基金會現(xiàn)場總線FF技術在二級種子罐控制系統(tǒng)中的應用

一．概述

　　東北制藥總廠生產(chǎn)的 Vc 一直是我國重要的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品，產(chǎn)品銷往美、歐。多年來為國家創(chuàng)造了巨額外匯，為遼寧的經(jīng)濟騰飛做出了貢獻，但 96 年起，市場發(fā)生了突然變化， 以羅氏為首的西方大公司聯(lián)手控制市場，大幅降低銷價，降幅近 70% 。我國維生素 C 產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴重受阻，企業(yè)的生存受到威脅。為擺脫困境，重振企業(yè)， 東北制藥總廠采用 Vc 二步發(fā)酵轉化技術對生產(chǎn)工藝加以改進， 使 VC 的 總收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ， 產(chǎn)量增至 11500 噸， 有力地提高了產(chǎn)品在國際市場的競爭力 。該新工藝保留了原工藝的主要特色，但在發(fā)酵過程中需依介質的氫離子濃度和溶氧量調節(jié)菌種的生理狀態(tài)、數(shù)量及比例。操作難度加大，對工作人員的自身素質和責任心要求很高。為充分發(fā)揮該新工藝的效率，在生產(chǎn)中急需采用先進的控制策略和控制技術，來保證新的工藝過程能平穩(wěn)高效地運行。為此，我們采用現(xiàn)場總線技術對二級種子罐的控制系統(tǒng)進行試點改造，實現(xiàn)溫度、壓力、流量和 PH 值等參數(shù)的自動檢測和優(yōu)化控制，該系統(tǒng)改造成功后，可推廣應用到其它的種子罐和發(fā)酵罐，從而提高整個 VC 生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。 　　
　　對系統(tǒng)進行選型設計時，鑒于本項目需要對溫度、壓力、流量和 PH 值等參數(shù)進行精確的自動檢測和優(yōu)化控制，有一定的復雜性，常規(guī)的儀表難以勝任，而采用基于工業(yè) PC 的 PC-Based 系統(tǒng)，其安全可靠性難以保障， DCS 系統(tǒng)卻因其價格昂貴， 不利于應用在中小型系統(tǒng)上，PLC 系統(tǒng) 具有結構緊湊、功能齊全、速度快、可靠性高等 優(yōu)點，但其每一個檢測或控制點都需要一對信號線接入相應 PLC 控制模塊，系統(tǒng)布線較多，安裝及維護成本較高，而選擇 基金會現(xiàn)場總線 （Foundation Fieldbus，簡稱 FF ） 系統(tǒng)，則能較好的解決上述問題。

　　FF 現(xiàn)場總線是儀表及過程控制領域向數(shù)字化通訊的轉變， 與其他的通訊協(xié)議不同之處在于： FF 現(xiàn)場總線旨在提供整個過程控制領域的應用解決方案，而不僅僅是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化，是一種全數(shù)字化、串行、雙向的通訊系統(tǒng)，將各種現(xiàn)場設備（傳感器、執(zhí)行器、控制器等）連接在一起， 通過使用 “ 功能塊（ Function Block ） ” 實現(xiàn)控制策略。


　　功能塊的這種一致的、面向“塊”的設計使得來自不同生產(chǎn)廠商的設備可以無縫的集成在一起，共同完成分布式控制功能，控制功能的分布（分布到現(xiàn)場設備中）可以減少 I/O 設備、控制設備的數(shù)量（例如，卡件、機柜、電源等）。FF 現(xiàn)場總線允許在一條雙絞線上連接若干設備， 這條 雙絞 線就是現(xiàn)場總線。這種連接方式減少了連線的數(shù)量， 使得使用的線纜、安全柵、安裝盒數(shù)量大大減少， 易于安裝和維護，使施工費用、電纜費用、調試和維修成本節(jié)省 40% 之多 。 FF 現(xiàn)場總線技術增加了數(shù)據(jù)的分辨率，減少失真（沒有 A/D 或 D/A 轉換），這樣就使控制更加可靠。帶微處理器的 FF 現(xiàn)場總線設備所提供的自測試功能和通信功能大大減少了現(xiàn)場停車時間，增加生產(chǎn)現(xiàn)場的安全性，一旦監(jiān)測到異常情況，或者需要進行于預防性維護，現(xiàn)場操作元及管理人員就可以被及時通知。所有這些 FF 現(xiàn)場總線所帶來的好處歸結起來，為我們提供了一種更高性能、更少損失的控制系統(tǒng)。反應容器自動控制 系統(tǒng) 選型時，F(xiàn)F現(xiàn)場總線 作為高檔系統(tǒng)配置，不失為一種優(yōu)秀的解決方案。

　　DCS/PLC于FCS系統(tǒng)的結構比較：

　　DCS是基于模擬儀表的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制站與儀表間通過一對一的方式，實現(xiàn)單向的模擬信號傳輸， 易造成大量的導線消耗和繁重的維護量。

　　FCS是基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)。它 將控制任務下放至本地儀表，危險徹底分散，加強系統(tǒng)的自主能力；儀表與控制系統(tǒng)間通過總線，采用一對多的方式，實現(xiàn)雙向的、全數(shù)字信號通訊。 FCS 具有對量程和零點進行遠程設定和超強的自診斷能力。

二．工藝過程

　　東藥萬噸 VC 生產(chǎn)過程采用了二步發(fā)酵新工藝，在發(fā)酵過程中需依介質的氫離子濃度和溶氧量調節(jié)菌種的生理狀態(tài)、數(shù)量及比例。經(jīng)實驗測量， Vc 二步混菌發(fā)酵中氧化葡萄糖酸桿菌和巨大芽孢桿菌的相互作用及其變化特性與二混菌發(fā)酵不同階段的環(huán)境狀態(tài)有關，菌種在溫度范圍為 29-30 度、壓縮空氣流量范圍為 175-185 每小時立方米、　壓力范圍是 0.02-0.05Mpa 條件下最為活躍，故通過對二級種子罐罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的調節(jié)，為菌種提供適宜的生化反應環(huán)境，提高反應效率，減低物耗與能耗，降低生產(chǎn)成本。

　　我們在選用的二級種子罐上，采用現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)監(jiān)測和對三個控制回路的控制，實現(xiàn)罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的自動控制以及 PH 值的自動連續(xù)檢測，在此基礎之上，實現(xiàn)種子罐的生化反應過程的最優(yōu)控制，同時結合我們開發(fā)的 FF 全分布式控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)二級種子罐的計算機自動監(jiān)控，為整個 VC 車間的自動控制系統(tǒng)提供解決方案。