基于MCGS和PLC的中藥提取自控系統(tǒng)研究

何軍慶　鄭鵬武　李朝

（1中藥固體制劑制造技術國家工程研究中心，江西南昌330006）（2江西科技師范大學，江西南昌330000）

基于MCGS和PLC的中藥提取自控系統(tǒng)研究

何軍慶1鄭鵬武2李朝2

（1中藥固體制劑制造技術國家工程研究中心，江西南昌330006）（2江西科技師范大學，江西南昌330000）

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代制藥技術應用于傳統(tǒng)中藥領域，為古老的中醫(yī)藥注入新的活力。尤其是中藥提取領域新技術的應用，使得中藥提取水平有了極大飛躍。近年來迅速發(fā)展起來的以中藥提取物制備中成藥的生產(chǎn)工藝已成為中藥生產(chǎn)工業(yè)的重要組成部分，中藥提取工藝的先進與否與中藥產(chǎn)品的安全有效有著直接的關系。本文歸納總結了國內(nèi)相關文獻報道，詳細介紹MCGS組態(tài)軟件及其在傳統(tǒng)中藥提取工藝過程中的實現(xiàn)與應用，并分析了該技術在中藥生產(chǎn)應用中的優(yōu)點，闡述了作者對現(xiàn)代中藥發(fā)展的觀點。

組態(tài)軟件；MCGS；中藥提??；自動控制

1　引言

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于MicrosoftWindows 95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。

MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能［1］。

中藥中間體的生產(chǎn)工藝，一般是提取、過濾、濃縮、沉淀、分離、吸附、洗脫、濃縮收膏、噴霧造粒，以及配套的乙醇回收等幾個工段組成。中藥提取是中藥生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，建立中藥提取自控系統(tǒng)可以從產(chǎn)品的源頭上解決中藥產(chǎn)品工藝和成分的穩(wěn)定性、可靠性問題，更好地與國家GMP規(guī)范相融合，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。特別是在滿足企業(yè)內(nèi)部制劑需求的同時，還可以對外承攬中藥提取加工業(yè)務，其生產(chǎn)能力強，產(chǎn)值高，發(fā)展前景好，將成為企業(yè)盈利的重要環(huán)節(jié)。把中藥提取作為一個產(chǎn)業(yè)化項目，對于推動中藥現(xiàn)代化具有重要作用?，F(xiàn)在有不少中藥現(xiàn)代化企業(yè)，已把中藥原料藥提取作為打入國際市場的突破口。

2　中藥提取系統(tǒng)概況

2.1中藥提取系統(tǒng)工序

提取是從藥材原料中分離有效成份的單元操作，直接關系到產(chǎn)品有效成份的含量，影響內(nèi)在質(zhì)量、臨床療效、經(jīng)濟效益及GMP的實施。中藥提取的基本方法為浸漬法（常溫浸漬法、溫浸法、煎煮法）、滲漉法、回流法。根據(jù)煎煮法加壓與否，可分為常壓煎煮法和加壓煎煮法。常壓煎煮法適用于一般性藥材的煎煮，加壓煎煮適用于藥物成分在高溫下不易被破壞，或在常壓下不易煎透的藥材。生產(chǎn)上常用蒸氣進行加壓煎煮［2］。本文所采用的中藥提取為浸漬法中的加壓煎煮法。

本文中藥提取控制過程為：投料，開啟提取罐，提取到達規(guī)定時間后，開啟三足式（或碟式）離心機，待運行穩(wěn)定后開啟提取罐出料口閥門、螺桿泵、儲罐進料閥、料泵，將藥液輸送至儲罐；待儲罐裝滿后或提取罐藥液排盡后，關閉提取罐出料口閥門、螺桿泵、儲罐進料閥、料泵。

當提取進行一段時間后，開啟提取罐出料口閥門、螺桿泵、循環(huán)閥門，定時對藥液進行循環(huán)，并自動記錄藥液循環(huán)時間。

提取過程中，當開啟螺桿泵時，同時自動開啟提取罐出料口閥門；當關閉出料口閥門時，同時自動關閉螺桿泵，以減少螺桿泵的損耗。當加水打開閥門時，自動顯示水的流量，并記錄累積流量。當溫度、壓強、液位超過上下限時，進行報警，并進行記錄，并且當提取罐液位超過提取罐液位上限時，同時自動關閉加水和加乙醇的閥門。當開啟攪拌時，自動記錄攪拌時間。

