某企業(yè)現(xiàn)代中藥/植物藥自動(dòng)化系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)思路

一. 符合FDA 21 CFR PART 11的軟件開(kāi)發(fā)思路，配方保護(hù)功能，參數(shù)修改權(quán)限保護(hù)功能；

二. 以控制的目標(biāo)聯(lián)動(dòng)單元或目標(biāo)容器單元編寫(xiě)開(kāi)發(fā)程序；

三. 簡(jiǎn)單可靠地過(guò)程控制；

四. 多級(jí)的權(quán)限管理保護(hù)（第5級(jí) ── 只可監(jiān)視，檢查數(shù)據(jù), 第4級(jí) ── 第5級(jí)＋操作員控制及預(yù)定, 第3級(jí) ── 第4級(jí)＋監(jiān)控點(diǎn)參數(shù)的改變, 第2級(jí) ── 第3級(jí)＋數(shù)據(jù)庫(kù)增減’, 第1級(jí) ── 第2級(jí)＋口令編輯）；

五. 電子記錄和電子簽名，自動(dòng)生成BPR記錄，具備不可更改性；

六. 圖形化編程語(yǔ)言；

七. 狀態(tài)改變報(bào)告、報(bào)警信息報(bào)告；

八. 報(bào)告分組/報(bào)警管理；

九. 監(jiān)控點(diǎn)歷史；

十. 動(dòng)態(tài)趨勢(shì)分析；

十一. 累積、統(tǒng)計(jì)分析功能；

十二. 數(shù)據(jù)庫(kù)下傳/上載功能；

十三. 時(shí)間預(yù)定功能；

十四. 設(shè)備循環(huán)啟/停保護(hù)；

十五. 重大設(shè)備啟/停延時(shí)；

十六. 程序具備可與MES/ERP連接功能；

十七. 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集形成文件數(shù)據(jù)庫(kù)，BPR生產(chǎn)指令下達(dá)到各工序。

控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)概述：

1）自動(dòng)控制系統(tǒng)采用、穩(wěn)定的控制器，高速、安全的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，、智能的傳感器和執(zhí)行器，結(jié)合功能強(qiáng)大的工業(yè)控制應(yīng)用軟件，對(duì)中藥煮提車(chē)間設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制；

2）控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采用專(zhuān)家控制系統(tǒng)，對(duì)控制回路進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)備協(xié)調(diào)、穩(wěn)定地運(yùn)行在*狀態(tài)；

3）控制系統(tǒng)可提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性，節(jié)約能源；同時(shí)降低人工干預(yù)，減少操作人員，并簡(jiǎn)化操作人員的培訓(xùn)、上崗周期，節(jié)約生產(chǎn)成本

4）系統(tǒng)中控制參數(shù)可隨不同中藥品種進(jìn)行修改、設(shè)定，具有良好的開(kāi)放性，可生產(chǎn)不同品種的藥品；

5）系統(tǒng)圖形界面生動(dòng)、直觀，易于監(jiān)視，操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好；

6）系統(tǒng)具有圖形組態(tài)、趨勢(shì)曲線(xiàn)、報(bào)警記錄、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表輸出等功能，對(duì)于藥品生產(chǎn)的過(guò)程分析具有重要作用；

7）系統(tǒng)具有信息管理網(wǎng)絡(luò)接口，可進(jìn)一步擴(kuò)展連接到公司管理網(wǎng)絡(luò)，供企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和管理人員使用，為企業(yè)管理信息化提供支持；

整個(gè)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)可靠，達(dá)到中藥行業(yè)水平

二. 功能描述：

1）通過(guò)物理量控制、化學(xué)量控制、設(shè)備單元組合、控制信息化等四種基本控制手段，達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程的管理與現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)管控一體化；

2）將管理信息與控制信息有機(jī)結(jié)合，為建立生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量管理分析系統(tǒng)及信息庫(kù)提供數(shù)據(jù)來(lái)源及接口；

3）通過(guò)物理量控制和化學(xué)量控制等方式，達(dá)到中藥提取生產(chǎn)過(guò)程和質(zhì)量控制數(shù)字化的目的；

4）通過(guò)批處理、電子簽名保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量安全；

5）通過(guò)記錄每班次操作人員或每批次的生產(chǎn)成本核算、生產(chǎn)效率管理為車(chē)間考核提供科學(xué)的依據(jù)；

6）通過(guò)授權(quán)管理和訪(fǎng)問(wèn)許可使企業(yè)管理層相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)企業(yè)局域網(wǎng)看到相關(guān)數(shù)據(jù)和報(bào)表等信息；

