可編程控制器在制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘 要：PLC（可編程控制器），一種廣泛使用的過程控制裝置。本文以制藥生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展為背景，簡要介紹了PLC的發(fā)展歷史，組成和工作原理。在此基礎(chǔ)上介紹了可編程控制技術(shù)在制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用，從PLC的優(yōu)勢出發(fā)，大致選取了一些應(yīng)用于制藥生產(chǎn)過程中的具體實例，并淺要總結(jié)了目前的不足和可能的發(fā)展方向，為該技術(shù)的進一步發(fā)展及實際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：過程控制技術(shù)；PLC；可編程控制器；制藥生產(chǎn)

制藥行業(yè)，一種特殊產(chǎn)品的生產(chǎn)行業(yè)，自然有著其特殊的地位和重要性。近年來，隨著藥品行業(yè)需求量的增加，藥品GMP的頒布，以及《中國制造2025》，《醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展規(guī)劃指南》等醫(yī)藥行業(yè)相關(guān)政策的提出，傳統(tǒng)制藥行業(yè)的生產(chǎn)方式已難以滿足現(xiàn)代社會和現(xiàn)代工業(yè)的需求，加上近年來“工業(yè)4.0”，“智能制造”，“智能工廠”等理念的提出，在制藥生產(chǎn)當中，更加無人化，自動化，智能化的生產(chǎn)模式的發(fā)展便成為一種可能的趨勢。[1]在此目標實現(xiàn)的過程中，過程控制技術(shù)便發(fā)揮了重大作用。其中PLC（可編程控制器）具有眾多優(yōu)勢，已在食品，化工，機械等領(lǐng)域廣泛使用，且發(fā)揮了重大作用，也必然在制藥工業(yè)的發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮及拓展其優(yōu)勢，推動行業(yè)發(fā)展。

2 可編程控制器簡介[2]

2.1 PLC發(fā)展歷史

1969年DEC公司基于“新一代控制器應(yīng)具備的十大條件”研制出第一臺可編程控制器PDP-14，到美國汽車制造業(yè)應(yīng)用PLC控制技術(shù)取得成功，隨后PLC控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，各國各公司都相繼推出了自己的各代產(chǎn)品，成功地將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于機械，化工，食品，制藥，通信等眾多領(lǐng)域，同時其功能也更趨完善，與各個學(xué)科也有了越來越深入的融合。其按控制功能的發(fā)展，可大致劃分為初創(chuàng)，擴展，通信，開放以及現(xiàn)如今的滲透提升五個階段。

2.2 PLC組成結(jié)構(gòu)

PLC將各個領(lǐng)域成熟技術(shù)綜合運用，控制系統(tǒng)的實際組成基本與一般微型計算機相似，包括軟、硬件兩部分?？删幊炭刂破鞯能浖怯上到y(tǒng)軟件（又稱系統(tǒng)程序）和應(yīng)用軟件（又稱用戶程序）兩部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)主要包括基本控制單元（主機模塊、輸入模塊、輸出模塊、外圍接口模塊，電源模塊等五個主要部分），擴展單元和編程器，顯示器等外部設(shè)備組成。軟件系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)，缺一不可，共同組成PLC可編程控制器結(jié)構(gòu)，完成其設(shè)定功能。

2.3 PLC工作原理

可編程控制器具有運行和停止兩種工作狀態(tài)。運行時采用不斷循環(huán)地周期掃描工作方式，在一個掃描周期內(nèi)，基本包括運行監(jiān)控，與編程器交換信息，與數(shù)字處理器DPU交換信息，與外部設(shè)備接口交換信息，執(zhí)行用戶程序，輸入輸出等六個主要任務(wù)。

簡單來說，每個工作周期內(nèi)，在系統(tǒng)程序監(jiān)控下，微處理器CPU從首條指令開始，逐條按順序?qū)τ脩羧蝿?wù)程序進行查詢、判斷、執(zhí)行，直至遇到結(jié)束符，程序結(jié)束，然后又返回第一條，開始新的一輪掃描，不斷循環(huán)。

3 可編程控制器在制藥生產(chǎn)中應(yīng)用

3.1 PLC的優(yōu)勢

PLC從上世紀70年代中期初創(chuàng)階段主要進行邏輯運算，計數(shù)，計時及順序控制等，用于替代對開關(guān)量簡單控制的傳統(tǒng)繼電器?？焖侔l(fā)展到現(xiàn)如今各領(lǐng)域自動化，智能化，交叉融合的技術(shù)基礎(chǔ)及重要支持，足以凸顯其具有的先天優(yōu)勢和巨大的潛在發(fā)展空間。

