青霉素制药企业发酵工序自动控制系统

刘庆军

刘庆军（石药集团维生药业（石家庄）有限公司）

摘要：本系统基于集控制系统散控制技术，以北京和利时公司DCS系统为核心，利用测量单元及相关的执行机构实现制药企业发酵工序自动补料及温度、压力、空气流量、液位、PH值、溶解氧等工艺参数的自动控制，提高车间自动化控制程度，方便生产管理等方面而进行的整体方案设计。

关键词：DCS系统自动控制测量单元执行机构

1某制药企业发酵自动控制现状

自上世纪九十年代初建厂以来，该制药企业获得了长足发展。发酵工序工艺参数的控制也经历了由人工、半人工、仪表控制到PLC控制。但随着工艺的不断改进和生产管理上高标准的要求，原来的单仪表控制温度、压力等方法，已远远不能满足企业的需求。虽然系统运行基本正常，但存在以下问题：

1.1维护困难：系统使用的专用功能板，现在已很难买到备件，系统已运行多年，一旦硬件发生故障，将威胁生产安全。

1.2控制精度低：受当时的硬件条件限制，计算机响应速度很慢，例如在计算机上手动关阀需要几分钟；对生产影响很大。

1.3人机界面差：受当时的软件发展水平限制，系统运行在DOS环境下，且为全西文操作界面；操作不方便。

1.4扩展性差：系统扩容困难并难于进行控制优化。

1.5仪表与控制系统的联接与响应不畅。

1.6执行机构出现误信号越来越频繁。

因此制药厂开始探索应用DCS控制系统改造过去陈旧落后的控制手段，为整体的企业自动化水平升级。

2控制对象的研究

青霉素是发酵代谢过程中的产物，青霉素发酵是涉及青霉菌生长、繁殖和生产的复杂生产过程，主要有配料、消毒、种子、发酵、生化、霉菌、过滤等工序。青霉素发酵的生产水平取决于生产菌种的特性和发酵条件；在确定了生产菌种的条件下，要使青霉素发酵水平稳定、提高，发酵工艺调控是关键，发酵过程控制是发酵工艺调控方法的具体实施和体现。有效的调控发酵，通过对菌种的环境条件和代谢变化规律参数进行测量，使青霉菌代谢沿着有利于青霉菌的分泌方向进行，以较低的能耗和物耗生产较多的发酵产品，达到稳定和提高发酵水平的目标，发酵过程控制是一个重要的影响因素。

青霉素发酵过程的控制主要包括物理参数、状态参数、补料和消沫几个部分。其中补料控制是影响青霉素发酵水平的一个关键因素，也是整个发酵过程控制的重点。

青霉素发酵控制系统主要完成对所有相关点的数据采集、控制和补料控制。发酵岗位控制系统分为三部分：①发酵罐发酵控制系统②种子罐发酵控制系统③公用工程控制系统。

工艺参数的控制精度的要求：①温度控制精度：设定值±0.5℃②PH控制精度：设定值±0.05PH③补料控制精度：±2.0%满量程④空气流量控制精度：±2.5%⑤罐压控制精度：设定值±0.005Mpa

3发酵控制系统的实现

工艺简介：某制药企业发酵车间共有发酵罐22个，每个发酵大罐需有温度控制、液位控制、空气流量控制及循环水流量显示、溶解氧显示等以及自动补料控制（物料种类共五种）、pH控制和消沫控制；种子罐10个，每个种子罐设有温度控制和循环水流量显示。

系统配置：系统采用北京和利时系统工程有限公司集散控制系统中的MACS系统。配置一个现场控制站、二个操作员站和一个工程师站。系统采用单路UPS供电。现场信号采集、补料执行及信号反馈部分主要采用梅特勒公司、北京潞航机械厂等单位的相关产品。

DCS系统的显示画面主要有：①种子罐工艺流程图画面②发酵罐工艺流程图画面③种子罐温控调整画面④系统状态图画面⑤操作主菜单画面⑥系统参数总貌画面⑦发酵罐参数趋势画面⑧发酵罐补料参数趋势画面⑨种子罐参数趋势画面⑩系统参数趋势画面公用工程参数趋势画面。

4MACS系统的主要特点

①系统稳定、可靠，性能价格比高。②系统的开放性、可扩展性好。③控制周期短，保证补料控制准确。④控制条件考虑全面，避免误动作的发生。⑤系统的稳定性高。⑥可能的故障点减少。⑦可靠的接地保护。系统采用双重接地。⑧回路控制周期缩短。⑨系统的安全性。系统采用不间断电源做为保障、不同级别的使用者设置不同的操作权限、系统同时具有自动和手动补料功能。