7）生產(chǎn)部門(mén)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)能通過(guò)系統(tǒng)權(quán)限驗(yàn)證來(lái)下發(fā)生產(chǎn)指令和工藝配方管理，實(shí)現(xiàn)管控一體化。

主要工藝流程簡(jiǎn)圖

過(guò)程控制—投料

在投料現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)指示燈和操作按鈕，用來(lái)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，引導(dǎo)操作人員進(jìn)行每一步操作。

投料前，需進(jìn)行試漏檢測(cè)，指示燈顯示試漏狀態(tài)。

試漏檢測(cè)操作有以下兩種方式：

一. 傳統(tǒng)方法通過(guò)加適量水，通過(guò)人眼觀察判斷試漏結(jié)果；

二. 向罐內(nèi)灌入壓縮空氣，通過(guò)壓力傳感器的反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖判斷試漏結(jié)果；

后者的操作方法更為快捷、簡(jiǎn)單、方便、可靠。

試漏結(jié)束后，狀態(tài)指示燈顯示投料狀態(tài)，通過(guò)配方管理，按配方量進(jìn)行投料；

投料量可人工稱(chēng)量，然后輸入到配方管理菜單中；

或者通過(guò)在線(xiàn)稱(chēng)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，再錄入到配方管理系統(tǒng)中；

投料結(jié)束，人工關(guān)閉投料口閥門(mén)，按下投料結(jié)束按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入下一步流程。

過(guò)程控制—煮提

一. 自動(dòng)控制煮提加水量

1）進(jìn)水管道上安裝流量計(jì)；

2）上位機(jī)設(shè)定加水量；

3）PLC對(duì)流量計(jì)的反饋信號(hào)進(jìn)行累計(jì)；

4）啟動(dòng)自動(dòng)計(jì)量程序后，自動(dòng)打開(kāi)加水閥；同時(shí)畫(huà)面上顯示累計(jì)值、瞬時(shí)值；

5）當(dāng)加入的溶媒達(dá)到設(shè)定值時(shí)，PLC發(fā)出關(guān)閉指令，自動(dòng)關(guān)閉溶媒閥門(mén)。

其具體的控制過(guò)程如下圖所示：

二. 自動(dòng)加熱、溫度控制

1）自動(dòng)加熱和亞沸騰控制是提取過(guò)程控制中的關(guān)鍵控制：

2）在提取罐夾套層設(shè)有一個(gè)蒸汽氣動(dòng)角座調(diào)節(jié)閥；

3）在夾套疏水閥管路上設(shè)置一個(gè)氣動(dòng)角座開(kāi)關(guān)閥；

4）在提取罐內(nèi)安裝一個(gè)溫度變送器；

5）同時(shí)還設(shè)置了一個(gè)直接蒸汽加熱閥，以提高加熱速度。

按照以下流程進(jìn)行快速升溫：

1）打開(kāi)直接蒸汽加熱閥，進(jìn)行直接蒸汽加熱；同時(shí)將夾套蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)到zui大100%；

2）在剛開(kāi)始加熱時(shí)打開(kāi)疏水器的旁通閥，排除夾套中因上一次生產(chǎn)產(chǎn)生的冷凝水；

3）2分鐘后（時(shí)間可設(shè)定）關(guān)閉旁通閥，快速的使藥液溫度升高從而提高生產(chǎn)效率；

4）當(dāng)溫度上升至接近設(shè)定溫度－10℃（可設(shè)定）時(shí)，關(guān)閉直接蒸汽加熱閥，防止受溫度滯后的影響，導(dǎo)致加熱溫度過(guò)高；

5）夾套蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度信號(hào)、罐內(nèi)溫度傳感器的反饋信號(hào)形成PID閉環(huán)自動(dòng)控制；根據(jù)溫度的上升曲線(xiàn)，自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)的開(kāi)度，使溫度上升的曲線(xiàn)平滑，將罐內(nèi)的溫度控制在設(shè)定溫度的±1.5℃左右，使罐內(nèi)料液保持亞沸狀態(tài)；

