引言

在制藥工業(yè)中藥液灌裝機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。目前藥物重量檢測仍然是以人工為主進行凈重記錄并計算偏差數(shù)值,再將數(shù)值手動輸入工控機實現(xiàn)灌裝重量調(diào)整,對于灌裝重量超限的藥瓶則通過人工予以甄別。因人為檢測的主觀性,檢測質(zhì)量常常受檢測員水平、視覺疲勞等因素影響,這對于保證藥品灌裝質(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)不僅能實現(xiàn)灌裝量在線調(diào)整,同時可剔除不合格裝量藥瓶。由于其具備自動化程度高、檢測準確、能實現(xiàn)無損操作等特點,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對藥品管理的進一步加強,也因人是重要的污染源之一,在制藥生產(chǎn)過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)普及自動化應(yīng)用是未來制藥工業(yè)發(fā)展的重要方向。本文針對自動藥液灌裝機的生產(chǎn)特點,將自動稱重系統(tǒng)完全置于藥液灌裝機隔離器內(nèi)部,對于保證ISOLATOR環(huán)境即相對穩(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)備需滿足潔凈室標準。

1稱重系統(tǒng)及部件設(shè)計原理與硬件配置

1.1稱重系統(tǒng)設(shè)計原理

自動稱重系統(tǒng)采用機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,控制器通過總線獲取高精度電子秤的電信號獲得皮重、總重,經(jīng)過計算處理與標準值比較獲得凈重與偏差值?？刂破魍ㄟ^比較判斷每支藥瓶灌裝凈重是否超限,灌裝重量不符合標準的藥瓶,隨傳送帶流經(jīng)下一工位時控制器觸發(fā)剔廢氣缸予以剔除,使其進入剔廢通道,合格的產(chǎn)品則進入下一工位。同時,通過該偏差值在線調(diào)整灌裝泵(本文采用柱塞泵)的灌裝凸輪曲線,即調(diào)整柱塞泵的活塞運動位移來調(diào)整灌裝量,如此往復(fù)直至藥液灌裝重量符合標準為止?？刂破魍瑫r將稱重數(shù)據(jù)實時傳送給服務(wù)器進行數(shù)據(jù)記錄分析,并通過交換機與工控機互聯(lián),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化,方便操作人員隨時監(jiān)控機器運行狀態(tài)。

自動稱重系統(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、柱塞泵、機器人、高精度秤等,各部分由工業(yè)總線實現(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)整與自動剔廢技術(shù)

2.1柱塞泵運行原理

本文研究的在線系統(tǒng)使用的柱塞灌裝泵為法國SPC公司的高精度微量泵C33305,使用西門子的1FK伺服電機及驅(qū)動系統(tǒng)來實現(xiàn)灌裝泵的位移及旋轉(zhuǎn),灌裝泵主體計量部件采用耐磨損、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)、計量精確、使用壽命長等特點,適用于水針劑灌裝計量。套筒加工精度很高,且配合間隙小于10μm,無需密封件即可保證氣密性,且活塞桿上設(shè)有凹槽,無需單向閥即可完成抽液打液等動作。該裝置具有易裝配、易消毒、壽命長、精度高等特點。

柱塞泵的工作原理如圖2所示,當活塞桿由上向下運動時藥液由活塞桿凹槽流進泵完成藥液吸取動作,而后活塞桿旋轉(zhuǎn)180°,再由下向上運動經(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),至此柱塞泵的一個運動周期結(jié)束。

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

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

灌裝過程是伺服電機驅(qū)動柱塞泵的活塞桿泵出的藥液通過導(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時間工作疲勞、藥液灌裝機的運行速度等不確定因素會導(dǎo)致柱塞泵在運行一段時間后出現(xiàn)灌裝量不準確的情況,當超出允許精度范圍時,控制器需及時對灌裝泵的位移曲線進行在線修正,即實現(xiàn)對灌裝量的在線調(diào)整,這樣才能保證每一批次藥品的精準灌裝。

在SCOUT軟件中建立相關(guān)硬件配置,并編寫六軸機械手通信塊、伺服電機運動塊、稱重流程塊,控制系統(tǒng)通過調(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)實際觀測,該程序執(zhí)行效果良好,經(jīng)過調(diào)整可使柱塞泵的活塞位移穩(wěn)定在合理范圍內(nèi),即可以實現(xiàn)柱塞泵的精準灌裝。

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)將每個藥瓶稱重的數(shù)據(jù)傳遞給SMOTION控制器,其將數(shù)據(jù)存儲于二維數(shù)組堆棧中,如果有藥瓶的稱重數(shù)據(jù)超限,則將該位置的剔廢狀態(tài)標記為1,控制系統(tǒng)待全部藥瓶稱重完畢通過二次FoR循環(huán)檢索確定是否有剔廢狀態(tài)為1的位置,如果有則將巢盒標記為剔廢巢盒,同時在MEs稱重報表中標記出待剔廢的藥瓶實際位置及數(shù)值。表2所示為灌裝2mL的MEs報表截取圖,其中灌裝巢板為16×10類型,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)中繼進而相應(yīng)氣缸執(zhí)行剔廢巢盒動作。巢盒進入剔廢軌道,再由人工根據(jù)報表標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)場工業(yè)總線技術(shù)與西門子SMOTION運動控制技術(shù),具有抗干擾力強、效率高、組成簡單、精度高等優(yōu)點,同時應(yīng)用的史陶比爾六軸機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,同時因能實現(xiàn)精準灌裝而降低了制藥及研發(fā)藥品的成本,減少了無謂的浪費,非常適用于現(xiàn)場灌裝量在線調(diào)整及剔廢。本稱重系統(tǒng)利用機器人進行稱重并補償灌裝量,在行業(yè)中處于領(lǐng)先水平,為藥品安全提供了切實保障。

當今制造業(yè)正處于工業(yè)4.0的推進時期,使用先進技術(shù)進行生產(chǎn)制造已是眾多企業(yè)的標配。GMP和FDA法規(guī)等要求對藥物制劑的生產(chǎn)及研發(fā)過程必須符合藥品生產(chǎn)通用規(guī)范,還要求能對藥品生產(chǎn)過程的整個生命周期各方面質(zhì)量因素進行可追溯、可驗證的嚴密監(jiān)控。從質(zhì)量管理和控制角度上講,人為因素難以控制,而自動化技術(shù)可對機器的工作狀態(tài)實現(xiàn)精準控制及追溯。在線稱重系統(tǒng)為我國以后的制藥設(shè)備無人化改造提供了技術(shù)鋪墊,同時也為積極參與國際競爭、開拓海外市場提供了儲備力量。