基于PLC的藥廠生產系統的自動控制

趙運婷，趙廣嵩，廖少萍

(1.天津城市建設管理職業技術學院，天津 300134；2.天津市地質工程勘測設計院有限公司，天津 300191；3.天津中環工業控制系統有限公司，天津 300191)

一、概述

本項目基于某藥廠的部分設備出現使用年限到期，設備老化的情況，有些工藝設計也處于落后階段，需要進行優化提升，所以對廠區的生產工藝、設備、自動控制系統進行了整體改造，達到提升效率，優化減少人員使用的目的。現根據藥廠的實際情況，對提取系統完成自動控制設計。提取系統自控系統主要由可編程邏輯控制器(PLC)、中控室工程師站及進行數據傳輸的通信設備組成。PLC控制系統完成對自控系統的監控、管理任務。操作人員通過SCADA軟件在中控室工程師站完成對相關系統的監控、調度、管理。

二、需求分析

作者對藥廠的現代中藥GMP技術進行改造，整個系統共包括4條生產線系統，分別為：A線——水提醇沉線；B線——水提醇沉線；C線——水提醇沉、醇提、收集揮發油等多功能線；D線——水提二次醇沉、醇提、收集揮發油等多功能線。

生產系統包括醇沉單元、儲罐單元。其中儲罐單元包括：上清液儲罐、稀浸膏儲罐、總混罐、提取液儲罐、濃縮液儲罐、離心液儲罐、乙醇回收單元儲罐。

儀表系統是指提取系統現場檢測儀表。具體包括：溫度檢測、壓力檢測、流量監測、糖度檢測、液位檢測、醇度檢測等。

自控系統主要由可編程邏輯控制器PLC、中控室工程師站及進行數據傳輸的通信設備組成。

PLC系統通過I/O卡件采集現場儀表數據及通過邏輯運算控制現場設備，以及通過通訊接口和其他系統設備交換數據。操作間的操作站安裝有監控與數據采集軟件(SCADA——Supervisory Control And Data Acquisition)，并通過通訊將PLC采集的數據進行處理、控制、故障處理、安全保護、報警等任務。

數據采集包括現場儀表(壓力、溫度、流量、密度)的數據及設備(泵，閥門、變頻器)運行狀態。

三、設備選擇

自控系統采用的硬件是目前應用廣泛的產品，具有可靠性高，運行穩定的特點，主要包括以下設備。

(一)檢測儀表、控制閥門及變頻器等設備

溫度測量儀表采用熱電阻RTD形式進行溫度采集，準確度等級為1.0級，采用一體化溫度變送器提供遠傳溫度信號，選用E+H TR45溫度變動器；乙醇濃度測量儀采用三易SDT302，SDT302系列智能在線密度計，采用原裝進口RoseMount多參數平法蘭傳感器,可應用于各種液體或液態混合物；質量流量計采用 E+H Proline Promass 80F系列，可在測量過程中同時完成多過程變量質量、密度、溫度的測量，可用于液體和氣體流量測量；渦輪流量計采用FMC，WSP5進行流量的測量；壓力變送器選用E+H PMP55，應用在食品和制藥行業，測量氣體、蒸汽、液體和粉塵的表壓和絕壓；閥島選用FESTO 32型MPA閥島，是由多個電控閥構成，它集成了信號輸入/輸出及信號的控制。具有靈活的氣源供氣方式,可變的壓力區，可在任意位置添加電源，閥島使用DP總線通訊控制。

變頻器采用ABB ACS510，用于控制泵和攪拌電機，滿足功率要求，安裝于非防爆區。觸摸屏：用于監控提取單元，每條生產線配備一臺(4條生產線，共4臺)，放置在提取罐附近，屬于防爆區，安裝要求滿足防爆要求。隔爆電磁閥箱用于放置電磁閥島。提取工藝段PLC系統按每條線一個電磁閥箱。醇沉工藝段PLC系統及公用儲罐PLC系統合理配備電磁閥箱，大小與提取工藝段PLC系統電磁閥箱一致。

工業以太網交換機選用西門子SCALANCEX166，為非網管型工業以太網交換機，16個RJ45端口，具有LED診斷故障信號顯示、設置連接按鈕、冗余電源輸入等功能。

現場安裝轉接箱，安放在相關設備附近，滿足隔爆要求。PLC控制系統數字量輸入信號和數字量輸出信號與現場閥門及設備的連接需要經過該轉接箱。PLC控制系統模擬量輸入信號和模擬量輸出信號直接進PLC柜，不通過轉接箱轉接。

(二)PLC系統

現場控制系統采用可靠性高的可編程序邏輯控制器(PLC)。經過綜合考量，選用西門子的S7400系列CPU416-2DP，以ET200M遠程IO的方式和現場設備通信，S7400可編程控制器所具有模板的擴展和配置功能使其能夠按照每個不同的需求靈活組合。SIMATIC ET 200M采用模塊化設計，使用SIMATIC S7-300 I/O模塊及功能模塊，最大可以擴展12個I/O模塊，具有功能強大，可靠性高，安全穩定的性能。現場控制站的IO網絡結構如圖1所示。

