植物藥自動化系統(tǒng)方案

某企業(yè)現(xiàn)代中藥/植物藥自動化系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)軟件開發(fā)思路

一. 符合FDA 21 CFR PART 11的軟件開發(fā)思路，配方保護功能，參數(shù)修改權限保護功能；

二. 以控制的目標聯(lián)動單元或目標容器單元編寫開發(fā)程序；

三. 簡單可靠地過程控制；

四. 多級的權限管理保護（第5級 ── 只可監(jiān)視，檢查數(shù)據(jù), 第4級 ── 第5級＋操作員控制及預定, 第3級 ── 第4級＋監(jiān)控點參數(shù)的改變, 第2級 ── 第3級＋數(shù)據(jù)庫增減’, 第1級 ── 第2級＋口令編輯）；

五. 電子記錄和電子簽名，自動生成BPR記錄，具備不可更改性；

六. 圖形化編程語言；

七. 狀態(tài)改變報告、報警信息報告；

八. 報告分組/報警管理；

九. 監(jiān)控點歷史；

十. 動態(tài)趨勢分析；

十一. 累積、統(tǒng)計分析功能；

十二. 數(shù)據(jù)庫下傳/上載功能；

十三. 時間預定功能；

十四. 設備循環(huán)啟/停保護；

十五. 重大設備啟/停延時；

十六. 程序具備可與MES/ERP連接功能；

十七. 生產數(shù)據(jù)采集形成文件數(shù)據(jù)庫，BPR生產指令下達到各工序。

控制系統(tǒng)整體設計

1. 系統(tǒng)概述：

1）自動控制系統(tǒng)采用、穩(wěn)定的控制器，高速、安全的工業(yè)控制網絡，、智能的傳感器和執(zhí)行器，結合功能強大的工業(yè)控制應用軟件，對中藥煮提車間設備進行準確測量和控制；

2）控制系統(tǒng)實時監(jiān)測各種參數(shù)及設備運行狀態(tài)，采用專家控制系統(tǒng)，對控制回路進行自動控制，使設備協(xié)調、穩(wěn)定地運行在*狀態(tài)；

3）控制系統(tǒng)可提高產品的產量、質量、穩(wěn)定性，節(jié)約能源；同時降低人工干預，減少操作人員，并簡化操作人員的培訓、上崗周期，節(jié)約生產成本

4）系統(tǒng)中控制參數(shù)可隨不同中藥品種進行修改、設定，具有良好的開放性，可生產不同品種的藥品；

5）系統(tǒng)圖形界面生動、直觀，易于監(jiān)視，操作簡單，人機界面友好；

6）系統(tǒng)具有圖形組態(tài)、趨勢曲線、報警記錄、數(shù)據(jù)處理、報表輸出等功能，對于藥品生產的過程分析具有重要作用；

7）系統(tǒng)具有信息管理網絡接口，可進一步擴展連接到公司管理網絡，供企業(yè)領導和管理人員使用，為企業(yè)管理信息化提供支持；

整個系統(tǒng)必須設計合理，技術先進可靠，達到中藥行業(yè)水平

二. 功能描述：

1）通過物理量控制、化學量控制、設備單元組合、控制信息化等四種基本控制手段，達到生產過程的管理與現(xiàn)場的執(zhí)行結合，實現(xiàn)管控一體化；

2）將管理信息與控制信息有機結合，為建立生產過程質量管理分析系統(tǒng)及信息庫提供數(shù)據(jù)來源及接口；

3）通過物理量控制和化學量控制等方式，達到中藥提取生產過程和質量控制數(shù)字化的目的；

4）通過批處理、電子簽名保證產品的生產質量安全；

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

6）通過授權管理和訪問許可使企業(yè)管理層相關領導經企業(yè)局域網看到相關數(shù)據(jù)和報表等信息；

7）生產部門相關領導能通過系統(tǒng)權限驗證來下發(fā)生產指令和工藝配方管理，實現(xiàn)管控一體化。

主要工藝流程簡圖

過程控制—投料

在投料現(xiàn)場安裝狀態(tài)指示燈和操作按鈕，用來顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，引導操作人員進行每一步操作。

投料前，需進行試漏檢測，指示燈顯示試漏狀態(tài)。

試漏檢測操作有以下兩種方式：

一. 傳統(tǒng)方法通過加適量水，通過人眼觀察判斷試漏結果；

二. 向罐內灌入壓縮空氣，通過壓力傳感器的反饋信號的實時曲線圖判斷試漏結果；

后者的操作方法更為快捷、簡單、方便、可靠。

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

投料量可人工稱量，然后輸入到配方管理菜單中；

或者通過在線稱量系統(tǒng)實時傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)，再錄入到配方管理系統(tǒng)中；

