物料配制罐溫度自動(dòng)控制的超調(diào)處理

劉洋陳棚李川

（成都蓉生藥業(yè)有限責(zé)任公司，四川成都610023）

0 引言

在工廠生產(chǎn)自動(dòng)化程度日益提高的今天，設(shè)備自動(dòng)化控制的精度高低將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收益。對(duì)于藥品生產(chǎn)而言，生產(chǎn)制作過(guò)程的溫度控制是極其重要的，在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中能否精確控制溫度具有舉足輕重的地位。

本文主要闡述了某制藥公司在血漿蛋白分離反應(yīng)過(guò)程中如何精確控制物料配制罐的溫度，并提出了配制罐在使用過(guò)程中如何解決溫度超調(diào)問(wèn)題的方法。

1 配制罐的溫度控制原理

配制罐的溫度控制主要是通過(guò)動(dòng)力站提供-20℃、循環(huán)壓力為0.28 MPa的乙二醇作為冷媒介質(zhì)，進(jìn)入配制罐夾層與制品進(jìn)行熱交換，以達(dá)到對(duì)制品進(jìn)行降溫的目的。

配制罐的溫控部件主要包括：3個(gè)自動(dòng)兩通球閥、1個(gè)自動(dòng)三通球閥、1個(gè)調(diào)節(jié)閥、1個(gè)循環(huán)泵、2個(gè)溫度傳感器。

配制罐的制冷控制原理：調(diào)取配制罐的溫度控制程序，并設(shè)定相應(yīng)要求的溫度后啟動(dòng)程序。系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟相關(guān)自動(dòng)球閥（HV16、HV61、HV59），使得配制罐夾層的冷媒呈充盈狀態(tài)，并達(dá)到冷媒充盈所需的設(shè)定時(shí)間，以保證配制罐夾層具有足夠的冷媒。當(dāng)溫度控制系統(tǒng)判斷配制罐內(nèi)溫度≤配制罐設(shè)定的溫度SP1值＋5℃后，系統(tǒng)關(guān)閉循環(huán)自動(dòng)球閥HV61，開(kāi)啟調(diào)節(jié)閥TCV05和循環(huán)泵PU-6，再根據(jù)配制罐溫度計(jì)算出配制罐的冷媒控制溫度SP2值，實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制循環(huán)管路溫度，以達(dá)到精確控溫的目的。配制罐的溫度控制如圖1所示。

制品從傳輸完成到開(kāi)始清洗配制罐時(shí)結(jié)束控溫程序。

2 調(diào)節(jié)閥與配制罐的控溫故障

要想精確控制配制罐溫度，其調(diào)節(jié)閥是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行將直接影響到配制罐溫度控制的精確性。溫度傳感器的溫度檢測(cè)出現(xiàn)故障時(shí)（一般體現(xiàn)為溫度檢測(cè)離線），其溫度控制系統(tǒng)就無(wú)法正?？販亍?/p>

2.1 調(diào)節(jié)閥

本文以常用的寶帝調(diào)節(jié)閥控制器8692為例進(jìn)行說(shuō)明，它不僅能作為PID控制器進(jìn)行位置控制，還能以連續(xù)控制的方式進(jìn)行過(guò)程控制。

調(diào)節(jié)閥工作原理：調(diào)節(jié)閥通過(guò)外部反饋位置傳感器測(cè)量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)定位器位置。隨著調(diào)節(jié)閥開(kāi)關(guān)定位器位置的變化，位置傳感器的電勢(shì)隨之成正比例變化，輸出一電壓信號(hào)至調(diào)節(jié)閥控制器，在控制器中連續(xù)地與系統(tǒng)所要求的執(zhí)行位置進(jìn)行連續(xù)比較，形成控制偏差。對(duì)應(yīng)于這些偏差，將不同脈寬的脈沖送到電氣系統(tǒng)的電磁閥上，通過(guò)該脈沖控制連續(xù)調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣和排氣，其排氣過(guò)程通過(guò)閥體的彈簧作用力完成。調(diào)節(jié)閥所需位置通過(guò)外部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入（手動(dòng)或通過(guò)外部控制器輸入）或由內(nèi)部過(guò)程控制器決定。當(dāng)調(diào)節(jié)閥所需位置由內(nèi)部過(guò)程控制器決定時(shí)，所需過(guò)程值由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入或通過(guò)鍵盤輸入，并與被控制的實(shí)際過(guò)程值（如流量、壓力、液位或溫度）相比較，以控制設(shè)定的過(guò)程參數(shù)。

