處理器時(shí)間交給Windows系統(tǒng)，此時(shí)，你才可以運(yùn)行Windows程序，但卻在控制結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)下。在這種情形下，如果Windows系統(tǒng)死機(jī)，包裝線依然可以保持運(yùn)轉(zhuǎn)。你只需切換到手動(dòng)控制，因?yàn)槿藱C(jī)界面已經(jīng)失效了，但你的包裝線卻依然運(yùn)轉(zhuǎn)。
對(duì)于一些廠商而言，這種情況還存在些危險(xiǎn)性。他們可以選用計(jì)算機(jī)和PLC控制器組合而成的聯(lián)合控制，通過(guò)使用人機(jī)界面開關(guān)PLC。許多系統(tǒng)采用了插在計(jì)算機(jī)卡槽中的伺服控制卡，計(jì)算機(jī)軟件向控制PLC的伺服控制卡發(fā)送命令，伺服系統(tǒng)依從于正在執(zhí)行進(jìn)程的PLC，然后將有關(guān)進(jìn)程的任何反饋通過(guò)PLC送回來(lái)。
而另一些公司被混合系統(tǒng)所吸引，他們喜歡伺服系統(tǒng)所帶來(lái)的簡(jiǎn)化操作、數(shù)據(jù)采集以及可重復(fù)性，將PLC與HMI分離開來(lái)也減少了其影響確認(rèn)包裝過(guò)程所產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性。其他廠商不想處理PC系統(tǒng)令人頭痛的問(wèn)題，他們只想知道如何保持運(yùn)轉(zhuǎn)，他們擔(dān)心其穩(wěn)定性。如果買了一臺(tái)PC運(yùn)行在機(jī)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(jì)算機(jī)配件。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
zui終，由于包裝系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)，向伺服系統(tǒng)的過(guò)渡會(huì)容易些。在過(guò)去一年多時(shí)間里，開放型模塊化體系結(jié)構(gòu)控制包裝工作組已經(jīng)與世界批處理論壇和美國(guó)儀器學(xué)會(huì)一道工作，以加快拖放式包裝模塊的形成。
開放型模塊化體系結(jié)構(gòu)控制包裝工作組的目標(biāo)是制定包裝線軟件和硬件之間相互通信的標(biāo)準(zhǔn)。遵循這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，比如，伺服系統(tǒng)，可以在任何符合開放型模塊化體系結(jié)構(gòu)控制包裝工作組標(biāo)準(zhǔn)的包裝線上正常工作，大多數(shù)情況是，圖形卡或者調(diào)制解調(diào)器通過(guò)計(jì)算機(jī)連接在包裝線上。
確認(rèn)伺服系統(tǒng)的有效性將是賣方而不是制藥商的工作。然而，一旦確認(rèn)伺服系統(tǒng)是有效的，制藥商將不必再確認(rèn)其有效性，他們只需使用符合開放型模塊化體系結(jié)構(gòu)控制包裝工作組標(biāo)準(zhǔn)的組件建立一個(gè)系統(tǒng)，然后對(duì)zui終包裝線的有效性進(jìn)行確認(rèn)。結(jié)果，一個(gè)開放的、柔性的包裝系統(tǒng)，可以對(duì)它進(jìn)行重新編程，以勝任各種藥品和容器的包裝，對(duì)它進(jìn)行重構(gòu)，以完成不同的任務(wù)。
如果企業(yè)面臨著競(jìng)爭(zhēng)壓力，低成本和高靈活性則是必須的選擇。即使存在對(duì)有效性的擔(dān)心，也不可能減緩企業(yè)采用伺服系統(tǒng)的進(jìn)程。
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