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1 工藝簡(jiǎn)介 EPA分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統2005年9月份在華東制藥的二期項目中成功投運，主要應用在阿卡波糖生產(chǎn)車(chē)間。阿卡波糖是一種生物合成的假性四糖，能夠抑制a-葡萄糖苷酶的活性，從而導致了腸內多糖、寡糖或雙塘的降解，使碳水化合物的葡萄糖的降解和吸收入血速度變緩，降低了餐后血糖的升高，使平均血糖下降�；瘜W(xué)名：O-4，6-雙脫氧-4[[（1S,4R,5S,6S）4，5，6-三羥基-3-（羥基甲基）-2-環(huán)己烯-1-基]氨基]-a-D-吡喃葡糖基（1→4）-D-吡喃葡萄糖結構式，如圖1所示。 圖1分子結構式示意圖 阿卡波糖是一種非胰島素促進(jìn)劑的有效的口服型降血糖藥，主要用于Ⅱ型糖尿病的治療。發(fā)酵是阿卡波糖生產(chǎn)的初始階段，菌種在一定的溫度、壓力以及氧氣容量的條件下發(fā)酵并完成菌種的培育，發(fā)酵罐內的溫度是非常關(guān)鍵的一個(gè)監測量，在系統設計時(shí)，采用雙支式熱電阻，以冗余的工作方式對發(fā)酵罐內溫度進(jìn)行測量。發(fā)酵本身是放熱反應，在發(fā)酵的過(guò)程中，通過(guò)安裝在罐內的攪拌機對發(fā)酵物進(jìn)行攪拌，以保證整個(gè)罐內的溫度均勻。由于是放熱反應，為了保持發(fā)酵罐內的溫度恒定不變，必須通過(guò)水循環(huán)裝置進(jìn)行冷卻，一般使用冷水就可以了，但在冬天則需要使用溫水來(lái)進(jìn)行溫度的控制。發(fā)酵罐內的溫度調節通過(guò)冷卻水（或溫水）的流量控制來(lái)進(jìn)行，通過(guò)自動(dòng)控制調節的方式保證發(fā)酵罐罐內溫度的恒定。 2系統的安裝布置 發(fā)酵車(chē)間具有6個(gè)一級罐（小罐）、6個(gè)二級罐（中罐）、10個(gè)三級罐（大罐），以及公用工程系統（空氣系統、給水系統），整個(gè)系統具有100多個(gè)監測和控制點(diǎn)，每一個(gè)罐的監測點(diǎn)如表1所示。 表1監測點(diǎn)情況一覽表 各個(gè)發(fā)酵罐生產(chǎn)過(guò)程比較獨立，發(fā)酵時(shí)間、過(guò)程控制基本類(lèi)似，可以采用統一的控制策略。不管是什么類(lèi)型的發(fā)酵罐，罐內的監控點(diǎn)包括罐內的壓力、發(fā)酵罐的PH值、罐內的溶氧、發(fā)酵罐的空氣流量、噸位測量、循環(huán)水控制等等，發(fā)酵罐監控示意圖如圖2所示。 圖2發(fā)酵罐監控示意圖 公用工程系統的示意圖如圖3所示。公用工程的空氣系統監控點(diǎn)主要包括：進(jìn)氣溫度測量、冷卻溫度測量、加熱溫度控制、進(jìn)罐溫度測量、空氣流量測量（0～10kPa／0～600m3/min）、進(jìn)罐壓力測量（0～0.25MPa）；供水系統的進(jìn)水溫度測量（Pt1000～150℃）、進(jìn)水壓力測量（0～0.6MPa）、進(jìn)水流量測量（0～40kPa／0～800t/h）、回水溫度測量（Pt1000～150℃）；蒸汽系統主要包括：蒸汽溫度、蒸汽壓力，以及蒸汽流量的測量。 圖3公用工程系統示意圖 EPA分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統在現場(chǎng)的安裝布置采用兩個(gè)網(wǎng)段，系統的結構示意圖如圖4所示。每個(gè)網(wǎng)段是60個(gè)設備，系統安裝方案主要是根據現場(chǎng)發(fā)酵罐和公用工程系統的物理位置來(lái)確定。在工程實(shí)施的過(guò)程中，我們將一級罐和二級罐的監控點(diǎn)分配在第一個(gè)EPA網(wǎng)段，三級罐、空氣系統、水系統以及蒸汽系統的監控點(diǎn)分配在第二個(gè)EPA網(wǎng)段。EPA的現場(chǎng)控制器、EPA網(wǎng)橋以及EPA的現場(chǎng)監控層網(wǎng)絡(luò )都采用了冗余的安裝方式，實(shí)現了徹底的冗余，并且實(shí)現了控制以及通信的無(wú)擾動(dòng)切換，整個(gè)控制系統的性能得到了充分的提高，特別體現在系統的穩定性以及維護的便捷性。 圖4EPA系統結構示意圖 在華東制藥二期項目中一個(gè)最主要的突破是在生產(chǎn)裝置上面直接安裝了基于EPA協(xié)議的現場(chǎng)變送器，取代了傳統的模擬變送器，對于暫時(shí)無(wú)法開(kāi)發(fā)的變送器（比如齊平膜的小型壓力變送器、溶氧變送器以及PH值變送器），在工程實(shí)施的過(guò)程中我們安裝了基于EPA協(xié)議的各種常規IO信號采集模塊，將常規的模擬信號轉換成符合EPA協(xié)議的數字信號接入到整個(gè)EPA系統中。在這次項目中安裝了將近30臺基于EPA的壓力變送器、20臺基于EPA的雙路溫度變送器以及4臺電磁流量計，對于所有設備的設備組態(tài)、標定、調校等功能可以通過(guò)EPA的設備管理軟件實(shí)現遠程的設備管理，這極大地方便了儀表工程師的設備維護工作。 