圖2為連續(xù)調(diào)節(jié)閥工作原理。

圖1 配制罐的溫度控制

2.2 配制罐控溫故障原因

在使用過(guò)程中，配制罐常見(jiàn)的控溫故障有：在配制罐溫度控制過(guò)程中，制品溫度低于制品的溫度設(shè)定值，并且溫度一直呈下降趨勢(shì)，出現(xiàn)溫度超調(diào)現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查確認(rèn)，配制罐制品溫度處于精確控制過(guò)程中，且溫度控制系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為“0”時(shí)，其用于控制冷媒通量的調(diào)節(jié)閥因故障而無(wú)法關(guān)閉，導(dǎo)致低溫冷媒進(jìn)入配制罐夾層，致使制品溫度下降。

圖2 連續(xù)調(diào)節(jié)閥工作原理

由于此類調(diào)節(jié)閥的工作頻率高且已使用年限長(zhǎng)，其閥芯接觸的冷媒介質(zhì)摻雜鐵屑，結(jié)合調(diào)節(jié)閥工作原理，配制罐出現(xiàn)溫度超調(diào)的原因分析如下：

（1）由于管路為碳鋼管，閥芯的關(guān)閉位置上存有鐵顆粒，阻礙閥門關(guān)閉，此類情況通常會(huì)引發(fā)連續(xù)的溫度超調(diào)現(xiàn)象。而本文探討的溫度控制系統(tǒng)的超調(diào)現(xiàn)象只是偶爾發(fā)生的，故可排除此種原因。

（2）閥芯腐蝕與閥門卡阻，此類情況通常會(huì)引發(fā)連續(xù)的溫度超調(diào)現(xiàn)象，因此也可排除此種原因。

（3）如果反饋位置傳感器無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，就無(wú)法根據(jù)溫度控制系統(tǒng)正常輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)冷媒通量，有可能引起溫度超調(diào)。但是，通過(guò)對(duì)比調(diào)節(jié)閥開(kāi)度值與溫度控制系統(tǒng)接收的反饋開(kāi)度值，發(fā)現(xiàn)兩者開(kāi)度一致，因此可以判定調(diào)節(jié)閥的反饋位置傳感器工作正常，不會(huì)引起溫度超調(diào)。

（4）如果用于調(diào)節(jié)閥通氣/排氣的電磁閥不能正?？刂普{(diào)節(jié)閥氣缸壓力，使得調(diào)節(jié)閥運(yùn)行不穩(wěn)定，就有可能引起溫度超調(diào)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，根據(jù)溫度控制系統(tǒng)給定的信號(hào)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，且發(fā)現(xiàn)該開(kāi)度與溫度控制系統(tǒng)的反饋開(kāi)度一致。調(diào)節(jié)閥在工作過(guò)程中無(wú)漏氣現(xiàn)象，因此可以判定用于調(diào)節(jié)閥通氣/排氣的電磁閥工作正常，不會(huì)引起溫度超調(diào)。

綜上，由于本文探討的溫度控制系統(tǒng)的超調(diào)現(xiàn)象是偶爾發(fā)生的，且已出現(xiàn)多次。因此，可排除以上導(dǎo)致溫度超調(diào)的原因。

根據(jù)調(diào)節(jié)閥的工作原理可知，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電磁閥將開(kāi)啟進(jìn)行排氣，在氣缸內(nèi)部彈簧的作用力下調(diào)節(jié)閥執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作。由于溫度控制系統(tǒng)出現(xiàn)的超調(diào)均發(fā)生在配制罐的精確控溫過(guò)程中，其調(diào)節(jié)閥工作開(kāi)度本來(lái)較小（控制在3%以內(nèi)），當(dāng)溫度控制系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時(shí)，調(diào)節(jié)閥此時(shí)開(kāi)度較小，關(guān)閉行程短，調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生機(jī)械阻力后將無(wú)法有效地完全關(guān)閉閥門。因此，配制罐夾層將持續(xù)進(jìn)入微量的低溫冷媒，導(dǎo)致配制罐溫度超調(diào)。

