计算机控制技术在中药提取领域中的应

计算机控制技术在中药提取领域中的应用

2009年03月03日星期二 21:39

中药提取是中药生产过程的重要环节，中药提取过程自动化是中药产业现代化的重要组成部分，如何将自动控制技术更好的应用于中药提取过程受到了越来越多的关注。本文就中药提取生产线自动控制系统设计中的相关问题与读者进行探讨。

一、中药提取生产过程特点

在过程工业中，广泛地采用间歇生产过程和连续生产过程。间歇生产过程又称批量生产过程，属于按照给定配方、生产一定量的产品的生产过程。

中药提取生产普遍采用批量生产过程，即：按给定配方、生产一定量的中药提取物。中药提取生产配方主要包括：生产的产品及其原料组分；所需生产设备；要求的生产操作（如加热、搅拌、沉淀等）。

二、批量生产过程控制技术

1、间歇控制模型

间歇生产过程控制可分为两部分，即：实时控制层和生产管理层，实时控制层可包括：实时生产管理、顺序控制、离散/调节控制、过程连锁、安全连锁、过程I/O；生产管理层可包括：生产计划、生产调度、配方管理等。

2、常用间歇控制系统类型

根据间歇生产过程的自动化程度，可将控制系统分为程序间歇控制和综合间歇控制，程序间歇控制系统一般指完成实时控制层功能的控制系统，综合间歇控制系统包含所有间歇控制模型中的内容。

三、设计中药提取计算机控制系统

根据我国现状，中药生产企业，一般把综合间歇控制系统分成两部分来搞，即生产管理部分（例如：ERP）和实时控制部分。这里讨论的中药提取计算机控制系统指实时控制部分也就是程序间歇控制系统

1、设计中药提取计算机控制系统可供选择的设计目标

a. 生产过程远程计算机控制、监视

b. 操作和控制灵活、迅速、准确、一致

c. 缩短每批产品的生产周期

d. 优化控制，提高原料、能源和设备利用率，减少废品率

e. 计算机控制参数管理

f .计算机生产历程数据存储、查询和报表打印

g. 过程连锁

h .可靠的安全连锁控制

i .报警

j .电子签名

2、典型的控制系统方案

2．1 典型的中药提取工艺和中药提取生产线

传统中药工艺：

药材¾®水洗¾®烘干¾®切碎¾®水提取三次¾®过滤¾®储存¾®减压浓缩¾®收膏¾®低温干燥

提取有效成分的现代中药制备工艺:

药材¾®水洗¾®烘干¾®切碎¾®水提取三次¾®过滤¾®树脂吸附¾®水洗涤¾®洗脱¾®减压浓缩¾®醇沉¾®过滤¾®减压浓缩¾®低温干燥或喷雾干燥¾®成品

中药提取生产线一般可设计为专用的单生产流程线；专用的多生产流程线；可重组、多生产流程线。

生产线常采用两种布局方式，流水线布局和分区式布局。采用流水线布局，工艺过程及设备排布一目了然，而分区域布局较为节省空间。

2．1．2 典型中药提取设备及其基本操作控制

2．1．2．1提取罐控制（手动/自动）

中药固液萃取最常用的设备是提取罐，一般分为动态提取罐和静态提取罐，多个提取罐可构成套提装置。提取罐的基本操作控制大致包括如下内容：试漏控制、定量加溶媒、人工投料、升温控制、恒温定时、沸腾定时、定时循环、定时搅拌、排料控制、酒精回流、芳香油回收、排渣控制、反吹控制、直接蒸汽控制、清洗控制、煮罐、报警、安全连锁。

2．1．2．2外循环单效蒸发器

外循环单效蒸发器，由加热器、蒸发器、分离器等组成，主要用于制药、植物药、化工、食品、乳品等领域的酒精回收与浓缩，也可用于料液浓缩。基本操作包括：定量进料、加热器蒸汽压力/温度控制、蒸发器真空控制、冷却水流量检测、冷却水温度检测、密度检测和收膏控制、自动消泡、液位控制、冷凝水排放或溶媒回收控制、清洗控制、煮罐控制等

2．1．2．2双效或多效浓缩器

双效或多效浓缩器，由两个或多个加热器、蒸发器、分离器等组成，适用于制药、植物药、化工、食品、乳品等领域的料液浓缩。基本操作包括：定量进料、加热器蒸汽压力（温度）控制、蒸发器末效真空控制、冷却水流量检测、冷却水温度检测、倒料控制、密度检测和收膏控制、自动消泡、液位控制、冷凝水排放控制、清洗控制、煮罐控制等

2．1．2．3 搅拌沉淀罐控制

搅拌沉淀罐主要用于中药、食品、保健品、化工等的酒精沉淀。基本操作包括：进料、按配比进乙醇、搅拌、沉淀定时、冷却控制、出料、出渣、清洗。2．1．2．4溶媒配置罐控制

