現(xiàn)代制藥生產(chǎn)自動(dòng)化控制中DCS系統(tǒng)的應(yīng)用分析

錢棟棟 沈夢(mèng)浩

[摘? ? 要]科技是第一生產(chǎn)力，制藥行業(yè)中的自動(dòng)化水平不斷提升，就是一個(gè)很好的例子。其中，DCS控制系統(tǒng)作為一種重要的工作系統(tǒng)，具備較強(qiáng)生產(chǎn)安全性，并可以顯著提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平。文章將基于DCS控制系統(tǒng)概念和優(yōu)勢(shì)，以原料藥（氯化鈉）的生產(chǎn)為例，對(duì)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行討論。

[關(guān)鍵詞]制藥生產(chǎn);自動(dòng)化控制;DCS控制系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TQ423.9 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–0–02

Application Analysis of DCS System in Modern Pharmaceutical

Production Automation Control

Qian Dong-dong，Shen Meng-hao

[Abstract]Technology is the primary productive force， and the continuous improvement of automation in the pharmaceutical industry is a good example. Among them， the DCS control system， as an important working system， has strong production safety and can significantly improve the level of production automation. The article will discuss the DCS control system based on the concept and advantages of the DCS control system， taking the production of raw materials （sodium chloride） as an example.

[Keywords]pharmaceutical production; automation control; DCS control system

1 DCS控制系統(tǒng)概念

DCS控制系統(tǒng)也稱為分散型控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，集多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)為一體，包括圖像顯示技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，當(dāng)前在化工、制藥、冶金領(lǐng)域中，應(yīng)用相對(duì)廣泛[1]。

在功能方面，DCS控制系統(tǒng)可以保證功能的實(shí)時(shí)性，對(duì)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，同時(shí)兼具報(bào)警與分析功能。具體來(lái)說(shuō)，①功能的實(shí)時(shí)性實(shí)質(zhì)指的是DCS控制系統(tǒng)可以基于輸入與輸出的自動(dòng)化，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并向相關(guān)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的反饋，大大減少了信息獲取過(guò)程中的時(shí)間差。另外，可以靈活對(duì)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)地調(diào)整，DCS控制系統(tǒng)可以結(jié)合生產(chǎn)工序中的參數(shù)情況（流量、溫度、壓力等），對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，為生產(chǎn)保駕護(hù)航。與此同時(shí)，DCS控制系統(tǒng)在調(diào)整功能上，同樣可以聚焦于能源與生產(chǎn)原料，最大程度降低成本，進(jìn)而在生產(chǎn)階段實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)成本的良好控制，從而有效提升生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。②DCS控制系統(tǒng)的報(bào)警功能，其實(shí)質(zhì)就是實(shí)時(shí)監(jiān)控各類生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，若存在異常情況，則借助自動(dòng)化控制系統(tǒng)，第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，并向廠內(nèi)維修人員傳達(dá)時(shí)間、地點(diǎn)等相關(guān)信息，方便維修人員快速做出響應(yīng)[2]。③DCS控制系統(tǒng)分析功能的實(shí)質(zhì)主要是現(xiàn)行狀態(tài)與系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)比分析實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)， 為查找設(shè)備故障， 檢修設(shè)備工作提供確切的參考依據(jù)。圖1所示為DCS控制系統(tǒng)。

2 DCS控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

2.1 促進(jìn)系統(tǒng)可靠性的提升

DCS控制系統(tǒng)功能通常包含硬件設(shè)備控制、軟件控制、信號(hào)控制等不同方面，借助集中控制模式，使系統(tǒng)處在離散環(huán)境中時(shí)，也能加強(qiáng)監(jiān)管的集中性，從而達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)流程的目的。應(yīng)用DCS控制系統(tǒng)，可以全面控制有關(guān)硬件與電路系統(tǒng)，優(yōu)化相關(guān)變量，特別是信號(hào)傳輸形式的改善，完成了傳統(tǒng)電子模型信號(hào)向二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的過(guò)渡，在信號(hào)傳輸階段優(yōu)勢(shì)不容忽視。這種信號(hào)傳輸方式，不但能夠有效增強(qiáng)面對(duì)外界因素干擾的抵抗力，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸質(zhì)量的提升，而且還能促進(jìn)傳輸誤差的減少，以保證信號(hào)傳輸相對(duì)準(zhǔn)確。除此之外，DCS控制系統(tǒng)的信號(hào)傳輸相對(duì)簡(jiǎn)潔，不會(huì)增加過(guò)多抗干擾器，因此促進(jìn)了DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的提升。

2.2 促進(jìn)系統(tǒng)控制開放性的提升

DCS控制系統(tǒng)在應(yīng)用階段，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)化模式下完善有關(guān)設(shè)計(jì)，通過(guò)主計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行靜幀分析，從而達(dá)到控制效果。同時(shí)，通過(guò)借助企業(yè)局域網(wǎng)，加強(qiáng)信號(hào)通信效果，從而提高模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化水平，完善系統(tǒng)控制功能，使控制系統(tǒng)在接入子系統(tǒng)時(shí)能夠相對(duì)便利。另外也應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的模塊，提高系統(tǒng)行使控制功能時(shí)的靈活性。

