過程控制及批次管理系統(tǒng)在API 原料藥上的應(yīng)用

中國原料藥在全球處于領(lǐng)先地位，且市場還在不斷擴(kuò)大——中國是原料藥生產(chǎn)和出口大國，可生產(chǎn)1 500 多種原料藥和中間體，占全球仿制藥、原料藥產(chǎn)品市場27.7%的份額。目前，絕大多數(shù)原料藥生產(chǎn)企業(yè)屬于中小化工企業(yè)，生產(chǎn)特點(diǎn)多為間歇生產(chǎn)且工藝路線復(fù)雜，生產(chǎn)過程自動化程度較低，相關(guān)技術(shù)人才匱乏。隨著國家兩化融合（工業(yè)化和信息化）的穩(wěn)步推進(jìn)，如何合規(guī)高效地完成原料藥生產(chǎn)自動化的實施，對原料藥生產(chǎn)企業(yè)而言是一個新的挑戰(zhàn)。

原料藥典型需求

工藝流程：原料藥生產(chǎn)的主要方式是化學(xué)合成藥物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)一般是起始物料與其他化合物通過一定步驟的化學(xué)反應(yīng)得到的目標(biāo)產(chǎn)物。

常規(guī)原料藥生產(chǎn)工藝如下：化學(xué)合成原料藥生產(chǎn)工藝；發(fā)酵類原料藥生產(chǎn)工藝；無菌原料藥生產(chǎn)工藝；動植物提取類原料藥生產(chǎn)工藝?；瘜W(xué)原料藥的典型工藝流程可分為13 個單元操作步驟，即合成反應(yīng)、過濾、萃取/分離、脫色、過濾、水解/分層、脫色、過濾、結(jié)晶、離心、干燥、過篩及包裝。

工藝特點(diǎn)：屬于精細(xì)化工，自動化集成度較低，管罐工藝設(shè)計固定，通常無成熟的自動化設(shè)計。

控制系統(tǒng)典型架構(gòu)

監(jiān)控層

DCS 服務(wù)器：PCS 系統(tǒng)配置的冗余服務(wù)器，在其上分布有對應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備對象。同時，可安裝PES 數(shù)據(jù)采集軟件，采集來自設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)雙向通信。在運(yùn)行過程中，這些服務(wù)器將按照既定的策略，保存數(shù)據(jù)和將錯誤報警到對應(yīng)的實時歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器（Historian Server），以供后續(xù)分析。

InBatch 服務(wù)器：PCS 系統(tǒng)配置的用于批處理的1 臺冗余服務(wù)器。用于運(yùn)行InBatch 服務(wù)及電子批記錄數(shù)據(jù)存儲，此批次控制服務(wù)器運(yùn)行配方，并通過系統(tǒng)平臺實現(xiàn)和設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，是設(shè)備完全遵循配方要求的生產(chǎn)工藝運(yùn)作。同時，接收并存儲來自Batch Server 的所有數(shù)據(jù)，記錄完整的批次數(shù)據(jù)和電子簽名信息，完全滿足FDA 21 CFR Part 11 的功能要求。

實時歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器：PCS 系統(tǒng)配置的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，保存所有來自DCS Server 和工藝過程及生產(chǎn)環(huán)境所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及報警。

OPC 數(shù)據(jù)服務(wù)器（OPC Server）配置了一臺OPC 數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于采集數(shù)據(jù)服務(wù)器及現(xiàn)場上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過OPC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)與上層企業(yè)層網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為MES、WMS、LIMS 等企業(yè)層系統(tǒng)提供通用數(shù)據(jù)平臺（可選配置）。

工程師站：在中控室配置的工程師站（也作為Batch 工程師站），用于保存SCADA 系統(tǒng)的所有配置信息、組態(tài)工藝的監(jiān)控畫面、批次配方等。工程師站是整個系統(tǒng)的維護(hù)工作站，用來進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)和新配方的編輯、排程等；方便用戶對監(jiān)視系統(tǒng)的管理操作，通過嚴(yán)格的安全性設(shè)置，只有運(yùn)營維護(hù)工程師及管理工程師才能對系統(tǒng)進(jìn)行修改和維護(hù)。工程師站上同時兼有開發(fā)組態(tài)畫面，配置有設(shè)置系統(tǒng)對象、保存組態(tài)數(shù)據(jù)庫等方面的開發(fā)功能。

DCS 操作員站：中控室DCS操作員站及現(xiàn)場操作員站（觸摸式平板電腦）監(jiān)視畫面程序。用于監(jiān)控生產(chǎn)過程的工藝狀態(tài)，并可以根據(jù)用戶權(quán)限遠(yuǎn)程控制操作工藝設(shè)備?？蓜討B(tài)監(jiān)視批次的運(yùn)行狀態(tài)，即時生成Batch 生產(chǎn)報表，實現(xiàn)產(chǎn)品、原料、設(shè)備、譜系、生產(chǎn)過程等各種報表，客戶端可以隨時以C/S 方式查看各種報表。

