摘要：基于PC的控制解決方案在制藥行業泡罩包裝機中的應用

1.引言

瑞士RohrerAG公司在其專為制藥工業設計的新型R760泡罩包裝機中完全采用了Beckhoff基于PC的控制系統。憑借Beckhoff功能強大的高精度EtherCATI/O系統和高動態、緊湊型驅動器組件，Rohrer能夠開發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專業從事用于開發和配置靈活的薄膜和金屬箔并用它們制造產品的機器。為了生產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想到最終實現。公司提供從樣品開發到樣機建造再到生產設備配置等全方位服務。Beckhoff功能強大的基于PC的控制技術讓Rohrer能夠使得其R760機器第一次實現每分鐘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。它可用于從柔性薄膜制成的泡罩包裝的開發到批量生產等所有階段。機器負責完成所有加工過程，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品。如果空間狹小，可以減少機器的模塊數量。并且由于它符合GMP設計（良好作業規范）要求，它甚至可以安裝在潔凈室中。

R760機器負責完成所有加工過程，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、化妝品和醫療應用領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供應商針對制藥行業使用的一臺機器。該機器用來評估新產品和包裝類型。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。機器的設計和自動化技術必須滿足速度和規模方面的超高要求。其結果是第一套達到40個循環的系統，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，當時該公司安裝了面板型PCCP6200和控制柜式工業PC。2012年，Rohrer決定完全轉向使用PC控制技術。BerndEsch，Rohrer公司加工&包裝部門控制經理在解釋原因時說道：“以前的控制架構有很多缺點。例如，它需要多個總線系統。確保安全技術滿足ENISO13849標準所要求的性能水平也是相當復雜的。

此外，客戶要求更緊湊的系統，我們當時已經不能夠提供比較大的驅動器和額外要求的EMC濾波器。而另一方面，Beckhoff的AX5000系列驅動器結構非常緊湊，并集成了EMC濾波器。它們節約了約30％的控制柜空間。”此外，面板型PCCP6200和工業PCC6920已經為自動化任務提供了足夠的計算能力。BerndEsch繼續說道：“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。這意味著，除了Beckhoff節省空間的工業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用支持。”

另一個顯著的優勢是PC控制的開放性，Esch說道：“我們必須能夠將我們的機器控制器連接到任何網絡。各種EtherCAT總線耦合器和現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系統進行通訊，因為有了集成式以太網接口和運行的TwinCATADS層，我們可以調用我們需要的任何控制數據，而不必使修改PLC程序。”與可視化系統的連接也同樣簡單，因為就像市場上的大多數系統一樣，它已經有了TwinCAT驅動程序。與用于網絡可視化的基Java的程序以及用于如批處理參數和故障消息等的MySQL數據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PC，它采用1.9GHz的Intel®Celeron®處理器和多語言版WindowsXPProfessional操作系統，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系列伺服驅動器執行，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數據點由約100個EtherCAT模擬量/數字量和TwinSAFE端子模塊收集并通過四個EtherCAT耦合器EK1100集成到控制系統中。如圖4所示。

圖4

4高動態驅動器需要的安裝工作量最少

除了結構非常緊湊，Beckhoff的伺服驅動技術還具有出色的動態性能，BerndEsch說道：“通過相應地調整生產參數，我們能夠快速地實現每分鐘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動技術的極限的情況下成功地實現了這一切。”Rohrer借助具有低轉動慣量和高達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。它們驅動三個用于打開和關閉壓機的伺服軸、兩個用于箔運輸的軸、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，以及用于根據產品位置移動加工站到其適當位置的調整軸。如圖5所示。

圖5

Rohrer也從Beckhoff的單電纜技術（OCT）將動力和反饋系統結合到一根電機電纜中獲益匪淺。單電纜解決方案通過數字量接口可靠、無干擾地傳輸信息。這樣電機和控制器側無需使用多根電線和連接器，從而顯著節省了組件使用量，減少了調試工作。BerndEsch也意識到這一點：“由于布線需求減少，對我們來說，OCT節約了巨大的資源，特別是因為兩個驅動器采用拖鏈。它讓我們能夠將一切的體積都減小一點，這也有助于整個機器的設計。總而言之，OCT幫我們減少了約25％的安裝和材料成本。這也使得調試過程更加輕松。過去，發生故障時的標準解決方案是運行一個全新的編碼器行。現在，它們被集成到電機電纜中，我們不再需要長時間討論有關重路由布線的事宜。”

5集成的安全技術提供了新的選擇

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

TwinSAFE系統的靈活性還簡化了為單個機器模塊選擇性地執行安全功能的工作。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。有了TwinSAFE，我們可以擁有一個外觀更優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），在它們經過機器時讀出。根據托盤的相對位置，機器讀取輸送系統的確切終點位置，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）的速度高速移動產品，如果使用Beckhoff的XFC極速控制技術，速度還可以再快一倍。BerndEsch：“借助XFC端子模塊和匹配的傳感器，我們實現了每秒高達500毫米（20英寸）的速度。盡管速度極快，系統仍然能夠可靠地檢測到基準點，并準確地進行計算和閉環控制操作。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品以極高的精度觸發檢測攝像頭。”