分程控制系统在制药厂的应用探析

摘要 本文通过对原设计生产工艺系统进行分析，按照分程式控制技术的特点对该工艺系统中存在的缺点提出相应技术改造措施，参照自控技术器件的基本要求对所需元器件作出相应的选择，对该制药厂生产工艺系统进行了的自动控制技术改造，有效解决了原生产工艺中存在的缺点，提高了产品的品质和生产效率。

关键词 工艺流程；分程式；控制系统；应用

中图分类号R9 文献标识码A文章编号 1674-6708（2014）112-0178-02

0 引言

随着科技的发展，分程式自动控制技术在医药生产行业得到了广泛应用，有效提高了产品的质量和数量，消除了由人工操作而导致产品品质的不稳定状态，缩短了生产过程中的间歇时间，使得生产工艺控制系统更加先进、合理，创造了良好的社会效益和经济效益。

1 原设计工艺流程示意图及简介

1.1 原设计工艺流程示意图 见下图1

图1原设计工艺流程示意图

注：CWR/CWS-循环冷却水上水/回水；LS-蒸汽；PA-压缩空气；VG-放空；VA-真空；N-氮气；LI-液位计；PVI-压力计；PI-压力计；TI-温度计

1.2 工艺流程简介

该制药厂在正常生产时，首先启动与真空（VA）管线连接的真空泵，通过真空管线将同其连接的反应釜、储存罐及主介质工艺管线等抽真空，当内部真空度达到-0.07Pa且稳定时，手动打开液体物料加入管线阀门，将物料介质倒吸进入反应釜或储罐内，之后恢复至常压。再按照一定的比例将其它物料加入反应釜内，启动搅拌器进行搅拌，使其进行物理或化学反应。依据不同阶段反应所需条件，需要加热时打开蒸汽（LS）管线阀门开始对反应釜夹套加热到一定的温度，到中后期需降温时关闭蒸汽阀门同时打开冷却水（CWR/CWS）管线阀门，使用冷却水从夹套内进行降温，最后至常温装桶。

2 工艺存在的缺点

目前，该制药厂共新建有60条生产工艺相同的生产线，平均分布于4个各车间，存在有规模化生产时所需操作人员较多、生产工效低、工艺操作的劳动强度大；生产时仅依靠观测到反应釜上压力表及温度计显示的数据作为依据，完全凭经验进行操作；温度的调节主要依靠手动操作蒸汽管线和冷却水管线上阀门的开启量大小来进行控制，无法实现精确控制；每个批次产品之间品质的稳定性差别较大等缺点。

3 工艺系统参数分析及解决措施

3.1 工艺系统参数分析

通过上图1工艺流程简介可知，在该工艺系统运行时，与生产过程及产品品质有关的工艺参数为温度、压力、液位及加入的工艺介质的质量等。通过大量的试验分析，除原材料的品质质量外，反应过程中温度高低也是一个与产品品质有关的主要参数，故此我们将该系统的温度控制作为主要因素予以控制。

通过对原设计工艺流程的分析，其工艺特性符合间歇式反应器的分程控制系统特征，因此可将原设计的手动控制工艺控制系统改造为分程式自动控制的方式，即可使原工艺流程更加简洁、明快、节约人力资源，又能够使工艺产品的性能和生产周期及质量更加合理和稳定，亦可解决原工艺存在的上述其它缺点。

3.2 解决措施

3.2.1分程式控制系统主控目标

在分程式控制系统中，其控制方式主要是将一个控制器输出的信号分成若干个信号范围分段，由各个信号段去控制相应的控制阀，从而实现一个控制器对多个控制阀进行控制。该种控制方式能够有效提高了工艺生产过程中过程控制的实际控制能力。因此在本工艺系统中，我们将蒸汽管线上的阀门A和冷却水管线上的阀门B作为分程控制系统控制器输出的主控目标，在工艺生产过程中予以调节控制（其控制方图如下图2）。