5MACS系统主要设备配置及功能

5.1集散控制系统（DCS）一套，包括：DCS控制站，DCS操作站及系统控制软件及UPS电源一部。

控制站按照组态的控制方案进行运算处理，发出控制数据到执行机构。控制站还可以接收操作站发出的操作指令，转化为控制数据输出到执行机构。集散控制软件包括：组态软件、流程图设计软件、实时监控软件和/.用户自定义语言。系统要求在windows95/98/XP下运行。

操作站实现实时通讯，完成系统组态、控制组态、控制方案及操作信息的下载，同时接受控制站传回的现场数据进行实时显示，并进行记录形成历史数据，以供查询。

5.2输入、输出部分，是指本系统的现场测量及执行机构。输入部分主要完成对现场信号的采样和转换，形成标准信号送控制站进行分析处理。输出执行机构用于接收由控制站发出的操作数据，执行现场操作，反馈执行信号，完成自动控制过程。

6主要参数的控制原理及过程

6.1温度控制测量单元采用一体化温度变送器，把温度信号就地变换成电流信号后远传给控制室。执行机构采用气动调节阀，为充分节能降耗，调节阀安装在各自对应的冷却水管路上。

6.2PH值的控制发酵过程中酸碱度的检测采用梅特勒公司PH值传感器，这种传感器能够经受发酵罐的高温灭菌，并可准确连续不断地测量发酵罐内酸碱度的变化。当测得的PH值低于设定值时，控制系统给出补料信号，补料筒开始补入氨水，直至PH值升回设定值。

6.3罐压控制发酵罐内需保持一定的正压，其主要目的是为了防止外界空气进入发酵罐内，造成污染；另一个目的是为了增加氧分压，增加氧的溶解度。采用压力变送器将发酵罐的罐压转化为电流信号接入控制系统。

6.4各种物料的自动补料糖、硫铵、苯乙酸在控制方式上基本相同，只是根据物料加入的不同，采用不同的加料筒和设定不同的加料频率，控制系统给出的加料信号给电磁阀打开气动开关阀，进而补料，一次补料完成，现场反馈一个开关量的信号给控制系统以对本次补料过程加以确认。

油的补料过程略复杂一些。由于油的导电性比较差，所以要采用专门设计的油浮子作为信号反馈器，其他过程同上述补糖过程相似。

7系统运行保障设置

为保证系统的正常运行，对于整个系统可能会出现的一些故障需要提前考虑处理方案的，下面略举几例加以说明。

7.1正常情况下，当系统给出加料信号，补补器会打开加料阀，10秒钟内物料会触及计量电极，一个翻转信号会反馈给系统。当系统计时器计时到15秒钟时，系统仍未收到此反馈信号，系统会发出报警信号，提示操作者应检查该物料的上料阀是否打开，或上下料阀同时处于打开状态。

7.2当系统在接到计量翻转信号后，关闭上料阀，并打开下料阀，物料补入发酵罐，一般情况下，反馈信号会现次发生翻转，表示物料已正常补入大罐，如果此时超过6秒钟，系统未收到此信号，同样会发出报警，操作者应检查下料阀是否仍处于关闭状态，或同时上料阀还处于打开状态，物料仍在不断地补入中。

以上两种情况，我们在微机的最前画面设有报警提示条，同时系统输出信号，接入声光报警，不论白天还是夜间，操作者都会很直接地看到。以便及时进行处理。

7.3在补料贮罐中的物料较多时，其压力也较大，那么，当系统打开补料上料阀时，有时会有物料冲顶现象，即计量筒中的物料未达到1L、2L或4L计量量时，但反馈信号已产生并传至DCS系统。故我们采取措施，在计量筒的下端，进料口的上方2厘米处加一园形不锈钢片（其大小要比进料管略粗），使物料从园片四周上升去接触计量电极，防止了误信号的发出。

8系统运行及控制效果的评价

通过前期摸索和技术准备工作，我们投资了60余万元采用和利时MACS系统对本公司青霉素发酵工段进行了为期一个月的改造、安装和调试工作，经过六个月的试运行表明，该系统运行可靠、控制灵活、操作方便，自动控制系统达到了预期的效果，满足发酵工艺的要求。整个系统运行稳定。并取得了良好的经济效益和社会效益。