药液灌装机在线称重系统创新设计与应用研究

摘要：采用史陶比尔六轴机器人、西门子SMOTION控制系统、西门子1FK伺服驱动系统以及梅特勒高精度秤等多设备集成的方法，本研究设计了一套应用于制药行业药液灌装机的在线称重系统。该系统融合先进硬件设备，借助WONDERWARE INTOUCH系统和SQL数据库，实现了在线称重检测、实时灌装剂量补偿、剔废功能以及对数据的实时记录与追溯，满足了GMP和FDA的严格要求。经实际应用验证，在灌装精度方面，以某制药企业的实际生产数据为例，该系统投入使用前，药液灌装精度约为±5%，使用后提升至±1% ，显著减少了药品剂量偏差。在人工成本方面，通过自动化操作，该企业原本每班需要5名操作人员负责灌装检测工作，使用该系统后，每班仅需2名操作人员进行监控与辅助，人工成本降低了60%。这一系统为制药企业的智能化生产提供了有力支持，有效提高了生产效率和产品质量。

关键词：在线称重；药液灌装机；灌装剂量补偿

1 引言

1.1 研究背景

在医药行业，药品质量直接关乎患者的健康与治疗效果，而药液灌装作为药品生产的关键环节，其精准度和稳定性对保障药品品质起着决定性作用。西林瓶、预灌装注射剂、卡式瓶作为常用的药品包装容器，广泛应用于各类药液的灌装作业。不同药品选择不同规格的包材，不同药品对灌装精度要求存在显著差异。例如，一些高浓度、高活性的药物，这些药物临床使用剂量通常较小且对剂量精准度要求极高，稍有偏差就可能导致药物浓度过高或过低，影响治疗效果甚至引发不良反应。大装量的药品（如10ml、20ml）一般用于灌装剂量较大的普通药液，但同样需要保证灌装精度，以确保每瓶药品的有效成分含量符合标准，避免剂量不均影响药品质量的一致性 。

随着医药行业的快速发展，药品生产规模不断扩大，对生产效率的要求日益提升。传统的人工取样抽检的方法已难以满足现代制药企业对生产效率和产品质量的双重标准。以人工检测为例，不仅效率低下，还容易受到检测人员主观因素的影响而产生误差。据相关研究[具体研究文献]，某制药企业在一次药品生产中，由于人工检测疏忽，导致一批使用10ml西林瓶灌装的注射液存在剂量偏差。部分药品实际灌装剂量低于标准剂量，这一问题在药品投入市场后被发现，最终引发了大规模的产品召回事件。此次事件不仅给企业带来了巨大的经济损失，包括召回成本、产品报废损失以及品牌声誉受损导致的市场份额下降等，还对患者的治疗进程造成了严重干扰，引发了公众对该企业药品质量的信任危机。

此外，新的GMP（药品生产质量管理规范）和FDA（美国食品药品监督管理局）等法规对药品质量控制标准不断提高，制药企业迫切需要一种能够实时监控灌装过程、确保药液剂量准确的技术解决方案，以提升药品生产质量和效率，满足法规要求并保障患者安全。

1.2 研究目的与意义

本研究旨在设计并实现一种应用于巢盒式预灌装注射剂、西林瓶、卡式瓶药液灌装机的在线称重系统，通过对灌装过程中药液重量的实时监测和精准控制，提高西林瓶药液灌装的精度和生产效率，满足制药行业对高质量产品的需求。

从理论层面来看，本研究在丰富制药设备自动化控制理论体系方面具有重要意义。其一，在控制策略上，传统的制药设备自动化控制理论多侧重于单一设备的控制，而本研究将在线称重系统深度融入药液灌装机的控制中，探索出一套高精度、高稳定性的灌装控制策略。这种多设备协同、实时反馈调整的控制方式，拓展了传统理论中对于设备间协同控制的研究范畴，为复杂生产系统的自动化控制提供了新的思路。其二，在算法优化上，针对灌装过程中诸多影响因素（如药液气泡、液位变化等），研究设计了灌装剂量精准补偿算法。该算法在实时数据处理和动态调整方面的创新，补充了现有理论在应对复杂生产环境下精度控制的不足，完善了制药设备自动化控制理论中关于精度控制的部分。

在实践方面，该研究成果具有广泛的应用价值。引用相关医学研究数据，例如一项针对心血管药物的临床研究表明，药品剂量偏差在±5%范围内，患者治疗效果的有效率波动明显。当剂量偏差控制在极小范围时，患者治疗效果的有效率提升了15%，不良事件发生率降低了10%。这充分说明了药品剂量精准对治疗效果的关键影响。本研究的在线称重系统提高灌装精度，可减少药品剂量偏差，保证药品质量的一致性，从而提升患者的治疗效果，增强制药企业的市场竞争力。