2.3 促進(jìn)系統(tǒng)操作性能的提升

DCS控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量過(guò)程信息與生產(chǎn)狀態(tài)，并且通過(guò)收集各控制點(diǎn)信息以各類信息（畫面、聲音、提示等）呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的可視化管理。從操作者角度講，若外界環(huán)境出現(xiàn)一定變化，可結(jié)合其運(yùn)行狀態(tài)，靈活調(diào)整液位、流量、壓力、系統(tǒng)溫度等參數(shù)，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。另外，從設(shè)備維護(hù)者角度講，制藥或化工生產(chǎn)中用到的原料可能存在一定腐蝕性及爆炸性，通過(guò)DCS控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)功能及報(bào)表功能，協(xié)助人員完成設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)，促進(jìn)系統(tǒng)工作效率的提升。

3 DCS控制系統(tǒng)在制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例

以原料藥（氯化鈉）的生產(chǎn)為例，對(duì)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)討論。

3.1 企業(yè)概況

甲企業(yè)是重要的制藥企業(yè)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，企業(yè)業(yè)務(wù)覆蓋飼料添加劑、原料藥和食用鹽的生產(chǎn)和銷售環(huán)節(jié)，年原料藥（氯化鈉）產(chǎn)量超過(guò)萬(wàn)噸。為提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，甲企業(yè)擬在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中加強(qiáng)DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.2 系統(tǒng)方案和控制結(jié)構(gòu)

加強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和完善，這也是能夠保障DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提， 將對(duì)DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、實(shí)時(shí)性產(chǎn)生較大影響。具體來(lái)說(shuō)，在一套DCS控制系統(tǒng)中，應(yīng)有I/O控制子站，以保證系統(tǒng)行使控制功能。通過(guò)這種方式，就能有效避免因一處站點(diǎn)失效，引發(fā)系統(tǒng)整體陷入癱瘓，“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的提升。同樣，也能使采集數(shù)據(jù)的功能由不同站點(diǎn)相互分擔(dān)，促進(jìn)系統(tǒng)性能的整體提升。DCS控制系統(tǒng)操作員站，是一個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用于操作、監(jiān)視、報(bào)警、趨勢(shì)顯示、報(bào)表查詢打印、工藝參數(shù)修改等工作。工程師站可以針對(duì)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和監(jiān)督，并在DCS控制系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)科學(xué)設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，第一時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，以保證DCS控制系統(tǒng)工作環(huán)境為最佳。

3.3 應(yīng)用具體情況和應(yīng)用范圍

結(jié)合原料藥（氯化鈉）的生產(chǎn)工藝，甲企業(yè)進(jìn)行了功能模板的設(shè)計(jì)，具體包括藥庫(kù)管理、電磁閥控制、空調(diào)凈化、功能切換（手動(dòng)/自動(dòng)）、蒸發(fā)結(jié)晶、鹵水凈化等。借助控制界面的功能，試驗(yàn)了相關(guān)工藝操作，實(shí)現(xiàn)了工作效率的極大提升。與此同時(shí)，結(jié)合各類型軟件包，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)軟件模塊自由配置，通過(guò)不同系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)不同功能的開發(fā)。例如應(yīng)用和產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、物料需求計(jì)劃系統(tǒng)、試驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)等。

3.3.1 應(yīng)用于鹵水凈化、蒸發(fā)結(jié)晶模板

DCS控制系統(tǒng)可以借助控制界面，科學(xué)控制料液溫度、料液流量、 料液反應(yīng)時(shí)間、 料液酸堿度等參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)料液的精密過(guò)濾、加料、排料、轉(zhuǎn)料、計(jì)量、脫水、干燥等。在此過(guò)程中，DCS控制系統(tǒng)可以自動(dòng)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，后期無(wú)論是檢索、查詢都相對(duì)簡(jiǎn)便，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，便于分析對(duì)比，方便找到問(wèn)題源頭，完全可以達(dá)到核心技術(shù)要求，在存儲(chǔ)上相對(duì)分散，卻基于全局角度進(jìn)行管理。

3.3.2 DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用于潔凈室

對(duì)潔凈室而言，最重要的標(biāo)準(zhǔn)就是潔凈度，而影響潔凈度的各項(xiàng)因素中，塵埃是首當(dāng)其沖的重要因素。通常情況下，可以通過(guò)盡量不開門或者少開門對(duì)塵埃進(jìn)行控制，這就需要在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮門禁控制系統(tǒng)實(shí)用性的優(yōu)勢(shì)，從而避免在開關(guān)門的問(wèn)題上投入較大人力成本。門禁系統(tǒng)控制功能，可以對(duì)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)不同門相互之間的互鎖狀態(tài)，特別是處于人員凈化通道區(qū)域的門。舉例來(lái)說(shuō)，若人員想要從一更到二更，需要經(jīng)過(guò)凈化緩沖區(qū)，若此區(qū)域門尚處在開啟狀態(tài)，此時(shí)就無(wú)法開啟二更門，通過(guò)這種方式，就可以實(shí)現(xiàn)避免因管理問(wèn)題產(chǎn)生的交叉污染。通過(guò)科學(xué)控制保證制藥成品的質(zhì)量。