投料結束，人工關閉投料口閥門，按下投料結束按鈕，系統(tǒng)進入下一步流程。

過程控制—煮提

一. 自動控制煮提加水量

1）進水管道上安裝流量計；

2）上位機設定加水量；

3）PLC對流量計的反饋信號進行累計；

4）啟動自動計量程序后，自動打開加水閥；同時畫面上顯示累計值、瞬時值；

5）當加入的溶媒達到設定值時，PLC發(fā)出關閉指令，自動關閉溶媒閥門。

其具體的控制過程如下圖所示：

二. 自動加熱、溫度控制

1）自動加熱和亞沸騰控制是提取過程控制中的關鍵控制：

2）在提取罐夾套層設有一個蒸汽氣動角座調節(jié)閥；

3）在夾套疏水閥管路上設置一個氣動角座開關閥；

4）在提取罐內安裝一個溫度變送器；

5）同時還設置了一個直接蒸汽加熱閥，以提高加熱速度。

按照以下流程進行快速升溫：

1）打開直接蒸汽加熱閥，進行直接蒸汽加熱；同時將夾套蒸汽調節(jié)閥開到zui大100%；

2）在剛開始加熱時打開疏水器的旁通閥，排除夾套中因上一次生產產生的冷凝水；

3）2分鐘后（時間可設定）關閉旁通閥，快速的使藥液溫度升高從而提高生產效率；

4）當溫度上升至接近設定溫度－10℃（可設定）時，關閉直接蒸汽加熱閥，防止受溫度滯后的影響，導致加熱溫度過高；

5）夾套蒸汽調節(jié)閥的開度信號、罐內溫度傳感器的反饋信號形成PID閉環(huán)自動控制；根據(jù)溫度的上升曲線，自動調節(jié)蒸汽閥門的開度，使溫度上升的曲線平滑，將罐內的溫度控制在設定溫度的±1.5℃左右，使罐內料液保持亞沸狀態(tài)；

6）當罐內溫度變送器的數(shù)值達到設定的計時溫度值時，控制系統(tǒng)開始計時；

7）當計時到達設定的時間后，關閉蒸汽調節(jié)閥，進入下一道工序。

其具體的控制過程如下圖所示：

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，由于藥渣的原因可能會產生堵料的現(xiàn)象，如果不及時的判斷和處理可能會造成出料泵的損壞。

針對提取的堵料的判斷我們可以采取流量計判斷法：

1）在出料時，當出料量未達到設定出料累積量，而出料流量計流速為零（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）當在提取循環(huán)時，出料流量計流速為零（或出料泵出口壓力驟然降低）, 可判斷為有堵料情況發(fā)生。

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

-堵料處理：

發(fā)生堵料后，必須及時處理：

1）先關閉出料泵；

2）再關閉出料閥；

3）打開反吹閥；

4）壓縮空氣反吹一定時間（時間可設定）；

5）然后再進行出料或者是循環(huán)。

四. 出料控制

1）當煎煮完畢后，進入出料階段；

2）判斷提取液儲罐的液位，是否允許出料；

3）如果允許打開提取罐的出料閥，打開出料總閥，打開儲罐進料閥；

4）延時啟動出料泵，通過流量計對出料進行計量。

五. 二次煮提

一次煮提出料完成后，系統(tǒng)重復自動控制煮提加水à自動加熱、溫度控制à出料控制等操作，進行二次煮提。

過程控制—出渣

在提取罐的底蓋的兩個氣缸上分別配制兩個位置信號反饋裝置，檢測底蓋是否動作到位；

及分別為：底蓋開到位反饋，底蓋關到位反饋。

出料結束，進行出渣操作：

一. 先將小車移動到需要出料的提取罐下，觸發(fā)小車到位位置反饋裝置；

二. 小車不到位，系統(tǒng)開始報警提示人工檢查排除故障；

三. 小車到位，則打開底蓋，并檢測底蓋是否開到位；

四. 底蓋開到位，進行出渣操作；

否則開始報警提示人工檢查排除故障。

過程控制—過濾儲存

一. 一次煮提完成，打開母液排放閥，經由翅片過濾器進行過濾；

二. 濾液由水提取液循環(huán)泵輸送至水提取液貯罐（下）中；

三. 當罐內藥液排盡時，關閉水提取液循環(huán)泵；

四. 罐內液位計顯示水提取液液位高度，并連鎖閥門開、閉以及輸送泵的啟、?？刂?；液位過低報警時，貯罐接近空罐狀態(tài)，停輸送泵、關閉出液閥；

五. 打開水提取液貯罐（下）出液閥門、水提取液貯罐（上）進液閥門；

六. 啟動水提取液輸送泵，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）。

濃縮過程主要包括進料、濃縮及出料三部分，在該工藝控制中我們對藥液的進料量、濃縮溫度、真空度、密度、及時消泡等為主要控制目標。

-進料控制

采用連續(xù)進料控制，用連續(xù)的液位計檢測控制蒸發(fā)室的液位。

進料控制具體如下：

一. 開儲罐排空閥、儲罐出料閥、濃縮罐真空閥；

二. 關閉濃縮罐放空閥；

三. 全開濃縮罐進料調節(jié)閥；

四. 當藥液達到設定液位時，關閉濃縮罐進料閥，進入加熱濃縮階段。

根據(jù)濃縮的進程，用進料調節(jié)閥控制蒸發(fā)室的液位在設定的液位范圍，判斷儲罐的液位是否在濃縮液位值范圍內，當液位低于濃縮液位值范圍時，關閉儲罐的出料閥，打開已選擇的其它儲罐出料閥。其具體的控制過程如下圖所示: 