从企业长期发展战略角度来看，该系统有助于企业开拓新的高端药品市场。随着医疗技术的发展，对高端药品的需求日益增长，这些药品对灌装精度和质量控制的要求更为严苛。拥有高精度的在线称重系统，企业能够满足高端药品生产标准，从而进入这一利润更高、发展潜力更大的市场领域。该系统的应用还能优化企业生产流程，提高生产效率，降低人力成本，使企业在成本控制和产品质量上具备双重优势，增强企业在行业内的抗风险能力，为企业的可持续发展奠定坚实基础。此外，该系统满足了GMP和FDA等法规对药品生产过程可追溯性的要求，通过对灌装数据的实时记录和分析，为药品质量监管提供有力支持，有助于企业树立良好的品牌形象，提升企业的行业信誉度 。

1.3 国内外研究现状

自20世纪中叶起，国际上制药设备自动化的研究与应用逐步兴起，在药液灌装机的在线称重技术领域发展尤为突出。经过多年的探索与发展，目前已达到较为成熟的阶段。众多国际知名公司在这一领域成果斐然，研制出的尖端在线称重系统在制药生产中得到广泛应用。

美国一家行业领先的制药设备企业，自20世纪90年代开始投入研发，其开发的在线称重系统采用先进的激光感应技术与动态称重算法相结合的方式。该系统不仅能在高速灌装时精确测量药液重量，还具备智能分析功能，可对灌装过程中的微小波动进行预测并提前调整。例如，在灌装小容量注射剂（5ml）时，其精度可稳定控制在±0.01克，极大地保障了药品灌装剂量的准确性。

日本的一家知名制药设备制造商，自21世纪初不断深耕该领域。其研发的在线称重系统融入了高精度的压电传感器和自适应控制算法，在不同温度、湿度等复杂生产环境下，依然能保持出色的稳定性和适应性。经实际应用验证，在应对高速灌装（灌装速度达到每分钟1000瓶）的场景时，该系统对10ml西林瓶的灌装精度可达±0.02克，同时具备强大的数据管理和追溯功能，能够完整记录每一瓶药品的灌装数据，满足严格的法规要求。

国内在药液灌装机在线称重技术的研究起步于20世纪末。近年来，随着国内制药行业的迅猛发展以及对药品质量标准的持续提升，众多科研院所和企业加大了在这一领域的研究投入，取得了显著进展。在系统集成和算法优化方面，国内部分企业已开发出具有自主知识产权的在线称重系统，部分产品在性能上逐渐接近国际水平，并开始在国内市场替代进口设备。

然而，不可忽视的是，与国外顶尖技术相比，国内在线称重系统仍存在一定差距。在精度方面，国内系统在灌装常见灌装量（如10ml）时，精度普遍在±0.05克左右，而国外先进系统能达到±0.02克；稳定性上，国内系统在连续工作8小时后，可能会出现0.5% - 1%的精度漂移，国外同类产品的精度漂移则控制在0.1%以内；智能化程度方面，国外系统可实现对灌装过程的深度智能分析与预测性维护，国内系统在智能决策和自主调整功能上相对较弱，多依赖人工干预进行参数调整和故障排查。

2 文献综述

在制药行业，灌装技术对于药品生产的质量和效率至关重要。随着制药工艺的不断发展，灌装技术也在持续革新，相关研究成果丰富多样。

国外研究方面，Koji M等人提出了液体药物灌装系统的新方法，为灌装技术的发展提供了新的思路[1]。Martin M探讨了可靠的卡式瓶灌装技术，强调了在卡式瓶灌装过程中确保技术可靠性的重要性，对提高卡式瓶灌装质量具有指导意义[2]。

国内研究主要集中在灌装精度、系统设计与验证、质量控制等方面。在灌装精度影响因素研究上，祁富海等人以柱塞泵式西林瓶灌装系统为例，分析了影响灌装精度的关键因素，为优化灌装精度提供了理论依据[3]。系统设计与验证方面，胡应坤和蓝茂焜设计了包装生产线智能灌装系统，推动了灌装系统智能化发展[4]；周洁等人基于RBF神经网络设计灌装机控制系统，提升了灌装机控制的智能化水平[5]；潘国华对灌装机恒压供液工艺进行设计及改进，优化了灌装机的供液过程[6]；周效煕研究了药液灌装机在线称重系统，有助于实现对灌装剂量的精准监测[7]；刘佳和陈芳进行了液体灌装生产线多电机同步控制研究，提高了灌装生产线的协同性和稳定性[8]；王翔和郑根泉设计制作了便携式液位控制药液灌装机，满足了特定场景下的灌装需求[9]；程子明探讨了现代制药企业全自动冻干车间培养基模拟灌装的验证方法，对保证药品生产质量意义重大[10]。

