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案例頻道一、概述
當(dāng)前正逢制藥廠對(duì)一批控制系統(tǒng)改造，加上一些新擴(kuò)建的工業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目，形成了對(duì)DCS控制系統(tǒng)的較大需求。正是在這一背景下，104車間對(duì)青霉素發(fā)酵裝置的原有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，該項(xiàng)目完整地體現(xiàn)了SmartPro集散控制系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)酵工藝的各方面優(yōu)勢。本論文結(jié)合104車間發(fā)酵工藝原有控制系統(tǒng)改造，闡述了SmartPro集散控制系統(tǒng)的硬件配置、軟件功能、主要控制方案及數(shù)據(jù)優(yōu)化。
二、原有控制系統(tǒng)存在的問題
104車間發(fā)酵工藝原有控制系統(tǒng)采用電Ⅲ型儀表加數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要存在以下三個(gè)問題：
①、 系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)在經(jīng)常出現(xiàn)大面積停電的現(xiàn)象，問題的原因?qū)僭O(shè)計(jì)缺陷。
②、 控制精度欠佳。主要表現(xiàn)在發(fā)酵溫度和PH值。
③、 系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。
基于以上原因，中潤制藥廠決定對(duì)原有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。在進(jìn)行了充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合系統(tǒng)的穩(wěn)定性、先進(jìn)性、靈活性和性價(jià)比之后決定用和利時(shí)公司研制的MACS SmartPro集散控制系統(tǒng)對(duì)原有控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。
三、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
⒈ 系統(tǒng)簡介
SmartPro基于開放的現(xiàn)場總線Profibus DP標(biāo)準(zhǔn)，是功能完全分散的全數(shù)字化系統(tǒng)，控制方案和設(shè)備組態(tài)可以通過工程師站編輯并下裝，具有控制精確、實(shí)時(shí)、高效；系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠；控制組態(tài)靈活；易于用戶接受掌握；擴(kuò)展性好和性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。SmartPro采用Windows NT網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，采用分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，服務(wù)器采用動(dòng)態(tài)容錯(cuò)技術(shù)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用100Mbps高速冗余以太網(wǎng)，控制器 、I/O、I/O server和操作站全面實(shí)現(xiàn)冗余。現(xiàn)場控制站采用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、處理和控制功能。現(xiàn)場I/O模塊為帶微處理器的智能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、處理等功能。
⒉ 硬件配置
① 智能I/O模塊
② 冗余主控單元
③ 冗余100Mbps高速以太網(wǎng)絡(luò)
④ 冗余操作站
⑤ 操作臺(tái)和打印機(jī)
⒊ 應(yīng)用軟件
① SmartPro人機(jī)界面軟件軟件
負(fù)責(zé)系統(tǒng)的在線監(jiān)視、操作、控制、調(diào)試、維護(hù)和數(shù)據(jù)優(yōu)化。
② ConMaker控制器軟件
負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制程序的生成和維護(hù)
③ ConRTS現(xiàn)場控制器運(yùn)行軟件
負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制器控制程序的運(yùn)行
⒋ 主要控制方案
4.1 概述
青霉素發(fā)酵為二級(jí)發(fā)酵，發(fā)酵大罐和種子罐。發(fā)酵工藝的主要控制對(duì)象是由種子罐、發(fā)酵罐和補(bǔ)料系統(tǒng)三大部分組成。控制系統(tǒng)要完成對(duì)所有相關(guān)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)順序邏輯控制、進(jìn)行圖形的顯示、切換、打印報(bào)表、紀(jì)錄歷史趨勢及輸出報(bào)警信息等一系列功能。
發(fā)酵崗位控制系統(tǒng)分為四部分：
1）大罐發(fā)酵控制系統(tǒng)
2）種子罐發(fā)酵控制系統(tǒng)
3）交替補(bǔ)料控制系統(tǒng)
4）數(shù)據(jù)優(yōu)化
4.2 大罐發(fā)酵控制系統(tǒng)
4.2.1 發(fā)酵大罐的檢測點(diǎn)
<1>發(fā)酵溫度、消毒溫度
<2>流量檢測
<3>罐壓檢測
<4> PH檢測
<5> DO 檢測
<6>液位檢測
4.2.2 控制點(diǎn)
<1>發(fā)酵溫度控制
<2>自動(dòng)補(bǔ)料
4.2.3 發(fā)酵大罐控制回路
① 發(fā)酵大罐發(fā)酵溫度控制：
控制要求：
控制點(diǎn)位 28 ℃
.量程為0-150℃，誤差范圍±0.5℃；
.報(bào)警為上，下限報(bào)警；
.控制參數(shù)可以在線修改；
.控制方式為 PID 控制；
.消毒溫度保留歷史趨勢，每分鐘保存1次；
.發(fā)酵周期累計(jì)，可以在線修改發(fā)酵周期。
② 發(fā)酵罐補(bǔ)料控制系統(tǒng)
