伺服控制在包装领域的应用现状

        伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量跟随输入目标（或给定值）任意变化的自动控制系统。其主要组件之一就是控制器，这是影响伺服系统性能指标的主要因素。常用的运动控制器包括PLC、PC-Based运动控制卡、专用系统和驱动器集成运动控制，运动控制系统则通过伺服驱动装置将预定指令变成期望的机构运动。

        2004年，中国的伺服产品更多的是集成于专用控制器的设备，占据近60%的市场，PC是伺服产品的第二大平台，占据20%的市场，同时PLC也是设备的主控制器；但目前只有少数欧洲厂商提供的驱动器集成了运动控制器，且用于对安装空间要求较高的场合。

        那么伺服系统如果应用于包装生产线上，会给运动控制系统带来怎么的好处甚至是革新？为此，本刊特邀三位业内专家就“伺服控制在包装领域的应用”一文，引出各自对于该技术发展及在国内外应用现状的观点与见解，希望与行业人士共勉。对于专家们的大力支持，在此表示由衷感谢。 

一、包装技术促进伺服系统的发展

    尽管多数制药商对他们的新设备表现得很平静，但伺服动力包装系统仍在工厂中占据了应有的地位。当柔性生产设备成为消费品生产厂家的支柱时，必要的调整却成为在制药应用中的强大阻力。

    博世包装公司已为药品制造商生产了多种伺服控制机器。该公司的电子工程主管戴维•布劳表示，“制药厂刚刚领略到伺服的好处——生产方法的简易改变使短期和小批量生产更加经济，不必再花费4～6小时去清洗、高压灭菌及改变凸轮和零件，而只需花几分钟，就可以对机器重新编程，装上不同类型或尺寸的部件，使机器重新运转起来。同时，伺服系统也更加简易、清洁、不易崩溃”。

    与传统轴传动包装系统采用PLC控制和机械连接相比，伺服系统要依赖基于PC的控制系统，这种情况带来了更多的问题。许多制药企业为使用伺服设备宁愿多走一段路，尤其是当他们有更多的专业药品需要多种包装时，制药企业都在寻找能够给他们带来更大灵活性的设备。

二、伺服系统的优势

    罗克韦尔自动化公司的商务发展经理迈克•瓦格纳表示，“暂不说商业压力，以伺服系统为基础的设备要比轴传动设备具有更多优势。在伺服系统以前，包装设备有一个大的交流电动机以固定的速度运转，远离主轴的机械连接控制每一个包装程序，将轴运动从一个速度转换成另一个速度，或者将旋转运动转换成直线运动。主轴每转动一次，就从另一端产出一个产品。当你想将小瓶换成大瓶或者改变包装尺寸或形状时，就必须对设备进行重新调整” 。

   而伺服系统改变了这种情况，没有了到主轴的机械连接，每一个伺服系统（包括电动机、齿轮头和软件）是独立运转的。这样做的好处是：无论是压力、速度、位置，都可以改变。以前，改变这些会花费7个小时，除非有足够大的批量以保证调整的有效性和理想的生产周期，否则很难改变。现在，只需3～5分钟就可完成调整，且方法很简单。

    将伺服系统从电动机驱动轴分离开来，使它们可以对包装过程中的每一个事件进行独立调整。美国皮斯特公司的副总裁鲍勃•哈塔维哥表示，“一个简单的低速到中速的灌装线，由一些简单设备和一个主机组成，所有设备相互倚赖、协调工作，随着系统数据的采集，灌装线上的伺服系统能够独立调整发生的任何生产问题”。德国ELAU公司的全球营销经理约翰•克瓦认为，“伺服系统也将速度和精确度提升到了一个全新的水平。70%～80%销售到制药企业的打捆机、外包机、容器打包机、托盘堆垛机都将使用伺服系统”。

    伺服系统的一个主要特点是它的闭环反馈，以伺服系统为基础的封口机控制转矩的精度可以达到±0.02%，而标准离合器驱动的封口机的精度仅为20%，由此很清楚看到伺服系统的价值所在。例如，在存储每一个盖子的转矩值后，如果需要召回，只需召回1000瓶，而不是以往的100万瓶。同样的数据也可以用来分析封口机磨损的程度以决定是否需要维修。自从伺服系统使用了更小的电机，就极少需要维修了。通常，伺服系统的两次故障之间的间隔是20万小时。

