中藥提取PLC自控系統(tǒng)的研究

文/ 孫曉平 羅鵬遠(yuǎn)

中藥提取PLC自控系統(tǒng)的研究

文/ 孫曉平 羅鵬遠(yuǎn)

本文完全分析了傳統(tǒng)中藥提取工藝的功能性需求——如采用了基于以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的三級(jí)控制模式對(duì)傳統(tǒng)中藥提取進(jìn)行自動(dòng)化改造及智能化制造的研究，控制系統(tǒng)采用西門子中大型PLC S7-1500作為主站及靈活緊湊型PLC S7-1200作為從站，采用分散式控制；有效的降低人工成本、降低原材料損耗、降低/避免運(yùn)行故障、降低能源損耗；更加有效的調(diào)高勞動(dòng)生產(chǎn)力、配方準(zhǔn)確率等。本文詳細(xì)通過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了分解及說(shuō)明。

隨著中藥信息化的發(fā)展，對(duì)于中藥生產(chǎn)的自動(dòng)化程度要求也逐步提高。中藥生產(chǎn)一般采用批量生產(chǎn)方式，主要生產(chǎn)工藝一般包含中藥提取、濃縮、沉淀、分離、純化、吸附、洗脫、精餾等工藝段。其中中藥提取是中藥生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其自動(dòng)化程度直接影響到中藥產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。建立中藥提取自控系統(tǒng)可以從源頭上解決中藥產(chǎn)品工藝和成分的穩(wěn)定性及可靠性問(wèn)題，更好的與國(guó)家GMP規(guī)范相融合，有利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量。目前各企業(yè)中藥提取大多是靠人工操作的間歇式的提取方式，這種方法相對(duì)原始，隨意性大，物料提取精度低，能耗成本高等劣勢(shì)較為明顯。

本系統(tǒng)采用基于以太網(wǎng)通信的三級(jí)環(huán)網(wǎng)式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)中藥提取工藝進(jìn)行自動(dòng)化控制改造，取得了良好的效果。在實(shí)現(xiàn)提取系統(tǒng)的一鍵啟動(dòng)的自動(dòng)化生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)上，利用中瑞遠(yuǎn)博自主開發(fā)的實(shí)用新型“遠(yuǎn)程監(jiān)控”專利，更可以把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及運(yùn)行視頻通過(guò)光纖或無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行輸送到集團(tuán)公司。

系統(tǒng)概述

中藥提取生產(chǎn)系統(tǒng)一般由多套生產(chǎn)提取設(shè)備組成。本系統(tǒng)對(duì)于中藥提取的自動(dòng)化控制采用三級(jí)環(huán)網(wǎng)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)以太網(wǎng)TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)數(shù)據(jù)

本文作者供職于深圳市中瑞遠(yuǎn)博軟件信息有限公司。傳輸及指令發(fā)送。

表1 系統(tǒng)硬件配置

中瑞遠(yuǎn)博控制系統(tǒng)主要分為三層，第一層是現(xiàn)場(chǎng)分散控制層（PLC分站），第二層是集中控制層（控制主站），第三層中央控制室。系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

中央集控室設(shè)置有大屏幕投影、操作員工作站及工程師站。該層主要用于顯示現(xiàn)場(chǎng)工作過(guò)程的數(shù)據(jù)跟蹤、顯示、及故障判斷等，可以為工程師及操作員分配不同的用戶操作等級(jí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程安全操作生產(chǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)控制層包含控制主站與控制從站。為每個(gè)控制站配備一個(gè)觸摸屏，用以輔助現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員判定設(shè)備運(yùn)行狀況，得到報(bào)警提示，實(shí)現(xiàn)安全操作生產(chǎn)。控制主站主要完成整個(gè)提取工藝的生產(chǎn)在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集及生產(chǎn)控制命令的下發(fā)?？刂茝恼緞t負(fù)責(zé)各自設(shè)備的生產(chǎn)操作及數(shù)據(jù)采集。

生產(chǎn)控制設(shè)備層：主要指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行單元（電機(jī)、閥門等）及傳感器、控制電路等。

提取系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本中藥提取系統(tǒng)過(guò)程主要包括三套標(biāo)準(zhǔn)提取過(guò)程與兩套雙效濃縮過(guò)程。通過(guò)溶媒（水或者醇）提取中藥的有效成分的過(guò)程為提取過(guò)程，而濃縮過(guò)程是對(duì)提取后所得的提取液進(jìn)行進(jìn)一步濃縮處理的過(guò)程。中藥提取的基本流程框圖如圖2所示。

控制設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

中藥提取過(guò)程所涉及的設(shè)備主要有中藥提取罐、輸送泵、提取液儲(chǔ)罐等設(shè)備。其控制過(guò)程主要有投料、加溶劑（水或醇）、加熱循環(huán)、出料、排渣、清洗等。雙效濃縮設(shè)備主要包括兩套加熱室、兩套蒸發(fā)室、一套冷凝器。工藝控制操作流程主要有系統(tǒng)抽真空、進(jìn)料、加熱、蒸發(fā)、出膏等。