圖1 現場控制站IO網絡結構

三個站之間通過工業以太網進行通訊。如圖2所示。提取工藝段由PLC11控制，醇沉工藝段由PLC12控制，公用儲罐由PLC13控制。

圖2 三個站之間的關系

(三)軟件部分

本項目采用的上位組態軟件是工控領域應用比較廣泛的SIMATIC WINCC。

WINCC集生產自動化和過程自動化為一體，實現了相互之間的整合，可以靈活地進行擴展，WINCC在全集成自動化體系結構中起著承上啟下的作用，是整個控制系統進行統一管理、統一組態、統一通信的技術保障。采用模塊化的設計結構，為過程數據的可視化、報表、采集和歸檔以及為用戶自由定義應用程序的協調集成提供了系統模塊。在本系統中可對現場的設備進行在線的實時監控，實現各種參數的采集、實時數據、歷史數據的監測、報警顯示，從而根據實際情況調整參數，實現過程控制功能。

觸摸屏使用STAHL公司的MT 316，編程軟件：SPASPlusWIN，基于WINDOWS平臺，可方便地組態、下載觸摸屏程序。通過觸摸屏可控制設備，設定參數，實現人機交互的功能。觸摸屏安裝在提取工藝段，采取機架加機箱的安裝方式。

四、總體設計

(一)系統的基本功能

該系統選型設計合理，能夠有效快速地完成信號采集及處理任務，不管是技術還是設備都是遵循實用節能為原則，整個系統完成后具有先進性、可靠性、可擴展性。

整個系統分為三層結構，第一層為信息管理層、第二層為控制層、第三層為現場設備層，從上到下，能夠實現整個系統的“集中管理、分散控制”。

第一層：信息管理層，由操作間操作員站、工業無線以太網交換機、UPS和打印機等周邊設備構成，可實現數據采集保存、設備控制、記錄查詢、打印等功能。

第二層：監控層，由現場PLC系統及提取等其他PLC系統組成，接收上層的指令，經過程序處理后，將命令發送至現場設備層。

第三層：現場設備層，由現場轉接箱、閥島、低壓電氣柜、專用工藝設備、受控設備及檢測儀表等組成。

(二)系統總體配置結構

系統總體配置結構圖如圖3所示：從圖中可以看出，通過PLC系統可以控制現場的測量儀表，測量出現場工藝設備的溫度、壓力、流量、乙醇濃度等實時數據，PLC系統還能夠控制現場設備的電磁閥等執行機構，執行機構能夠把信息反饋給PLC，通過組態軟件WINCC可以對設備的運行狀態進行實時的監控?？傮w系統配置結構科學合理，具有良好的實際應用效果。

圖3 軟硬件配置方框圖

(三)系統拓撲圖

自控系統工藝流程PLC分配功能，可以在圖4系統拓撲圖中顯示。

圖4 系統拓撲圖

本系統中網絡設備包括：兩個操作員站、三個現場PLC站、四臺觸摸屏、閥島、變頻器以及其他控制系統。網絡通訊方式如下：

1.操作員站之間，及操作員站與PLC站之間，采用100M工業以太網通訊。

2.現場PLC站之間，通過100M工業以太網通訊。

3.觸摸屏與PLC站之間，通過100M工業以太網通訊。

4.PLC站與閥島及變頻器之間采用Profibus DP網絡通訊。為提高通訊質量，將三個PLC站的Profibus DP網絡分開，即物理層上有三個Profibus DP網絡，各PLC站分別作為主站，其他站作為從站。通訊速率根據現場距離情況，采用185k/s或1.5M/s。

5.其他系統與所在PLC站通過Profibis DP通訊，采用主從通訊方式。如果其他系統也是主站，則通過增加DP COUPLE來進行通訊。

根據本系統架構拓撲圖，可將系統簡化為：UPS-打印機-主服務器-以太網交換機-操作站并聯系統-主控PLC-現場設備并聯系統-閥島-變頻器，這一整體串聯的簡化系統。

(四)系統控制方案說明

1.PLC11 控制的提取工序自控操作

按照工藝指導書要求，將溶酶和物料投加至提取罐中,將溶酶和物料在提取罐中進行定時浸漬，然后將溶酶和物料在提取罐進行煎煮，再將煎煮過的藥液出罐，最后對提取罐進行出渣、清洗。

提取工藝段自控系統主要具備如下功能：系統能夠實現單機自控；能夠采集罐內藥液溫度、藥液糖度、液位，能夠現場顯示數據，能夠計量加入罐內的溶媒體積；能夠計量流出提取罐的藥液體積；提取過程中能夠實現加熱時間和沸騰時間分別記錄；提取罐起沸時間超時報警，沸騰時間超時報警；提取罐蒸汽壓力、罐內壓力信號記錄；提取罐能夠根據藥液溫度的變化，自動調整蒸汽加入量，精細控制溫度。

