青霉素制藥企業(yè)發(fā)酵工序自動控制系統(tǒng)

1、青霉素制藥企業(yè)發(fā)酵工序自動控制系統(tǒng)劉慶軍（石藥集團(tuán)維牛藥業(yè)（石家莊）有限公司）摘要：木系統(tǒng)基于集控制系統(tǒng)散控制技術(shù)，以北京和利時公司dcs系統(tǒng)為核心, 利用測量單元及相關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制藥企業(yè)發(fā)酵工序自動補(bǔ)料及溫度、壓力、 空氣流量、液位、ph值、溶解氧等工藝參數(shù)的自動控制，提高車間自動化控制 程度，方便生產(chǎn)管理等方面而進(jìn)行的整體方案設(shè)計。關(guān)鍵詞：dcs系統(tǒng) 自動控制 測量單元 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1某制藥企業(yè)發(fā)酵自動控制現(xiàn)狀自上世紀(jì)九十年代初建廠以來，該制藥企業(yè)獲得了長足發(fā)展。發(fā)酵工序 工藝參數(shù)的控制也經(jīng)歷了由人工、半人工、儀表控制到plc控制。但隨著工藝的 不斷改進(jìn)和生產(chǎn)管理上高標(biāo)準(zhǔn)的要求，原來的單儀

2、表控制溫度、壓力等方法，已 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)的需求。雖然系統(tǒng)運(yùn)行基木正常，但存在以下問題：1.1維護(hù)困難：系統(tǒng)使用的專用功能板，現(xiàn)在已很難買到備件，系統(tǒng)已 運(yùn)行多年，一旦硬件發(fā)生故障，將威脅生產(chǎn)安全。1.2控制精度低：受當(dāng)時的硬件條件限制，計算機(jī)響應(yīng)速度很慢，例如 在計算機(jī)上手動關(guān)閥需要幾分鐘；對生產(chǎn)影響很大。1.3人機(jī)界面差：受當(dāng)時的軟件發(fā)展水平限制，系統(tǒng)運(yùn)行在dos環(huán)境 下，且為全西文操作界面；操作不方便。1.4擴(kuò)展性差：系統(tǒng)擴(kuò)容困難并難于進(jìn)行控制優(yōu)化。1.5儀表與控制系統(tǒng)的聯(lián)接與響應(yīng)不暢。1.6執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)誤信號越來越頻繁。因此制藥廠開始探索應(yīng)用dcs控制系統(tǒng)改造過去陳舊落后的控制手段,

3、 為整體的企業(yè)自動化水平升級。2控制對象的研究青霉素是發(fā)酵代謝過程中的產(chǎn)物，青霉素發(fā)酵是涉及青霉菌牛長、繁殖 和生產(chǎn)的復(fù)雜生產(chǎn)過程，主要有配料、消毒、種子、發(fā)酵、生化、霉菌、過濾等 工序。青霉素發(fā)酵的生產(chǎn)水平取決于生產(chǎn)菌種的特性和發(fā)酵條件；在確定了生產(chǎn) 菌種的條件下，要使青霉素發(fā)酵水平穩(wěn)定、提高，發(fā)酵工藝調(diào)控是關(guān)鍵，發(fā)酵過 程控制是發(fā)酵工藝調(diào)控方法的具體實(shí)施和體現(xiàn)。有效的調(diào)控發(fā)酵，通過對菌種的 環(huán)境條件和代謝變化規(guī)律參數(shù)進(jìn)行測量，使青霉菌代謝沿著有利于青霉菌的分泌 方向進(jìn)行，以較低的能耗和物耗生產(chǎn)較多的發(fā)酵產(chǎn)品，達(dá)到穩(wěn)定和提高發(fā)酵水平 的目標(biāo)，發(fā)酵過程控制是一個重要的影響因素。青霉素發(fā)酵過程的