控制層

過程控制部分配置冗余的M580 控制器，公用及數(shù)據(jù)采集部分配置單邊M580 控制器。每套控制器接入若干遠(yuǎn)程I/O 站，遠(yuǎn)程I/O 站與控制器之間通過以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接。

采用環(huán)形以太網(wǎng)連接系統(tǒng)內(nèi)各遠(yuǎn)程I/O 站。儀表可直接接入各遠(yuǎn)程I/O 站的模塊。第三方OEM設(shè)備及閥島通過網(wǎng)絡(luò)方式接入系統(tǒng)。系統(tǒng)支持星型，菊花鏈等多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)配置

自控系統(tǒng)采用2 級網(wǎng)絡(luò)、控制室的千兆高速以太網(wǎng)和現(xiàn)場控制光纖環(huán)網(wǎng)。通過工業(yè)千兆高速以太網(wǎng)交換機(jī)連接各服務(wù)器、操作站和工程師站。通過帶防火墻的網(wǎng)關(guān)連接到其他系統(tǒng)，如MES等。采用光纖環(huán)網(wǎng)連接操作員站服務(wù)器（OPC 服務(wù)器）、各系統(tǒng)冗余控制器和各OEM 系統(tǒng)設(shè)備?？刂破髋c控制器之間形成光纖以太環(huán)網(wǎng)，保證了穩(wěn)定性和可靠性。該網(wǎng)絡(luò)是基于以太網(wǎng)的千兆光纖工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。保證控制器與控制器之間，以及控制器和服務(wù)器之間的穩(wěn)定可靠的通信。每個控制器內(nèi)部采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，遠(yuǎn)程I/O 站與遠(yuǎn)程I/O 站以及冗余控制器之間形成環(huán)網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)采用施耐德電氣專用的RIO 控制網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)高效穩(wěn)定的工作。每個樓層的OEM 設(shè)備通過外設(shè)匯聚交換機(jī)匯聚，再通過交換機(jī)接入環(huán)網(wǎng)。

現(xiàn)場工藝界面

在大型原料藥合成項目上的應(yīng)用案例

項目介紹

該客戶是國內(nèi)大型原料藥生產(chǎn)龍頭企業(yè)，本項目是該客戶在某園區(qū)內(nèi)I 期建設(shè)項目，項目規(guī)模分為4 個原料藥合成車間、3 個動力車間、2 個質(zhì)檢站、2 個回收車間、2 個倉庫、罐區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)等區(qū)域。施耐德電氣在此項目中作為系統(tǒng)集成商，主要負(fù)責(zé)如下幾大系統(tǒng)：

●1 個原料藥合成車間批次過程控制 DCS 系統(tǒng)+SIS 系統(tǒng)；

●2 個回收車間批次過程控制 DCS 系統(tǒng)。

系統(tǒng)配置規(guī)模：

●5 套M580 H586040 冗余控制器；

●3 套M340 數(shù)采控制器；

●1 套Quantum 安全控制器；

●1 套Historian 實時數(shù)據(jù)庫；

●3 套InBatch Server+1 套開發(fā)客戶端+8 套客戶端；

●3 套PES IO Server+1 套工程師站+7 套客戶端。

施耐德電氣提供的全廠整體控制及管理解決方案：

●通過Wonderware InBatch實現(xiàn)配方的創(chuàng)建及管理；

●利用PES 系統(tǒng)平臺實現(xiàn)DCS 分布式控制系統(tǒng)的部署；

●應(yīng)用施耐德電氣數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與不同OEM 的設(shè)備集成；

●采用Citect SCADA 定制不同設(shè)備的操作界面，并在統(tǒng)一的平臺發(fā)布；

●InBatch 開放的編程接口提供與MES 系統(tǒng)的無縫集成。

工程設(shè)計工作內(nèi)容：

●復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計：EtherNet/ProfiBus-DP/ModBus 485；

●PES 系統(tǒng)實際開發(fā)的控制對象數(shù)：9000+；Batch 系統(tǒng)Phase數(shù)量：1800+；

●第三方通信接口的開發(fā)：100+；

●將PES 和InBatch 批次 系統(tǒng)做了深度整合，便于現(xiàn)場靈活操作及使用；

●開發(fā)了適合維護(hù)人員巡檢的故障查詢及網(wǎng)絡(luò)診斷界面。

項目難點(diǎn)分析

1、工藝流程之間的物料傳輸管理：原料藥生產(chǎn)的一大特點(diǎn)是,物料要在不同的反應(yīng)罐之間按工藝流程進(jìn)行有序的流動。工藝流程環(huán)節(jié)多，產(chǎn)品種類多，反應(yīng)罐等設(shè)備的應(yīng)用組合就會多樣化，這會導(dǎo)致設(shè)備間物料流向的多組合可能，在不同工藝流程之間的物料傳輸管理是批次模型中最難處理的環(huán)節(jié)。處理不當(dāng)會出現(xiàn)傳輸設(shè)備沖突、傳輸路徑選擇沖突的情況。