3 配制罐溫度自動(dòng)控制的超調(diào)處理

由于配制罐出現(xiàn)溫度超調(diào)的概率不斷增加，若采用更換閥門的方式來(lái)解決此問(wèn)題將耗時(shí)較長(zhǎng)。而制藥公司生產(chǎn)任務(wù)重，處于連續(xù)24 h生產(chǎn)中，加上調(diào)節(jié)閥安裝在D級(jí)潔凈環(huán)境中，其設(shè)備更換也將影響生產(chǎn)環(huán)境。綜合考慮更換調(diào)節(jié)閥費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本較高，在制藥公司現(xiàn)有生產(chǎn)條件下不宜更換，可采取以下措施進(jìn)行處理。

3.1 調(diào)整閥門工作參數(shù)

通過(guò)分析溫度控制系統(tǒng)的控溫過(guò)程數(shù)據(jù)，在精確控溫過(guò)程中，隨著配制罐溫度逐漸趨于設(shè)定值，其配制罐溫度變化較慢，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度將變得很小或關(guān)閉。結(jié)合調(diào)節(jié)閥使用情況，可通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的控制器參數(shù)（緊閉閥值和開(kāi)關(guān)速度）來(lái)解決問(wèn)題。

緊閉閥值（CLTIGHT）：設(shè)定值低于緊閉閥值時(shí)，閥門關(guān)閉，直到設(shè)定值大于緊閉閥值，閥門開(kāi)度才與設(shè)定開(kāi)度相同。

開(kāi)關(guān)速度（X-TIME）：表示閥門調(diào)節(jié)運(yùn)行行程所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，調(diào)節(jié)閥參數(shù)設(shè)置如下：（1）緊閉閥值（CLTIGHT）：將緊閉閥值設(shè)定為4.0，增加緊閉閥值以減少閥門在低開(kāi)度時(shí)的頻繁動(dòng)作和閥門的關(guān)閉行程；（2）開(kāi)關(guān)速度：將調(diào)節(jié)閥設(shè)定慢開(kāi)OPNSLOW（慢開(kāi)為速度計(jì)算值，設(shè)定值越大，閥門開(kāi)得越慢）為60，增加閥門開(kāi)啟時(shí)間使溫度控制更為穩(wěn)定，將調(diào)節(jié)閥設(shè)定為快關(guān)CLSFAST，當(dāng)溫度控制系統(tǒng)輸出信號(hào)要求閥門工作在開(kāi)度4%及以下時(shí)，閥門執(zhí)行完全關(guān)閉動(dòng)作。

需要注意的是，調(diào)節(jié)閥緊閉閥值和開(kāi)關(guān)速度的調(diào)整還應(yīng)根據(jù)冷媒供應(yīng)壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，其冷媒供應(yīng)壓力應(yīng)維持在2.6×105Pa為宜。

3.2 程序控制

從導(dǎo)致溫度超調(diào)的原因不難看出，溫度超調(diào)主要是由調(diào)節(jié)閥本身的工作特性和長(zhǎng)時(shí)間工作后其工作狀態(tài)發(fā)生變化引起的。而配制罐的制品反應(yīng)要求系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性較高，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和較高的收益，若只是對(duì)調(diào)節(jié)閥工作參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整，只能處理當(dāng)前的溫度超調(diào)問(wèn)題。調(diào)節(jié)閥隨著工作時(shí)間的增加會(huì)再次出現(xiàn)工作狀態(tài)的變化，仍會(huì)引起溫度超調(diào)。對(duì)于產(chǎn)品此階段生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，制品一般處于0℃以下進(jìn)行反應(yīng)，其工作環(huán)境溫度為2～8℃。若在溫度控制系統(tǒng)異常時(shí)能保證制品溫度不再下降，將有利于制品的反應(yīng)（因工作環(huán)境溫度為2～8℃，當(dāng)停止制冷后制品升溫較為緩慢不影響制品對(duì)溫度的要求）。為此，可通過(guò)程序控制的方式解決因調(diào)節(jié)閥故障而出現(xiàn)的溫度超調(diào)。

