★贝加莱工业自动化（上海）有限公司

吹灌封BFS（Blow-Fill-Seal）是制药工业正在快速发展的制剂领域，在像眼科滴液类、疫苗类药品制剂过程中，BFS具有比较明显的优势。

1　BFS概述

如图1所示，BFS先是由主机对聚合物颗粒进行配料、称重、加热后处于熔融状态，并通过螺杆挤出到模腔中，然后由吹气阀动作来进行瓶子本身的吹制。在吹制完成后即可进行液体制剂的灌注，并进行热封的封口，完成后开模即可获得灌装完成的成型产品。

图1 BFS原理图（来源：国际吹灌封操作者协会）

2　BFS的优点

BFS的优点首先在于它更为快捷的生产过程，避免了像传统安瓿瓶、西林瓶复杂的洗瓶、消毒、烘干、灌装、轧盖/封盖的过程复杂性。采用塑料的瓶子也可以让药物使用中更为安全（避免玻璃碎片的伤害）。另外，BFS更快的节拍，也可以让药物在空气中更低的暴露时间，避免污染。第三，通过BFS方式生产药物更为高效，它的瓶子大小无需额外的机械工装夹具，而由控制参数配置即可实现不同的瓶子容积生产。而整个BFS的生产效率也是更高的，易于形成独立的生产中心，更为紧凑，对于清洗而言也更为便捷。因此，BFS被应用于很多疫苗、液体制剂、眼科滴液等的生产中。

3　自动化系统硬件的特殊性需求

制药工业，考虑到避免由环境带来的不必要的药物污染，以及生产环境对电子电气系统的潜在风险，因此，需要符合行业特别需求的硬件设计，包括像对HMI的纯平设计、防护等级等需求。

3.1　IP69K防护等级的Panel PC

在制药行业，由于对于洁净度的要求，需要机器的操作面板具有高防护等级，这包括很多方面的设计需求，而贝加莱的Panel PC有专门针对制药工业所需的工业平板电脑，它采用悬臂安装，本身的外壳也采用316SS不锈钢进行加工，并进行了工业级的密封性设计，以达到IP69K的防护等级，这意味着它可以工作在制药这种需要冲洗的环境中。

图2 防护等级IP69K的工业平板

Panel PC可以带有操作的键—这种专利设计的发光按键设计精美，还有RFID—它可以用于用户的识别，这在制药工业里非常重要的原因在于，必须清楚是谁在什么时间对这个机器进行的操作。

Panel PC并非纯粹的显示单元，它实际上是将Windows任务和基于RTOS的实时任务集成于一体，采用Hypervisor技术，在多核处理器里进行了分割，以使得两个操作系统都可以运行，分别执行不同的任务。

3.2　ACOPOSmotor伺服驱动与电机

还有一个对于制药也是需要高防护等级的是伺服驱动，在这里，贝加莱的ACOPOSmotor就是基于这样的设计。

图3 ACOPOSmotor驱动与电机一体化设计

ACOPOSmotor对于系统最大的优势在于它降低了接线的需求，可以就近安装于传动所需的机械本体上，无需占用额外的电柜空间，这同时意味着接线的成本下降。ACOPOSmotor与其它贝加莱ACOPOS驱动系统一样，可以达到较高的百微秒等级位置环控制。

4　BFS的软件方案构成

对于机器的解决方案而言，硬件是基础，而同时也需要软件的支持能力。制药工业比较特别地在于它需要考虑“合规性”，即所需的电子签名认证。

4.1　合规性认证需求

在FDA Gamp认证中，21CFR Part 11是针对制药装备的电子电气系统的要求，它要求对于机器的整个操作、运行过程中的所有事件、参数、动作等进行记录，并以不可篡改的形式输出，以确保整个生产过程的可追溯性，这对于监管及制药企业自身的追溯都是至关重要的。

mappAudit是贝加莱mapp软件中的一个专门针对审计追踪的功能块，它是满足于21CFR Part 11的合规性需求的。它可以被系统快速配置，并对所有过程进行追踪，例如，不同的用户对于机器进行的每个操作都将被记录在案，并以加密的CSV或PDF文件形式输出报告，以确保这些数据是合规的。

