药品灌装线实时重量检测系统前端子系统设计

药品灌装线实时重量检测系统前端子系统设计

郭锐，黄劼

(四川大学 制造科学与工程学院，四川成都 610065)

根据制药设备生产企业的实际需求研发粉针灌装线实时重量检测系统。基于前端子系统的设计思路和工作原理，设计主从式检测架构，能够并行处理传感器电压数据，减缓各单元检测压力，有效提高检测速度；此外，设计二级放大电路为前端采集单元硬件架构，能有效减少系统达到稳定的时间，避免将无用的噪音放大。根据具体实验结果，该系统能有效克服灌装线上的振动和干扰，实现0.5-2g粉针误差小于±2%的在线称重，可应用于实际生产。

实时重量检测；主从式检测系统；二级放大电路

0 引言

由于药品的特殊性，国家相关部门对其计量包装有严格的要求，药品计量不准问题不仅会给制药企业带来经济效益和声誉的损失，更会影响药品疗效甚至威胁到服用者的生命安全[1]。在灌装药品的同时在线检测药品重量既可以使质量检测全覆盖，保证药品质量的可靠性，又能有效提高药品生产企业的生产效率。根据形态药品不同，药品在线检测系统的技术难度也不同，其中粉针[2](粉状药品)的灌装量较小(一般在0.2g到3g)，灌装过程速度快且有连续和脉动型震动干扰，对在线检测系统的抗干扰能力和实时性要求很高，是制药行业急需解决的技术问题，例如梅特勒-托利多公司研制了用于药品在线称重的StarWeigh XS自动检重秤，可以有效提高提高生产率、增强安全性并且具有较强的灵活性，能够集成到多种制药生产过设备[3]。而完善解决这一问题的方案和设备国内至今未见报道[4]。本文采用主从式架构及具有良好环境适应性的信号处理电路完成信号采集和数据处理，满足了在线测量的技术要求，本研究有助于获得拥有自主知识产权的相关技术和设备，从源头上提高粉针计量包装的准确性，对提高药品的安全性，推动制药设备的技术发展有重大意义。

1 药品灌装线实时重量检测系统工作流程及整体框架

本系统采用主从式架构，与国内主流粉针灌装设备匹配, 分别称取灌装前空瓶及灌装后满瓶的重量，相减获得药品灌装重量。药品灌装量为0.5～2g, 最大称重50g(含药瓶)，根据药典规定，药粉灌装误差小于±2%，因此，系统绝对应误差小于10mg，相对误差小于0.02%。

图1 系统工作原理Fig. 1 The principle of system

药品灌装线在线称重系统架构及工作流程如图1所示。系统由四部分组成：①上位机：为用户提供直观的系统工作监控平台，同时通过数据处理，完成灌装量合格性判断，通过底层调度模块和PLC中继控制的机械臂剔除不达标的药瓶。②调度模块：数据和命令中转站，信号采集模块通过调度模块的中继将称重数据上传至上位机，上位机通过调度模块的中转将控制命令发送至信号采集子模块和PLC。③信号采集模块：用于采集称重信号，将信号进行模数转换、均值滤波及放大处理，上传至通信模块。④称重传感器：用于检测药瓶灌装前后的质量，与信号采集模块中的模拟信号处理模块相连。

按照灌装设备的工作流程灌装线分为三个区域：底层灌装线传送链由PLC控制，做步进式间歇运动，药瓶在传送链带动下按照箭头所示方向传动，每四个药瓶为一组。灌装线的中间区域为粉针灌装区；两侧为空瓶称重区和满瓶称重区，这两个称重区都安装有机械臂，用于将药瓶抓取到并排的四个称重传感器上。灌装线的传动和机械臂的动作都由PLC控制，PLC还与调度模块相连。同样，四个称重传感器为一组，连接到一块信号采集模块。信号采集模块共分两块，满瓶称重区和空瓶称重区各一块，分别用于称重空瓶质量和满瓶质量。

2 药品灌装线实时重量检测系统通信模块设计

药品灌装线实时重量检测系统通信模块主要包括硬件电路和通讯协议两部分。该模块主要作用是命令和数据中转。系统采用主从式通信架构，调度模块作为主机，八路前端采集单元作为分机。

如图2所示多机通讯架构是指主机发送的指令广播传送到每一路分机或者指定的分机，而每一路分机的数据或请求只能上传至主机，主机根据查询方式接收分机请求或数据，分机采用点名方式发送请求或数据。主从式通信架构能够以中央管控的方式合理协调多机通信的逻辑和时序问题，还能及时下传多重任务命令。该架构能够保证通信的完整性和可靠性，而且一路前端采集单元发生故障，不会影响到其他单元的工作状态，使系统具备较强的容错性。

