中藥提取過程控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

圖3 PROFIBUS底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)備控制層

　　在設(shè)備控制層中采用西門子的PROFIBUS-DP把各種電磁閥、離心泵、電機(jī)、溫度傳感器、壓力傳感器以及ET200分站等功能單元聯(lián)結(jié)成一個整體。溫度傳感器選用Pt1O0鉑電阻溫度傳感器，輸出4―20mA電流信號，它抗干擾能力強(qiáng)，易于信號遠(yuǎn)傳。壓力傳感器選用隔離式傳感器組件和集成電路組件技術(shù)生產(chǎn)的耐蒸汽高溫的壓力傳感器，具有線性好、溫漂小、時間穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

　　該層所涉及到的現(xiàn)場設(shè)備有：水提取罐、醇提取罐、儲液罐、回收溶媒罐、濃縮罐、精餾塔、過濾器、冷凝器、加熱器等?？刂粕鲜鲈O(shè)備的下位執(zhí)行機(jī)構(gòu)有控制開關(guān)閥、PID調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、液位計、溫度變送器、壓力變送器、自吸泵，出液泵以及熱油泵等。底層PLC硬件配置：西門子公司的S7-300系列PLC，CPU的型號采用CPU315-2DP，ET200M模塊6ES7 l53―2AA02―0XB0，電源模塊6ES7 307-1KA00-0AA0，32點24V數(shù)字量輸入模塊6ES7 321―1BL00―0AA0，16點繼電器輸出模塊6ES7 322―1HH00―0AA0，8路模擬量輸入模塊6ES7 331―7KF01―0AB0，8路熱電阻輸入模塊6ES7 331-7PF00-0AB0，4路PID模塊6ES7 355―0VH10―0AE0等。

　　在該系統(tǒng)中采用電爐進(jìn)行加熱，由于電爐的升溫和保溫是靠電阻絲加熱，降溫則是依靠自然環(huán)境冷卻，當(dāng)溫度一旦出現(xiàn)超調(diào)就無法使用控制手段使其降溫，具有升溫單向性、非線性、不均勻增益和大滯后等特性，數(shù)學(xué)模型難以建立。由于系統(tǒng)具有大滯后和升溫單向性特性，用常規(guī)PID控制方法，很容易造成積分飽和，因此難以得到滿意的控制效果。為此，先用階躍響應(yīng)曲線法建立加熱爐的初步數(shù)學(xué)模型，獲得其大致的放大系數(shù)K，時間常數(shù)T和滯后時間r;然后用Ziegler―Nichols法整定PID參數(shù)，采用分段變系數(shù)增量式PID控制策略，實現(xiàn)對加熱爐的控制。具體方法如圖4所示，在開始至A點之前，可以給最大的控制量，使系統(tǒng)快速升溫;AB兩點之間采用PD控制;在臨界穩(wěn)態(tài)區(qū)，為了消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，需要加入積分作用，采用PID控制;當(dāng)超調(diào)大于5%時，輸出為0停止加熱。在本系統(tǒng)中采用西門子公司的S7-300系列的功能模塊FM-355-2C實現(xiàn)PID控制。

圖4 階躍響應(yīng)曲線示意圖

　　3.2 監(jiān)控層

　　監(jiān)控層上位機(jī)部分:服務(wù)器采用Windows 2000 Server操作系統(tǒng)，監(jiān)控軟件采用西門子SIMATIC WINCC6.0 SP1。WINCC（Windows Control Center）組態(tài)軟件是西門子公司與微軟公司共同開發(fā)的，它承擔(dān)了數(shù)據(jù)管理和采集、報警、歷史趨勢、數(shù)據(jù)記錄及報表等工作。[3-5]其多級權(quán)限管理，電子記錄等符合FDA 21 CFR PART 11的要求。提取部分的畫面包括：提取工藝的靜態(tài)流程圖、動態(tài)流程圖、控制儀表回路、加熱部分、冷卻部分、循環(huán)控制部分、事件報警、參數(shù)設(shè)定、報表打印、實時曲線和歷史曲線顯示、用戶管理、OPC服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和幫助部分等。WINCC可以通過0DBC技術(shù)調(diào)用MicroSoft SQL Server建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫具有查詢、刪除、修改、備份、導(dǎo)入、導(dǎo)出等強(qiáng)大的功能支持。WINCC還可以通過DDE技術(shù)調(diào)用Excel建立數(shù)據(jù)報表。

　　監(jiān)控層下位機(jī)部分: 下位機(jī)編程軟件采用西門子公司的STEP 7軟件，通過功能塊FC編程實現(xiàn)分設(shè)備、分工藝的模塊化，使各段控制程序相對獨立且流程清晰。數(shù)據(jù)塊DB的有序分類，使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更合理、數(shù)據(jù)讀寫更安全。整套系統(tǒng)設(shè)置了自動和手動兩套運(yùn)行方案，在程序設(shè)計中將系統(tǒng)動作劃分成多個動作段，使得系統(tǒng)在運(yùn)行過程中隨時可以“暫?！毕聛恚S持在當(dāng)前狀態(tài);還能再通過“繼續(xù)”功能使系統(tǒng)在先前狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行下去。從而使得系統(tǒng)可以隨時應(yīng)對在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的一些突發(fā)事件，減少由于意外情況造成的程序運(yùn)行中斷，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。[6，7]

　　5 結(jié)論

　　本文介紹的中藥提取監(jiān)控系統(tǒng)，利用PROFIBUS技術(shù)構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò),對每個關(guān)鍵工序進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、控制，實施整個過程的跟蹤。系統(tǒng)既能進(jìn)行單元操作，又能找出最佳工況條件,該系統(tǒng)已經(jīng)成為中心的科研人員從事天然藥物生產(chǎn)工藝研究、中試開發(fā)的有效手段并在實際應(yīng)用中取得良好的效果。

　　本文作者創(chuàng)新點:將PROFIBUS技術(shù)引入“中藥設(shè)備研發(fā)中心”的實驗室項目建設(shè)中，利用其構(gòu)建中藥提取過程控制系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò),使得實驗室的科研人員可以更方便高效的從事中藥生產(chǎn)工藝的研究和中試的開發(fā)。