發(fā)展至今，可編程控制器已具有眾多的優(yōu)勢特點，大致包涵：

1.軟、硬件設(shè)計從工業(yè)使用環(huán)境出發(fā)，因而使其具有高度可靠性、穩(wěn)定性和極強的抗干擾能力。

2.語言簡單，選擇眾多，編程方便靈活；信息顯示，友好集中的人機界面，操作簡便；自診斷等功能使維修工作量減少，維修技能要求降低，檢修維護更加快速容易。

3.模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計、安裝、調(diào)試、操作、維修等更加簡潔靈活。

4.可根據(jù)要求進行容量、功能、應(yīng)用、控制范圍的靈活擴展。

5.以工業(yè)控制為設(shè)計出發(fā)點，機電一體化，體積減小，能耗降低，功能完善。

6.具有一定的信息儲存功能，便于記錄分析，調(diào)整修改等。

7.自動化，智能化，在操作、維修等時期減少了人的參與與工作。

3.2 PLC在制藥生產(chǎn)中的具體應(yīng)用[3][4]

PLC因上述乃至更多的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于制藥生產(chǎn)當中，不僅體現(xiàn)在化學(xué)藥物方面，在現(xiàn)代中藥[5][6]，生物藥[7]相關(guān)領(lǐng)域也有其身影；不僅體現(xiàn)在混合[8][9]，攪拌[10]，發(fā)酵[7][11]，干燥[12][13][14]，包衣[15][16]，包裝[5][17]，配藥[5][6]等具體的藥物生產(chǎn)工藝方面，同時在生產(chǎn)環(huán)境的控制[18][19][20]，藥物相關(guān)用具的生產(chǎn)等方面[21]，也發(fā)揮著重大的作用；不僅體現(xiàn)在整個聯(lián)動工藝流程[22]的整合，改造，設(shè)計當中，對于閥門，轉(zhuǎn)鼓，攪拌器等具體裝置的控制，也為代替人工發(fā)揮了巨大作用……

3.2.1 PLC在發(fā)酵過程中的應(yīng)用

發(fā)酵過程是制藥生產(chǎn)尤其是抗菌素等涉及微生物的生產(chǎn)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但傳統(tǒng)的發(fā)酵過程，依賴或部分依賴于人工技術(shù)和經(jīng)驗，檢測不全面、不連續(xù)、不及時，發(fā)酵進程較難控制，人為干擾因素較多。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器應(yīng)用到藥品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中發(fā)酵罐的發(fā)酵和提取過程，進行溫度，壓力，液位，空氣流量，循環(huán)水流量，溶解氧含量，pH等多個生產(chǎn)過程重要參數(shù)的同步自動檢測、調(diào)控，并且發(fā)展出帶有自動消沫控制，連續(xù)自動和手動補料，以及故障出現(xiàn)時報警、自動補救等更加全面的、智能的生產(chǎn)保護功能，使具有更高的安全性，更穩(wěn)定的運行，更少的成本消耗，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。[11]中國藥科大學(xué)張小慧等人[7]，以國產(chǎn)組態(tài)軟件——通用監(jiān)控系統(tǒng)（MCGS）為上位機，采用西門子S7-200系列PLC為下位機主控器設(shè)計出具有對發(fā)酵過程多參數(shù)實時監(jiān)控，過程控制，并且具有報警和數(shù)據(jù)儲存等多功能的發(fā)酵過程控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代過程控制技術(shù)和醫(yī)藥生產(chǎn)過程的有效結(jié)合，推動了發(fā)酵生產(chǎn)工藝的自動化發(fā)展。

3.2.2 PLC在沸騰干燥過程中的應(yīng)用

隨著“高效濕法制粒-沸騰干燥”生產(chǎn)工藝被廣泛認可，沸騰干燥（流化床干燥）發(fā)展為一種可減少污染，操作方便，合乎GMP要求的生產(chǎn)工序?？諝饨?jīng)凈化、預(yù)熱、分布等過程后，將進料的濕顆粒吹起，使懸浮呈沸騰狀（流態(tài)化），利于物料流動的同時，增大與其接觸面積，干熱風(fēng)與濕物料間進行熱量和水分的交換，進而快速完成物料干燥。然而在工藝組合改進，提高生產(chǎn)效率的同時，需要對風(fēng)量，進、排風(fēng)溫度，風(fēng)門角度，物料量，物料溫度、濕度，氣囊密封，斗帶的安全保護等更多且更復(fù)雜的生產(chǎn)工藝參數(shù)進行實時監(jiān)測和調(diào)控。面對這些新的生產(chǎn)要求，PLC可編程控制系統(tǒng)再次發(fā)揮其優(yōu)勢。劉潔等人[13][14]采用西門子S7-200PLC和西門子PLC S7-226控制方式，設(shè)計出可解決上述生產(chǎn)新問題，且符合GMP要求的沸騰干燥機，針對準備、進料、干燥、清洗、附屬等工藝流程選擇出了最優(yōu)PLC控制算法，并且指出了干燥生產(chǎn)過程中最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇原則。PLC控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使制藥工藝生產(chǎn)更能滿足合理化，簡單化，自動化，智能化的要求，推動了現(xiàn)代社會工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