2.PLC12 醇沉工藝段自控操作

按照工藝要求，將濃縮液儲罐的浸膏轉入到相應的醇沉罐中；將濃縮液溫度在設定時間內降到室溫某個設定范圍內(需要檢測醇沉罐內溫度、閥門狀態開度、冷凍冷卻水系統壓力狀態)；加入乙醇并定時攪拌，根據乙醇濃度控制攪拌速度和乙醇投加量，在設定時間內確保攪拌均勻，沒有盲點；靜置，將醇沉罐溫度降到設定范圍內；將醇沉罐儲罐的上清液轉入到相應的上清液儲罐中；當系統進行完某批次產品生產后，需對系統相關設備進行清潔操作，此時可調用系統的清潔、除渣程序，進行自動清潔除渣。

3.PLC13 公用系統

公用系統包括乙醇儲罐、乙醇調配罐、精餾塔前儲罐、稀醇儲罐和高醇儲罐等。四條線的提取系統和醇沉系統都需要與公用系統交叉作用。

(五)軟件設計

1.組態設計

工藝過程監控畫面分三層：

第一層畫面主要顯示整個生產線的工藝流程圖，同時對一些重要工藝的運行參數進行數據顯示；調度操作人員可通過鼠標在第一層的工藝流程圖畫面中點擊相應工藝即可進入到第二層；

第二層畫面主要是詳細分段工藝流程圖畫面，在此畫面中顯示分段工藝流程中的主要設備、儀表的運行參數數據，同時調度人員可在此畫面中通過鼠標點擊畫面中的相關按鈕即可進入到第三層；

第三層畫面主要是設備控制、工藝控制參數設置畫面，在此畫面中操作人員可進行重要設備的遠程開/關 起/停、設備組合控制和順序選擇、調節自動控制的工藝參數設置等操作。

2.PLC程序設計

PLC程序采用SIEMENS公司的Step 7軟件平臺開發。STEP 7具有以下功能：硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。在STEP 7中，用項目來管理一個自動化系統的硬件和軟件。STEP 7用SIMATIC管理器對項目進行集中管理。

首先進行硬件組態，包括PLC11、PLC12、PLC13，然后進行STEP7的網絡組態。

下面以閥門的子模塊為例進行說明。圖5為閥的基本功能塊。

圖5 閥的基本功能塊

3.其他的基本功能塊：

(1)初始化

在進行新生產前，系統需對所有設備進行初始化操作，把設備調整到預設狀態。當初始化成功后，才能進行下一步的生產操作。

(2)控制前提檢查及狀態機過程辨識

在進行控制前，對操作前提進行判斷，如果不符合操作條件，系統彈出提示，預防誤操作，避免生產事故。在生產過程中對當前狀態進行判斷，提示用戶進行到哪個生產階段。

(3)恒溫控制

恒溫控制在本系統中主要表現在通過控制蒸汽回路或冷卻水回路的閥門開度，調節蒸氣或冷卻水的流量，實現儲罐恒溫控制。儲罐的溫度控制是個滯后系統，現階段可采用PID方式進行調節，將來可運用先進控制的方式調節溫度，使溫度控制精度更好。

(4)流量計量控制

流量計量控制主要是用于對物料的定量控制，包括實時流量控制及累計流量控制。

(5)速度控制

速度控制主要是現場攪拌器的攪拌速度控制，在攪拌開始后，系統根據實時流量，可對攪拌頻率進行自動調整，或人工手動輸入攪拌頻率，以達到攪拌均勻的效果。

(6)定時控制

定時控制主要體現在攪拌器的攪拌時間控制上。當攪拌器處于自動控制模式下時，可由操作站設定好攪拌時間及攪拌頻率，攪拌器便可自動按設定好的時間和頻率工作。當攪拌時間到達設定時間后，便自動停止攪拌，結束攪拌過程。

(7)邏輯順序控制

邏輯順序控制主要是指工藝流程里工序以及設備之間的相互邏輯關系。比如先進行提取，再進行濃縮，先打開檢查先決條件，再進行下一步操作等。

(8)錯誤處理

當系統在運行過程中產生錯誤時，可能包括操作錯誤、設備故障、系統故障等，在操作員站發出報警提示，并將故障代碼及故障信息在操作站上顯示，以供工程師進行維護處理。

(9)排序、優先控制

當同類設備有多個同時滿足運行條件時，系統對設備進行自動排序，選取運行時間較短的參與自動運行。

五、結論

本項目完成了藥廠提取系統自控系統設計及軟硬件組態實施。上位監控系統采用西門子公司的WINCC，下位機控制系統采用西門子S7-400系列PLC，PLC系統與上位的中控室工程師站采用工業以太網通訊，中控室工程師站集中手動監視與控制和自動監視與控制，本自控系統方案完成后運行穩定可靠，節約了人力，提高了生產效率，具有可行性和實際應用價值。