1 引言

中药生产的1个关键过程是中药有用成分的提出取得,要既确保提出取得药物成分的质量,又要提高提出取得过程的效率和经济性,针对不同的中药材,选择和确保合适的提出取得工艺前提,严格和自动地按照正确的提出取得工艺程序进行中药的提出取得,是中药生产和工艺研究的1个至关重要的环节。我校与天津市大明制药设备厂合作成立“中药设备研发中心”,在项目建设中,按照工艺的实际需求,本着先进性、可靠性、实用性的原则,完成了天然药物中试生产过程各单元的计算机过程控制系统的预设与开发,乐成地实现了天然药物中试生产过程各重要工艺参数的计算机自动检测和控制,其中提出取得单元实现了多种提出取得方式的全过程计算机控制,从而为科研人员今后对天然药物提出取得工艺和提出取得设备的研究提供了可靠和有用的手段。[1]

2 提出取得过程的主要工艺流程和自控要求

2.1 提出取得工序控制

(1)加料控制

药材投入提出取得罐内,加入药材的5-l0倍的溶剂。用液位控制法控制溶剂加入量,流程图如图1所示。

图1 液位控制流程图

(2)动态提出取得

动态提出取得是中药提出取得工序的核心,要求控制罐内药液温度、连结罐内压力为常压,并管理药液循环通道内电磁阀门和手动阀门的开、关及药液循环泵和热油泵的启动和停止。提出取得罐控制结构图如图2所示 .

图2 提出取得罐控制结构图

中药提出取得过程凡是接纳的溶剂(溶媒)有水或者乙醇等。提出取得溶剂不同,对控制需求也不同样。用水作溶剂时,放空阀要在提出取得过程中始终处于开启状态,即罐内压力为常值,只消在发生意外(如排气通道堵塞)时,报警即可。醇类作溶剂时,放空阀要始终处于关闭状态,欲维持罐压为常值,其调节环境与水作溶剂时不同。

2.2 测控参数

检测参数:提出取得罐内的温度、提出取得罐内的压力、提出取得罐内的液位、冷却器的冷却水进口温度和出口温度,热油泵的出油口温度和进油口温度等。控制参数:提出取得罐温度、提出取得罐压力、进料控制、出料控制、循环泵、热油泵,自吸泵和出液泵的启动和停止控制等。

2. 3 自控要求

按照本项目的中短期工艺不确定性的特点,提出取得部分的自控预设要求是在有限和固定的设备、管线的前提下,方便而灵活地实现不同提出取得模式的全过程自动控制,即要求既可以“水提出取得”,也能够“醇提出取得”;既可以“单罐提出取得” ,也能够“双罐提出取得”;既可以是“循环提出取得”,也能够“非循环提出取得”。提出取得罐加液补液、提出取得罐升温和恒温、药物浸取、循环提出取得、提出取得液出料、直至提出取得结束或者再次提出取得的全过程都是可靠、自动地完成。

提出取得部分的自动控制回路主要包括了提出取得罐温度自动控制;提出取得罐定量和加液自动控制;提出取得罐出料自动控制;提出取得罐、提出取得液储液罐的温度自动检测;提出取得液储液罐的液位自动检测。一批药材的提出取得次数、提出取得温度和循环时间是由工艺确定的。本方案接纳热油对具有夹套的提出取得罐加热,煎煮罐中的药材,同时用循环泵循环药液。

3 系统特点

在系统的总体预设、选型上连结与国内外系统同步,从而保证所接纳的计算机测控系统在技能上的先进性并且与国际接轨。在考虑国内外相关系统如:霍尼韦尔控制系统、横河μXLDCS和SIEMES控制系统等后,决定选择SIEMENS控制系统.从而确保了系统的成熟性。选择西门子的系统另外1个原因是这种系统易于维护,易于扩展。对中药生产过程中,常常发生 “泡沫激发逃液”的现象。接纳CTN—XM系列双液位全自动消弭泡沫控制装配,其中依据电阻相应道理的泡沫探量观测电极具有极强的抗污染能力,因严重的污染而出现结垢的环境下,仍然能检测出液面位置,从而达到可靠有用地消弭泡沫,达到控制“逃液”的目的。[2]

4 系统的结构与设置

本文接纳PROFIBUS-DP构建中药提出取得过程监控系统的底层网络。新型的现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷,把基于封闭的、专用的解决方案酿成了基于公然化、标准化的解决方案,现场总线标准有几十种。每种总线标准都有自身的特点,并在特定的应用领域显示自身的上风。过程现场总线PROFIBUS作为一种国际化、开放式、不依赖设备生产商的现场总线标准,作为全集成过程和工厂自动化的现场总线解决方案,已被广泛应用于过程控制和流程工业。PROFIBUS接纳OSI模型的物理层,数据链路层。当传输速率为9.6Kbps～12Mbps时,其传输间隔可以达到100m。当传输速率为1.5Mbps时,其传输间隔可以达到为400m。PROFIBUS的传输介质可以是双绞线,也能够是光缆。其至多可以挂接127个子站点。PROFIBUS接纳功能模块化预设,不同的应用系统施用不同的模块进行预设。底层系统结构如图3所示。在本级中系统被分为两个层次即设备控制层和监控层。

