李守红
基伊埃工程技术（中国）有限公司 上海 201400
摘要：湿法制粒机的终点判断依据有以下几种，第一，时间是最传统的方式，第二，通过功率模块测量电机的驱动功率，第三，扭矩测量，这是最新的终点判断依据。本文系统描述扭矩的设计思路，包括硬件设计，软件设计，扭矩的系统验证方法和思路。本设备设计符合cGMP，FDA对制药设备的要求。
关键词：湿法制粒机终点判断；扭矩测量系统设计；
The Design of the Torque Measurement System of the High Shear Mixer
Lishouhong GEA company 201400 Shanghai
Abstract: The end point judgment basis of High shear mixer is the following.First, Time is the most traditional way; Second, through the power cell to measure the motor's driving power, Third, torque measurement, which is the latest end-point judgment basis. This paper describes the design ideas of torque, including hardware design, software design, torque system verification methods and ideas.
设计的必要性
该系统设计的目的：降低配方的开发时间，优化配方配比，规范的生产策，实时监控产品批次，研究粉末与粘合剂的关系
湿法制粒机的核心是：需对湿颗粒的含水量和颗粒紧实程度进行优化，以获得合理的湿颗粒液体饱和度，以期获得合适并稳定的粉体学特征的颗粒，用于压片、包衣等， 通过参数摸索确认湿法制粒的关键工艺参数及工艺设计区间为湿法制粒研究的关键点及难点。??
给定配方的颗粒特性是工艺参数计的函数，如制粒速度、颗粒流体量和制粒时间（湿质量时间）。因此，在高剪切制粒过程中结束制粒过程的时间变得至关重要。所生产的颗粒的特性部分决定了成品剂表的最终质量和性能。因此，确定制粒终点变得必要。在制粒过程中确定终点的最终目标是获得具有所需物理特性的颗粒形成迹象，例如可接受的平均颗粒大小范围和孔隙度。在制粒过程中对变化的测量用于终点测定。使用适当方法确定制粒终点的好处如下：工艺优化 评估原材料 确定最佳终点 批次重现性，故本论文的设计思路就是为解决终点判断的依据，扭矩判断终点；
终点测量的类型
主要是两大类：间接测量和直接测量。 在间接测量中，由于制粒机电机的电气和机械参数的变化与湿法制粒过程中粉末混合物的稠度变化有关，因此需要对其进行监控。 有关研究证实，在混合制粒机中制备的样品的湿质量稠度/粘度与由湿物料制得的干燥颗粒的物理性质之间存在密切的关系。 干燥颗粒的物理性质包括颗粒尺寸分布，堆积密度，易碎性和流动特性。 配方和工艺的变化会影响湿质量稠度和干颗粒性能之间的关系，以及混合制粒机的净功耗。
在直接测量中，在湿法制粒过程中会监测粉末混合物的理化性质。 这些性质可以是质量电导率和颗粒大小
在间接测量中，电机的电气和机械特性均受到监控，以控制制粒终点。 电动机的电气特性是电动机电流和功耗。 电机的机械特性是扭矩和转速计，制粒机马达的功率消耗与物料混合物对制粒机叶片的阻力有关，该阻力随粉末混合物的稠度而变化。 用作制粒终点控制的功率消耗与湿团聚体的液体饱和度水平，湿物料的沉降和颗粒生长有关。
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上图显示高剪切制粒机获得的典型功耗曲线，并具有终点确定值。显然，在湿法制粒过程中，型材由五个阶段组成。在阶段I中，通过添加制粒液体来润湿粉末混合物。由于在初级颗粒之间未观察到液体桥的形成，因此在该制粒阶段期间功耗不会增加。在第二阶段中，液体桥开始在初级颗粒之间形成，从而导致颗粒形成。在此阶段，功耗急剧增加。在阶段III中，当添加更多的制粒液体时，特别的空隙被制粒液体填充并且形成较粗的颗粒。在此阶段，功耗保持相对恒定。在阶段IV中，粉末床达到了液体饱和，并且形成了更多的粗粒。在此阶段，功耗增加。在阶段V中，当添加更多的制粒液体时，形成悬浮液。在此阶段，功耗开始下降。只有在阶段III期间形成的颗粒可用于进一步的剂型开发。因此，功耗曲线可用于监控制粒过程并确定制粒终点。
监视功耗的缺点是信号受许多因素影响，例如产品（配方），设备或过程变量。 例如，原材料的致密化特性，所用粘合剂的类型和数量，粘合剂溶液的添加速率，叶轮速度等都会影响功耗曲线。 制粒机的磨损也可能影响功耗信号。 因此，制粒过程的功耗曲线是配方和过程特定的。
通过以上的论述，根据功耗曲线，我们换种思路去检测阶段III期的物理特性。永扭矩测量代替功耗测量。 因为在制粒过程（扭矩测量或功耗图表）获得了功耗和扭矩测量结果有同样的结果，扭矩对制粒过程最具描述性的特征。 基于使用扭矩测量确定的终点，为测试制剂生产的颗粒产生的片剂具有可接受的硬度。 扭矩的测量还可以详述过湿配方的制粒过程，因此设计扭矩测量作为湿法制粒机终点判断的依据；扭矩测量的终点确定与控制压制片剂的性能特征（如硬度，脆性，崩解时间和溶解时间）的相关性。 扭矩测量用于确定高剪切制粒机中制粒过程的终点。 随着终点水平的提高，发现用相应颗粒压制的片剂更硬
扭矩设计的理论基础
1、转换原理及电阻应变片
由材料力学可知， 金属丝的电阻R与其长度成正比，与横截面积A成反比，可以写成
2、电测原理
辐条待测点上的应变片的电阻改变量ΔR是很小的，一般只有百分之几欧姆，用普通万用表是难以测量的，故常采用全电桥测量电路，
机械硬件设计
1、扭矩传动结构设计及装配工艺