6）當(dāng)罐內(nèi)溫度變送器的數(shù)值達(dá)到設(shè)定的計(jì)時(shí)溫度值時(shí)，控制系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)；

7）當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)設(shè)定的時(shí)間后，關(guān)閉蒸汽調(diào)節(jié)閥，進(jìn)入下一道工序。

其具體的控制過(guò)程如下圖所示：

三. 藥液堵料判斷及排除

-堵料判斷

藥液在循環(huán)或者是出料時(shí)，由于藥渣的原因可能會(huì)產(chǎn)生堵料的現(xiàn)象，如果不及時(shí)的判斷和處理可能會(huì)造成出料泵的損壞。

針對(duì)提取的堵料的判斷我們可以采取流量計(jì)判斷法：

1）在出料時(shí)，當(dāng)出料量未達(dá)到設(shè)定出料累積量，而出料流量計(jì)流速為零（或出料泵出口壓力驟然降低），可判斷為有堵料情況發(fā)生；

2）當(dāng)在提取循環(huán)時(shí)，出料流量計(jì)流速為零（或出料泵出口壓力驟然降低）, 可判斷為有堵料情況發(fā)生。

流量計(jì)同時(shí)還能判斷循環(huán)次數(shù)和量，保證工藝提取時(shí)間和提取效果。

-堵料處理：

發(fā)生堵料后，必須及時(shí)處理：

1）先關(guān)閉出料泵；

2）再關(guān)閉出料閥；

3）打開(kāi)反吹閥；

4）壓縮空氣反吹一定時(shí)間（時(shí)間可設(shè)定）；

5）然后再進(jìn)行出料或者是循環(huán)。

四. 出料控制

1）當(dāng)煎煮完畢后，進(jìn)入出料階段；

2）判斷提取液儲(chǔ)罐的液位，是否允許出料；

3）如果允許打開(kāi)提取罐的出料閥，打開(kāi)出料總閥，打開(kāi)儲(chǔ)罐進(jìn)料閥；

4）延時(shí)啟動(dòng)出料泵，通過(guò)流量計(jì)對(duì)出料進(jìn)行計(jì)量。

五. 二次煮提

一次煮提出料完成后，系統(tǒng)重復(fù)自動(dòng)控制煮提加水à自動(dòng)加熱、溫度控制à出料控制等操作，進(jìn)行二次煮提。

過(guò)程控制—出渣

在提取罐的底蓋的兩個(gè)氣缸上分別配制兩個(gè)位置信號(hào)反饋裝置，檢測(cè)底蓋是否動(dòng)作到位；

及分別為：底蓋開(kāi)到位反饋，底蓋關(guān)到位反饋。

出料結(jié)束，進(jìn)行出渣操作：

一. 先將小車(chē)移動(dòng)到需要出料的提取罐下，觸發(fā)小車(chē)到位位置反饋裝置；

二. 小車(chē)不到位，系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警提示人工檢查排除故障；

三. 小車(chē)到位，則打開(kāi)底蓋，并檢測(cè)底蓋是否開(kāi)到位；

四. 底蓋開(kāi)到位，進(jìn)行出渣操作；

否則開(kāi)始報(bào)警提示人工檢查排除故障。

過(guò)程控制—過(guò)濾儲(chǔ)存

一. 一次煮提完成，打開(kāi)母液排放閥，經(jīng)由翅片過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾；

二. 濾液由水提取液循環(huán)泵輸送至水提取液貯罐（下）中；

三. 當(dāng)罐內(nèi)藥液排盡時(shí)，關(guān)閉水提取液循環(huán)泵；

四. 罐內(nèi)液位計(jì)顯示水提取液液位高度，并連鎖閥門(mén)開(kāi)、閉以及輸送泵的啟、?？刂?；液位過(guò)低報(bào)警時(shí)，貯罐接近空罐狀態(tài)，停輸送泵、關(guān)閉出液閥；

五. 打開(kāi)水提取液貯罐（下）出液閥門(mén)、水提取液貯罐（上）進(jìn)液閥門(mén)；

六. 啟動(dòng)水提取液輸送泵，將水提取液輸送至水提取液貯罐（上）；

七. 一次煮提液輸送完成后，再將二次煮提液輸送至水提取液貯罐（下）。

濃縮過(guò)程主要包括進(jìn)料、濃縮及出料三部分，在該工藝控制中我們對(duì)藥液的進(jìn)料量、濃縮溫度、真空度、密度、及時(shí)消泡等為主要控制目標(biāo)。

