药液灌装机在线称重系统研究

引言

在制药工业中药液灌装机主要用于定量灌装水针试剂,其中包括预灌针、西林瓶及卡式瓶等几种瓶型,通常为0.1~6mL。此类型水针试剂广泛应用于临床医学,为保证用药安全性及药效,每一支药品剂量都需要精准。目前药物重量检测仍然是以人工为主进行净重记录并计算偏差数值,再将数值手动输入工控机实现灌装重量调整,对于灌装重量超限的药瓶则通过人工予以甄别。因人为检测的主观性,检测质量常常受检测员水平、视觉疲劳等因素影响,这对于保证药品灌装质量乃至药物疗效是十分不利的。本文所述的在线称重系统不仅能实现灌装量在线调整,同时可剔除不合格装量药瓶。由于其具备自动化程度高、检测准确、能实现无损操作等特点,同样可应用于制药、包装、电子、电气等行业。

随着生产设备效率提高及新版GMP对药品管理的进一步加强,也因人是重要的污染源之一,在制药生产过程中减少人为接触或干预成为保证药品安全的重要措施,在生产中的每一环节普及自动化应用是未来制药工业发展的重要方向。本文针对自动药液灌装机的生产特点,将自动称重系统完全置于药液灌装机隔离器内部,对于保证ISOLATOR环境即相对稳定层流、风速、气压等具有重要意义,这也要求所有硬件设备需满足洁净室标准。

1称重系统及部件设计原理与硬件配置

1.1称重系统设计原理

自动称重系统采用机械手将灌装前后两种状态下的药瓶加载到高精度电子秤上各称一次,控制器通过总线获取高精度电子秤的电信号获得皮重、总重,经过计算处理与标准值比较获得净重与偏差值。控制器通过比较判断每支药瓶灌装净重是否超限,灌装重量不符合标准的药瓶,随传送带流经下一工位时控制器触发剔废气缸予以剔除,使其进入剔废通道,合格的产品则进入下一工位。同时,通过该偏差值在线调整灌装泵(本文采用柱塞泵)的灌装凸轮曲线,即调整柱塞泵的活塞运动位移来调整灌装量,如此往复直至药液灌装重量符合标准为止。控制器同时将称重数据实时传送给服务器进行数据记录分析,并通过交换机与工控机互联,实现数据的可视化,方便操作人员随时监控机器运行状态。

自动称重系统原理如图1所示。

1.2称重系统硬件配置

硬件包括控制器、服务器、工控机、柱塞泵、机器人、高精度秤等,各部分由工业总线实现数据通信,其组成结构如表1所示。

2灌装量在线调整与自动剔废技术

2.1柱塞泵运行原理

本文研究的在线系统使用的柱塞灌装泵为法国SPC公司的高精度微量泵C33305,使用西门子的1FK伺服电机及驱动系统来实现灌装泵的位移及旋转,灌装泵主体计量部件采用耐磨损、耐腐蚀、耐高温的新型复合陶瓷材料精密加工而成。灌装泵具有不吸附药物、不与药物发生化学反应、计量精确、使用寿命长等特点,适用于水针剂灌装计量。套筒加工精度很高,且配合间隙小于10μm,无需密封件即可保证气密性,且活塞杆上设有凹槽,无需单向阀即可完成抽液打液等动作。该装置具有易装配、易消毒、寿命长、精度高等特点。

柱塞泵的工作原理如图2所示,当活塞杆由上向下运动时药液由活塞杆凹槽流进泵完成药液吸取动作,而后活塞杆旋转180°,再由下向上运动经活塞杆由活塞杆凹槽泵出药液,活塞杆再旋转180°,复位为初始状态,至此柱塞泵的一个运动周期结束。