3.2.3 PLC在真空冷凍干燥過程中的應(yīng)用

真空冷凍干燥，因其眾多的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于藥品這類特殊產(chǎn)品的生產(chǎn)。但傳統(tǒng)凍干機，通過按鈕、繼電器等進行機械控制，觸點繁多，電路復(fù)雜，控制延遲，精密度差，且維修不便，越來越不適合凍干工藝的廣泛應(yīng)用。因此，基于PLC可編程控制技術(shù)發(fā)展出的凍干系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。滕浩[12]應(yīng)用PLC技術(shù)，設(shè)計改造出可手動、自動獨立運行的凍干機，能夠?qū)崿F(xiàn)主要參數(shù)設(shè)定，實時檢測，采集顯示，記錄分析，提示和報警等功能，可靠性、自動化程度高，滿足不同客戶的需求。提高了凍干工藝的智能化程度，為冷凍干燥過程的自動化實現(xiàn)提供了參考。

3.2.4 PLC在素片包衣過程中的應(yīng)用

包衣，具有增加藥物穩(wěn)定性，掩蓋不良氣味等功能，因此在藥物生產(chǎn)當中也是十分重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)包衣機采用繼電器形式進行邏輯控制，雖滿足了生產(chǎn)中對實用性的要求，但設(shè)備復(fù)雜，穩(wěn)定性差，存在滯后，維修困難，難以滿足日益增長的包衣工藝對于穩(wěn)定性，靈活性，智能化的需求。隨著PLC及配套技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)包衣機的模式已逐步被取代，發(fā)展出一系列應(yīng)用PLC技術(shù)的新型包衣機。陳永生[15]使用三菱系列可編程控制器及配套設(shè)備進行包衣機系統(tǒng)的改造，消除了使用繼電器的不足，加上觸摸屏人機界面，自動控制變頻器等，穩(wěn)定了生產(chǎn)過程，簡化了操作，取得了較好的優(yōu)化效果，提高了生產(chǎn)的自動化、智能化性能，滿足現(xiàn)代工藝要求，并且減少了設(shè)備保養(yǎng)費用等。同時，PLC技術(shù)也應(yīng)用于包衣機導(dǎo)流板，滾輪，噴槍等具體設(shè)備部件的控制[16]，解決了對應(yīng)問題，促進了包衣工藝整體的提升優(yōu)化。

4 可編程控制器的不足及未來發(fā)展

可編程控制器具有眾多先天優(yōu)勢，且在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中不斷發(fā)掘凸顯出更多的新興優(yōu)勢，但作為技術(shù)發(fā)展的一個時期，其在現(xiàn)階段應(yīng)用當中也暴露出一些問題。例如，1.各個廠家、型號產(chǎn)品間的兼容性差。2.不同國家和地區(qū)間有著不同的PLC生產(chǎn)標準、不同的適應(yīng)系統(tǒng)等，不利于醫(yī)藥企業(yè)全球化發(fā)展。3.與PLC生產(chǎn)設(shè)備相配套的操作人員，雖可進行一些日常的生產(chǎn)操作，但相應(yīng)的程序設(shè)計和設(shè)備修理等技能仍有待普及等。

針對PLC在現(xiàn)有制藥生產(chǎn)的不足，一方面可以通過對PLC及配套技術(shù)、設(shè)備、人員的繼續(xù)提升，設(shè)計、開發(fā)出針對于制藥行業(yè)特點的完整PLC系統(tǒng)。另一方面，也可基于PLC研究發(fā)展出更加自動，智能，全面，友好的操作系統(tǒng)。[23]相信在已有的基礎(chǔ)上，通過各方面的不斷努力，我國制藥行業(yè)必然會達到預(yù)期目標，乃至全球制藥行業(yè)定會得到極大提升，共同推進人類醫(yī)藥健康大發(fā)展。

參考文獻：

[1]趙皎云.楚天科技：推進藥品生產(chǎn)智能化——訪楚天科技股份有限公司鄭起平[J].物流技術(shù)與應(yīng)用，2018，23（06）：120-122+124.

[2]林錦國，張利，李麗娟.過程控制（第三版）[M].南京：東南大學(xué)出版社，2009.

[3]劉惠玲.PLC自動控制技術(shù)在制藥設(shè)備中的應(yīng)用[J].化工設(shè)計通訊，2018，44（08）：194-195.

作者簡介：

楊家琛，出生年1998，男，陜西省渭南市，本科生在讀，中國藥科大學(xué)，專業(yè)：制藥工程。