中藥提取過程控制系統的結構設計及應用

中藥生產的一個關鍵過程是中藥有效成分的提取，要既確保提取藥物成分的質量，又要提高提取過程的效率和經濟性，針對不同的中藥材，選擇和確保合適的提取工藝條件，嚴格和自動地按照正確的提取工藝程序進行中藥的提取，是中藥生產和工藝研究的一個至關重要的環節。我校與天津大明制藥設備廠合作建立“中藥設備研發中心”，在項目建設中，根據工藝的實際需求，本著先進性、可靠性、實用性的原則，完成了天然藥物中試生產過程各單元的計算機過程控制系統的設計與開發，成功地實現了天然藥物中試生產過程各重要工藝參數的計算機自動檢測和控制，其中提取單元實現了多種提取方式的全過程計算機控制，從而為科研人員今后對天然藥物提取工藝和提取設備的研究提供了可靠和有效的手段。[1]

　　2 提取過程的主要工藝流程和自控要求

　　2.1 提取工序控制

　?。?）加料控制

　　藥材投入提取罐內，加入藥材的5-l0倍的溶劑。用液位控制法控制溶劑加入量，流程圖如圖1所示。

圖1 液位控制流程圖

　?。?）動態提取

　　動態提取是中藥提取工序的核心，要求控制罐內藥液溫度、保持罐內壓力為常壓，并管理藥液循環通道內電磁閥門和手動閥門的開、關及藥液循環泵和熱油泵的啟動和停止。提取罐控制結構圖如圖2所示 .

圖2 提取罐控制結構圖

　　中藥提取過程通常采用的溶劑（溶媒）有水或乙醇等。提取溶劑不同，對控制需求也不一樣。用水作溶劑時，放空閥要在提取過程中始終處于開啟狀態，即罐內壓力為常值，只需要在發生意外（如排氣通道堵塞）時，報警即可。醇類作溶劑時，放空閥要始終處于關閉狀態，欲維持罐壓為常值，其調節情況與水作溶劑時不同。

　　2.2 測控參數

　　檢測參數：提取罐內的溫度、提取罐內的壓力、提取罐內的液位、冷卻器的冷卻水進口溫度和出口溫度，熱油泵的出油口溫度和進油口溫度等?？刂茀担禾崛」逌囟?、提取罐壓力、進料控制、出料控制、循環泵、熱油泵，自吸泵和出液泵的啟動和停止控制等。

　　2. 3 自控要求

　　根據本項目的中試工藝不確定性的特點，提取部分的自控設計要求是在有限和固定的設備、管線的條件下，方便而靈活地實現不同提取模式的全過程自動控制，即要求既可以“水提取”，也可以“醇提取”;既可以“單罐提取” ，也可以“雙罐提取”;既可以是“循環提取”，也可以“非循環提取”。提取罐加液補液、提取罐升溫和恒溫、藥物浸取、循環提取、提取液出料、直至提取結束或再次提取的全過程都是可靠、自動地完成。

　　提取部分的自動控制回路主要包括了提取罐溫度自動控制;提取罐定量和加液自動控制;提取罐出料自動控制;提取罐、提取液儲液罐的溫度自動檢測;提取液儲液罐的液位自動檢測。一批藥材的提取次數、提取溫度和循環時間是由工藝確定的。本方案采用熱油對具有夾套的提取罐加熱，煎煮罐中的藥材，同時用循環泵循環藥液。

　　3 系統特點

　　在系統的總體設計、選型上保持與國內外系統同步,從而保證所采用的計算機測控系統在技術上的先進性并且與國際接軌。在考慮國內外相關系統如:霍尼韋爾控制系統、橫河μXLDCS和SIEMES控制系統等后,決定選擇SIEMENS控制系統.從而確保了系統的成熟性。選擇西門子的系統另外一個原因是這種系統易于維護,易于擴展。對中藥生產過程中，常常發生 “泡沫引發逃液”的現象。采用CTN—XM系列雙液位全自動消除泡沫控制裝置，其中依據電阻響應原理的泡沫探測電極具有極強的抗污染能力，因嚴重的污染而出現結垢的情況下，仍然能檢測出液面位置，從而達到可靠有效地消除泡沫，達到控制“逃液”的目的。[2]

　　4 系統的結構與配置

　　本文采用PROFIBUS-DP構建中藥提取過程監控系統的底層網絡。新型的現場總線控制系統突破了DCS系統中通信由專用網絡的封閉系統來實現所造成的缺陷，把基于封閉的、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案，現場總線標準有幾十種。每種總線標準都有自身的特點，并在特定的應用領域顯示自身的優勢。過程現場總線PROFIBUS作為一種國際化、開放式、不依賴設備生產商的現場總線標準，作為全集成過程和工廠自動化的現場總線解決方案，已被廣泛應用于過程控制和流程工業。PROFIBUS采用OSI模型的物理層,數據鏈路層。當傳輸速率為9.6Kbps～12Mbps時，其傳輸距離可以達到100m。當傳輸速率為1.5Mbps時，其傳輸距離可以達到為400m。PROFIBUS的傳輸介質可以是雙絞線，也可以是光纜。其最多可以掛接127個子站點。PROFIBUS采用功能模塊化設計，不同的應用系統使用不同的模塊進行設計。底層系統結構如圖3所示。在本級中系統被分為兩個層次即設備控制層和監控層。