    现在的伺服系统带给人们一种远比过去有价值的感觉，5年前，一个普通的伺服系统价格为1万美元，如今，只卖5000美元，且价格还在下降。在一个价格100000美元的机器上，加10个伺服系统，价格将提高50%。相应的，在价格50万～100万美元的更大机器上增加10个同样的伺服系统，花费并不明显，但回报却是巨大的。

三、伺服系统的不足

    某领先制药企业的一位项目经理表示，“它们将更加快速、精确、易于控制、维修和使用，而且更加持久。当原有系统要淘汰或要建新工厂时，推荐工厂安装全伺服的包装线，因为伺服系统可以帮助在问题发生前预测到，并告诉到哪里去解决。所有事情变得简单，比轴驱动机器前进了一大步”。 

    然而实际应用情况并非如此，原因与伺服系统控制有关。要弄清原因，需要先看一下老式的轴驱动包装线。它们也许并不灵活或精确，但机械连接使得它们具有可预见性。一个使用阶梯逻辑的可编程逻辑控制器使一个功能紧接着另一个功能，这是一个相对容易确认的系统。

   但同时，伺服系统是独立运行的模块，它们依靠软件而不是齿轮、链条和凸轮来完成其任务。许多软件使用基于PC的处理器，这既是它们的强大之处，也是它们脆弱的地方。一方面，个人计算机使得拖放式和触摸屏控制成为可能。它们支持先进的数据采集、传输和分析，也支持21 CFR Part 11法规所遵从的查账审核的综合需求。但不足之处是，这些强大的地方也是个人计算机脆弱的地方。PC不像PLC阶梯逻辑，计算机可以在同一个时间做10个不同的事情，因此，当这些功能同时进行时，确认一台机器是一个挑战。

    制药设备必须在每个单一时间内以同样的方式运转。不是三条路，而是只能有一条路来造出产品。对个人计算机系统的关注在于：是否能够做到，一条路错了，计算机会发现另一条路而绕过它。而对于台式计算机的蓝屏死机现象，很多企业都很害怕这种事故重复发生。

四、伺服系统的可靠性

    一些药品包装商坚持采用PLC控制器运转的伺服系统。从本质上，他们使机器“变傻”以免运作不正常。虽然计算机依然还在，但它被隔离开来，仅仅用于21 CFR Part 11法规的安全和数据记录，由PLC操纵着机器，这可能改善了稳定性，但也失去了许多将伺服系统放在首要位置的好处。

    当然，还有其他方法可以确保稳定性。关键在于要在Windows系统之前取得计算机处理器的控制权。在一条计算机控制的包装线上，在初始化完成后和Windows系统取得处理器的控制权以前，控制结构获取了100%的处理器控制权。然后它把处理器时间交给Windows系统，此时，你才可以运行Windows程序，但却在控制结构的主导下。在这种情形下，如果Windows系统死机，包装线依然可以保持运转。你只需切换到手动控制，因为人机界面已经失效了，但你的包装线却依然运转。

    对于一些厂商而言，这种情况还存在些危险性。他们可以选用计算机和PLC控制器组合而成的联合控制，通过使用人机界面开关PLC。许多系统采用了插在计算机卡槽中的伺服控制卡，计算机软件向控制PLC的伺服控制卡发送命令，伺服系统依从于正在执行进程的PLC，然后将有关进程的任何反馈通过PLC送回来。

    而另一些公司被混合系统所吸引，他们喜欢伺服系统所带来的简化操作、数据采集以及可重复性，将PLC与HMI分离开来也减少了其影响确认包装过程所产生错误的可能性。其他厂商不想处理PC系统令人头痛的问题，他们只想知道如何保持运转，他们担心其稳定性。如果买了一台PC运行在机器前端，他们首先要求知道PC的货架寿命并保证能够买到计算机配件。