當提取完成后，對提取罐進行卸渣處理，為保證卸渣過程安全，卸渣開始時，首先打開汽缸進行排氣，排氣完成后將旋動卸渣蓋，最后將蓋打開。

2.2中藥提取系統(tǒng)控制參數(shù)

表1　加料控制參數(shù)

“溶劑加入量”和“溶劑液面”是對反應罐中溶劑的控制，可以使得提取加料過程中加料更加準確。

表2　提取控制過程參數(shù)表

對“夾套蒸汽壓力”和“罐內(nèi)壓力”的監(jiān)控可以提高提取過程的安全系數(shù)，防止提取罐由于壓力過大而帶來不安全因素。對“罐內(nèi)溫度”的監(jiān)控，可以控制提取過程速度和防止提取成分的變性等因素，對“藥液循環(huán)時間”和“藥液攪拌時間”的監(jiān)控，可以控制藥液的混合程度。

表3　放料控制參數(shù)表

“暫存罐液位”是記錄提取過程最終出料的直接數(shù)據(jù)。

3　中藥提取的MCGS軟件設計

3.1中藥提取流程圖的設計

中藥提取流程圖的設計主要是用戶窗口設計，用戶窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：實時數(shù)據(jù)顯示、報警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等［3］。根據(jù)系統(tǒng)要求，我們設計了主窗口、加料記錄、歷史溫度和報警屬性五個用戶窗口。具體制作如下：

選中“用戶窗口”，新建窗口，在窗口屬性中命名為“主窗口”，依次建立如圖1窗口。

圖1　用戶窗口

雙擊“主窗口”，彈出主窗口版面。插入提取罐位圖作為提取罐?！安迦朐敝械摹皟Σ毓蕖钡摹肮?”作為暫存罐，“泵”中的“泵32”作為料泵。采用的閥門均為“閥43”，“游標16”作為飲用水流量計。適度調(diào)整各元件大小，采用管道和流動塊將以上元件相連接，建立若干標簽、輸入框、下拉框、標準按鈕、實時曲線表，調(diào)整適宜字體大小和顏色后如圖2排列。

圖2　主窗口

依次在加料記錄窗口建立自由表格用于記錄加料記錄，在歷史溫度窗口建立“歷史曲線”記錄提取罐和暫存罐歷史溫度，在歷史壓強窗口建立“歷史曲線”記錄提取罐和暫存罐歷史壓強。在報警顯示窗口建立“報警顯示”記錄溫度和壓強的歷史報警記錄。

根據(jù)圖3設計參數(shù)控制窗口。

圖3　參數(shù)設置

根據(jù)圖4設計卸渣窗口，其中“已關閉”和“已開啟”標簽重疊。

圖4　卸渣控制

3.2中藥提取流程的動畫設置

3.2.1實時數(shù)據(jù)庫設計

如圖5在實時數(shù)據(jù)庫中新建對象名稱為：閥門開度、反應罐液位、累計流量、瞬時流量、溫度1、溫度2、壓強、藥液循環(huán)時間、暫存罐溫度、暫存罐液位、夾套蒸汽壓強、提取罐液位上限、提取罐液位下限、暫存罐液位上限、暫存罐液位下限、溫度1上限、溫度2上限、溫度1下限、溫度2下限夾套蒸汽壓強上限、罐內(nèi)壓強上限的數(shù)值型數(shù)據(jù)對象，其中反應罐液位、累計流量、瞬時流量、暫存罐液位“基本屬性”中“小數(shù)位”設為：2；新建對象名稱為：提取罐出料口閥、濃縮閥、去碟片離心機閥、藥液循環(huán)泵、循環(huán)閥、乙醇閥、飲用水閥、暫存罐閥、蒸汽閥、排氣、旋蓋、開蓋、卸渣、攪拌的開關型數(shù)據(jù)對象；新建對象名稱為：報警數(shù)據(jù)組的組對象，組對象成員增加：溫度1、溫度2、暫存罐溫度、壓強、反應罐液位、暫存罐液位。