在实际控制中,一般将柱塞泵的实际运动位移及实际旋转曲线挂载在同一虚拟主轴上。横轴为虚拟主轴运转区间0~360°,纵轴代表柱塞泵活塞实际转动角度及柱塞泵活塞实际位移曲线。如果需要改变柱塞泵运行速度,只需改变虚拟主轴运行速度,即可实现柱塞泵位移及旋转的速度同步改变,保证两者运动节拍一致。图3、图4所示为按照柱塞泵运行原理在SCOUT(西门子SMOTION控制器的编辑软件)设计的柱塞泵活塞杆旋转运动凸轮曲线。

图3 柱塞泵旋转曲线

图4 柱塞泵位移曲线

2.2灌装量在线调整

灌装过程是伺服电机驱动柱塞泵的活塞杆泵出的药液通过导液管连接固定针架上的灌装针再经针管流至药瓶中。一般情况下柱塞泵的灌装精度相对稳定,但药液袋中的气泡增多及液位变化、连接灌装泵的软管长时间工作疲劳、药液灌装机的运行速度等不确定因素会导致柱塞泵在运行一段时间后出现灌装量不准确的情况,当超出允许精度范围时,控制器需及时对灌装泵的位移曲线进行在线修正,即实现对灌装量的在线调整,这样才能保证每一批次药品的精准灌装。

在SCOUT软件中建立相关硬件配置,并编写六轴机械手通信块、伺服电机运动块、称重流程块,控制系统通过调用相关程序块的接口程序即可控制称重系统。SMOTION控制器根据偏差值,通过相应算法修正灌装位移曲线放大系数,而后使用setCamscale指令应用该系数修改凸轮曲线的最大位移距离,即改变柱塞泵的泵出药液量。柱塞泵的位移距离在SMOTION上监控如图5所示。

图5 SMOTION监控柱塞泵位移图

据实际观测,该程序执行效果良好,经过调整可使柱塞泵的活塞位移稳定在合理范围内,即可以实现柱塞泵的精准灌装。

2.3剔废功能

一般药瓶以10×10或16x16等矩阵形式排列于巢盒中,所以称重系统将每个药瓶称重的数据传递给SMOTION控制器,其将数据存储于二维数组堆栈中,如果有药瓶的称重数据超限,则将该位置的剔废状态标记为1,控制系统待全部药瓶称重完毕通过二次FoR循环检索确定是否有剔废状态为1的位置,如果有则将巢盒标记为剔废巢盒,同时在MEs称重报表中标记出待剔废的药瓶实际位置及数值。表2所示为灌装2mL的MEs报表截取图,其中灌装巢板为16×10类型,浅灰色底表示超限数值,深灰色底表示合格数值。

待巢盒运送到待剔废区,如果该巢盒满足剔废条件,SMOTION则触发中继进而相应气缸执行剔废巢盒动作。巢盒进入剔废轨道,再由人工根据报表标记的位置取出灌装不合格药瓶。

3在线称重系统应用展望

本称重系统融合现场工业总线技术与西门子SMOTION运动控制技术,具有抗干扰力强、效率高、组成简单、精度高等优点,同时应用的史陶比尔六轴机器手大大提高了系统柔性,可应用于多种预充针的称重,如预灌针、西林瓶、卡式瓶等。称重系统最大程度地减少了人工参与,缩小了污染源,降低了人力成本,同时因能实现精准灌装而降低了制药及研发药品的成本,减少了无谓的浪费,非常适用于现场灌装量在线调整及剔废。本称重系统利用机器人进行称重并补偿灌装量,在行业中处于领先水平,为药品安全提供了切实保障。

当今制造业正处于工业4.0的推进时期,使用先进技术进行生产制造已是众多企业的标配。GMP和FDA法规等要求对药物制剂的生产及研发过程必须符合药品生产通用规范,还要求能对药品生产过程的整个生命周期各方面质量因素进行可追溯、可验证的严密监控。从质量管理和控制角度上讲,人为因素难以控制,而自动化技术可对机器的工作状态实现精准控制及追溯。在线称重系统为我国以后的制药设备无人化改造提供了技术铺垫,同时也为积极参与国际竞争、开拓海外市场提供了储备力量。