横河PLC在高速压片机中的应用

一、简介
        日本横河的FA-M3系列PLC是横河公司基于DCS技术基础，经过多年专业研发推出的高性能PLC产品，作为日本最大的工业控制集团之一，横河FA-M3系列PLC自诞生起便始终引领着日本PLC业界的发展潮流，短短几年便跃居日本大中型PLC市场占有率第二位。
         片剂是口服药剂和保健制剂的基本剂型，因此片剂生产机械是制药工程领域的基础性专用设备。片剂是由压片机将颗粒状原料压制成片。压片机的生产制造能力标志着一个国家制药工程技术能力。压片机在整个药机行业应用非常广泛。基本上任何制药厂都会对该设备有很大需求。
        与进口高档压片机相比，很多国产压片机低转速、低产量，（产量10-15万片/小时），压片机功能不够全面，不能够对药片质量实时采样，并剔除质量不合格的药片

压片机的工作过程
1、下冲的冲头部位(其工作位置朝上)由中模孔下端伸入中模孔中，封住中模孔底；
2、利用加料器向中模孔中填充药物；
3、上冲的冲头部位(其工作位置朝下)自中模孔上端落入中模孔，并下行一定行程， 将药粉压制成片，并进行压力采样，判断药片质量是否合格
4、上冲提升出孔。下冲上升将药片顶出中模孔；
5、压力传感器检测药片质量，并自动记录各药片质量；
6、采用气动阀将不合格药片剔除；
7、下冲降到原位，准备下一次填充。


控制系统构成
系统构成、硬件选用及选用依据
        设备转速达到110转/分钟，设备有44个工位，生产能力达到30万片/小时，每个工位只有12ms。除去机械时间，留给控制与采样的时间只有几个毫秒，在这几个毫秒中要采集压制药片的压力峰值，以此判断药片质量是否合格，并快速剔除费片。这就要求PLC运行速度够快。并且，对模拟量采样要足够快速。一般的PLC很难达到要求。使用横河FA-M3系列PLC很好的解决了这一问题。
        选用F3SP28-3S 超高速CPU, 具有SCB功能，程序采样周期可设定为200μs，独立于主程序运行，运算速度快，单步指令处理达到0.045μs，保证系统的快速反应
        采用快速相应的I/O模块：－－－－-F3XD16-3H/YD32-1H 高速输入模块输入响应10μs ，高速输出模块输出响应30μs。响应快速，能够快速采集传感器信息，并在踢片过程中迅速完成动作。
        高速模拟量采集 F3AD08-5R: 高速AD模块采样时间50μs，16bit分辨率，输入转换精度0.1%-0.3% F.S.。保证了系统能够在几个毫秒对压力信号进行多点采集，迅速捕捉峰值压力，判断药剂质量是否合格。
高速计数器模块 F3XP01-0H: 高速脉冲采集：400kpp, 32bit计数。高速、准确的判断每个工位的位置，是设备能够准确无误的动作。
         定位模块－－－－-F3NC32-0N: 2 轴, 5Mpps脉冲输出,5Mpps编码器反馈, 响应快速，响应时间只有1毫秒，保证了自动调整药剂充填量的快速性，以达到精确控制药片质量、提高产品合格率的目的。

控制系统完成的功能

功能：整个PLC系统中可分为动作顺序控制、信号采集、处理等过程、图形显示等。
动作顺序控制包括液压控制、润滑泵控制、药片压制过程动作、剔除费片、自动调整充填量等。
压力控制：由操作人员在人机上设定好液压控制系统的压力上、下限，工作压力等参数，系统根据设定工作压力自动调整系统压力，当压力超过上、下限设定时，系统自动报警。
润滑系统：在人机上设定好润滑泵开启时间、润滑时间间隔等参数，由系统自动润滑。
压片过程：在触摸屏人机界面上显示填充厚度、预压厚度、压片厚度、压片力。这四个物理量影响生产片剂的质量。因此对于模拟量转换的精度要求比较高。
压片传动的转动速度要进行限制。最高转速在人机上设定，最高为110rpm/min。工艺上要求系统启动有两种方式：正常启动、点动。速度设定都在人机上完成。
设定剔除费片的药片质量上、下限，药片质量超过设定范围时系统自动剔除费片。
当药粉湿度发生变化时，药粉的密度也随之发生变化，为了保证药片质量，则需要通过调整药粉的充填量来保证药片质量，系统根据检测到的压力参数进行自动调整。

控制要点：在压制药片过程中，以模具压力信号峰值来判断药片质量，设备运行速度为110转/分，最高产量为300，000片/小时，每个工位时间间隔为12毫秒，压力采样有效时间仅为5毫秒左右，即：整个压力曲线的时间只有5毫秒左右。要想能够准确的被捕捉到峰值压力，那么压力采样点就要尽量多，采样时间间隔尽量短。使用横河 F3AD08-5R 模拟量高速采集模块，响应时间仅为50μs/通道，16位的分辨率。横河F328-3S CPU 具有SCB 功能，可以设定SCB程序扫描周期最短为0.2MS，独立于主程序运行，不受程序运行的影响。此二者配合使用，充分保证了信号采样的快速性、准确定。整个系统的程序两2K步左右，主程序扫描时间仅为0.6MS，充分保证了数据计算的实时性。
        经测试，压力信号放大器本身信号转换存在着大约20MS的延时，超过每个工位的最短工作时间12MS，根据设备运行速度的变化，压力信号的采集会落后实际工位1至2个位置，在此加入了一些算法，保证了信号啊采集的实时性。
        在剔除费片的过程中，气动阀的响应时间为6MS，再此需要在不合格药片到达剔除药片位置之前提前打开气动阀门，根据时间与速度参数计算后加入补偿值。经测试，在各种速度运行情况下都能够准确无误的剔除质量不合格的费片。

四、使用效果

        主机运行速度可达110转/分，产量300，000片/小时，具有单片及批量自动剔废功能，能够准确无误的剔除费片，并具有自动控制药片重量、自动故障报警、彩色触摸屏、人机界面、操作界面多语言显示等功能。
横河F3系列PLC体积小巧，大大节省了设备占用空间，系统可靠性高，抗环境能力强，运行稳定。