机座安装图纸焊接加工完成后，经检验合格，装配的工序如下：
a、将上中间连接件从下往上，用螺栓装配到机座上，注意与机座的同心度
b、首先将辐板外部从上往下连接下中间连接件，然后将辐板中心部分从下往上装配在上中间连接件上
c、使用特制的装配工装，将驱动电机从下往上，装配到下中间连接件上；
d、装配提升气缸
e、从往往下装配驱动轴，中间定位零部件，各个密封件；
f、从上装配负载，搅拌桨
注意：各个部件的同心度，避免驱动轴受额外的外力影响扭矩传递
辐板选用铝合金2014 T6，抗拉强度σ=205Mpa,屈服强度σ=170Mpa，延申率＞9%，硬度参考值＞HRB90°,弹性模量E=71Gpa,切变模量G=27Gpa,伯松比μ=0.33，经过计算该辐板的弹性变形，满足设备最大扭矩的变形要求。
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电气原理图，电气选型设计
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1、应变片的选用
根据湿法制粒机的工艺要求，经过详细的核算，选VISHAY Transducer-Class Strain Gages,Linear Pattern-Dual Grid , Strain Gauge N2A-13-S061P-350
2、变送器选用及设置
与应变片信号处理相匹配的变送器，采用Vishay PS-1050, 24 V DC +/-15% power supply (7.5W)
PS-1050变送器的连接如下图：
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控制柜提供24DV,连接于1（+）2（-）
应变片的连接：将应变片传感器连接到终端19、20、23 和 24，并连接到终端 21 和 22，如上图所示。
与PLC连接：将的3、5连接于Wago,模拟量处理模块751-466 2AI/4-20MA/SE,13、14连接于Wago数字量输入模块751-433 4DI/24VDC/0.2ms
配置PS-1050变送器：第一次主要参数值必须设置，涉及主要的参数如下：
a、Sub-menu “ConFIG”
b、Sub-menu “Param”
c、Sub-menu “In-Out”
d、Sub-menu “Analog”
e、Tare the Transmitter
3、模拟量处理模块
将PS-1050变送器处理后的信号，传输到Wago 模拟量模块751-466 2AI/4-20MA/SE,PS-1050的3号端子接Wago模块的7号端子；PS-1050的5号端子接Wago模块的7号端子，输入量变量为WIS-1200
4、数字输入量模块
将PS-1050变送器处理后的信号，传输到Wago数字输入量模块751-433 4DI/24VDC/0.2ms,PS-1050的13号端子接Wago模块的7号端子，变量名称：WSA-1200-H, 扭矩警告报警PS-1050的43号端子接Wago模块的4号端子，变量名称：WSA-1200-HH扭矩过载报警，停机；
5、逻辑控制器PLC选择
选用高性能的信息处理控制器西门子CPU315-2DP
6、PLC程序硬件组态如下
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7、软件程序
使用Wago模拟量模块751-466 2AI/4-20MA/SE采样，通过如下程序进行转换，PIW202输入，传输到MW 218,再经过功能块FC13信息转换，处理结果DB11.DBD96
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8、HMI界面显示
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扭矩验证程序
1、设备需求
校验组件：扭矩测量校验套件2套 包括如下部件：
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5、变送器输出设置
执行校准检查时不需要执行此操作，但应检查该值是否与当前校准数据表上所述值相同
满量程设置
参考PS-1050的使用说明书，设置如下参数：
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6、电路检查，
首次成功完成了设备校准和校准检查，并检查了变送器输出。应检查触摸屏上的数据的最终输出
由于操作员控制通常位于洁净区，校准装置位于技术区，因此校验需要多人配合。一人应定位为校准，查看HMI显示屏，另一人应在技术区控制显示屏的处理室中进行校准；
完成最终校验后的文件如下图
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结论：
扭矩测量作为湿法制粒机终点判断的依据，大大提高配方开发和检测的速度，研究粉末和粘合剂之间的关系，在很短的时间内得出药份的粘合剂比和混合时间,确保配方优化，能补偿批次之间的差异，辅料源地和批次内部成分的变化可能影响配方的特性和质量，可以大规模的扩大生产，使用定量数据来生产，基于小规模的量化数据的规模化方案的可以为每一个配方节省时间和开发成本，常规批量产品一致性测试在几分钟内完成，作为最终产品的质量预测，消除需要漫长的间断停产而增加使用设备的成本，量化不同的粘合剂和混合时间既简单又复杂配方之间的关系，作为基本研究工具有助于核实已经使用的，直观已经复杂配方开发的根本问题
参考文献
胡德福，应变式扭矩传感器的设计技术 船舶工程 总第33 卷，2011 年第4期
许本安，李秀治编著，材料力学 上海交通大学出版社 1988年6月第一版
李守红 1979 男 汉 上海 基伊埃工程技术（中国）有限公司 工程师 控制工程硕士
李守红 13818381218