基于GMP標(biāo)準(zhǔn)的藥品陰涼庫溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉德勝，孔德權(quán)，陳曉偉，郭曉振，趙金碧

（佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，佳木斯 154007）

在測量的對(duì)象領(lǐng)域中，溫度和濕度成為其中必不可少的工藝參數(shù)，比如在食品工業(yè)、化工電子、氣象觀測和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各種工作環(huán)境中都需要對(duì)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測與控制[1]。尤其在食品和藥品行業(yè)對(duì)溫濕度控制要求更加嚴(yán)格，國家于2011年3月1日起施行《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范（2010年修訂）》，其中第三章第二十六條規(guī)定，倉儲(chǔ)區(qū)要保持清潔和干燥。照明、通風(fēng)等設(shè)施及溫度、濕度的控制應(yīng)符合儲(chǔ)存要求并定期監(jiān)測。

目前控制溫濕度的方法有很多，文獻(xiàn)[2]采用單片機(jī)控制方法，設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集精度高、響應(yīng)時(shí)間短，可以滿足大部分的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，但存在抗干擾能力比較弱的缺點(diǎn)，一定程度會(huì)影響控制精度。為了克服抗干擾能力弱的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[1]采用PLC為控制元件，使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但采用的LED只能顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不能夠顯示出時(shí)間段內(nèi)溫濕度的變化情況。針對(duì)問題，結(jié)合藥品GMP標(biāo)準(zhǔn)，本文提出一種以西門子PLC和觸摸屏相結(jié)合的控制系統(tǒng)，利用觸摸屏作為顯示裝置，解決了控制延時(shí)、抗干擾能力差等問題。

1 陰涼庫環(huán)境控制GMP標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)藥品經(jīng)營質(zhì)量管理規(guī)范（GMP）規(guī)定，藥品庫房應(yīng)當(dāng)具有能夠有效調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫濕度的設(shè)備。因此，在藥廠的成品庫中需要對(duì)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測與控制，隨著季節(jié)變化和儲(chǔ)存藥品的不同，可以設(shè)定不同溫濕度參數(shù)，以達(dá)到藥品貯存的最佳環(huán)境。具體要求如下：

（1）庫房在300 m2以內(nèi)需要設(shè)置2個(gè)監(jiān)測探頭，每增加300 m2需要增加1個(gè)探頭，按此要求設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)需要配有9個(gè)溫濕度監(jiān)測點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并能夠把數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)貯存。

（2）控制系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)和手動(dòng)2種控制模式，手動(dòng)模式下可以應(yīng)對(duì)庫內(nèi)的一些突發(fā)情況。

（3）管理員可以根據(jù)藥品貯存條件的不同進(jìn)行對(duì)溫濕度的上下限的修改，在庫內(nèi)溫濕度超出上下限一定值時(shí)能夠給予顯示和報(bào)警。

（4）在傳感器、風(fēng)機(jī)以及制冷機(jī)組發(fā)生故障或不正常工作時(shí)能夠給予故障顯示和報(bào)警。

2 控制目標(biāo)及調(diào)節(jié)方法

在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中，風(fēng)機(jī)始終以20 Hz的頻率運(yùn)行，以9個(gè)傳感器采集來的溫濕度的平均值與設(shè)定值相比較作為調(diào)節(jié)條件，設(shè)溫度范圍為15～20℃，相對(duì)濕度范圍為55%～75%。當(dāng)溫度低于16℃時(shí)，啟動(dòng)電加熱進(jìn)行加熱處理，直到溫度達(dá)到設(shè)定范圍的平均值時(shí)停止加熱；當(dāng)溫度高于20℃時(shí)，采用階段性調(diào)節(jié)方法提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，每高于上限0.5℃風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率提高5 Hz，風(fēng)機(jī)最高頻率設(shè)定為30 Hz。當(dāng)相對(duì)濕度低于55%時(shí)，蒸汽加濕閥打開進(jìn)行加濕處理，直到濕度達(dá)到設(shè)定范圍的平均值時(shí)停止加濕；當(dāng)相對(duì)濕度高于75%時(shí)，排風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，直到濕度達(dá)到下限時(shí)關(guān)閉排風(fēng)機(jī)。另外，在整套控制系統(tǒng)中添加了新風(fēng)閥，使得陰涼庫與外界能夠進(jìn)行空氣交換，但若室外溫度高于22℃或相對(duì)濕度大于80%，則關(guān)閉新風(fēng)閥?？照{(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空調(diào)機(jī)組結(jié)構(gòu)Fig.1 Air conditioning unit structure diagram

3 控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)以西門子PLC作為主控制器，搭配了觸摸屏和上位機(jī)，以溫濕度傳感器采集溫濕度，送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、汽加濕閥、電加熱閥、新風(fēng)閥等設(shè)備作為調(diào)節(jié)裝置，蜂鳴器為故障報(bào)警裝置。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，溫濕度通過溫濕度傳感器輸出的電信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換單元傳送給PLC，同時(shí)PLC把數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)顯示、記錄，并參照觸摸屏人機(jī)界面上溫濕度的設(shè)定值，若超出范圍，報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)，進(jìn)而對(duì)送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)、蒸汽加濕閥、電加熱閥、新風(fēng)閥等調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行控制。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Control system structure diagram