质量控制方面，许建明等人探讨了制药企业压缩空气系统及压缩空气质量控制方法，确保压缩空气质量满足灌装要求[11]；李玉立等人研究了预灌装注射器VHP灭菌下容器密封完整性的挑战，保障了药品包装的密封性和稳定性[12]；黄翠苹等人对小容量注射剂过量灌装限度进行分析与讨论，规范了小容量注射剂的灌装标准[13]。

综合国内外研究，灌装技术在制药领域的发展趋势是智能化、高精度化和质量控制严格化。未来研究可进一步聚焦于多学科交叉融合，研发更先进的灌装技术和设备，加强对新型包装材料灌装适应性的研究，同时持续完善质量控制体系，以适应制药行业不断提高的生产要求。

3 称重系统及部件设计原理与硬件配置

3.1 称重系统设计原理

自动称重系统的核心原理是通过机械手将灌装前后的药瓶依次放置在高精度电子秤上进行称重。高精度电子秤内部的传感器在受到药瓶压力时，会产生与压力成正比的电信号。这个电信号通常是微弱的模拟信号，需要经过一系列处理才能转化为准确的重量数据。

首先，模拟电信号会被送入放大器进行放大处理，增强信号的强度，以便后续电路能够更好地处理。接着，通过模数转换器（ADC）将放大后的模拟信号转换为数字信号。在这个过程中，会根据电子秤的精度和量程设定相应的量化参数，将模拟信号离散化为数字量。

然后，利用特定的算法对数字信号进行处理。一般会采用校准算法，通过预先测量已知重量的标准砝码，建立重量与数字信号之间的对应关系，从而对测量得到的数字信号进行校准，消除电子秤本身的误差，得到准确的重量数据。例如采用线性回归算法，根据标准砝码的重量和对应的数字信号值，计算出线性方程的系数，进而可以根据测量的数字信号准确计算出药瓶的重量。

控制器通过工业总线获取高精度电子秤输出的电信号。本系统采用的工业总线类型为PROFINET工业以太网总线，它在本系统的数据通信中具有诸多优势。在传输速率方面，PROFINET工业以太网总线的传输速率最高可达1000Mbps，能够快速地将电子秤的称重数据传输给控制器，确保系统实时获取最新的重量信息，减少数据传输延迟对灌装精度的影响。在可靠性上，它采用了冗余技术，具备网络故障自愈能力。当网络中的某条链路出现故障时，系统能够自动切换到备用链路，保证数据通信的连续性，确保称重数据不会丢失，维持系统稳定运行。

得到药瓶的皮重和总重数据后，控制器经过内部计算处理，将总重减去皮重得到净重，并与预设的标准值进行比较，得出净重与偏差值。若灌装重量不符合标准，控制器会在药瓶随传送带到达下一工位时，触发剔废装置，将不合格药瓶剔除至剔废通道；而合格产品则顺利进入下一工位。同时，控制器根据偏差值在线调整灌装泵（本研究采用柱塞泵）的灌装凸轮曲线 。具体而言，通过调整柱塞泵活塞的运动位移来改变灌装剂量，不断循环这一过程，直至药液灌装重量符合标准。

此外，控制器将称重数据实时传输至服务器进行记录和分析，并通过交换机与工控机互联，实现数据的可视化展示。操作人员可通过工控机直观地监控机器的运行状态，及时发现并处理潜在问题。

3.2 称重系统硬件配置

本系统的硬件主要由控制器、服务器、工控机、柱塞泵、机器人、高精度秤等组成，各硬件设备之间通过工业总线实现高效的数据通信，确保系统的稳定运行和数据的准确传输。具体称重系统硬件配置、选型原因及组成结构如下表所示：

控制器选用西门子的SMOTION-D445，它具备强大的运动控制和数据处理能力，能够精准地控制机器人和柱塞泵的运动，并对称重数据进行实时分析和处理 。服务器采用DELL-PoweredgeT340，为系统提供稳定的数据存储和管理服务，确保称重数据的安全性和可追溯性。工控机选用SIEMENS-IPC，用于实现人机交互，操作人员可通过工控机对系统进行参数设置、运行监控和数据查询。

柱塞泵采用法国SPC公司的高精度微量泵C33305，配合西门子的1FK伺服电机及驱动系统，能够实现高精度的灌装计量。机器人选用史陶比尔的TX40六轴机器人，具有高灵活性和高精度的特点，可精确地抓取和放置药瓶，提高系统的工作效率和稳定性。高精度秤选用梅特勒的WMF204C，能够提供高精度的称重数据，为灌装剂量的调整和产品质量检测提供可靠依据。

