2004年，中國的伺服產(chǎn)品更多的是集成于專用控制器的設(shè)備，占據(jù)近60%的市場，PC是伺服產(chǎn)品的第二大平臺，占據(jù)20%的市場，同時PLC也是設(shè)備的主控制器；但目前只有少數(shù)歐洲廠商提供的驅(qū)動器集成了運(yùn)動控制器，且用于對安裝空間要求較高的場合。
那么伺服系統(tǒng)如果應(yīng)用于包裝生產(chǎn)線上，會給運(yùn)動控制系統(tǒng)帶來怎么的好處甚至是革新？為此，特邀三位業(yè)內(nèi)專家就“伺服控制在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用”一文，引出各自對于該技術(shù)發(fā)展及在國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀的觀點與見解，希望與行業(yè)人士共勉。對于專家們的大力支持，在此表示由衷感謝。
一、包裝技術(shù)促進(jìn)伺服系統(tǒng)的發(fā)展
盡管多數(shù)制藥商對他們的新設(shè)備表現(xiàn)得很平靜，但伺服動力包裝系統(tǒng)仍在工廠中占據(jù)了應(yīng)有的地位。當(dāng)柔性生產(chǎn)設(shè)備成為消費品生產(chǎn)廠家的支柱時，必要的調(diào)整卻成為在制藥應(yīng)用中的強(qiáng)大阻力。
博世包裝公司已為藥品制造商生產(chǎn)了多種伺服控制機(jī)器。該公司的電子工程主管戴維•布勞表示，“制藥廠剛剛領(lǐng)略到伺服的好處——生產(chǎn)方法的簡易改變使短期和小批量生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)，不必再花費4～6小時去清洗、高壓滅菌及改變凸輪和零件，而只需花幾分鐘，就可以對機(jī)器重新編程，裝上不同類型或尺寸的部件，使機(jī)器重新運(yùn)轉(zhuǎn)起來。同時，伺服系統(tǒng)也更加簡易、清潔、不易崩潰”。
與傳統(tǒng)軸傳動包裝系統(tǒng)采用PLC控制和機(jī)械連接相比，伺服系統(tǒng)要依賴基于PC的控制系統(tǒng)，這種情況帶來了更多的問題。許多制藥企業(yè)為使用伺服設(shè)備寧愿多走一段路，尤其是當(dāng)他們有更多的專業(yè)藥品需要多種包裝時，制藥企業(yè)都在尋找能夠給他們帶來更大靈活性的設(shè)備。
二、伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢
羅克韋爾自動化公司的商務(wù)發(fā)展經(jīng)理邁克•瓦格納表示， “暫不說商業(yè)壓力，以伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)的設(shè)備要比軸傳動設(shè)備具有更多優(yōu)勢。在伺服系統(tǒng)以前，包裝設(shè)備有一個大的交流電動機(jī)以固定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)離主軸的機(jī)械連接控制每一個包裝程序，將軸運(yùn)動從一個速度轉(zhuǎn)換成另一個速度，或者將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動。主軸每轉(zhuǎn)動一次，就從另一端產(chǎn)出一個產(chǎn)品。當(dāng)你想將小瓶換成大瓶或者改變包裝尺寸或形狀時，就必須對設(shè)備進(jìn)行重新調(diào)整”。
而伺服系統(tǒng)改變了這種情況，沒有了到主軸的機(jī)械連接，每一個伺服系統(tǒng)（包括電動機(jī)、齒輪頭和軟件）是獨立運(yùn)轉(zhuǎn)的。這樣做的好處是：無論是壓力、速度、位置，都可以改變。以前，改變這些會花費7個小時，除非有足夠大的批量以保證調(diào)整的有效性和理想的生產(chǎn)周期，否則很難改變。現(xiàn)在，只需3～5分鐘就可完成調(diào)整，且方法很簡單。
將伺服系統(tǒng)從電動機(jī)驅(qū)動軸分離開來，使它們可以對包裝過程中的每一個事件進(jìn)行獨立調(diào)整。美國皮斯特公司的副總裁鮑勃•哈塔維哥表示，“一個簡單的低速到中速的灌裝線，由一些簡單設(shè)備和一個主機(jī)組成，所有設(shè)備相互倚賴、協(xié)調(diào)工作，隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，灌裝線上的伺服系統(tǒng)能夠獨立調(diào)整發(fā)生的任何生產(chǎn)問題”。德國ELAU公司的全球營銷經(jīng)理約翰•克瓦認(rèn)為，“伺服系統(tǒng)也將速度和精確度提升到了一個全新的水平。70%～80%銷售到制藥企業(yè)的打捆機(jī)、外包機(jī)、容器打包機(jī)、托盤堆垛機(jī)都將使用伺服系統(tǒng)”。
伺服系統(tǒng)的一個主要特點是它的閉環(huán)反饋，以伺服系統(tǒng)為基礎(chǔ)的封口機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的精度可以達(dá)到±0.02%，而標(biāo)準(zhǔn)離合器驅(qū)動的封口機(jī)的精度僅為20%，由此很清楚看到伺服系統(tǒng)的價值所在。例如，在存儲每一個蓋子的轉(zhuǎn)矩值后，如果需要召回，只需召回1000瓶，而不是以往的100萬瓶。同樣的數(shù)據(jù)也可以用來分析封口機(jī)磨損的程度以決定是否需要維修。自從伺服系統(tǒng)使用了更小的電機(jī)，就極少需要維修了。通常，伺服系統(tǒng)的兩次故障之間的間隔是20萬小時。