3.1 硬件部分

考慮到對(duì)溫濕度模擬量的采集，控制器選用西門子S7-200 Smart系列的CPU SR40型號(hào)的PLC以及 EM AE06、EM AQ04、EM AE04等擴(kuò)展模塊，觸摸屏選用與其對(duì)應(yīng)的Smart IE V3，溫濕度傳感器選用西門子QFA2060。CPU SR40用于實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯的控制、送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)開關(guān)的控制以及故障的指示與報(bào)警。EM AQ04為四模擬量輸出模塊，用于對(duì)新風(fēng)閥、冷水閥、預(yù)冷和蒸汽加熱閥的開關(guān)控制，EM AM06為四模擬量輸入，兩模擬量輸出模塊，用于對(duì)回風(fēng)和預(yù)處理后溫濕度的采集以及對(duì)蒸汽加濕閥開關(guān)和變頻電機(jī)頻率大小的控制，EM AE04為四模擬量輸入模塊，用于對(duì)9個(gè)采集點(diǎn)、送風(fēng)和室外溫濕度的采集。溫濕傳感器將輸出的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送到擴(kuò)展模塊的輸入端口，并模擬輸出信號(hào)給相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制[3]，其電氣原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電氣原理結(jié)構(gòu)Fig.3 Electrical schematic diagram

3.2 軟件部分

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.4 Flow chart of software design

該控制系統(tǒng)的軟件部分主要為PLC和觸摸屏的編程。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示，PLC上電后，在觸摸屏上對(duì)溫濕度的數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)溫濕度傳感器采集到溫濕度數(shù)據(jù)后在觸摸屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為了應(yīng)對(duì)突發(fā)情況和方便針對(duì)性控制，觸摸屏的主界面上有一個(gè)手動(dòng)、自動(dòng)的模式選擇旋鈕，同時(shí)，PLC會(huì)對(duì)新風(fēng)以及庫內(nèi)溫濕度的平均值進(jìn)行計(jì)算，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較。若超出上下限值，則進(jìn)行延時(shí)報(bào)警[4]，若出現(xiàn)偏差，則PLC下達(dá)控制指令，通過調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體的溫濕度調(diào)節(jié)子程序如圖5所示。

圖5 溫濕度調(diào)節(jié)子程序Fig.5 Temperature and humidity regulation subroutines

4 組態(tài)設(shè)計(jì)（界面、運(yùn)行曲線）

WinCC是西門子和微軟公司聯(lián)合開發(fā)的過程可視化監(jiān)控軟件[5]，該軟件能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，構(gòu)建溫濕度控制系統(tǒng)的組態(tài)界面。系統(tǒng)的組態(tài)界面主要包括溫度監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)，主要包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、I/O設(shè)備的連接、窗口界面的編輯、動(dòng)畫鏈接、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)表、用戶權(quán)限管理、策略組態(tài)、按鈕、菜單和腳本程序等內(nèi)容[6]。

陰涼庫溫濕度控制系統(tǒng)使用WinCC flexible SMART V3組態(tài)軟件，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析和記錄，并通過手動(dòng)或自動(dòng)控制機(jī)組運(yùn)行和超限故障報(bào)警。溫濕度顯示中將所有需要采集的工藝參數(shù)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，報(bào)警顯示包括工藝數(shù)據(jù)異常報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警和消防報(bào)警[7]，控制顯示包括系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和手、自動(dòng)模式切換。用戶管理設(shè)置為三類用戶，對(duì)應(yīng)著3種不同的安全級(jí)別，每類用戶有自己的用戶名和密碼，為不同的管理員提供相應(yīng)的權(quán)限，以便對(duì)各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行操作。

該溫濕度控制系統(tǒng)在現(xiàn)場運(yùn)行了8個(gè)月，在夏天和冬天天氣差異較大的情況下，系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況如圖6所示，通過手機(jī)APP清晰直觀地顯示各個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息和一個(gè)月內(nèi)的溫濕度變化情況，溫度和濕度可以穩(wěn)定在設(shè)定范圍之內(nèi)，具有較高的控制精度。

圖6 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果Fig.6 Actual operating results of the system

5 結(jié)語

基于GMP標(biāo)準(zhǔn)的溫濕度控制系統(tǒng)，以穩(wěn)定性高、通信能力強(qiáng)的西門子PLC作為主控制器，同時(shí)搭配西門子Smart 1000IE V3觸摸屏，通過人機(jī)界面進(jìn)行溫濕度和機(jī)組運(yùn)行情況實(shí)時(shí)顯示，能夠直觀地顯示出各個(gè)采集點(diǎn)溫濕度以及平均值和變化曲線，可以參數(shù)修改，手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式能夠應(yīng)對(duì)陰涼庫內(nèi)的各種突發(fā)情況，在遇到傳感器等設(shè)備故障或溫濕度異常時(shí)給予故障指示和蜂鳴報(bào)警。該系統(tǒng)能夠有效控制環(huán)境溫度保持在15～20℃之間，相對(duì)濕度保持在55%～75%之間，設(shè)計(jì)滿足GMP標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 李錦杰，費(fèi)旭云，畢松．基于PLC的溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化應(yīng)用，2017（4）：57-58．

[2] 曹菊峰．基于單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J]．電子制作，2014（24）：24-25．

[3] 張如萍，唐育正．基于PLC的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．暖通空調(diào)，2010，40（8）：128-130．

[4] 李彪，曹吉花．基于PLC的藥品倉庫溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．洛陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，33（8）：30-32．

[5] 梅奕，王慧芬．基于WinCC的電氣控制技術(shù)課程輔助教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]．中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（36）：22-23．

[6] 鄒逢興．微型計(jì)算機(jī)接口原理與技術(shù)[M].2版．長沙：國防科技大學(xué)出版社，2002．

[7] 謝潤哲，陳剛，張?jiān)S澤．基于PLC和WINCC的穩(wěn)熱供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子世界，2017（12）：129-130． ■