4 灌装剂量在线调整与自动剔废技术

4.1 灌装剂量在线调整

在药液灌装过程中，虽然柱塞泵本身具有较高的灌装精度，但在实际生产中，仍存在多种因素会影响灌装剂量的准确性 。例如，药液袋中的气泡增多、液位变化，连接灌装泵的软管因长时间工作产生疲劳，以及药液灌装机运行速度的波动等，都可能导致柱塞泵在运行一段时间后出现灌装剂量偏差。

当灌装剂量超出允许精度范围时，为保证每一批次药品的精准灌装，控制器需及时对灌装泵的位移曲线进行在线修正，实现灌装剂量的在线调整 。在 SCOUT 软件中，通过建立相关硬件配置，并编写六轴机械手通信块、伺服电机运动块、称重流程块等程序块，控制系统可通过调用这些程序块的接口程序来精确控制称重系统。

SMOTION 控制器根据称重系统反馈的偏差值，运用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，从而改变柱塞泵的泵出药液量，实现对灌装剂量的精准调整。在 SMOTION 上对柱塞泵的位移进行监控，实际观测结果表明，该程序执行效果良好，经过调整后柱塞泵的活塞位移能够稳定在合理范围内，有效实现了柱塞泵的精准灌装 。

4.2 剔废功能

在实际生产中，药瓶或注射器瓶通常以一定的排列方式放置于巢盒中。称重系统将每个药瓶的称重数据传递给 SMOTION 控制器，控制器将这些数据存储于二维数组堆栈中。一旦检测到有西林瓶的称重数据超限，系统会将该位置的剔废状态标记为 1 。

待全部药瓶或注射器称重完毕后，控制系统通过二次 FOR 循环检索，确定是否存在剔废状态为 1 的位置。若存在，则将对应的巢盒标记为剔废巢盒，并在 MES（制造执行系统）称重报表中详细标记出待剔废药瓶的实际位置及数值 。例如，在灌装 2mL 的药品时，MES 称重数据报表截取图如下表所示，其中灌装巢板为 16×10 类型，红色表示超限数值。

当巢盒运送到待剔废区时，如果该巢盒满足剔废条件，SMOTION 控制器将数据传输到剔废工位机械手，由机械手根据报表标记的位置取出灌装不合格药瓶，实现对不合格产品的精准剔除，保证产品质量。

5 在线称重系统应用展望

在当今制造业向工业 4.0 迈进的时代，GMP 和 FDA 法规对药物制剂的生产及研发过程提出了严格要求，强调生产过程需符合药品生产通用规范，且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 。

从质量管理和控制的角度来看，人为因素难以精确控制，而自动化技术能够对机器的工作状态实现精准控制及追溯 。本在线称重系统为我国制药设备的无人化改造提供了重要的技术支撑，有助于制药企业提升生产自动化水平，积极参与国际竞争，开拓海外市场 。随着技术的不断进步和应用的深入，相信该系统将在制药行业及其他相关领域发挥更大的作用，推动行业的智能化发展。

尽管本在线称重系统在提高灌装精度和生产效率方面取得了一定的成果，但仍有进一步优化和拓展的空间。未来，可进一步优化系统的硬件配置，采用更高精度的传感器和更先进的控制设备，提高系统的测量精度和响应速度。在软件算法方面，引入人工智能和机器学习技术，实现对灌装过程的智能预测和自适应控制，进一步提高系统的稳定性和可靠性 。此外，还可以拓展系统的功能，例如增加对灌装环境参数（如温度、湿度）的监测和控制，以更好地满足制药行业对生产环境的严格要求 。同时，加强与其他制药设备的集成，实现整个制药生产线的自动化和智能化管理。

6结论

本研究成功设计并实现了一套应用于药液灌装机的在线称重系统，该系统通过创新的设计原理和合理的硬件配置，实现了灌装剂量在线调整、自动剔废以及数据实时记录与追溯等功能 。在灌装剂量在线调整方面，能够有效应对多种影响因素，保证灌装精度；自动剔废功能则确保了产品质量，减少不合格产品流入下一环节 。同时，系统满足了GMP和FDA对药品生产数据管理的严格要求，提升了制药企业的质量管理水平。

在实际应用中，该系统展现出了自动化程度高、检测准确、无损操作等优势，为制药企业带来了显著的经济效益和质量提升。此外，其在多行业的应用潜力以及对制药设备无人化改造的推动作用，表明该系统具有广阔的发展前景。未来，随着技术的不断进步，可进一步优化系统性能，提高系统的稳定性和适应性，拓展其在更多领域的应用，为制造业的智能化发展贡献更大的力量。

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