控制以上設(shè)備及生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有：壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器、密度計(jì)、泵、氣動(dòng)開關(guān)閥、比例調(diào)節(jié)閥等。本系統(tǒng)采用進(jìn)口E+H傳感器，精度高，穩(wěn)定性好；閥門采用festo氣動(dòng)閥及調(diào)節(jié)閥，動(dòng)作迅速，調(diào)節(jié)靈敏度高。

中藥提取控制硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架及工藝控制要求，在認(rèn)真分析國(guó)內(nèi)外知名工控產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，中央集控室采用聯(lián)想品牌的計(jì)算機(jī)作為操作站與工程師站，控制站則選用SIMATIC 新一代中型控制器S7 1511-1 PN及小型控制器S7 1211-C 配置提取系統(tǒng)PLC硬件結(jié)構(gòu)，并為每個(gè)從站配備西門子精簡(jiǎn)系列觸摸屏。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，大部分標(biāo)準(zhǔn)提取系統(tǒng)DI點(diǎn)9個(gè)，DO點(diǎn)10個(gè)，AI點(diǎn)4個(gè)，AO點(diǎn)1個(gè)；雙效濃縮系統(tǒng)DI點(diǎn)8個(gè)，DO點(diǎn)13個(gè)，AI點(diǎn)6個(gè)，AO點(diǎn)1個(gè)。系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

中藥提取PLC系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖1中藥提取系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖

圖2 中藥提取工藝流程框圖

根據(jù)中藥提取及濃縮的過(guò)程，采用結(jié)構(gòu)化編程方法，將不同的工藝流程用不同的功能塊（FB）表示。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中主程序OB1根據(jù)調(diào)用條件的不同來(lái)調(diào)用不同的功能塊FB，實(shí)現(xiàn)不同的邏輯控制功能，提高CPU的利用率。圖3所示為中藥提取控制軟件程序架構(gòu)。

中藥提取監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)界面用于實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。根據(jù)控制要求，本系統(tǒng)采用組態(tài)王6.55作為上位機(jī)編程軟件，設(shè)計(jì)了登陸界面、主界面、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)復(fù)位等組態(tài)界面。

中央集控室監(jiān)控界面主要由5個(gè)從站界面及其他功能性界面組成。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。

登陸界面可以根據(jù)登陸人員設(shè)置不同的操作等級(jí)，主界面用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)、電機(jī)及閥門的狀態(tài)，也可以手動(dòng)對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行操作；在歷史數(shù)據(jù)界面可以選擇以表格或者圖形方式查詢歷史數(shù)據(jù)信息，在系統(tǒng)有報(bào)警信息時(shí)，可以彈出報(bào)警顯示窗口及操作建議，并記錄保存該報(bào)警記錄，用于報(bào)警查詢。參數(shù)設(shè)置界面和參數(shù)復(fù)位用于設(shè)置傳感器等元件的報(bào)警值。

圖3中藥提取軟件控制程序結(jié)構(gòu)

圖4 中藥提取上位機(jī)監(jiān)控軟件組成

系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

系統(tǒng)能夠完全滿足中藥提取生產(chǎn)全過(guò)程的自控要求。其主要優(yōu)點(diǎn)有：

系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)集中管理，分散控制；

通過(guò)以太網(wǎng)形成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，避免因某段網(wǎng)絡(luò)故障而造成系統(tǒng)癱瘓，影響生產(chǎn)；

采用本地/遠(yuǎn)程/集中三級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的獨(dú)立性及集成性，主控PLC的故障不會(huì)影響自控生產(chǎn)的進(jìn)行，并且可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏操作設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；

系統(tǒng)配置靈活，易于擴(kuò)展，其他自控系統(tǒng)可以在不改變?cè)邢到y(tǒng)的情況下，通過(guò)以太網(wǎng)接入本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中央集控室的集中監(jiān)測(cè)及管理。

每個(gè)從站均配備精簡(jiǎn)觸摸屏，提高了生產(chǎn)監(jiān)控與管理水平。

主從站之間僅需雙絞線或者光纖即可完成數(shù)據(jù)傳送，節(jié)省了電纜，減少線路損失及信號(hào)干擾，穩(wěn)定性強(qiáng)。

減少大量人力資源投入。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，所有操作均可在中央集控室完成，在現(xiàn)場(chǎng)僅需配備一名操作員對(duì)生產(chǎn)設(shè)備正常巡檢即可。

本系統(tǒng)通過(guò)采用基于以太網(wǎng)的三級(jí)環(huán)網(wǎng)式提取控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了提取系統(tǒng)的集中管理、分散控制。本系統(tǒng)在內(nèi)蒙古一家中藥廠經(jīng)系統(tǒng)搭建、編程安裝調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，目前已投入使用。經(jīng)驗(yàn)證，本自控系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)，人機(jī)界面友好，可靠性好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，為中藥企業(yè)的綜合管控一體化奠定了基礎(chǔ)。

[1] 和軍慶,鄭鵬武.基于MCGS和PLC的中藥提取自控系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2015(6):62-65.

[2] 劉旭海,陳小榮.現(xiàn)代中藥提取與自動(dòng)化控制[J].中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志,2004-10,11(10):887.

[3] 董洪鵬.面向信息化的中藥提取過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].天津科技大學(xué),2015.

[4] SIMATIC S7-1200可編程控制器產(chǎn)品樣本.2016.7

[5] SIMATIC S7-1500可編程控制器產(chǎn)品樣本.2016.7