论文部分内容阅读
[摘 要]药品小而言之关乎病患康复质量，大而言之關乎病患的生命安全，因此优质药品是所有病患的共同期待。如何持续提供优质药品则是所有医药企业关心的大问题，也是对医药企业而言能否大业永年的关键问题。随着高新技术的发展，传统的制药过程已经被计算机控制的自动控制系统所取代了。本文就对青霉素制药企业的发酵工序自动化控制系统做一个简单的评述。
[关键词]DCS系统 自动控制 测量单元 执行机构 分布式控制 集散控制 自动化 工控 PLC 可编程逻辑控制器
中图分类号：TP273+.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0286-02
1 制药企业发酵自动控制现状
我国传统的制药企业最初的发酵工艺完全由人工控制，每一控制过程都需要工人三班倒昼夜轮流守候。后来经历了半人工、仪表控制、PLC控制等阶段。目前几乎所有的青霉素制药企业都普遍存在以下几方面的问题：
1.1 系统维护困难
由于系统安装的年代久远，因此当时安装的部件，早已停产，一旦那些部件出现问题，势力导致停产。
1.2 控制精度低
将近十年前的仪表控制精度较低，并且当时的仪表与计算机连接以后响应速也较慢，已经出现了影响生产的状况。
1.3 人机交互界面差
以前的传统的工控系统运行界面都是DOS界面，与现代的windows界面或linux界面的良好的工控交互界面相差甚远。有些工控系统甚至使用英文操作系统界面，给制药企业的使用造成诸多不便。
1.4 扩展性差
由于生产规模扩大新增自动化设备非常困难。
1.5 仪表与控制系统的联接与响应不畅
老式的仪表响应速度较慢，并且老工的仪表与后台控制端的计算机之间的响应也较慢。
1.6 执行机构出现误信号越来越频繁
由于线路老化、接触不良等种种原因，仪表的控制端经常会误认别系统信号。
基于上述问题，制药企业进行控制系统改造已经变成迫在眉睫的问题了。
2 控制对象的研究
青霉素是曾为人类带来生存福音的抗生素，在历经了七十多年的使用过程中，仍然有着强大的生命力。青霉素要经过三次发酵才能获得合格的可用于后续加工的溶液，因此青霉素的发酵过程对于整个药品的生产过程而言极为重要。青霉素发酵过程的主要控制参数包括状态参数、物理参数、消沫、补料等。对于青霉素的发酵水平影响最大的就是对补料过程的控制。本文中所论述的青霉素发酵控制系统改造的要点就在于对所有需要控制的点位进行精确取值即时控制。主要分为以下三大控制系统：
①发酵罐发酵控制系统
这个控制系统主要是用来精确控制发酵罐的温度、补料、消沫等。
②种子罐发酵控制系统
这个控制系统主要是用来精确控制种子罐的温度、补料、消沫等。
③公用工程控制系统
这个控制系统主要是用来控制各工控部位的集中控制系统。
青霉素发酵控制系统需要即时完成的工序过程有实时状态数据采集、实时控制、及时补料控制。青霉素发酵控制过程的工艺参数的控制精度方面的要求如下：
①温度控制精度：设定值±0.5℃
②PH控制精度：设定值±0.05PH
③补料控制精度：±2.0%满量程
④空气流量控制精度：±2.5%
⑤罐压控制精度：设定值±0.005Mpa
3 发酵控制系统的实现
下面对我厂109车间的实际例子进行说明：
工艺简介：我厂发酵车间的发酵罐的数量为30个，每个发酵罐都需要物理性能控制等；种子罐20个，每个发酵罐也都需要物理性能控制。
系统配置：整个分布式控制系统采用香港三星公司的DCS系统。该控制系统的具体配置是：一个工程师工作站，两个操作员工作站，两个现场控制站。整个系统全部使用多路UPS供电以保证电源供应，不至于因为电源故障停产。信号采集、反馈等部件都采用香港三星公司的相关产品。
