引言

在制藥工業(yè)中藥液灌裝機(jī)主要用于定量灌裝水針試劑,其中包括預(yù)灌針、西林瓶及卡式瓶等幾種瓶型,通常為0.1~6mL。此類(lèi)型水針試劑廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué),為保證用藥安全性及藥效,每一支藥品劑量都需要精準(zhǔn)。目前藥物重量檢測(cè)仍然是以人工為主進(jìn)行凈重記錄并計(jì)算偏差數(shù)值,再將數(shù)值手動(dòng)輸入工控機(jī)實(shí)現(xiàn)灌裝重量調(diào)整,對(duì)于灌裝重量超限的藥瓶則通過(guò)人工予以甄別。因人為檢測(cè)的主觀性,檢測(cè)質(zhì)量常常受檢測(cè)員水平、視覺(jué)疲勞等因素影響,這對(duì)于保證藥品灌裝質(zhì)量乃至藥物療效是十分不利的。本文所述的在線稱重系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)灌裝量在線調(diào)整,同時(shí)可剔除不合格裝量藥瓶。由于其具備自動(dòng)化程度高、檢測(cè)準(zhǔn)確、能實(shí)現(xiàn)無(wú)損操作等特點(diǎn),同樣可應(yīng)用于制藥、包裝、電子、電氣等行業(yè)。

隨著生產(chǎn)設(shè)備效率提高及新版GMP對(duì)藥品管理的進(jìn)一步加強(qiáng),也因人是重要的污染源之一,在制藥生產(chǎn)過(guò)程中減少人為接觸或干預(yù)成為保證藥品安全的重要措施,在生產(chǎn)中的每一環(huán)節(jié)普及自動(dòng)化應(yīng)用是未來(lái)制藥工業(yè)發(fā)展的重要方向。本文針對(duì)自動(dòng)藥液灌裝機(jī)的生產(chǎn)特點(diǎn),將自動(dòng)稱重系統(tǒng)完全置于藥液灌裝機(jī)隔離器內(nèi)部,對(duì)于保證ISOLATOR環(huán)境即相對(duì)穩(wěn)定層流、風(fēng)速、氣壓等具有重要意義,這也要求所有硬件設(shè)備需滿足潔凈室標(biāo)準(zhǔn)。

1稱重系統(tǒng)及部件設(shè)計(jì)原理與硬件配置

1.1稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)稱重系統(tǒng)采用機(jī)械手將灌裝前后兩種狀態(tài)下的藥瓶加載到高精度電子秤上各稱一次,控制器通過(guò)總線獲取高精度電子秤的電信號(hào)獲得皮重、總重,經(jīng)過(guò)計(jì)算處理與標(biāo)準(zhǔn)值比較獲得凈重與偏差值。控制器通過(guò)比較判斷每支藥瓶灌裝凈重是否超限,灌裝重量不符合標(biāo)準(zhǔn)的藥瓶,隨傳送帶流經(jīng)下一工位時(shí)控制器觸發(fā)剔廢氣缸予以剔除,使其進(jìn)入剔廢通道,合格的產(chǎn)品則進(jìn)入下一工位。同時(shí),通過(guò)該偏差值在線調(diào)整灌裝泵(本文采用柱塞泵)的灌裝凸輪曲線,即調(diào)整柱塞泵的活塞運(yùn)動(dòng)位移來(lái)調(diào)整灌裝量,如此往復(fù)直至藥液灌裝重量符合標(biāo)準(zhǔn)為止。控制器同時(shí)將稱重?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄分析,并通過(guò)交換機(jī)與工控機(jī)互聯(lián),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化,方便操作人員隨時(shí)監(jiān)控機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)。

自動(dòng)稱重系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.2稱重系統(tǒng)硬件配置

硬件包括控制器、服務(wù)器、工控機(jī)、柱塞泵、機(jī)器人、高精度秤等,各部分由工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,其組成結(jié)構(gòu)如表1所示。

2灌裝量在線調(diào)整與自動(dòng)剔廢技術(shù)

2.1柱塞泵運(yùn)行原理

本文研究的在線系統(tǒng)使用的柱塞灌裝泵為法國(guó)SPC公司的高精度微量泵C33305,使用西門(mén)子的1FK伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)灌裝泵的位移及旋轉(zhuǎn),灌裝泵主體計(jì)量部件采用耐磨損、耐腐蝕、耐高溫的新型復(fù)合陶瓷材料精密加工而成。灌裝泵具有不吸附藥物、不與藥物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、計(jì)量精確、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),適用于水針劑灌裝計(jì)量。套筒加工精度很高,且配合間隙小于10μm,無(wú)需密封件即可保證氣密性,且活塞桿上設(shè)有凹槽,無(wú)需單向閥即可完成抽液打液等動(dòng)作。該裝置具有易裝配、易消毒、壽命長(zhǎng)、精度高等特點(diǎn)。

柱塞泵的工作原理如圖2所示,當(dāng)活塞桿由上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)藥液由活塞桿凹槽流進(jìn)泵完成藥液吸取動(dòng)作,而后活塞桿旋轉(zhuǎn)180°,再由下向上運(yùn)動(dòng)經(jīng)活塞桿由活塞桿凹槽泵出藥液,活塞桿再旋轉(zhuǎn)180°,復(fù)位為初始狀態(tài),至此柱塞泵的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束。

在實(shí)際控制中,一般將柱塞泵的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移及實(shí)際旋轉(zhuǎn)曲線掛載在同一虛擬主軸上。橫軸為虛擬主軸運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間0~360°,縱軸代表柱塞泵活塞實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度及柱塞泵活塞實(shí)際位移曲線。如果需要改變柱塞泵運(yùn)行速度,只需改變虛擬主軸運(yùn)行速度,即可實(shí)現(xiàn)柱塞泵位移及旋轉(zhuǎn)的速度同步改變,保證兩者運(yùn)動(dòng)節(jié)拍一致。圖3、圖4所示為按照柱塞泵運(yùn)行原理在SCOUT(西門(mén)子SMOTION控制器的編輯軟件)設(shè)計(jì)的柱塞泵活塞桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)凸輪曲線。