現(xiàn)在的伺服系統(tǒng)帶給人們一種遠(yuǎn)比過去有價值的感覺，5年前，一個普通的伺服系統(tǒng)價格為1萬美元，如今，只賣5000美元，且價格還在下降。在一個價格100000美元的機(jī)器上，加10個伺服系統(tǒng)，價格將提高 50%。相應(yīng)的，在價格50萬～100萬美元的更大機(jī)器上增加10個同樣的伺服系統(tǒng)，花費并不明顯，但回報卻是巨大的。
三、伺服系統(tǒng)的不足
某領(lǐng)先制藥企業(yè)的一位項目經(jīng)理表示，“它們將更加快速、精確、易于控制、維修和使用，而且更加持久。當(dāng)原有系統(tǒng)要淘汰或要建新工廠時，推薦工廠安裝全伺服的包裝線，因為伺服系統(tǒng)可以幫助在問題發(fā)生前預(yù)測到，并告訴到哪里去解決。所有事情變得簡單，比軸驅(qū)動機(jī)器前進(jìn)了一大步”。
然而實際應(yīng)用情況并非如此，原因與伺服系統(tǒng)控制有關(guān)。要弄清原因，需要先看一下老式的軸驅(qū)動包裝線。它們也許并不靈活或精確，但機(jī)械連接使得它們具有可預(yù)見性。一個使用階梯邏輯的可編程邏輯控制器使一個功能緊接著另一個功能，這是一個相對容易確認(rèn)的系統(tǒng)。
但同時，伺服系統(tǒng)是獨立運(yùn)行的模塊，它們依靠軟件而不是齒輪、鏈條和凸輪來完成其任務(wù)。許多軟件使用基于PC的處理器，這既是它們的強(qiáng)大之處，也是它們脆弱的地方。一方面，個人計算機(jī)使得拖放式和觸摸屏控制成為可能。它們支持先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析，也支持21 CFR Part 11法規(guī)所遵從的查賬審核的綜合需求。但不足之處是，這些強(qiáng)大的地方也是個人計算機(jī)脆弱的地方。PC不像PLC階梯邏輯，計算機(jī)可以在同一個時間做10個不同的事情，因此，當(dāng)這些功能同時進(jìn)行時，確認(rèn)一臺機(jī)器是一個挑戰(zhàn)。
制藥設(shè)備必須在每個單一時間內(nèi)以同樣的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。不是三條路，而是只能有一條路來造出產(chǎn)品。對個人計算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)注在于：是否能夠做到，一條路錯了，計算機(jī)會發(fā)現(xiàn)另一條路而繞過它。而對于臺式計算機(jī)的藍(lán)屏死機(jī)現(xiàn)象，很多企業(yè)都很害怕這種事故重復(fù)發(fā)生。
四、伺服系統(tǒng)的可靠性
一些藥品包裝商堅持采用PLC控制器運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服系統(tǒng)。從本質(zhì)上，他們使機(jī)器“變傻”以免運(yùn)作不正常。雖然計算機(jī)依然還在，但它被隔離開來，僅僅用于21 CFR Part 11法規(guī)的安全和數(shù)據(jù)記錄，由PLC操縱著機(jī)器，這可能改善了穩(wěn)定性，但也失去了許多將伺服系統(tǒng)放在首要位置的好處。
當(dāng)然，還有其他方法可以確保穩(wěn)定性。關(guān)鍵在于要在 Windows系統(tǒng)之前取得計算機(jī)處理器的控制權(quán)。在一條計算機(jī)控制的包裝線上，在初始化完成后和Windows系統(tǒng)取得處理器的控制權(quán)以前，控制結(jié)構(gòu)獲取了100%的處理器控制權(quán)。然后它把處理器時間交給Windows系統(tǒng)，此時，你才可以運(yùn)行Windows程序，但卻在控制結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)下。在這種情形下，如果Windows系統(tǒng)死機(jī)，包裝線依然可以保持運(yùn)轉(zhuǎn)。你只需切換到手動控制，因為人機(jī)界面已經(jīng)失效了，但你的包裝線卻依然運(yùn)轉(zhuǎn)。
對于一些廠商而言，這種情況還存在些危險性。他們可以選用計算機(jī)和PLC控制器組合而成的聯(lián)合控制，通過使用人機(jī)界面開關(guān)PLC。許多系統(tǒng)采用了插在計算機(jī)卡槽中的伺服控制卡，計算機(jī)軟件向控制PLC的伺服控制卡發(fā)送命令，伺服系統(tǒng)依從于正在執(zhí)行進(jìn)程的PLC，然后將有關(guān)進(jìn)程的任何反饋通過PLC送回來。
而另一些公司被混合系統(tǒng)所吸引，他們喜歡伺服系統(tǒng)所帶來的簡化操作、數(shù)據(jù)采集以及可重復(fù)性，將PLC與HMI分離開來也減少了其影響確認(rèn)包裝過程所產(chǎn)生錯誤的可能性。其他廠商不想處理PC系統(tǒng)令人頭痛的問題，他們只想知道如何保持運(yùn)轉(zhuǎn)，他們擔(dān)心其穩(wěn)定性。如果買了一臺PC運(yùn)行在機(jī)器前端，他們首先要求知道PC的貨架壽命并保證能夠買到計算機(jī)配件。