圖5　實時數(shù)據(jù)庫

3.2.2運行策略設計

運行策略是指對監(jiān)控系統(tǒng)運行流程進行控制的方法和條件，它能夠?qū)ο到y(tǒng)執(zhí)行某項操作和實現(xiàn)某種功能進行有條件的約束。運行策略由多個復雜的功能模塊組成，稱為“策略塊”，用來完成對系統(tǒng)運行流程的自由控制，使系統(tǒng)能按照設定的順序和條件，進行操作實時數(shù)據(jù)庫，控制用戶窗口的打開、關閉以及控制設備構件的工作狀態(tài)等一系列工作，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)工作過程的精確控制及有序的調(diào)度管理［3］。根據(jù)提取流程需要本文實時數(shù)據(jù)庫的設計如下。

圖6　運行策略

根據(jù)圖6建立打開數(shù)據(jù)窗口、提取罐出料口閥、提取罐泵、參數(shù)設置四個用戶策略和卸渣的循環(huán)策略，分別用于顯示所有數(shù)據(jù)窗口、關閉反應閥同時關閉提取罐泵、打開提取罐泵同時打開提取罐出料口閥。

3.2.3主控窗口設計

主控窗口是工程的主窗口感主框架。是所有設備窗口和用戶窗口的父窗口，負責這些窗口的管理和調(diào)度，并調(diào)度用戶策略的運行［4］。本系統(tǒng)主控窗口登陸界面如圖7所示。具體制作如下：

圖7　主控窗口

3.2.4權限設置

在菜單“工具”中單擊“用戶權限管理”，彈出“用戶管理器”。點擊“用戶組名”下面的空白處，再單擊“新增用戶組”會彈出“用戶組屬性設置”；可對負責人密碼進行設置；點擊“用戶名”下面的空白處，再單擊“新增用戶”會彈出“用戶屬性設置”，在“用戶密碼”，按“確認”按鈕，可以增加新用戶。

4　MCGS軟件與下層PLC相連接

在該系統(tǒng)中采用西門子S7-200型PLC通過PC/PPI電纜與上位機進行連接。上位機與PLC之間的協(xié)議為PPI協(xié)議

利用PC/PPI電纜可以將計算機（組態(tài)軟件）和S7-200 PLC連接起來，PC/PPI電纜連接計算機的一端為RS-232接口，連接PLC的一端為RS-485接口，計算機組態(tài)軟件與PLC的連接步驟如下：

①通過PC/PPI電纜上的DIP開關，選擇計算機（組態(tài)軟件）與PLC通訊的波特率為19200；

②把PC/PPI電纜的RS-232端連接到計算機的串行通一訊口（COM口）；

③把PC/PPI電纜的RS-485端連接到PLC的通訊口0或通訊口1。

⑴S7-200 PLC的I/0設備地址

由于S7-200系列PLC的型號不同，設備地址的范圍不同，所以對于某一型號設備的地址范圍，請見相關硬件手冊。地址的設定可通過編程軟件STEP7-Micro/WIN來實現(xiàn)。

⑵S7-200系列PLC數(shù)據(jù)類型

在57-200 PLC中，可以通過自由口通訊協(xié)議與組態(tài)軟件之間進行通訊的寄存器包括變量寄存器V，輸入映象寄存器I、輸出映象寄存器Q。

⑶自由口通訊協(xié)議

在本套系統(tǒng)中，通訊協(xié)議采用主從的問答方式，上位機（組態(tài)軟件）為主呼方，下位機（PLC）為應答方。協(xié)議格式如下，最后一字節(jié)為校驗字節(jié)，校驗字節(jié)為前面所有字節(jié)的按位異或值。