4、控制主要包括物理參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、補(bǔ)料和消沫幾個 部分。其中補(bǔ)料控制是影響青霉素發(fā)酵水平的一個關(guān)鍵因素，也是整個發(fā)酵過程 控制的重點(diǎn)。青霉素發(fā)酵控制系統(tǒng)主要完成對所有相關(guān)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、控制和補(bǔ)料控 制。發(fā)酵崗位控制系統(tǒng)分為三部分：發(fā)酵罐發(fā)酵控制系統(tǒng)種子罐發(fā)酵控制系 統(tǒng)公用工程控制系統(tǒng)。工藝參數(shù)的控制精度的要求：溫度控制精度：設(shè)定值±0.5°cph控制精度：設(shè)定值±0.05ph補(bǔ)料控制精度：±2.0%滿量程 空氣流量控制精度：±2.5%罐壓控制精度：設(shè)定值±0.005mpa3發(fā)酵

5、控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)工藝簡介：某制藥企業(yè)發(fā)酵車間共有發(fā)酵罐22個，每個發(fā)酵犬罐需有 溫度控制、液位控制、空氣流量控制及循環(huán)水流量顯示、溶解氧顯示等以及自動 補(bǔ)料控制（物料種類共五種）、ph控制和消沫控制；種子罐10個，每個種子罐 設(shè)有溫度控制和循環(huán)水流量顯示。系統(tǒng)配置：系統(tǒng)采用北京和利時系統(tǒng)工程有限公司集散控制系統(tǒng)中的 macs系統(tǒng)。配置一個現(xiàn)場控制站、二個操作員站和一個工程師站。系統(tǒng)采用單 路ups供電。現(xiàn)場信號采集、補(bǔ)料執(zhí)行及信號反饋部分主要采用梅特勒公司、 北京潞航機(jī)械廠等單位的相關(guān)產(chǎn)品。dcs系統(tǒng)的顯示畫面主要有：種子罐工藝流程圖畫面發(fā)酵罐工藝流 程圖畫面種子罐溫控調(diào)整畫面系統(tǒng)狀態(tài)圖畫面操作

6、主菜單畫面系統(tǒng)參 數(shù)總貌畫面發(fā)酵罐參數(shù)趨勢畫面發(fā)酵罐補(bǔ)料參數(shù)趨勢畫面種了罐參數(shù)趨 勢畫面系統(tǒng)參數(shù)趨勢畫面 公用工程參數(shù)趨勢畫面。4 macs系統(tǒng)的主要特點(diǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，性能價格比高。系統(tǒng)的開放性、可擴(kuò)展性好?？刂浦芷诙蹋ＷC補(bǔ)料控制準(zhǔn)確?？刂茥l件考慮全面，避免誤動作的發(fā)生。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性高?？赡艿墓收宵c(diǎn)減少?？煽康慕拥乇Ｗo(hù)。系統(tǒng)釆用雙重接 地。冋路控制周期縮短。系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)采用不間斷電源做為保障、不 同級別的使用者設(shè)置不同的操作權(quán)限、系統(tǒng)同時具有自動和手動補(bǔ)料功能。5 macs系統(tǒng)主要設(shè)備配置及功能5.1集散控制系統(tǒng)(dcs) 一套，包括：dcs控制站，dcs操作站及系統(tǒng) 控制軟件及u

7、ps電源一部。控制站按照組態(tài)的控制方案進(jìn)行運(yùn)算處理，發(fā)出控制數(shù)據(jù)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 控制站還可以接收操作站發(fā)出的操作指令，轉(zhuǎn)化為控制數(shù)據(jù)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。集 散控制軟件包括：組態(tài)軟件、流程圖設(shè)計軟件、實(shí)時監(jiān)控軟件和/用戶自定義語 言。系統(tǒng)要求在windows95/98/xp下運(yùn)行。操作站實(shí)現(xiàn)實(shí)時通訊，完成系統(tǒng)組態(tài)、控制組態(tài)、控制方案及操作信息 的下載，同吋接受控制站傳冋的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)吋顯示，并進(jìn)行記錄形成歷史數(shù) 據(jù)，以供查詢。5.2輸入、輸出部分，是指本系統(tǒng)的現(xiàn)場測量及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸入部分主 要完成對現(xiàn)場信號的采樣和轉(zhuǎn)換，形成標(biāo)準(zhǔn)信號送控制站進(jìn)行分析處理。輸出執(zhí) 行機(jī)構(gòu)用于接收由控制站發(fā)出的操作數(shù)據(jù)，