圖3 柱塞泵旋轉(zhuǎn)曲線

圖4 柱塞泵位移曲線

2.2灌裝量在線調(diào)整

灌裝過(guò)程是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)柱塞泵的活塞桿泵出的藥液通過(guò)導(dǎo)液管連接固定針架上的灌裝針再經(jīng)針管流至藥瓶中。一般情況下柱塞泵的灌裝精度相對(duì)穩(wěn)定,但藥液袋中的氣泡增多及液位變化、連接灌裝泵的軟管長(zhǎng)時(shí)間工作疲勞、藥液灌裝機(jī)的運(yùn)行速度等不確定因素會(huì)導(dǎo)致柱塞泵在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)灌裝量不準(zhǔn)確的情況,當(dāng)超出允許精度范圍時(shí),控制器需及時(shí)對(duì)灌裝泵的位移曲線進(jìn)行在線修正,即實(shí)現(xiàn)對(duì)灌裝量的在線調(diào)整,這樣才能保證每一批次藥品的精準(zhǔn)灌裝。

在SCOUT軟件中建立相關(guān)硬件配置,并編寫(xiě)六軸機(jī)械手通信塊、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)塊、稱重流程塊,控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用相關(guān)程序塊的接口程序即可控制稱重系統(tǒng)。SMOTION控制器根據(jù)偏差值,通過(guò)相應(yīng)算法修正灌裝位移曲線放大系數(shù),而后使用setCamscale指令應(yīng)用該系數(shù)修改凸輪曲線的最大位移距離,即改變柱塞泵的泵出藥液量。柱塞泵的位移距離在SMOTION上監(jiān)控如圖5所示。

圖5 SMOTION監(jiān)控柱塞泵位移圖

據(jù)實(shí)際觀測(cè),該程序執(zhí)行效果良好,經(jīng)過(guò)調(diào)整可使柱塞泵的活塞位移穩(wěn)定在合理范圍內(nèi),即可以實(shí)現(xiàn)柱塞泵的精準(zhǔn)灌裝。

2.3剔廢功能

一般藥瓶以10×10或16x16等矩陣形式排列于巢盒中,所以稱重系統(tǒng)將每個(gè)藥瓶稱重的數(shù)據(jù)傳遞給SMOTION控制器,其將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于二維數(shù)組堆棧中,如果有藥瓶的稱重?cái)?shù)據(jù)超限,則將該位置的剔廢狀態(tài)標(biāo)記為1,控制系統(tǒng)待全部藥瓶稱重完畢通過(guò)二次FoR循環(huán)檢索確定是否有剔廢狀態(tài)為1的位置,如果有則將巢盒標(biāo)記為剔廢巢盒,同時(shí)在MEs稱重報(bào)表中標(biāo)記出待剔廢的藥瓶實(shí)際位置及數(shù)值。表2所示為灌裝2mL的MEs報(bào)表截取圖,其中灌裝巢板為16×10類(lèi)型,淺灰色底表示超限數(shù)值,深灰色底表示合格數(shù)值。

待巢盒運(yùn)送到待剔廢區(qū),如果該巢盒滿足剔廢條件,SMOTION則觸發(fā)中繼進(jìn)而相應(yīng)氣缸執(zhí)行剔廢巢盒動(dòng)作。巢盒進(jìn)入剔廢軌道,再由人工根據(jù)報(bào)表標(biāo)記的位置取出灌裝不合格藥瓶。

3在線稱重系統(tǒng)應(yīng)用展望

本稱重系統(tǒng)融合現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線技術(shù)與西門(mén)子SMOTION運(yùn)動(dòng)控制技術(shù),具有抗干擾力強(qiáng)、效率高、組成簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)應(yīng)用的史陶比爾六軸機(jī)器手大大提高了系統(tǒng)柔性,可應(yīng)用于多種預(yù)充針的稱重,如預(yù)灌針、西林瓶、卡式瓶等。稱重系統(tǒng)最大程度地減少了人工參與,縮小了污染源,降低了人力成本,同時(shí)因能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌裝而降低了制藥及研發(fā)藥品的成本,減少了無(wú)謂的浪費(fèi),非常適用于現(xiàn)場(chǎng)灌裝量在線調(diào)整及剔廢。本稱重系統(tǒng)利用機(jī)器人進(jìn)行稱重并補(bǔ)償灌裝量,在行業(yè)中處于領(lǐng)先水平,為藥品安全提供了切實(shí)保障。

當(dāng)今制造業(yè)正處于工業(yè)4.0的推進(jìn)時(shí)期,使用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制造已是眾多企業(yè)的標(biāo)配。GMP和FDA法規(guī)等要求對(duì)藥物制劑的生產(chǎn)及研發(fā)過(guò)程必須符合藥品生產(chǎn)通用規(guī)范,還要求能對(duì)藥品生產(chǎn)過(guò)程的整個(gè)生命周期各方面質(zhì)量因素進(jìn)行可追溯、可驗(yàn)證的嚴(yán)密監(jiān)控。從質(zhì)量管理和控制角度上講,人為因素難以控制,而自動(dòng)化技術(shù)可對(duì)機(jī)器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制及追溯。在線稱重系統(tǒng)為我國(guó)以后的制藥設(shè)備無(wú)人化改造提供了技術(shù)鋪墊,同時(shí)也為積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、開(kāi)拓海外市場(chǎng)提供了儲(chǔ)備力量。