图2 主从式检测系统硬件架构图Fig. 2 The hardware architecture of Master-slave detection system

3 实时重量检测系统信号采集模块

在信号采集子模块中，前端采集单元是整个前端子系统的最重要的数据来源，分为硬件电路和控制程序。硬件电路包括模拟信号调理电路、数字信号处理电路和485通信模块[5]，它的主要功能是称重将传感器的模拟信号提取并转化为数字信号，然后由485通信模块将数据上传至调度模块。

3.1 前端采集单元二级放大电路设计

药品灌装线实时重量检测系统前端子系统主要依靠前端采集单元采集称重信号，经信号采集模块将转化后的数字信号还需作均值滤波处理和上传至底层通信模块。电路中每一路单元都设计有单片机和隔离电源模块[6]，实现单元的独立工作，可以有效从物理线路上切断耦合途径。

如图3所示采集单元模拟信号电路采用两级放大架构。由于MAX293的输出存在严重的超调和振荡，如采用一次放大的方法，容易造成MAX293输出的振荡周期变长、振幅变大，同时会延长信号采集模块的建立时间，且降低系统的稳定性[7]。为预防这一系列问题，采集单元采用两级放大架构。

图3 采集单元模拟电路架构Fig. 3 The analog circuit architecture of acquisition unit

MAX293滤波器置于两次放大之间，用于提取药品的称重信号，经过第二次放大后模拟信号就被转换成标准5V模拟信号，最后信号输入16位A/D转换器转。两级放大还可以避免将无用的噪音放大，一级放大器将称重信号放大到MAX293的触发电压，二级放大用以提高信号增益和滤除MAX293振荡波，并且增加模拟信号带负载的能力。采用该种设计方案来处理称重信号的优点：电路功耗小，灵敏度高，结构简单。

3.2 第一级放大器INA128

由实验数据可知，前端模块的模拟电路输出电压只有几毫伏，因此模拟信号调理电路的总放大倍数被设定为1000倍，其中第一级放大器INA128的放大倍数为250倍。

如图4所示模拟电路图，INA128具有不低于120dB的共模抑制比，为了不影响放大器的共模干扰抑制能力，C8/R3和C9/R4在数值、规格、位置和布线上都严格对称(8)。电容C7可以有效的减小C8和C9造成的不匹配误差，一般C7的电容值是C8或C9的十倍，那么就能够将C8 和C9的不匹配误差减小二十倍。

图4 模拟电路图Fig. 4 Analog Circuit

4 药品重量检测数据分析

实验发现，每次药瓶被放置在传感器上的位置不一致，导致称重传感器偏心，容易引起误差，使测试数据的离散度变大。采用相应的限位措施后，实验数据离散度大大减小，均在上下限范围内，1000mg药品的测试数据均值与真实值的偏差为0.85mg，满足技术指标。如图5所示。

图5 1000mg药品实时称重数据Fig. 5 Real time weighing data of 1000mg drugs

5 总结

将主从式检测架构和二级放大电路应用到药品灌装线实时重量检测系统前端子系统中，能够有效减缓各单元检测压力，减少系统达到稳定的时间，避免将无用的噪音放大。经实验证实，采用此设计思路保证了通信的完整性和可靠性，而且一路前端采集单元发生故障，不会影响到其他单元的工作状态，使系统具备较强的容错性。

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Design of Front-end Subsystem for Online Weighing System of Pharmaceutical Filling Line

GUO Rui, HUANG Jie
(School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan Uniνersity, Chengdu 610065, China)

This topic was based on the actual research and development needs of producing online weighing system for powder-injection filling line of the pharmaceutical enterprise. Based on the design ideas and principles of front-end subsystem, designed detection of master-slave architecture, can parallel process sensor's voltage data, reduce each unit's detecting pressure, improve the detection rate. In addition, the secondary amplifier circuit for front-end acquisition unit hardware architecture, which can effectively reduce system time to stabilize, and avoid the amplification of unwanted noise. Site experiment shows that the system has effective ability to overcome the vibration and interference on the filling line, realize the error less than ±2% by weighing 0.5-2g powder-injection online, and can be applied to practical production.

online weighing; master-slave detection system; double amplification circuit

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.04

国家自然基金青年科学基金(51405314)

郭锐(1989-), 男, 硕士研究生, 精密仪器及机械, 研究方向: 智能仪器设计及应用; 黄劼(1966-), 男, 博士, 教授, 硕士生导师, 研究方向: 测试技术

郭锐，黄劼．药品灌装线实时重量检测系统前端子系统设计[J]．新型工业化，2015，5(1)：29-33