過程控制及批次管理系統在API 原料藥上的應用

中國原料藥在全球處于領先地位，且市場還在不斷擴大——中國是原料藥生產和出口大國，可生產1 500 多種原料藥和中間體，占全球仿制藥、原料藥產品市場27.7%的份額。目前，絕大多數原料藥生產企業屬于中小化工企業，生產特點多為間歇生產且工藝路線復雜，生產過程自動化程度較低，相關技術人才匱乏。隨著國家兩化融合（工業化和信息化）的穩步推進，如何合規高效地完成原料藥生產自動化的實施，對原料藥生產企業而言是一個新的挑戰。

原料藥典型需求

工藝流程：原料藥生產的主要方式是化學合成藥物，其化學結構一般是起始物料與其他化合物通過一定步驟的化學反應得到的目標產物。

常規原料藥生產工藝如下：化學合成原料藥生產工藝；發酵類原料藥生產工藝；無菌原料藥生產工藝；動植物提取類原料藥生產工藝。化學原料藥的典型工藝流程可分為13 個單元操作步驟，即合成反應、過濾、萃取/分離、脫色、過濾、水解/分層、脫色、過濾、結晶、離心、干燥、過篩及包裝。

工藝特點：屬于精細化工，自動化集成度較低，管罐工藝設計固定，通常無成熟的自動化設計。

控制系統典型架構

監控層

DCS 服務器：PCS 系統配置的冗余服務器，在其上分布有對應的生產設備對象。同時，可安裝PES 數據采集軟件，采集來自設備的實時數據，并可實現雙向通信。在運行過程中，這些服務器將按照既定的策略，保存數據和將錯誤報警到對應的實時歷史數據服務器（Historian Server），以供后續分析。

InBatch 服務器：PCS 系統配置的用于批處理的1 臺冗余服務器。用于運行InBatch 服務及電子批記錄數據存儲，此批次控制服務器運行配方，并通過系統平臺實現和設備的數據通信，是設備完全遵循配方要求的生產工藝運作。同時，接收并存儲來自Batch Server 的所有數據，記錄完整的批次數據和電子簽名信息，完全滿足FDA 21 CFR Part 11 的功能要求。

實時歷史數據服務器：PCS 系統配置的數據庫服務器，保存所有來自DCS Server 和工藝過程及生產環境所產生的數據，以及報警。

OPC 數據服務器（OPC Server）配置了一臺OPC 數據服務器，用于采集數據服務器及現場上位機系統的數據，通過OPC標準服務與上層企業層網絡通信進行數據交互，為MES、WMS、LIMS 等企業層系統提供通用數據平臺（可選配置）。

工程師站：在中控室配置的工程師站（也作為Batch 工程師站），用于保存SCADA 系統的所有配置信息、組態工藝的監控畫面、批次配方等。工程師站是整個系統的維護工作站，用來進行系統的維護和新配方的編輯、排程等；方便用戶對監視系統的管理操作，通過嚴格的安全性設置，只有運營維護工程師及管理工程師才能對系統進行修改和維護。工程師站上同時兼有開發組態畫面，配置有設置系統對象、保存組態數據庫等方面的開發功能。

DCS 操作員站：中控室DCS操作員站及現場操作員站（觸摸式平板電腦）監視畫面程序。用于監控生產過程的工藝狀態，并可以根據用戶權限遠程控制操作工藝設備。可動態監視批次的運行狀態，即時生成Batch 生產報表，實現產品、原料、設備、譜系、生產過程等各種報表，客戶端可以隨時以C/S 方式查看各種報表。

控制層

過程控制部分配置冗余的M580 控制器，公用及數據采集部分配置單邊M580 控制器。每套控制器接入若干遠程I/O 站，遠程I/O 站與控制器之間通過以太網環網進行連接。

采用環形以太網連接系統內各遠程I/O 站。儀表可直接接入各遠程I/O 站的模塊。第三方OEM設備及閥島通過網絡方式接入系統。系統支持星型，菊花鏈等多種網絡架構。

網絡配置

自控系統采用2 級網絡、控制室的千兆高速以太網和現場控制光纖環網。通過工業千兆高速以太網交換機連接各服務器、操作站和工程師站。通過帶防火墻的網關連接到其他系統，如MES等。采用光纖環網連接操作員站服務器（OPC 服務器）、各系統冗余控制器和各OEM 系統設備。控制器與控制器之間形成光纖以太環網，保證了穩定性和可靠性。該網絡是基于以太網的千兆光纖工業網絡。保證控制器與控制器之間，以及控制器和服務器之間的穩定可靠的通信。每個控制器內部采用工業以太網協議，遠程I/O 站與遠程I/O 站以及冗余控制器之間形成環網，該網絡采用施耐德電氣專用的RIO 控制網絡，保證網絡高效穩定的工作。每個樓層的OEM 設備通過外設匯聚交換機匯聚，再通過交換機接入環網。

現場工藝界面

在大型原料藥合成項目上的應用案例

項目介紹

該客戶是國內大型原料藥生產龍頭企業，本項目是該客戶在某園區內I 期建設項目，項目規模分為4 個原料藥合成車間、3 個動力車間、2 個質檢站、2 個回收車間、2 個倉庫、罐區、辦公區、生活區等區域。施耐德電氣在此項目中作為系統集成商，主要負責如下幾大系統：