-進(jìn)料控制

采用連續(xù)進(jìn)料控制，用連續(xù)的液位計(jì)檢測(cè)控制蒸發(fā)室的液位。

進(jìn)料控制具體如下：

一. 開(kāi)儲(chǔ)罐排空閥、儲(chǔ)罐出料閥、濃縮罐真空閥；

二. 關(guān)閉濃縮罐放空閥；

三. 全開(kāi)濃縮罐進(jìn)料調(diào)節(jié)閥；

四. 當(dāng)藥液達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，關(guān)閉濃縮罐進(jìn)料閥，進(jìn)入加熱濃縮階段。

根據(jù)濃縮的進(jìn)程，用進(jìn)料調(diào)節(jié)閥控制蒸發(fā)室的液位在設(shè)定的液位范圍，判斷儲(chǔ)罐的液位是否在濃縮液位值范圍內(nèi)，當(dāng)液位低于濃縮液位值范圍時(shí)，關(guān)閉儲(chǔ)罐的出料閥，打開(kāi)已選擇的其它儲(chǔ)罐出料閥。其具體的控制過(guò)程如下圖所示: 

過(guò)程控制—濃縮控制

-濃縮控制

一. 濃縮溫度控制：濃縮控制考慮到濃縮初始階段物料溫度相對(duì)較低，此時(shí)蒸汽調(diào)節(jié)為一較大開(kāi)度，即要保證迅速加熱形成回流又不至于物料震蕩。

當(dāng)物料加熱到一定溫度后用PID控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使控制溫度趨近濃縮溫度；

二.濃縮補(bǔ)料控制：根據(jù)蒸發(fā)室液位，用進(jìn)料調(diào)節(jié)閥控制蒸發(fā)室的液位在設(shè)定的液位范圍，判斷儲(chǔ)罐的液位是否為零，當(dāng)液位為零時(shí)關(guān)閉儲(chǔ)罐的出料閥，打開(kāi)已選擇的其它儲(chǔ)罐補(bǔ)料閥。

其具體的控制過(guò)程如下圖所示：

-消泡控制

蒸發(fā)室泡沫產(chǎn)生主要是因?yàn)樗幰褐泻写罅康脑碥?，在蒸發(fā)室內(nèi)真空度驟然增大或物料中含有空氣，尤其是在采用真空進(jìn)料方式極易產(chǎn)生泡沫。傳統(tǒng)的消泡方法是在設(shè)備上安裝高位泡沫開(kāi)關(guān)，當(dāng)產(chǎn)生的泡沫達(dá)到高位開(kāi)關(guān)時(shí)，設(shè)備自動(dòng)開(kāi)啟排空法閥進(jìn)行消泡。但是當(dāng)藥液皂苷含量較高時(shí)容易使消泡閥頻繁的動(dòng)作，破壞了整個(gè)濃縮過(guò)程的連續(xù)與平穩(wěn)，使?jié)饪s效率很低，而且這是在產(chǎn)生泡沫的時(shí)候才做出的一種彌補(bǔ)措施，控制對(duì)象是一個(gè)結(jié)果，不能從根本上解決跑料的問(wèn)題。

分析泡沫產(chǎn)生的原因，除了藥液本來(lái)的特性外真空度是引起泡沫產(chǎn)生的zui重要的因素，當(dāng)蒸發(fā)室的真空度在-0.07～-0.08MPA時(shí)，不易產(chǎn)生泡沫，從而避免跑料。

要控制藥液在凝縮過(guò)程中起跑而跑料則要控制住蒸發(fā)室的真空度，采取的是在蒸發(fā)室上加裝一個(gè)真空的調(diào)節(jié)閥，同時(shí)設(shè)置一個(gè)高位的消泡開(kāi)關(guān)，正常工作的時(shí)候，用真空調(diào)節(jié)閥去控制蒸發(fā)室的真空度在-0.07～-0.08MPA左右，如果有特殊的情況產(chǎn)生泡沫達(dá)到高位的消泡開(kāi)關(guān)時(shí)，真空調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，破壞蒸發(fā)室的真空度達(dá)到緊急消泡的作用，同時(shí)一效和二效的真空閥門(mén)采用連續(xù)調(diào)節(jié)的蝶閥，在生產(chǎn)的過(guò)程中控制其緩慢的開(kāi)啟，使真空度緩慢的上升，從而避因真空的度的突然變化產(chǎn)生泡沫。