溶媒配置罐主要用于配置制定浓度的酒精。基本操作包括：精乙醇浓度检测，稀乙醇浓度检测，根据需要的浓度和配置量，计算精乙醇、稀乙醇和水的加入量，按计算量加入精乙醇、稀乙醇和水，打循环，温度控制，浓度检测，根据浓度偏差计算并加入适量精乙醇/稀乙醇/水。

2．1．2．5 其它常用工艺设备

其它常用工艺设备包括：间歇精馏塔、各类离心机、吸附柱、液液萃取设备、各类内循环浓缩器、中间储罐、计量罐等，它们的基本操作控制在此不一一叙述。2．2 常见的计算机间歇控制系统

构成计算机间歇控制系统，一般有五类设备可供选择：DCS(集散控制系统)；PLC(可编程控制器)；SLC（单回路数字调节器）；IPC（工业PC机）。在大型应用中，以采用新型DCS为多，中、小型应用以新型PLC+IPC为主，其它类型设备主要应用于小型系统或有其它特殊要求的场合。

2．2．1 DCS系统

典型间歇生产过程控制包括：顺序控制、调节控制和离散控制，早期设计的DCS 侧重于连续生产过程应用，主要由可编程过程控制功能构成，不能独立满足间歇过程控制的需求，需要与PLC结合起来构成系统。为了满足更多需求，新型DCS 系统已经演化成具有多种控制功能的综合控制系统，能够满足连续过程控制、间

歇过程控制和各类综合自动化控制需求。用新型DCS构造间歇过程控制系统，是大型应用的理想选择，其价格一般高于其他系统。目前，也有一些小型DCS 比较适用于国内的中药提取生产线控制。

2．2．2 PLC系统

早期设计的PLC主要满足逻辑控制需求，主要编程语言为梯形图和指令表，用于满足间歇过程控制的需求时，在编程方面存在不足。随着PLC 技术的发展，新型PLC已经演化成具有多种控制功能的综合控制系统，能够普遍满足间歇过程控制、中、小型连续过程控制、离散过程控制和各类综合自动化控制需求。用新型PLC+IPC 构造间歇过程控制系统，是大、中、小型应用的理想选择，由于其价格一般优于DCS系统，性价比高，用新型PLC+IPC 构造间歇过程控制系统有很大优势，我国中药提取生产过程控制系统大多选择这种系统。

2．3

一般结构形式

间歇过程控制系统大致有两种结构形式，集中式控制系统和集散式控制系统，集中式控制系统是由一台计算机完成全部控制功能，由于功能集中，一旦出现故障，则造成全面停车，因此常用于小型系统。中、大型系统一般采用集散式结构，集散式系统采用集中管理、分散控制方式，把控制功能分成各自相对独立的功能块，由多台控制器完成不同的控制功能，目前，它是得到普遍应用结构形式。集散式控制系统在我国中药提取控制领域得到普遍应用。

3、系统软件设计

3．1 控制系统编程软件的选择

间歇过程控制编程，一般采用控制设备供应商提供的编程/组态语言，主要有：LD(梯形图语言)、FB(功能块图)、SFC(顺序功能图)、ST(结构化文本语言)和面向间歇过程的专用编程语言。通常，在一个项目中，同时应用几种编程语言，可极大的提高编程效率，简化程序。选择编程软件时，应根据不同情况，进行合理选择。

3．2 上位机组态软件的选择

在用PLC+IPC构造间歇控制系统时，上位机（操作员站、工程师站）组态软件可选择硬件厂商提供的软件，也可选择通用组态软件。选择时，不仅要看其常用组态功能是否完整，还要了解其是否可提供的如下可选软件包：BATCH(批量控制)、SPC/SQC(在线或离线统计过程控制)、管理信息系统接口等。3．3 软件功能设计

实时间歇控制部分设计一般包含如下内容：实时生产管理，操作顺序控制，泵/电机的逻辑控制，温度、压力等模拟量的连续调节控制，过程连锁，安全连锁，过程I/O。实时生产管理功能，在上位机实现，其它功能在控制器实现，在需要进行过程重组的应用中，操作顺序控制应在BATCH(配方处理)服务器上实现。3．4 软件结构设计

软件设计一般遵循结构化设计原则。整个生产线控制软件可分为三个层次，第一层对应整个生产线，第二层对应设备单元，第三层对应设备单元的基本操作。第一层为单元操作的组合协调模块；第二层的模块化分与设备单元一一对应，用于组合和协调设备单元的基本过程操作；第三层的模块与基本过程操作对应。4、控制点设置和自动化仪表、阀门的选择

4．1 控制点的设置

控制方式的选择和控制点的设置，一般由工艺人员提出条件，自控和设备人员联