4.2　温控技术

对于BFS控制系统中，温度控制影响着制品的品质，也会影响系统的节拍。温度控制在BFS比较关键在于它在整个吹制过程的不同阶段，对于温度的需求是不同的。而另一方面，温度的控制响应速度，也会影响整个BFS的节拍。它需要一个更为高速且高精度的温控，以达到高品质、高效的生产。

mappTemperature是贝加莱针对温控的专用模块，它最为重要的是其严格精密的温度斜坡跟踪功能，在不同的阶段，软件将按照预先设定的温度曲线精准工作，这确保了生产的高品质。

为了提高响应能力，并降低过度调节带来的波动，mappTemperature分别引入了前馈和Kalman滤波来解决这些问题。

4.3　液压/电动控制均可

在B&R的mapp中，针对不同的液压控制回路，也有mappHydraulic的设计，它会针对不同的泵（定量、伺服泵）、阀（比例阀、伺服阀等）这样的物理对象，以及特性进行液压的定位、同步控制。在BFS中，针对液压的机械或电动机构，贝加莱都会有相应的控制方案。液压库的支撑如图5所示。

图5 液压库的支撑

4.4　精准的壁厚控制

对于较大容量的瓶子而言，由于吹制过程中，型胚自重的影响，在型胚上发生减薄和缩颈的现象。因此，在挤出中，胚壁的厚度控制是产品品质的关键，通过电液位置控制原理，可以改变挤出口模成型间隙的开度，以控制型胚厚度的变化，使得中空制品的壁厚均匀，节省材料。当然，对于壁厚控制而言，液压系统的大滞后、大惯量也是必须予以考虑的。不过，基于贝加莱在吹瓶壁厚领域的控制经验，这些都是在系统里可被配置的。

除了mappTemperature、mappAudit、mappHydraulic这些机电控制模块，像mappVIEW更为精美的HMI设计、mappUser用户管理、mappRecipe配方管理、mappPackML、mappAlarmX等软件功能也可以快速被调用，以便整机的应用软件快速配置。

5　整体架构

图6是贝加莱针对BFS的控制系统架构，Panel PC通过POWERLINK网络连接IP67防护等级的I/O系统，以及ACOPOSremote——这是一个IP67等级的电源，通过单电缆技术（动力电缆、通信及信号电缆于一体），级联的方式连接ACOPOSmotor伺服电机与驱动。

图6 BFS控制系统架构

对于BFS而言，贝加莱提供的解决方案包含了满足制药行业所需的硬件、软件需求。能够通过mapp模块化应用快速地构建机器的应用软件系统。

精彩观点

贝加莱工业自动化（中国）有限公司技术传播经理 宋华振

记者：贝加莱的产品主要应用在医药产业链的哪个环节？提供哪些技术和解决方案？为用户解决了哪些问题？

宋华振：在制药行业，贝加莱有着较多的应用，主要聚焦在后道的制剂和包装这个环节，这包括压片、胶囊填充、液体制剂的吹灌封，以及新的BFS（吹灌封），这类都属于“制剂”，它与剂量控制紧密相关。如药片/胶囊进行泡罩包装、装盒、堆垛，在这些设备里，贝加莱的控制器、伺服驱动与电机、HMI、机器视觉产品都可以用到。对于制剂，贝加莱的解决方案主要解决剂量精准控制问题，而对于包装则解决包装灵活与高效的问题。

在2018年左右，贝加莱成立了针对医疗器械组装的部门，主要聚焦于医疗器械的组装业务（称为M DA-MedicalDeviceAssembling），这是一个快速成长的市场，随着人工成本的上升，其自动化程度也大幅提高。在这个领域里，贝加莱以ACOPOStrak/ACOPOS 6D技术应用为主，主要解决“组装”的品质、效率问题。