●1 個原料藥合成車間批次過程控制 DCS 系統+SIS 系統；

●2 個回收車間批次過程控制 DCS 系統。

系統配置規模：

●5 套M580 H586040 冗余控制器；

●3 套M340 數采控制器；

●1 套Quantum 安全控制器；

●1 套Historian 實時數據庫；

●3 套InBatch Server+1 套開發客戶端+8 套客戶端；

●3 套PES IO Server+1 套工程師站+7 套客戶端。

施耐德電氣提供的全廠整體控制及管理解決方案：

●通過Wonderware InBatch實現配方的創建及管理；

●利用PES 系統平臺實現DCS 分布式控制系統的部署；

●應用施耐德電氣數據網關與不同OEM 的設備集成；

●采用Citect SCADA 定制不同設備的操作界面，并在統一的平臺發布；

●InBatch 開放的編程接口提供與MES 系統的無縫集成。

工程設計工作內容：

●復雜的網絡設計：EtherNet/ProfiBus-DP/ModBus 485；

●PES 系統實際開發的控制對象數：9000+；Batch 系統Phase數量：1800+；

●第三方通信接口的開發：100+；

●將PES 和InBatch 批次 系統做了深度整合，便于現場靈活操作及使用；

●開發了適合維護人員巡檢的故障查詢及網絡診斷界面。

項目難點分析

1、工藝流程之間的物料傳輸管理：原料藥生產的一大特點是,物料要在不同的反應罐之間按工藝流程進行有序的流動。工藝流程環節多，產品種類多，反應罐等設備的應用組合就會多樣化，這會導致設備間物料流向的多組合可能，在不同工藝流程之間的物料傳輸管理是批次模型中最難處理的環節。處理不當會出現傳輸設備沖突、傳輸路徑選擇沖突的情況。

解決方案：InBatch 批次管理系統在ISA-S88 的基礎上擴展出了物料傳輸的概念模型，針對不同UNIT 之間的物料流向過程創建了物料傳輸模型，在模型基礎上增加了物料傳輸Phase、管路連接狀態的管理、動態管理設備間物料流動的多路徑選擇，實現了在批次生產過程中物料傳輸的自動設備仲裁和傳輸路徑自動選擇的功能，合理規劃物料流向，極大提高了 物料轉移的可靠性和靈活性，以及設備的利用率。

2、不同生產設備間的數據交互：原料藥車間除了DCS 主控系統外，還有許多服務于各生產環節的獨立系統成套設備，需要在DCS 系統的統一調度下協同完成整個生產工藝流程，如投料系統、離心機系統、真空泵、空壓機等第三方設備，這樣就需要DCS 控制系統與各第三方設備進行數據通信，實現車間設備數據互通。

解決方案：施耐德電氣提供的數據通信網關PRM 和PXM，NOM模塊，以及合作伙伴Prosoft 的Profinet 網關，實現了對生產車間第三方OEM 設備的數據集成。通信的協議主要包括Profibus DP、Profinet、Modbus TCP、ModbusRTU 等，通過廠級光纖環網到達各個生產設備，打破各成套設備的數據孤島，實現DCS 系統根據生產工藝的要求對車間內各成套設備的全局調度控制，真正實現了車間生產的全局自動化。同時可以對各生產子系統設備的數據進行實時采集，保證了生產過程數據的完整性和可追溯性，以及車間自控系統的合規性。

反應釜溫控界面

3、原料藥反應釜內溫度精確控制難點：

●特定工藝的反應釜要求釜內溫度精準受控；

●物料混合快速反應急劇產生大量熱量，有潛在的爆炸風險；

●反應釜的釜內溫度相對于外部冷/熱媒管路溫度具有滯后性。

解決方案：

●采用同時控制流量和釜內溫度的PID 雙控模式，利用手動滴加經驗，找出滴加過程中滿足溫度在受控范圍，且同時滿足在時間內完成的滴加的流量隨滴加時間的分段流量經驗值，使用 PID根據滴加的時間段通過調節閥來控制目標的流量，實踐證明這種流量經驗值+PID 的控制方法對于大量放熱的滴加過程起到了非常好的控制效果。

●采取2 級PID 串級控制。對于釜內溫度滯后于冷/熱媒管路調節閥的情形，如果直接使用釜內溫度作為反饋，把調節閥作為一級PID 調節，調控效果并不理想。如果把釜內溫度和冷/熱媒管路流量作為第一級 PID，冷/熱媒管路流量與調節閥作為第二級PID，使用串級PID 的控制方法，實際控制效果明顯比采用單級PID控制效果好，可以滿足生產工藝的溫度控制精度要求。

客戶收益

●使用FDA 21 CFR Part 11合規的自動化系統，降低系統驗證的風險和成本；

●使批次生產過程中高效的生產設備資源實現可管理；

●真正意義上的柔性生產及排產調度管理；

●實時監控生產過程，自動生成電子批記錄；

●無需修改自動化程序即可實現多工藝配方流程。