图2分程控制系统方图

3.2.2控制系统被控变量确定

从上述工艺系统分析所知，反应釜内部温度变化相对于压力、液位、介质质量等参变量的变化对产品品质有着很大的影响，因此我们将温度作为本工艺系统的被控变量，按照分程控制方图的要求对其进行前置反馈，将实验所得最佳工艺温度作为设定温度，两者通过相互比较后作为控制器的输入，从而实现整个工艺系统的分程控制方式。

在本反应釜中，存在有夹套内温度和反应釜内部温度的两种温度，两者之间的热量主要通过金属隔层进行导热，因此两者之间的温度基本上为线性关系（见下图3），故我们将反应釜内的温度作为被控变量，通过相应的控制方式使其与蒸汽的输入量和冷却水流入量之间形成一定的关系，并通过控制器的输出来调节蒸汽管线和冷却水管道的阀门，以其满足工艺运行的要求。

图3 夹套温度与内部温度线性图

图4控制阀A、B工作状态图

3.3控制系统器件的选择

3.3.1测温器件的选择

在工艺系统正常生产运时，车间内所有反应釜内部的温度均在0℃~120℃的范围之间。一方面，反应釜内部温度作为主要的控制要素，是工艺系统正常生产过程中需实时了解和监控的主要工艺数据；另一方面，温度数值是控制器输入主要参变量，同时在超温预警方面还应具备相应的功能，因此对于测温元器件而言应具有很高的灵敏度和精度。

在实际温度测量方面，对于测量低于150℃的温度常使用热电阻进行测量，因此我们选择在工业上应用广泛、精度高、性能稳定且被国际权度委员会规定为-259.34℃~+630.74℃间的基准器的铂电阻为测温材料的仪表。最终我们依据实际生产工艺所要求的测温范围、允许误差、工艺对温度的敏感性、测量精度及工艺介质的危险性，综合选定测量温度范围为0℃~200℃、防爆式PT100一体化且同时具备就地显示和远传的测温仪表。

3.3.2控制阀的选择

在分程控制系统实际控制中，两个控制阀A和B是同时依靠将同一控制器输出的信号按照一定的比例均分成两个不同的输出信号段作为两阀的工作动力源，因此可将控制器的输出信号为0%~50%的范围以内确定为阀A，将控制器的输出信号为50%~100%的范围以内确定为阀B的两个动作信号范围相同的部分。

在该工艺系统在正常生产中，蒸汽管线的控制阀门A和冷却循环水管线上的控制阀门B的工作始终处于一种相同运行行程均而异向动作状态之中，即在两阀的运行行程相等的情况下，随着控制器输出信号的增大或减小，控制阀A和B中将有一个阀门将逐渐开大，另外一个将逐渐减小（两阀工作状态见图4）。虽然被控介质为蒸汽和冷却水，但在实际生产环境中存在大量危险的介质，从工艺安全角度考虑，选择相同行程的气动薄膜调节阀作为控制阀门（阀门的其它参数按照要求计算）。在实际控制中借助调节阀定位器对信号的转换功能，将两个控制阀的不同信号段工作方式调整为0%～100%，使其在工艺过程中走完整个行程（如下图5所示）。

图5控制阀异向动作图

3.3.3 控制器的选择

随着工业自动控制技术的发展，PLC、DCS等控制技术在工业生产之中被广泛应用，对该药厂而言，其工艺生产控制方式上基本相同，且具有一定规模化生产能力，对于每一条独立的生产系统所需控制点位数和测量的参数基本相同，因此我们选择主要包含CPU模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块及电源模块的SP-300系列控制器，以满足实际控制需要。

3.4控制系统的安装、调试及投料试产

由专业施工人员按照修改后且经认可的设计图纸和自动化仪表、工业管道及电气等专业施工及质量验收规范和说明书对阀门、温度变送器、PLC控制系统进行单体校验、安装及系统调试，合格后按工艺系统的要求的投料顺序进行试产。

4 结论

通过本次对原工艺控制系统技术改造，投料试产后产品的品质提高了2个百分点，产量的稳定性比原来提高了3个百分点，生产成本比原工艺降了2个百分点，操作人员的劳动强度比原来减少了30%，整个工艺系统的运行稳定良好。

参考文献

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