中藥提取過程控制系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

中藥生產(chǎn)的一個關(guān)鍵過程是中藥有效成分的提取，要既確保提取藥物成分的質(zhì)量，又要提高提取過程的效率和經(jīng)濟(jì)性，針對不同的中藥材，選擇和確保合適的提取工藝條件，嚴(yán)格和自動地按照正確的提取工藝程序進(jìn)行中藥的提取，是中藥生產(chǎn)和工藝研究的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。我校與天津大明制藥設(shè)備廠合作建立“中藥設(shè)備研發(fā)中心”，在項目建設(shè)中，根據(jù)工藝的實際需求，本著先進(jìn)性、可靠性、實用性的原則，完成了天然藥物中試生產(chǎn)過程各單元的計算機(jī)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，成功地實現(xiàn)了天然藥物中試生產(chǎn)過程各重要工藝參數(shù)的計算機(jī)自動檢測和控制，其中提取單元實現(xiàn)了多種提取方式的全過程計算機(jī)控制，從而為科研人員今后對天然藥物提取工藝和提取設(shè)備的研究提供了可靠和有效的手段。

2 提取過程的主要工藝流程和自控要求

2.1 提取工序控制

（1）加料控制

藥材投入提取罐內(nèi)，加入藥材的5-l0倍的溶劑。用液位控制法控制溶劑加入量，流程圖如圖1所示。

圖1 液位控制流程圖

（2）動態(tài)提取

動態(tài)提取是中藥提取工序的核心，要求控制罐內(nèi)藥液溫度、保持罐內(nèi)壓力為常壓，并管理藥液循環(huán)通道內(nèi)電磁閥門和手動閥門的開、關(guān)及藥液循環(huán)泵和熱油泵的啟動和停止。提取罐控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示 .

圖2 提取罐控制結(jié)構(gòu)圖

中藥提取過程通常采用的溶劑（溶媒）有水或乙醇等。提取溶劑不同，對控制需求也不一樣。用水作溶劑時，放空閥要在提取過程中始終處于開啟狀態(tài)，即罐內(nèi)壓力為常值，只需要在發(fā)生意外（如排氣通道堵塞）時，報警即可。醇類作溶劑時，放空閥要始終處于關(guān)閉狀態(tài)，欲維持罐壓為常值，其調(diào)節(jié)情況與水作溶劑時不同。

2.2 測控參數(shù)

檢測參數(shù)：提取罐內(nèi)的溫度、提取罐內(nèi)的壓力、提取罐內(nèi)的液位、冷卻器的冷卻水進(jìn)口溫度和出口溫度，熱油泵的出油口溫度和進(jìn)油口溫度等?？刂茀?shù)：提取罐溫度、提取罐壓力、進(jìn)料控制、出料控制、循環(huán)泵、熱油泵，自吸泵和出液泵的啟動和停止控制等。

2. 3 自控要求

根據(jù)本項目的中試工藝不確定性的特點，提取部分的自控設(shè)計要求是在有限和固定的設(shè)備、管線的條件下，方便而靈活地實現(xiàn)不同提取模式的全過程自動控制，即要求既可以“水提取”，也可以“醇提取”;既可以“單罐提取” ，也可以“雙罐提取”;既可以是“循環(huán)提取”，也可以“非循環(huán)提取”。提取罐加液補液、提取罐升溫和恒溫、藥物浸取、循環(huán)提取、提取液出料、直至提取結(jié)束或再次提取的全過程都是可靠、自動地完成。

提取部分的自動控制回路主要包括了提取罐溫度自動控制;提取罐定量和加液自動控制;提取罐出料自動控制;提取罐、提取液儲液罐的溫度自動檢測;提取液儲液罐的液位自動檢測。一批藥材的提取次數(shù)、提取溫度和循環(huán)時間是由工藝確定的。本方案采用熱油對具有夾套的提取罐加熱，煎煮罐中的藥材，同時用循環(huán)泵循環(huán)藥液。

3 系統(tǒng)特點

在系統(tǒng)的總體設(shè)計、選型上保持與國內(nèi)外系統(tǒng)同步,從而保證所采用的計算機(jī)測控系統(tǒng)在技術(shù)上的先進(jìn)性并且與國際接軌。在考慮國內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)如:霍尼韋爾控制系統(tǒng)、橫河μXLDCS和SIEMES控制系統(tǒng)等后,決定選擇SIEMENS控制系統(tǒng).從而確保了系統(tǒng)的成熟性。選擇西門子的系統(tǒng)另外一個原因是這種系統(tǒng)易于維護(hù),易于擴(kuò)展。對中藥生產(chǎn)過程中，常常發(fā)生 “泡沫引發(fā)逃液”的現(xiàn)象。采用CTN—XM系列雙液位全自動消除泡沫控制裝置，其中依據(jù)電阻響應(yīng)原理的泡沫探測電極具有極強(qiáng)的抗污染能力，因嚴(yán)重的污染而出現(xiàn)結(jié)垢的情況下，仍然能檢測出液面位置，從而達(dá)到可靠有效地消除泡沫，達(dá)到控制“逃液”的目的。

4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與配置

本文采用PROFIBUS-DP構(gòu)建中藥提取過程監(jiān)控系統(tǒng)的底層網(wǎng)絡(luò)。新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉的、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有幾十種。每種總線標(biāo)準(zhǔn)都有自身的特點，并在特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示自身的優(yōu)勢。過程現(xiàn)場總線PROFIBUS作為一種國際化、開放式、不依賴設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，作為全集成過程和工廠自動化的現(xiàn)場總線解決方案，已被廣泛應(yīng)用于過程控制和流程工業(yè)。PROFIBUS采用OSI模型的物理層,數(shù)據(jù)鏈路層。當(dāng)傳輸速率為9.6Kbps～12Mbps時，其傳輸距離可以達(dá)到100m。當(dāng)傳輸速率為1.5Mbps時，其傳輸距離可以達(dá)到為400m。PROFIBUS的傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。其最多可以掛接127個子站點。PROFIBUS采用功能模塊化設(shè)計，不同的應(yīng)用系統(tǒng)使用不同的模塊進(jìn)行設(shè)計。底層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在本級中系統(tǒng)被分為兩個層次即設(shè)備控制層和監(jiān)控層。

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。控制上述設(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)在運行過程中隨時可以“暫停”下來，維持在當(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)運行下去。從而使得系統(tǒng)可以隨時應(yīng)對在運行過程中可能出現(xiàn)的一些突發(fā)事件，減少由于意外情況造成的程序運行中斷，提高系統(tǒng)運行的安全可靠性。

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。