DCS系统的显示画面主要有：
①种子罐工艺流程图画面
②发酵罐工艺流程图画面
③种子罐温控调整画面
④系统状态图画面
⑤操作主菜单画面
⑥系统参数总貌画面
⑦发酵罐参数趋势画面
⑧发酵罐补料参数趋势画面
⑨种子罐参数趋势画面
⑩系统参数趋势画面
4 DCS系统的主要特点
①系统稳定、可靠，性能价格比高。
②系统的开放性、可扩展性好。
③控制周期短，保证补料控制准确。
④控制条件考虑全面，避免误动作的发生。
⑤系统的稳定性高。
⑥可能的故障点减少。
⑦可靠的接地保护。系统采用双重接地。
⑧回路控制周期缩短。
⑨系统的安全性。系统采用不间断电源做为保障、不同级别的使用者设置不同的操作权限、系统同时具有自动和手动补料功能。
5 DCS系统主要设备配置及功能
5.1 集散控制系统（DCS）一套，包括：DCS控制站，DCS操作站及系统控制软件及UPS电源一部。
控制站按照组态的控制方案进行运算处理，发出控制数据到执行机构。控制站还可以接收操作站发出的操作指令，转化为控制数据输出到执行机构。集散控制软件包括：组态软件、流程图设计软件、实时监控软件和/.用户自定义语言。系统要求在windows95/98/XP下运行。 操作站实现实时通訊，完成系统组态、控制组态、控制方案及操作信息的下载，同时接受控制站传回的现场数据进行实时显示，并进行记录形成历史数据，以供查询。
5.2 输入、输出部分，是指本系统的现场测量及执行机构。
输入部分主要完成对现场信号的采样和转换，形成标准信号送控制站进行分析处理。输出执行机构用于接收由控制站发出的操作数据，执行现场操作，反馈执行信号，完成自动控制过程。
6 主要参数的控制原理及过程
6.1 温度控制
测量单元采用一体化温度变送器，把温度信号就地变换成电流信号后远传给控制室。为充分节能降耗，调节阀安装在各自对应的冷却水管路上。
6.2 PH值的控制
发酵过程中酸碱度的检测采用梅特勒公司PH值传感器，这种传感器能够经受发酵罐的高温灭菌，并可准确连续不断地测量发酵罐内酸碱度的变化。
6.3 罐压控制
发酵罐内需保持一定的正压，其主要目的是为了防止外界空气进入发酵罐内，造成污染。
6.4 各种物料的自动补料在控制方式上基本相同，只是根据物料加入的不同，采用不同的加料筒和设定不同的加料频率，控制系统给出的加料信号给电磁阀打开气动开关阀，进而补料，一次补料完成，现场反馈一个开关量的信号给控制系统以对本次补料过程加以确认。
7 系统运行保障设置
为保证系统的正常运行，对于整个系统可能会出现的一些故障需要提前考虑处理方案的，下面略举几例加以说明。
7.1 正常情况下，当系统给出加料信号，补料器会打开加料阀，10秒钟内物料会触及计量电极，一个翻转信号会反馈给系统。
7.2 当系统在接到计量翻转信号后，关闭上料阀，并打开下料阀，物料补入发酵罐，一般情况下，反馈信号会现次发生翻转，表示物料已正常补入大罐，如果此时超过6秒钟，系统未收到此信号，同样会发出报警，操作者应检查下料阀是否仍处于关闭状态，或同时上料阀还处于打开状态，物料仍在不断地补入中。
7.3 在补料贮罐中的物料较多时，其压力也较大，那么，当系统打开补料上料阀时，有时会有物料冲顶现象，即计量筒中的物料未达到1L、2L或4L计量量时，但反馈信号已产生并传至DCS系统。