图3 PROFIBUS底层网络结构

3.1 设备控制层

在设备控制层中接纳西门子的PROFIBUS-DP把各种电磁阀、离心泵、电机、温度传感器、压力传感器以及ET200分站等功能单元联结成1个整体。温度传感器选用Pt1O0铂电阻温度传感器,输出4—20mA电流信号,它抗干扰能力强,易于信号远传。压力传感器选用隔离式传感器组件和集成电路组件技能生产的耐蒸汽高温的压力传感器,具有线性好、温漂小、时间稳定性好等优点。

该层所涉及到的现场设备有:水提出取得罐、醇提出取得罐、储液罐、回收溶媒罐、浓缩罐、精馏塔、过淋器、冷凝器、加热器等。控制上述设备的下位执行机构有控制开关阀、PID调节阀、电磁流量计、液位计、温度变送器、压力变送器、自吸泵,出液泵以及热油泵等。底层PLC硬件设置:西门子公司的S7-300系列PLC,CPU的型号接纳CPU315-2DP,ET200M模块6ES7 l53—2AA02—0XB0,电源模块6ES7 307-1KA00-0AA0,32点24V数字量输入模块6ES7 321—1BL00—0AA0,16点替续器输出模块6ES7 322—1HH00—0AA0,8路模拟量输入模块6ES7 331—7KF01—0AB0,8路热电阻输入模块6ES7 331-7PF00-0AB0,4路PID模块6ES7 355—0VH10—0AE0等。

在该系统中接纳电炉进行加热,由于电炉的升温和保温是靠电阻丝加热,降低温度则是依靠自然环境冷却,当温度一朝出现超调就无法施用控制手段使其降低温度,具有升温单向性、非线性、不均匀增益和大滞后等特性,数学模型难以成立。由于系统具有大滞后和升温单向性特性,用常规PID控制要领,很容易造成积分饱和,因此难以得到满意的控制效验。为此,先用阶跃相应曲线法成立加热炉的初步数学模型,获得其大抵的放大系数K,时间常数T和滞后时间r;然后用Ziegler—Nichols法整定PID参数,接纳分段变系数增量式PID控制策略,实现对加热炉的控制。详细要领如图4所示,在开始至A点之前,可以给最大的控制量,使系统快速升温;AB两点之间接纳PD控制;在临界稳态区,为了消弭系统稳态误差,需要加入积分作用,接纳PID控制;当超调大于5%时,输出为0停止加热。在本系统中接纳西门子公司的S7-300系列的功能模块FM-355-2C实现PID控制。

图4 阶跃相应曲线示意图

3.2 监控层

监控层上位机部分:办事器接纳Windows 2000 Server操作系统,监控软件接纳西门子SIMATIC WINCC6.0 SP1。WINCC(Windows Control Center)组态软件是西门子公司与微软公司共同开发的,它承担了数据管理和采集、报警、历史趋向、数据记录及报表等工作。[3-5]其多级权限管理,电子记录等符合FDA 21 CFR PART 11的要求。提出取得部分的画面包括:提出取得工艺的静态流程图、动态流程图、控制仪表回路、加热部分、冷却部分、循环控制部分、事务报警、参数设定、报表打印、实时曲线和历史曲线显示、用户管理、OPC办事器、远程监控管理和帮助部分等。WINCC可以经由过程0DBC技能挪用MicroSoft SQL Server成立数据库,数据库具有查询、删除、修改、备份、导入、导出等强大的功能支持。WINCC还可以经由过程DDE技能挪用Excel成立数据报表。

监控层下位机部分: 下位机编程软件接纳西门子公司的STEP 7软件,经由过程功能块FC编程实现分设备、分工艺的模块化,使各段控制程序相对独立且流程清晰。数据块DB的有序分类,使数据结构更合理、数据读写更安全。整套系统设置了自动和手动两套运行方案,在程序预设中将系统动作划分成多个动作段,使得系统在运行过程中任何时间可以“暂停”下来,维持在当前状态;还能再经由过程“接续”功能使系统在先前状态下接续运行下去。从而使得系统可以任何时间答对在运行过程中可能出现的一些突发事务,减少由于意外环境造成的程序运行间断,提高系统运行的安全可靠性。[6,7]

5 结论

本文介绍的中药提出取得监控系统,哄骗PROFIBUS技能构建底层网络,对每个关键工序进行数据监测、控制,实施整个过程的跟踪。系统既能进行单元操作,又能找出最佳工况前提,该系统已经成为中心的科研人员从事天然药物生产工艺研究、中试开发的有用手段并在实际应用中取得良好的效验。

本文作者创新点:将PROFIBUS技能引入“中药设备研发中心”的试验室项目建设中,哄骗其构建中药提出取得过程控制系统底层网络,使得试验室的科研人员可以更方便高效的从事中药生产工艺的研究和中试的开发。