3.3.3 DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用于凈化空調(diào)系統(tǒng)

（1）控制空氣潔凈度?？刂茲崈舳鹊膶?shí)現(xiàn)條件，應(yīng)當(dāng)基于室內(nèi)需求，并且換氣量達(dá)到一定水平。過(guò)濾器性能的優(yōu)劣以及過(guò)濾器的堵塞、破損等都會(huì)對(duì)空氣潔凈度構(gòu)成較大負(fù)面影響。DCS控制系統(tǒng)搭配遠(yuǎn)傳式儀表，就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與控制效果。

（2）控制溫度。溫度是由空調(diào)機(jī)組和空氣進(jìn)行冷熱交換獲得的，DCS控制系統(tǒng)可以通過(guò)室內(nèi)遠(yuǎn)傳感器，在調(diào)節(jié)器與變送器的作用下，自動(dòng)對(duì)溫度進(jìn)行控制。

（3）濕度控制。原料藥（氯化鈉）的產(chǎn)品質(zhì)量，同樣也會(huì)受到濕度因素影響。DCS控制系統(tǒng)可以通過(guò)控制程序?qū)穸冗M(jìn)行控制，通過(guò)室內(nèi)遠(yuǎn)傳感器，在調(diào)節(jié)器與變送器的作用下，自動(dòng)對(duì)濕度進(jìn)行控制，同時(shí)在控制過(guò)程中增加溫度補(bǔ)償功能，在提高控制自動(dòng)化水平的同時(shí)避免產(chǎn)生較大能耗成本。

（4）控制壓差。針對(duì)壓差進(jìn)行控制，是通過(guò)差壓變送器和DCS控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，依照工藝要求對(duì)正壓與負(fù)壓狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。差壓變送器控制功能的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)對(duì)室內(nèi)壓力的監(jiān)測(cè)，在DCS控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)器的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)回風(fēng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，并借助于對(duì)新風(fēng)量輔助控制。在此基礎(chǔ)上借助DCS控制系統(tǒng)與文丘里閥，對(duì)不同房間的回風(fēng)與送風(fēng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)的控制功能趨于簡(jiǎn)單。

3.4 工藝的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行效果

鹵水凈化工藝基于工藝要求，用不同段落對(duì)工藝整體進(jìn)行區(qū)分，其中包含a、b段以及精密過(guò)濾。精密過(guò)濾階段包含靜態(tài)混合調(diào)酸，將不同段的工藝用工藝流程圖進(jìn)行展示，其中有自動(dòng)調(diào)節(jié)酸度、監(jiān)控精鹵濁度、自動(dòng)控制溫度、顯示鹵水體積動(dòng)態(tài)等畫面。為防止工人出現(xiàn)眼部疲勞問(wèn)題，在畫面中只做了動(dòng)態(tài)開關(guān)，可以通過(guò)軟件邏輯，控制水動(dòng)態(tài)流動(dòng)。

原料藥（氯化鈉）的生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中，蒸發(fā)結(jié)晶在其中的作用不容忽視，在此階段需要合理控制干燥溫度、沖洗時(shí)間、排鹽時(shí)間、壓力、溫度等參數(shù)。甲企業(yè)編制了特定的控制程序，可以通過(guò)DCS控制系統(tǒng)達(dá)到控制參數(shù)的目的，自由切換上述參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝方式的創(chuàng)新。

另外，DCS控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制調(diào)節(jié)蒸發(fā)室液位與閃發(fā)器等功能，鑒于調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值并不是常量，會(huì)結(jié)合不同階段的需求，產(chǎn)生相應(yīng)變化。因此，在設(shè)計(jì)中引入基于PID調(diào)節(jié)的切換功能（手動(dòng)/自動(dòng)），在具體設(shè)計(jì)方案上，手動(dòng)狀態(tài)下是SP跟蹤PV，自動(dòng)狀態(tài)時(shí)基于切換狀態(tài)的SP值，對(duì)工藝過(guò)程值進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)這種方式，若操作人員以手動(dòng)方式合理調(diào)節(jié)工藝過(guò)程值，向自動(dòng)狀態(tài)切換時(shí)能做到過(guò)程平衡穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)工藝值的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。同時(shí)通過(guò)操作人員的不斷摸索與磨合，形成一整套經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到半自動(dòng)、 半自動(dòng)到全自動(dòng)的過(guò)渡， 促進(jìn)效率的不斷提升。從宏觀角度出發(fā)，企業(yè)可以基于系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生的報(bào)表，掌握生產(chǎn)工藝并進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)生產(chǎn)率的不斷上升。

4 結(jié)語(yǔ)

DCS控制系統(tǒng)在制藥生產(chǎn)過(guò)程中具備較大應(yīng)用開發(fā)價(jià)值，相關(guān)行業(yè)的企業(yè)應(yīng)當(dāng)引起重視，結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)需求，合理應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

參考文獻(xiàn)

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