自动化控制技术-称重系统在配液系统中的应用

一、称重系统简介

在制药厂的在线配液系统的生产过程中，药品的有效含量是药品生产中的一个重要指标。称重系统在在线配液系统中起到非常重要的作用。在系统定容阶段，称重系统可实时将实际的重量反馈给控制系统，控制系统在通过实时重量数据进行控制，以便达到精确定容目的。

称重系统一般由三部分组成

       1、称重模块：负责将重量信号转换为电压信号（称重模块的数量尽量使用三个，三个模块的受力会更均匀一些）

       2、接线盒：负责将称重模块的信号进行微调、滤波、累加等功能

       3、仪表：负责向称重模块供电、信号采集并进行A/D转换、参数设置、称重标定、通讯接口等功能

三、称重系统的组成

       1、称重模块

 称重模块按信号转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类。在制药行业中，称重模块选用电阻应变式，以下对应变式称重模块进行原理说明

       应变式称重模块利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作，进行信号转换。弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴（称重模块收到外力的突然撞击时，压敏电阻容易脱落）在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力转换为电信号的过程。

 压变式传感器的一个重要的概念为灵敏度S，S的计算方法为：传感器在一定的供电条件下Uin（比如5VDC），载荷达到额定满量程（比如10kg）时的输出变化量Uout（比如10mV）与供电电压的比值：S=Uout/Uin=10mV/5V=2mV/V.

       灵敏度和压变电阻的生产工艺相关，一般常见的称重模块的灵敏度为2mV/V，3mV/V.

       在常规称重模块中，参数如下：

       ①灵敏度S为 2mV/V左右，具体值在称重模块上有标记

       ②供电电压为5VDC

       在称重模块工作时，当有不同的重量作用在称重模块上时，称重模块会返回不同的电压值（0~10mV）给仪表或控制系统。仪表或控制系统会根据称重模块反馈的电压值进行计算，进而根据算法得到相应的重量值。

       例如：在由单只10Kg称重模块组成的称重系统（灵敏度为2mV/V，供电电压为5VDC）中，当系统受力5Kg时，称重模块将反馈(5Kg/10Kg)*2mV/V*5V=5mVd的电压（在调试阶段，通过使用万用表测量模块的反馈电压，可做为检测称重模块是否正常的一个重要手段，后续会做详细介绍）。

       注意：称重模块的反馈电压与作用在称重模块上的重量为非线性关系，一般情况下，称重模块在某个受力范围内呈线性关系。具体的关系图可咨询生产厂商。

 称重模块是整个称重系统的核心，合适的选型是整个系统的关键。

       2、接线盒

       由于称重模块的额定输出及输出阻抗等参数在制造上不可能做到完全一致。因此，在由多个称重模块组成的称重系统中，当载荷位于配液罐的不同位置时，可能会造成称重仪表的指示不一致，一般把这种不一致性成为角差。角差会影响称重系统的精度及稳定性。

  将称重模块的输出信号先接至接线盒，通过调节接线盒中对应的传感器的电阻器来调整脚差（通过万用表测量电压值），以便减小角差值，在将电压信号送入仪表或控制系统。

称重仪表可精确测量和监控每个称重传感器。

    变送器功能包括：

     •对每个称重传感器进行预测性诊断

     • CalFREE™Plus 免砝码标定

     • RunFlat —当称重传感器发生故障时确保生产继续

     • TraxDSP™可配置抗振动滤波

     • PROFINET® IO，EtherNet/IP™，PROFIBUS® DP 网络 连接功能

     • OLED 显示屏与键盘

     •紧凑型外壳

     •通过 OIML，NTEP 和 CMC 认证

     •服务接口

     • 24 VDC 供电

小结

称重系统是在线配液系统的核心部件。称重系统的正确、合理选型是配液系统的关键。

参考文献

1.     国家药品食品监督管理局，药品生产质量管理规范（2010年修订），2010

2.     国家药典委员会，中华人民共和国药典2015年版，中国医药科技出版社，2015

3.     European Pharmacopoeia 9th，2016

4.     U.S. Pharmacopeia NationalFormulary 41，2017

5.     WHO Expert Committee onSpecifications for Pharmaceutical Preparations fourty-sixth Report，Annex 2：WHO Good ManufacturingPractices：Waterfor Pharmaceutical Use，2012

6.     FDA，Guide to Inspections ofHigh Purity Water Systems，1993

7.     国家食品药品监督管理局药品认证管理中心，中国医药科技出版社，GMP实施指南，2010

8.     化学工业出版社，制药用水系统，2016

9.     良好自动化生产实践指南（第五版）