其具體的控制過(guò)程如下圖所示：

-出料控制（收膏）

在一效蒸發(fā)室加裝一個(gè)密度計(jì)（或者安裝取樣閥，人工取樣檢測(cè)，判定濃縮終點(diǎn)），當(dāng)檢測(cè)到一效的密度達(dá)到程序設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)提示可以出料，QA確認(rèn)后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到出料程序。當(dāng)一效蒸發(fā)室的液位到零時(shí)系統(tǒng)停止出料。

出料控制具體如下：

關(guān)閉真空閥、蒸汽調(diào)節(jié)閥、打開(kāi)排空閥、出料閥、雙效出料泵，出料結(jié)束后關(guān)閉雙效出料泵，濃縮液出料泵，出料閥、出料閥。

其具體的控制過(guò)程如下圖所示：

過(guò)程控制—保護(hù)措施

從設(shè)備和人身安全考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮到安全保護(hù)措施，我們將通過(guò)控制系統(tǒng)從以下幾個(gè)方面來(lái)對(duì)提取過(guò)程進(jìn)行有效的保護(hù)：

一. 夾套壓力保護(hù)：對(duì)一般提取罐來(lái)說(shuō)夾套的壓力zui大不能超過(guò)2.5bar，安全的工作壓力在1.5bar－1.8bar左右，為防止夾套超壓造成事故，在夾套加裝一個(gè)壓力傳感器，當(dāng)工作的壓力超過(guò)1.8bar時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)先關(guān)小或者是關(guān)閉蒸汽控制閥，打開(kāi)疏水旁路開(kāi)關(guān)閥對(duì)夾套卸壓。同時(shí)報(bào)警提示操作人員檢查是否蒸汽總管壓力過(guò)高，或者是疏水閥堵塞。當(dāng)外部異常情況排除，操作人員確認(rèn)后，程序繼續(xù)進(jìn)行；

二. 提取罐內(nèi)壓力保護(hù)：在靜態(tài)，或者是動(dòng)態(tài)，動(dòng)態(tài)逆流提取中要求腔體內(nèi)沒(méi)有壓力，在罐頂加裝一個(gè)壓力變送器和一個(gè)排空閥，當(dāng)腔體的壓力大于設(shè)定的值后，打開(kāi)罐頂?shù)呐趴臻y，同時(shí)系統(tǒng)提示操作人員檢查大排空是否打開(kāi)，冷凝器的冷卻水是否打開(kāi)，冷卻水的溫度是否偏高。當(dāng)外部異常情況排除，操作人員確認(rèn)后，程序繼續(xù)進(jìn)行；

三. 出料泵保護(hù)：提取循環(huán)或者是出料的時(shí)候，當(dāng)流量計(jì)檢測(cè)到管道內(nèi)沒(méi)有液體的時(shí)候，自動(dòng)關(guān)閉出料泵，防止泵空轉(zhuǎn)損壞泵；

四. 開(kāi)關(guān)底蓋的密碼保護(hù)：對(duì)提取罐的底蓋操作是很重要的一個(gè)步驟，為防止誤操作造成的設(shè)備、產(chǎn)品、人身事故，本系統(tǒng)采取分級(jí)授權(quán)和二次密碼保護(hù)的方法對(duì)操作進(jìn)行限制，首先操作人員要有相應(yīng)的權(quán)限，同時(shí)在操作的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)提示輸入操作密碼，兩級(jí)結(jié)合才能對(duì)底蓋進(jìn)行操作，否則操作按鈕不會(huì)顯示；

五. 閥門(mén)，泵開(kāi)關(guān)反饋保護(hù)：對(duì)閥門(mén)和泵，在相應(yīng)的位置加裝位置反饋以及泵后壓力，從硬件上進(jìn)行保護(hù)，只有閥門(mén)按程序設(shè)定開(kāi)到位或者是關(guān)到位后才能進(jìn)行下一步的操作；

六. 增加液位開(kāi)關(guān)做提取罐的液位高位報(bào)警連鎖。

寧波華子制藥設(shè)備制造有限公司 

工程技術(shù)部