结语：通过前期摸索和技术准备工作，我们投资了60余万元采用DCS 系统对青霉素发酵工段进行了为期一个月的改造、安装和调试工作，经过六个月的试运行表明，该系统运行可靠、控制灵活、操作方便，自动控制系统达到了预期的效果，满足发酵工艺的要求。整个系统运行稳定。并取得了良好的经济效益和社会效益。
[关键词]DCS系统 自动控制 测量单元 执行机构 分布式控制 集散控制 自动化 工控 PLC 可编程逻辑控制器
中图分类号：TP273+.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0286-02
1 制药企业发酵自动控制现状
我国传统的制药企业最初的发酵工艺完全由人工控制，每一控制过程都需要工人三班倒昼夜轮流守候。后来经历了半人工、仪表控制、PLC控制等阶段。目前几乎所有的青霉素制药企业都普遍存在以下几方面的问题：
1.1 系统维护困难
由于系统安装的年代久远，因此当时安装的部件，早已停产，一旦那些部件出现问题，势力导致停产。
1.2 控制精度低
将近十年前的仪表控制精度较低，并且当时的仪表与计算机连接以后响应速也较慢，已经出现了影响生产的状况。
1.3 人机交互界面差
以前的传统的工控系统运行界面都是DOS界面，与现代的windows界面或linux界面的良好的工控交互界面相差甚远。有些工控系统甚至使用英文操作系统界面，给制药企业的使用造成诸多不便。
1.4 扩展性差
由于生产规模扩大新增自动化设备非常困难。
1.5 仪表与控制系统的联接与响应不畅
老式的仪表响应速度较慢，并且老工的仪表与后台控制端的计算机之间的响应也较慢。
1.6 执行机构出现误信号越来越频繁
由于线路老化、接触不良等种种原因，仪表的控制端经常会误认别系统信号。
基于上述问题，制药企业进行控制系统改造已经变成迫在眉睫的问题了。
2 控制对象的研究
青霉素是曾为人类带来生存福音的抗生素，在历经了七十多年的使用过程中，仍然有着强大的生命力。青霉素要经过三次发酵才能获得合格的可用于后续加工的溶液，因此青霉素的发酵过程对于整个药品的生产过程而言极为重要。青霉素发酵过程的主要控制参数包括状态参数、物理参数、消沫、补料等。对于青霉素的发酵水平影响最大的就是对补料过程的控制。本文中所论述的青霉素发酵控制系统改造的要点就在于对所有需要控制的点位进行精确取值即时控制。主要分为以下三大控制系统：
①发酵罐发酵控制系统
这个控制系统主要是用来精确控制发酵罐的温度、补料、消沫等。
②种子罐发酵控制系统
这个控制系统主要是用来精确控制种子罐的温度、补料、消沫等。
③公用工程控制系统
这个控制系统主要是用来控制各工控部位的集中控制系统。
青霉素发酵控制系统需要即时完成的工序过程有实时状态数据采集、实时控制、及时补料控制。青霉素发酵控制过程的工艺参数的控制精度方面的要求如下：
①温度控制精度：设定值±0.5℃
②PH控制精度：设定值±0.05PH
③补料控制精度：±2.0%满量程
④空气流量控制精度：±2.5%
⑤罐压控制精度：设定值±0.005Mpa
3 发酵控制系统的实现
下面对我厂109车间的实际例子进行说明：
工艺简介：我厂发酵车间的发酵罐的数量为30个，每个发酵罐都需要物理性能控制等；种子罐20个，每个发酵罐也都需要物理性能控制。
系统配置：整个分布式控制系统采用香港三星公司的DCS系统。该控制系统的具体配置是：一个工程师工作站，两个操作员工作站，两个现场控制站。整个系统全部使用多路UPS供电以保证电源供应，不至于因为电源故障停产。信号采集、反馈等部件都采用香港三星公司的相关产品。
DCS系统的显示画面主要有：
①种子罐工艺流程图画面
②发酵罐工艺流程图画面