過程控制—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較低，此時蒸汽調節(jié)為一較大開度，即要保證迅速加熱形成回流又不至于物料震蕩。

當物料加熱到一定溫度后用PID控制蒸汽調節(jié)閥的開度，使控制溫度趨近濃縮溫度；

二.濃縮補料控制：根據(jù)蒸發(fā)室液位，用進料調節(jié)閥控制蒸發(fā)室的液位在設定的液位范圍，判斷儲罐的液位是否為零，當液位為零時關閉儲罐的出料閥，打開已選擇的其它儲罐補料閥。

其具體的控制過程如下圖所示：

-消泡控制

蒸發(fā)室泡沫產生主要是因為藥液中含有大量的皂苷，在蒸發(fā)室內真空度驟然增大或物料中含有空氣，尤其是在采用真空進料方式極易產生泡沫。傳統(tǒng)的消泡方法是在設備上安裝高位泡沫開關，當產生的泡沫達到高位開關時，設備自動開啟排空法閥進行消泡。但是當藥液皂苷含量較高時容易使消泡閥頻繁的動作，破壞了整個濃縮過程的連續(xù)與平穩(wěn)，使?jié)饪s效率很低，而且這是在產生泡沫的時候才做出的一種彌補措施，控制對象是一個結果，不能從根本上解決跑料的問題。

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

要控制藥液在凝縮過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)室上加裝一個真空的調節(jié)閥，同時設置一個高位的消泡開關，正常工作的時候，用真空調節(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生泡沫達到高位的消泡開關時，真空調節(jié)閥全開，破壞蒸發(fā)室的真空度達到緊急消泡的作用，同時一效和二效的真空閥門采用連續(xù)調節(jié)的蝶閥，在生產的過程中控制其緩慢的開啟，使真空度緩慢的上升，從而避因真空的度的突然變化產生泡沫。

其具體的控制過程如下圖所示：

-出料控制（收膏）

在一效蒸發(fā)室加裝一個密度計（或者安裝取樣閥，人工取樣檢測，判定濃縮終點），當檢測到一效的密度達到程序設定值時，系統(tǒng)提示可以出料，QA確認后，系統(tǒng)自動轉換到出料程序。當一效蒸發(fā)室的液位到零時系統(tǒng)停止出料。

出料控制具體如下：

關閉真空閥、蒸汽調節(jié)閥、打開排空閥、出料閥、雙效出料泵，出料結束后關閉雙效出料泵，濃縮液出料泵，出料閥、出料閥。

其具體的控制過程如下圖所示：

過程控制—保護措施

從設備和人身安全考慮，系統(tǒng)設計時還應考慮到安全保護措施，我們將通過控制系統(tǒng)從以下幾個方面來對提取過程進行有效的保護：

一. 夾套壓力保護：對一般提取罐來說夾套的壓力zui大不能超過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，在夾套加裝一個壓力傳感器，當工作的壓力超過1.8bar時，系統(tǒng)優(yōu)先關小或者是關閉蒸汽控制閥，打開疏水旁路開關閥對夾套卸壓。同時報警提示操作人員檢查是否蒸汽總管壓力過高，或者是疏水閥堵塞。當外部異常情況排除，操作人員確認后，程序繼續(xù)進行；

二. 提取罐內壓力保護：在靜態(tài)，或者是動態(tài)，動態(tài)逆流提取中要求腔體內沒有壓力，在罐頂加裝一個壓力變送器和一個排空閥，當腔體的壓力大于設定的值后，打開罐頂?shù)呐趴臻y，同時系統(tǒng)提示操作人員檢查大排空是否打開，冷凝器的冷卻水是否打開，冷卻水的溫度是否偏高。當外部異常情況排除，操作人員確認后，程序繼續(xù)進行；

三. 出料泵保護：提取循環(huán)或者是出料的時候，當流量計檢測到管道內沒有液體的時候，自動關閉出料泵，防止泵空轉損壞泵；

四. 開關底蓋的密碼保護：對提取罐的底蓋操作是很重要的一個步驟，為防止誤操作造成的設備、產品、人身事故，本系統(tǒng)采取分級授權和二次密碼保護的方法對操作進行限制，首先操作人員要有相應的權限，同時在操作的時候系統(tǒng)會提示輸入操作密碼，兩級結合才能對底蓋進行操作，否則操作按鈕不會顯示；

五. 閥門，泵開關反饋保護：對閥門和泵，在相應的位置加裝位置反饋以及泵后壓力，從硬件上進行保護，只有閥門按程序設定開到位或者是關到位后才能進行下一步的操作；

六. 增加液位開關做提取罐的液位高位報警連鎖。

寧波華子制藥設備制造有限公司 

工程技術部