8、執(zhí)行現(xiàn)場操作，反饋執(zhí)行信號，完成 自動控制過程。6主要參數(shù)的控制原理及過程6.1溫度控制測量單元采用一體化溫度變送器，把溫度信號就地變換 成電流信號后遠(yuǎn)傳給控制室。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動調(diào)節(jié)閥，為充分節(jié)能降耗，調(diào)節(jié) 閥安裝在各自對應(yīng)的冷卻水管路上。6.2 ph值的控制 發(fā)酵過程中酸堿度的檢測采用梅特勒公司ph值傳感 器，這種傳感器能夠經(jīng)受發(fā)酵罐的高溫滅菌，并可準(zhǔn)確連續(xù)不斷地測量發(fā)酵罐內(nèi) 酸堿度的變化。當(dāng)測得的ph值低于設(shè)定值時，控制系統(tǒng)給岀補(bǔ)料信號，補(bǔ)料筒 開始補(bǔ)入氨水，直至ph值升冋設(shè)定值。6.3罐壓控制 發(fā)酵罐內(nèi)需保持一定的正壓，其主要目的是為了防止外 界空氣進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)，造成污染；另一個目的是

9、為了增加氧分壓，增加氧的溶解 度。采用壓力變送器將發(fā)酵罐的罐壓轉(zhuǎn)化為電流信號接入控制系統(tǒng)。6.4各種物料的自動補(bǔ)料 糖、硫鞍、苯乙酸在控制方式上基本相同， 只是根據(jù)物料加入的不同，采用不同的加料筒和設(shè)定不同的加料頻率，控制系統(tǒng) 給出的加料信號給電磁閥打開氣動開關(guān)閥，進(jìn)而補(bǔ)料，一次補(bǔ)料完成，現(xiàn)場反饋 一個開關(guān)量的信號給控制系統(tǒng)以對本次補(bǔ)料過程加以確認(rèn)。油的補(bǔ)料過程略復(fù)雜一些。由于油的導(dǎo)電性比較差，所以要采用專門設(shè) 計的油浮子作為信號反饋器，其他過程同上述補(bǔ)糖過程相似。7系統(tǒng)運(yùn)行保障設(shè)置為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對于整個系統(tǒng)可能會出現(xiàn)的一些故障需要提前 考慮處理方案的，下面略舉幾例加以說明。7.1正常

10、情況下，當(dāng)系統(tǒng)給出加料信號，補(bǔ)補(bǔ)器會打開加料閥，10秒鐘 內(nèi)物料會觸及計量電極，一個翻轉(zhuǎn)信號會反饋給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)計時器計時到15 秒鐘時，系統(tǒng)仍未收到此反饋信號，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，提示操作者應(yīng)檢查該 物料的上料閥是否打開，或上下料閥同時處于打開狀態(tài)。7.2當(dāng)系統(tǒng)在接到計量翻轉(zhuǎn)信號后，關(guān)閉上料閥，并打開下料閥，物料 補(bǔ)入發(fā)酵罐，一般情況下，反饋信號會現(xiàn)次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，表示物料已正常補(bǔ)入大罐， 如果此時超過6秒鐘，系統(tǒng)未收到此信號，同樣會發(fā)出報警，操作者應(yīng)檢查下料 閥是否仍處于關(guān)閉狀態(tài)，或同吋上料閥還處于打開狀態(tài)，物料仍在不斷地補(bǔ)入中。 以上兩種情況，我們在微機(jī)的最前畫面設(shè)有報警提示條，同吋系統(tǒng)輸出信號，接 入聲光報警，不論白天還是夜間，操作者都會很直接地看到。以便及吋進(jìn)行處理。7.3在補(bǔ)料貯罐中的物料較多吋，其壓力也較大，那么，當(dāng)系統(tǒng)打開補(bǔ) 料上料閥時，有吋會有物料沖頂現(xiàn)象，即計量筒中的物料未達(dá)到：ll、2l或4l計 量量時，但反饋信號已產(chǎn)生并傳至dcs系統(tǒng)。故我們采取措施，在計量筒的下端， 進(jìn)料口的上方2厘米處加一園形不銹鋼片（其大小要比進(jìn)料管略粗），使物料從 園片四周上升去接觸計量電極，防止了誤信號的