3.2.1 程序修改原則

不改變?cè)信渲乒逌囟瓤刂七^(guò)程及邏輯，只在加緩沖液至制品的傳輸過(guò)程中對(duì)溫度超調(diào)現(xiàn)象進(jìn)行控制，以保證制品溫度在整個(gè)制作過(guò)程中滿足工藝要求。當(dāng)配制罐出現(xiàn)溫度超調(diào)、配制罐溫度或配制罐冷媒循環(huán)溫度離線時(shí)，啟動(dòng)“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序，將進(jìn)冷媒閥關(guān)閉，以阻止低溫冷媒進(jìn)入配制罐夾層，使制品溫度過(guò)低，超出制作工藝要求。

3.2.2 配制罐溫度超調(diào)的預(yù)防控制程序

配制罐溫度超調(diào)的預(yù)防控制程序邏輯如表1所示，控制流程如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)有配制罐溫度控制程序，確定在開(kāi)始添加緩沖液時(shí)啟動(dòng)“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序，從制品傳輸完成到夾層排空時(shí)退出“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序。

在配制罐溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際使用過(guò)程中，會(huì)多次改變配制罐設(shè)定的溫度SP1值，“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序應(yīng)即時(shí)作出邏輯判斷，以免影響正?？販亍．?dāng)配制罐實(shí)際溫度值與SP1值之差小于一特定值時(shí)，以此作為“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序啟動(dòng)的判斷條件之一（特定值由調(diào)試過(guò)程確定）。由于溫度的瞬間變化快，只有冷媒管路實(shí)際溫度值超出以冷媒管路SP2值為基準(zhǔn)控制的范圍后，才作為“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序啟動(dòng)的判斷條件之一。

啟動(dòng)“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序的條件：在添加緩沖液已啟動(dòng)、冷媒溫度的實(shí)際值低于設(shè)定值SP2值-0.2℃和配制罐溫度的實(shí)際值低于設(shè)定值SP1值-0.2℃這三個(gè)條件同時(shí)達(dá)到后，“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”控制程序才啟動(dòng)。

添加緩沖液?jiǎn)?dòng)后，當(dāng)配制罐溫度和冷媒溫度任一連續(xù)離線10 s，將啟動(dòng)“進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)”的報(bào)警程序。進(jìn)冷媒閥連鎖開(kāi)關(guān)觸發(fā)后，系統(tǒng)蜂鳴報(bào)警，控制界面提示報(bào)警信息?，F(xiàn)場(chǎng)使用人員發(fā)現(xiàn)報(bào)警后，可及時(shí)通知維修人員排除溫度超調(diào)故障，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

3.2.3 配制罐溫度超調(diào)的預(yù)防控制措施確認(rèn)

通過(guò)對(duì)配制罐溫度超調(diào)的預(yù)防控制措施進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試以及后期生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行確認(rèn)，可以有力地保證配制罐溫度超調(diào)的預(yù)防控制措施的落實(shí)，同時(shí)可保證配制罐制品溫度按照設(shè)定條件控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

表1 配制罐溫度超調(diào)的預(yù)防控制程序邏輯

圖3 控制流程

4 結(jié)語(yǔ)

精確的溫度控制以及有效的溫度調(diào)節(jié)對(duì)提高制藥企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和收益具有顯著的作用，這就要求生產(chǎn)人員充分地了解和掌握溫度控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備屬性和控制系統(tǒng)程序。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，結(jié)合設(shè)備屬性調(diào)整相關(guān)參數(shù)，同時(shí)針對(duì)溫度超調(diào)現(xiàn)象增加相應(yīng)的控制程序，這樣不僅可以降低設(shè)備的維護(hù)成本，還能使系統(tǒng)的運(yùn)行更為匹配制品的生產(chǎn)工藝流程，有效地解決溫度控制系統(tǒng)出現(xiàn)的溫度超調(diào)問(wèn)題，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

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