每一種料需要一個(gè)計(jì)量罐，一個(gè)進(jìn)料閥，一個(gè)放料閥，一個(gè)檢測電極。
發(fā)酵罐補(bǔ)料采用小計(jì)量罐自動(dòng)補(bǔ)料控制系統(tǒng)，補(bǔ)料原理如下：
a. 補(bǔ)料控制機(jī)理：
以打開進(jìn)料閥開始進(jìn)料作為補(bǔ)料過程的開始，待物料上升接觸電極，關(guān)閉進(jìn)料電磁閥并等待補(bǔ)料指令到來，接受到補(bǔ)料指令開放料電磁閥，放料時(shí)間結(jié)束，關(guān)放料電磁閥停止放料，同時(shí)開進(jìn)料電磁閥進(jìn)料，如此周而復(fù)始。
b.補(bǔ)料進(jìn)放料時(shí)間的確定
Ｔ為加料周期，放料時(shí)間工藝確定為14秒，Ｔ-14秒為進(jìn)料和等待時(shí)間
c.計(jì)量方法：
累計(jì)補(bǔ)料量為放料閥動(dòng)作次數(shù)乘上計(jì)量罐體積
d.補(bǔ)料周期的計(jì)算：
T=3600/（m/g）
T 為大周期，M 為每小時(shí)補(bǔ)料量，G 為每次補(bǔ)料量
e.補(bǔ)料控制要求：
.補(bǔ)加的料能夠顯示累加；
.能夠在線修改補(bǔ)料參數(shù)；
.能夠進(jìn)行物料報(bào)警，報(bào)警要有聲音輸出；
.在線開關(guān)補(bǔ)料啟動(dòng)開關(guān)。
4.2.4 發(fā)酵大罐檢測部分
① 發(fā)酵大罐進(jìn)氣流量檢測
控制要求：
.發(fā)酵大罐空氣管道流量檢測采用渦節(jié)流量計(jì)，并能進(jìn)行上下限報(bào)警，當(dāng)流量突然下跌到某個(gè)數(shù)值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行報(bào)警，通知工藝人員可能逃液；
.歷史數(shù)據(jù)每分鐘保存一次。
② 發(fā)酵大罐 PH 檢測
發(fā)酵罐 PH 檢測，采用梅特勒公司的電極，變送器，能耐高溫消毒.通過檢測PH，控制氨水補(bǔ)加量。
控制要求：
.PH 報(bào)警為上下限報(bào)警；
.歷史數(shù)據(jù)每分保存一次。
③ 發(fā)酵大罐 DO 檢測
發(fā)酵罐 DO 檢測，采用梅特勒公司的電極，變送器，能耐高溫消毒。
控制要求：
.DO 報(bào)警為上下限報(bào)警；
.歷史數(shù)據(jù)每分保存一次。
④發(fā)酵罐液位檢測
控制要求：
.液位報(bào)警為上限報(bào)警；
.歷史數(shù)據(jù)每分保存一次。
4.3 種子罐控制系統(tǒng)
4.3.1 種子罐檢測點(diǎn)
種子罐檢測點(diǎn)有：
<1>發(fā)酵溫度，消毒溫度
<2>流量檢測
<3>罐壓檢測
<4>PH檢測
<5>DO檢測
4.3.2 種子罐控制點(diǎn)
種子罐控制點(diǎn)有：
<1>發(fā)酵溫度控制
4.3.3 種子罐的控制回路
① 種子罐溫度自動(dòng)控制：
發(fā)酵小罐由于體積小，溫度波動(dòng)較大，一般前期加熱水保溫，后期加冷水冷卻要實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制，必須有冷熱水自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。計(jì)算機(jī)根據(jù)事先設(shè)置的上限、下限值，超過上限加冷水，低于下限加熱水，在上、下限之間按 PID 算法，間歇開通進(jìn)水閥門，開通時(shí)間 t 由PID算法決定其 T 周期可人工設(shè)定。
控制精度可保證在±0.5 ℃之間。
4.3.4 種子罐檢測部分
① 種子罐進(jìn)氣流量檢測
控制要求：
.種子罐空氣管道流量檢測采用渦節(jié)流量計(jì)，并能進(jìn)行上下限報(bào)警；
.歷史數(shù)據(jù)每分鐘保存一次。
② 種子罐 PH 檢測
種子罐 PH 檢測，采用梅特勒公司的電極，變送器，能耐高溫消毒。
控制要求：
.PH 報(bào)警為上下限報(bào)警；
.歷史數(shù)據(jù)每分保存一次。
③ 種子罐 DO 檢測
種子罐 DO 檢測，采用梅特勒公司的電極，變送器，能耐高溫消毒。
控制要求：
.DO 報(bào)警為上下限報(bào)警；
.歷史數(shù)據(jù)每分保存一次。
④種子罐液位檢測
控制要求：
.液位報(bào)警為上限報(bào)警；
.歷史數(shù)據(jù)每分保存一次。
4.4 交替補(bǔ)料控制
4.4.1 控制原理
補(bǔ)料罐液位采用上電極和下電極，當(dāng)液位低于下電極時(shí)，計(jì)算機(jī)關(guān)閉進(jìn)氣閥和放料閥，打開排氣閥和進(jìn)料閥。當(dāng)液位接觸上電極時(shí)，關(guān)進(jìn)料閥和排氣閥，打開進(jìn)氣閥和放料閥。
4.4.2 補(bǔ)料控制要求
.補(bǔ)加的料能夠顯示累加；
.能夠在線修改補(bǔ)料參數(shù)；
.能夠進(jìn)行物料報(bào)警，報(bào)警要有聲音輸出。
4.5 數(shù)據(jù)優(yōu)化
FacView軟件提供了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）功能，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）功能，F(xiàn)acView作為DDE服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，將控制系統(tǒng)檢測的現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到優(yōu)化程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，并將優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到調(diào)節(jié)回路中進(jìn)行控制。
⒌ 應(yīng)用效果
和利時(shí)公司研制的MACS SmartPro控制系統(tǒng)投用后，系統(tǒng)的功能滿足了用戶的要求。系統(tǒng)投用半年來，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度高，尤其是在投用了優(yōu)化程序以后，該車間的經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，該系統(tǒng)深得用戶的好評(píng)。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)