5　設計結果

中藥提取MCGS自動控制系統(tǒng)包括對提取罐和暫存罐的控制。對提取罐的控制包括加料，飲用水和蒸汽的控制，對飲用水流量進行了實時測量，對液面，溫度，壓強進行了實時監(jiān)控；對藥液循環(huán)進行了自動化控制，當提取罐出料口閥、藥液循環(huán)泵和循環(huán)閥同時打開時，藥液開始循環(huán)，循環(huán)開始后自動記錄循環(huán)時間；對藥液攪拌進行了自動化控制，當攪拌啟動后自動記錄攪拌時間；對卸渣過程進行了設計，依次經(jīng)過排氣，旋動蓋子，打開蓋子三個步驟。對暫存罐的溫度、壓強、液位都進行實時監(jiān)控。在系統(tǒng)運行前，選中參數(shù)設置界面，對提取罐及暫存罐的液面、溫度和壓強的上下限值進行設置，以實現(xiàn)提取過程中的報警控制，本軟件對參數(shù)設置進行了權限設置，僅管理員可以進行修改。相對傳統(tǒng)中藥提取，MCGS中藥提取自動化控制系統(tǒng)使得中藥提取更加方便、安全、快捷，節(jié)省了大量人力物力。

6　結束語

如何使傳統(tǒng)中醫(yī)藥與世界醫(yī)藥接軌是我國中藥產(chǎn)業(yè)必須解決的課題。從傳統(tǒng)中藥的特點來看，中藥的提取與精制是必須解決的首要問題。中藥提取就是“存其精華，去其糟粕”的過程，也是中藥制藥的關鍵所在。傳統(tǒng)的中藥提取一般是水煎法，煮沸2次，煎煮溫度高、時間長、耗能大、浪費多［6］。為了解決這些問題，利用MCGS組態(tài)軟件控制中藥提取的過程很好的改善了以上的不足。

本文結合MCGS控制系統(tǒng)組態(tài)軟件，詳細地論述了工控組態(tài)軟件的原理及其實現(xiàn)中藥提取自動化控制具體過程。采用了MCGS一種新的控制策略方法——圖形組態(tài)法，這種方法具有“所見即所得”的特性，對于熟悉傳統(tǒng)儀表控制的工程技術人員來說，組態(tài)十分方便，解決了傳統(tǒng)的組態(tài)軟件中編程語言組態(tài)不直觀的缺點。組態(tài)軟件在大多數(shù)工業(yè)上都有較廣的應用，具有很好的發(fā)展前景。由此可見，MCGS組態(tài)軟件在中藥提取應用中具有廣闊的發(fā)展空間。

［1］吉紅.基于MCGS的水流量標準裝置計算機控制系統(tǒng)的研究［D］.天津：津大學，2005.

［2］仲錫銅，馮崇華，張薇.中藥提取方法的特點與應用［J］.山東醫(yī)藥工業(yè)，2002，21（6）：23-24.

［3］許文竹.基于MCGS組態(tài)軟件的水環(huán)境多因子監(jiān)控系統(tǒng)［C］.江蘇大學，2006

［4］楊軼環(huán).現(xiàn)代中藥提取技術進展［J］.中國藥房，2006（17）：11-13.

［5］MCGS用戶指南［S］.2006.

［6］劉旭海，陳小榮，魏筱華.現(xiàn)代中藥提取與自動化控制［J］.中國中醫(yī)藥信息雜志，2004-10，11（10）：887-888.

MCGS Based Configuration Software and Extraction Process of Chinese Medicine PLC Automatic Control System Research

HE Jun-qing1，ZHENG Peng-wu2，LI Chao2
（1 National Pharmaceutical Engineering Center，Nanchang Jiangxi 330006）（2 Jiangxi Science&Technology Normal University，Nanchang Jiangxi 330000）

With the development of modern science and technology，an increasing number of modern pharmaceutical technology in the field of traditional Chinese medicine，ancient Chinese medicine inject new vitality.Especially in the field of Chinese medicine extract the application of new technologies，making Chinese medicine has a great leap in the level of extraction.Developed rapidly in recent years to traditional Chinese medicine extract production process of the preparation of proprietary Chinese medicine Chinese medicine production industry has become an important part of the advanced extraction technology of Chinese medicine and Chinese medicine is safe and effective products has a direct relationship.This article summarizes the relevant literature，details MCGS configuration software and its application in traditional Chinese medicine extraction process with the application and analysis of the technology in the production and application of Chinese medicine in the merits of the author of modern the development of Chinese medicine point of view.

configuration software；MCGS；Chinese extraction；automatic control

O245

A

1008-1739（2015）14-62-4

定稿日期：2015-06-26