③种子罐温控调整画面
④系统状态图画面
⑤操作主菜单画面
⑥系统参数总貌画面
⑦发酵罐参数趋势画面
⑧发酵罐补料参数趋势画面
⑨种子罐参数趋势画面
⑩系统参数趋势画面
4 DCS系统的主要特点
①系统稳定、可靠，性能价格比高。
②系统的开放性、可扩展性好。
③控制周期短，保证补料控制准确。
④控制条件考虑全面，避免误动作的发生。
⑤系统的稳定性高。
⑥可能的故障点减少。
⑦可靠的接地保护。系统采用双重接地。
⑧回路控制周期缩短。
⑨系统的安全性。系统采用不间断电源做为保障、不同级别的使用者设置不同的操作权限、系统同时具有自动和手动补料功能。
5 DCS系统主要设备配置及功能
5.1 集散控制系统（DCS）一套，包括：DCS控制站，DCS操作站及系统控制软件及UPS电源一部。
控制站按照组态的控制方案进行运算处理，发出控制数据到执行机构。控制站还可以接收操作站发出的操作指令，转化为控制数据输出到执行机构。集散控制软件包括：组态软件、流程图设计软件、实时监控软件和/.用户自定义语言。系统要求在windows95/98/XP下运行。 操作站实现实时通訊，完成系统组态、控制组态、控制方案及操作信息的下载，同时接受控制站传回的现场数据进行实时显示，并进行记录形成历史数据，以供查询。
5.2 输入、输出部分，是指本系统的现场测量及执行机构。
输入部分主要完成对现场信号的采样和转换，形成标准信号送控制站进行分析处理。输出执行机构用于接收由控制站发出的操作数据，执行现场操作，反馈执行信号，完成自动控制过程。
6 主要参数的控制原理及过程
6.1 温度控制
测量单元采用一体化温度变送器，把温度信号就地变换成电流信号后远传给控制室。为充分节能降耗，调节阀安装在各自对应的冷却水管路上。
6.2 PH值的控制
发酵过程中酸碱度的检测采用梅特勒公司PH值传感器，这种传感器能够经受发酵罐的高温灭菌，并可准确连续不断地测量发酵罐内酸碱度的变化。
6.3 罐压控制
发酵罐内需保持一定的正压，其主要目的是为了防止外界空气进入发酵罐内，造成污染。
6.4 各种物料的自动补料在控制方式上基本相同，只是根据物料加入的不同，采用不同的加料筒和设定不同的加料频率，控制系统给出的加料信号给电磁阀打开气动开关阀，进而补料，一次补料完成，现场反馈一个开关量的信号给控制系统以对本次补料过程加以确认。
7 系统运行保障设置
为保证系统的正常运行，对于整个系统可能会出现的一些故障需要提前考虑处理方案的，下面略举几例加以说明。
7.1 正常情况下，当系统给出加料信号，补料器会打开加料阀，10秒钟内物料会触及计量电极，一个翻转信号会反馈给系统。
7.2 当系统在接到计量翻转信号后，关闭上料阀，并打开下料阀，物料补入发酵罐，一般情况下，反馈信号会现次发生翻转，表示物料已正常补入大罐，如果此时超过6秒钟，系统未收到此信号，同样会发出报警，操作者应检查下料阀是否仍处于关闭状态，或同时上料阀还处于打开状态，物料仍在不断地补入中。
7.3 在补料贮罐中的物料较多时，其压力也较大，那么，当系统打开补料上料阀时，有时会有物料冲顶现象，即计量筒中的物料未达到1L、2L或4L计量量时，但反馈信号已产生并传至DCS系统。
结语：通过前期摸索和技术准备工作，我们投资了60余万元采用DCS 系统对青霉素发酵工段进行了为期一个月的改造、安装和调试工作，经过六个月的试运行表明，该系统运行可靠、控制灵活、操作方便，自动控制系统达到了预期的效果，满足发酵工艺的要求。整个系统运行稳定。并取得了良好的经济效益和社会效益。