圖3 PROFIBUS底層網絡結構

3.1 設備控制層

　　在設備控制層中采用西門子的PROFIBUS-DP把各種電磁閥、離心泵、電機、溫度傳感器、壓力傳感器以及ET200分站等功能單元聯結成一個整體。溫度傳感器選用Pt1O0鉑電阻溫度傳感器，輸出4—20mA電流信號，它抗干擾能力強，易于信號遠傳。壓力傳感器選用隔離式傳感器組件和集成電路組件技術生產的耐蒸汽高溫的壓力傳感器，具有線性好、溫漂小、時間穩定性好等優點。

　　該層所涉及到的現場設備有：水提取罐、醇提取罐、儲液罐、回收溶媒罐、濃縮罐、精餾塔、過濾器、冷凝器、加熱器等?？刂粕鲜鲈O備的下位執行機構有控制開關閥、PID調節閥、電磁流量計、液位計、溫度變送器、壓力變送器、自吸泵，出液泵以及熱油泵等。底層PLC硬件配置：西門子公司的S7-300系列PLC，CPU的型號采用CPU315-2DP，ET200M模塊6ES7 l53—2AA02—0XB0，電源模塊6ES7 307-1KA00-0AA0，32點24V數字量輸入模塊6ES7 321—1BL00—0AA0，16點繼電器輸出模塊6ES7 322—1HH00—0AA0，8路模擬量輸入模塊6ES7 331—7KF01—0AB0，8路熱電阻輸入模塊6ES7 331-7PF00-0AB0，4路PID模塊6ES7 355—0VH10—0AE0等。

　　在該系統中采用電爐進行加熱，由于電爐的升溫和保溫是靠電阻絲加熱，降溫則是依靠自然環境冷卻，當溫度一旦出現超調就無法使用控制手段使其降溫，具有升溫單向性、非線性、不均勻增益和大滯后等特性，數學模型難以建立。由于系統具有大滯后和升溫單向性特性，用常規PID控制方法，很容易造成積分飽和，因此難以得到滿意的控制效果。為此，先用階躍響應曲線法建立加熱爐的初步數學模型，獲得其大致的放大系數K，時間常數T和滯后時間r;然后用Ziegler—Nichols法整定PID參數，采用分段變系數增量式PID控制策略，實現對加熱爐的控制。具體方法如圖4所示，在開始至A點之前，可以給最大的控制量，使系統快速升溫;AB兩點之間采用PD控制;在臨界穩態區，為了消除系統穩態誤差，需要加入積分作用，采用PID控制;當超調大于5%時，輸出為0停止加熱。在本系統中采用西門子公司的S7-300系列的功能模塊FM-355-2C實現PID控制。

圖4 階躍響應曲線示意圖

　　3.2 監控層

　　監控層上位機部分:服務器采用Windows 2000 Server操作系統，監控軟件采用西門子SIMATIC WINCC6.0 SP1。WINCC（Windows Control Center）組態軟件是西門子公司與微軟公司共同開發的，它承擔了數據管理和采集、報警、歷史趨勢、數據記錄及報表等工作。[3-5]其多級權限管理，電子記錄等符合FDA 21 CFR PART 11的要求。提取部分的畫面包括：提取工藝的靜態流程圖、動態流程圖、控制儀表回路、加熱部分、冷卻部分、循環控制部分、事件報警、參數設定、報表打印、實時曲線和歷史曲線顯示、用戶管理、OPC服務器、遠程監控管理和幫助部分等。WINCC可以通過0DBC技術調用MicroSoft SQL Server建立數據庫，數據庫具有查詢、刪除、修改、備份、導入、導出等強大的功能支持。WINCC還可以通過DDE技術調用Excel建立數據報表。

　　監控層下位機部分: 下位機編程軟件采用西門子公司的STEP 7軟件，通過功能塊FC編程實現分設備、分工藝的模塊化，使各段控制程序相對獨立且流程清晰。數據塊DB的有序分類，使數據結構更合理、數據讀寫更安全。整套系統設置了自動和手動兩套運行方案，在程序設計中將系統動作劃分成多個動作段，使得系統在運行過程中隨時可以“暫?！毕聛?，維持在當前狀態;還能再通過“繼續”功能使系統在先前狀態下繼續運行下去。從而使得系統可以隨時應對在運行過程中可能出現的一些突發事件，減少由于意外情況造成的程序運行中斷，提高系統運行的安全可靠性。[6，7]

　　本文介紹的中藥提取監控系統，利用PROFIBUS技術構建底層網絡,對每個關鍵工序進行數據監測、控制，實施整個過程的跟蹤。系統既能進行單元操作，又能找出最佳工況條件,該系統已經成為中心的科研人員從事天然藥物生產工藝研究、中試開發的有效手段并在實際應用中取得良好的效果。

　　本文作者創新點:將PROFIBUS技術引入“中藥設備研發中心”的實驗室項目建設中，利用其構建中藥提取過程控制系統底層網絡,使得實驗室的科研人員可以更方便高效的從事中藥生產工藝的研究和中試的開發。