解決方案：InBatch 批次管理系統(tǒng)在ISA-S88 的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出了物料傳輸?shù)母拍钅Ｐ?，針對不同UNIT 之間的物料流向過程創(chuàng)建了物料傳輸模型，在模型基礎(chǔ)上增加了物料傳輸Phase、管路連接狀態(tài)的管理、動態(tài)管理設(shè)備間物料流動的多路徑選擇，實現(xiàn)了在批次生產(chǎn)過程中物料傳輸?shù)淖詣釉O(shè)備仲裁和傳輸路徑自動選擇的功能，合理規(guī)劃物料流向，極大提高了 物料轉(zhuǎn)移的可靠性和靈活性，以及設(shè)備的利用率。

2、不同生產(chǎn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互：原料藥車間除了DCS 主控系統(tǒng)外，還有許多服務(wù)于各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的獨(dú)立系統(tǒng)成套設(shè)備，需要在DCS 系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下協(xié)同完成整個生產(chǎn)工藝流程，如投料系統(tǒng)、離心機(jī)系統(tǒng)、真空泵、空壓機(jī)等第三方設(shè)備，這樣就需要DCS 控制系統(tǒng)與各第三方設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)車間設(shè)備數(shù)據(jù)互通。

解決方案：施耐德電氣提供的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)PRM 和PXM，NOM模塊，以及合作伙伴Prosoft 的Profinet 網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)車間第三方OEM 設(shè)備的數(shù)據(jù)集成。通信的協(xié)議主要包括Profibus DP、Profinet、Modbus TCP、ModbusRTU 等，通過廠級光纖環(huán)網(wǎng)到達(dá)各個生產(chǎn)設(shè)備，打破各成套設(shè)備的數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)DCS 系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求對車間內(nèi)各成套設(shè)備的全局調(diào)度控制，真正實現(xiàn)了車間生產(chǎn)的全局自動化。同時可以對各生產(chǎn)子系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，保證了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的完整性和可追溯性，以及車間自控系統(tǒng)的合規(guī)性。

反應(yīng)釜溫控界面

3、原料藥反應(yīng)釜內(nèi)溫度精確控制難點(diǎn)：

●特定工藝的反應(yīng)釜要求釜內(nèi)溫度精準(zhǔn)受控；

●物料混合快速反應(yīng)急劇產(chǎn)生大量熱量，有潛在的爆炸風(fēng)險；

●反應(yīng)釜的釜內(nèi)溫度相對于外部冷/熱媒管路溫度具有滯后性。

解決方案：

●采用同時控制流量和釜內(nèi)溫度的PID 雙控模式，利用手動滴加經(jīng)驗，找出滴加過程中滿足溫度在受控范圍，且同時滿足在時間內(nèi)完成的滴加的流量隨滴加時間的分段流量經(jīng)驗值，使用 PID根據(jù)滴加的時間段通過調(diào)節(jié)閥來控制目標(biāo)的流量，實踐證明這種流量經(jīng)驗值+PID 的控制方法對于大量放熱的滴加過程起到了非常好的控制效果。

●采取2 級PID 串級控制。對于釜內(nèi)溫度滯后于冷/熱媒管路調(diào)節(jié)閥的情形，如果直接使用釜內(nèi)溫度作為反饋，把調(diào)節(jié)閥作為一級PID 調(diào)節(jié)，調(diào)控效果并不理想。如果把釜內(nèi)溫度和冷/熱媒管路流量作為第一級 PID，冷/熱媒管路流量與調(diào)節(jié)閥作為第二級PID，使用串級PID 的控制方法，實際控制效果明顯比采用單級PID控制效果好，可以滿足生產(chǎn)工藝的溫度控制精度要求。

客戶收益

●使用FDA 21 CFR Part 11合規(guī)的自動化系統(tǒng)，降低系統(tǒng)驗證的風(fēng)險和成本；

●使批次生產(chǎn)過程中高效的生產(chǎn)設(shè)備資源實現(xiàn)可管理；

●真正意義上的柔性生產(chǎn)及排產(chǎn)調(diào)度管理；

●實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，自動生成電子批記錄；

●無需修改自動化程序即可實現(xiàn)多工藝配方流程。