记者：贝加莱在医药行业如何定位自己的产品？核心优势是什么？

宋华振：贝加莱在制药行业定位于提供一体化的解决方案，这与我们在其它装备制造业是相同的。首先，这些产品需要满足制药行业的Gamp认证，采用不锈钢设计的外壳、纯平的HMI表面设计，以及防止水冲击的应用需求。主要是包括IP69K防护等级的工业平板，它将控制、显示、操作集成于一体，满足制药行业的高防护等级场景。其次，贝加莱的ACOPOSmotor伺服驱动器将驱动和电机集成于一体，以满足制药行业紧凑空间、降低接线等需求。另外，8WS是一种不锈钢的伺服电机，也为制药工业所设计。在技术方面，制药和医疗器械都有卫生等级的产品。

而在医疗器械组装方面，ACOPOStrak/ACOPOS 6D主要通过为产线形成连续流、负载均衡、节拍优化，使得单位时间的产能满足需求，并确保高品质的产品输出，这是贝加莱提出的“自适应制造”理念的体现，即：通过视觉的自感知，以及PC的自分析与决策调度，对产品的输送进行最高效的调度与规划，并智能执行，以实现医疗器械组装的高效生产。

记者：近年来，医药行业和“大健康”紧密联系在一起，它是大健康产业主要的组成部分，也是大健康产业的基石。您怎么看这一问题？贝加莱从中看到了哪些机会？

宋华振：大健康，已经将健康从医院延展到早期与日常的诊断，我们每个人都可以通过这些医疗器械来关注自身的健康，并调整自己的作息、饮食、睡眠、运动等，以自主地改善自身的健康状况。人们不用等到疾病发生才去关注，就像血糖、血压、脉搏等的日常监测，以及像一些自用型注射针。

医疗器械主要分为诊疗设备、高值耗材、低值耗材和IVD体外诊断四个大类。在“大健康”的发展下，其中最为迅速的是IVD，IVD这种偏向于消费端的，像血糖仪、血压计、可穿戴的医疗器械，它的快速发展使得这类产品快速成长。

而这类产品的组装过去因为依靠人工，虽然效率低但人工成本低的时候还是可以进行的，但随着人工成本大幅上升，其组装就更强调于自动化组装线——而这就是贝加莱的ACOPOStrak/ACOPOS 6D的应用场景。贝加莱已经在糖尿病类医疗器械、IVD实验室检测设备、微给药、预填充注射笔等领域开启了大量应用，大幅地节省了人工成本，并且，还带来更高的品质、更高的效率。

近年来，医疗器械的本土市场规模不断增大，但它的另一个特点就是“碎片化”“个性化”，需要系统方案具有高度的灵活性设计。而这恰恰是ACOPOStrak/ACOPOS6D这样的柔性输送系统的用武之地。此外，针对这一行业的合规性要求，贝加莱系统的FDAGamp认证可以让制造商满足制药、医疗器械领域的数据可追溯、审计追踪需求，这同样是贝加莱的优势所在。

记者：您认为自动化技术在医药行业未来会有怎样的发展趋势？对于自动化技术带来了哪些新的需求？贝加莱将如何布局？

宋华振：医疗器械和制药行业一直是对于数据要求比较高的领域，这包括数据的合规性（电子签名认证），另一个显著的场景就是如何通过智能分析来改善制药过程中的品质、效率问题。这需要一些机器学习方法的应用。制药和医疗有几个显著的数据应用需求：

（1）数据合规与安全。制药通常是一个长流程生产（制药、制剂、包装），需要水平集成和垂直集成，而这些数据要完全处于监管状态，因为这里涉及到合规和安全，有很多工艺Know-How需要保密。

（2）机器学习如何优化参数、提升效率。例如解决药物组分在线分析、环境对过程的影响（产品品质易受生产环境中的干扰）、产品缺陷智能分析、机器的早期故障诊断。这些问题对于制药行业都是亟待解决的。

（3）参数寻优问题。如在生产中的智能参数优化、工艺建模与数据建模的分析、改善品质等。

对于这些，贝加莱一直在布局，我们的方案研究院聚焦于机电建模、算法设计，致力为制药行业用户提供解决方案。

摘自《自动化博览》2023年5月刊