3系統控制方案實(shí)施與應用 整個(gè)發(fā)酵罐內的生物化學(xué)反應比較復雜，但是控制方案的實(shí)施相對比較簡(jiǎn)單，每個(gè)發(fā)酵罐有：溫度、PH值、溶氧、罐底壓力、罐頂壓力、空氣流量和電機（攪拌機）轉速7個(gè)信號采集點(diǎn)及一個(gè)冷卻水閥門(mén)（開(kāi)關(guān)量）控制點(diǎn)。除溫度和冷卻水閥門(mén)構成一個(gè)溫控回路外，其他點(diǎn)只作信號采集的作用。首先是發(fā)酵罐內溫度的控制，如前所述，就是將罐內的溫度與冷卻水的流量控制構成單回路；其次是溶氧，通過(guò)檢測溶氧值實(shí)現對發(fā)酵罐空氣流量的控制，保證發(fā)酵過(guò)程的溶氧量在正常的設定范圍內。 公用工程的控制關(guān)鍵主要是總空氣溫度的控制，送入發(fā)酵罐的空氣經(jīng)過(guò)3次過(guò)濾，并且在進(jìn)入罐內時(shí)溫度需要控制在50℃左右，空氣溫度的調節主要是通過(guò)調節蒸汽的流量來(lái)進(jìn)行。 通過(guò)控制冷卻水流量來(lái)控制罐內溫度：當監測到當前溫度-設定溫度>設定溫差限定值（0.1℃）時(shí)，通過(guò)開(kāi)出量卡，打開(kāi)冷卻水閥門(mén)，讓冷卻水對罐內溫度進(jìn)行降溫；而相反，當設定溫度-當前溫度>設定溫差限定值（0.1℃）時(shí)，這時(shí)罐內溫度低于設定值，通過(guò)開(kāi)出量卡，關(guān)閉冷卻水閥門(mén)，利用罐內發(fā)酵所產(chǎn)生的熱量使得罐內溫度自然得到升高。 《EPA通信標準》針對工業(yè)控制這種數據傳輸類(lèi)型的特點(diǎn)，將通信周期分為周期性通信信息數據發(fā)送和非周期性通信信息數據發(fā)送兩個(gè)階段：對周期性通信信息數據設計了通信調度的時(shí)間分片方法，各設備基于IEEE1588實(shí)現精確時(shí)間同步，在周期數據發(fā)送階段，根據組態(tài)配置自動(dòng)計算，只有在其發(fā)送數據的起始時(shí)間到的時(shí)候，才發(fā)送周期數據，使其滿(mǎn)足對時(shí)間有嚴格要求的控制數據的傳輸需要；對非周期性通信信息數據設計了基于優(yōu)先級的調度方法，設備自動(dòng)計算本設備非周期性通信信息數據在本網(wǎng)段內的優(yōu)先級，依優(yōu)先級大小發(fā)送非周期性通信信息數據，避免了以太網(wǎng)通信報文碰撞，確保優(yōu)先級高的報文，例如報警信息得到優(yōu)先發(fā)送，而又不至于影響有嚴格時(shí)間要求的數據通信。 實(shí)現分時(shí)調度的前提是網(wǎng)絡(luò )上每臺設備的時(shí)間一致性。首先在組態(tài)軟件根據各個(gè)設備的描述文件和系統的控制的構架下，對每個(gè)網(wǎng)路設備分配一定的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間，然后將組態(tài)信息下載到網(wǎng)絡(luò )設備。 圖5EPA確定性通信調度示意圖 在一個(gè)現場(chǎng)微網(wǎng)段內，所有EPA設備的通信均按周期進(jìn)行，完成一個(gè)通信周期所需的時(shí)間T稱(chēng)為一個(gè)通信宏周期（CommunicationMacroCycle）。 一個(gè)通信宏周期T分為兩個(gè)階段，其中第一個(gè)階段為周期報文傳輸階段Tp，第二個(gè)階段為非周期報文傳輸階段Tn（如圖5所示）。在周期報文傳輸階段Tp，每個(gè)EPA設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過(guò)程有關(guān)的數據，如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數據。周期報文的發(fā)送優(yōu)先級應為最高。在非周期報文傳輸階段Tn，每個(gè)設備向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的報文是包含非周期數據的報文。非周期數據是指用于以非周期方式在兩個(gè)通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀寫(xiě)數據、事件通知、趨勢報告等數據，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等應用數據。非周期報文按其優(yōu)先級高低、IP地址大小及時(shí)間有效方式發(fā)送。所有EPA微網(wǎng)段內的網(wǎng)絡(luò )設備先進(jìn)行時(shí)間同步，在時(shí)間同步的基礎上根據時(shí)間組態(tài)信息進(jìn)行分時(shí)的網(wǎng)絡(luò )通信調度。 在華東制藥應用的EPA系統，系統的時(shí)鐘同步精度達到10μs，每個(gè)設備分配的周期發(fā)送時(shí)間間隔是1ms,每個(gè)網(wǎng)段的通信宏周期是100ms，控制周期是200ms。華東制藥的EPA系統在工程實(shí)施之前進(jìn)行了長(cháng)達一個(gè)月的出廠(chǎng)聯(lián)調，一次發(fā)酵過(guò)程需要一個(gè)星期左右時(shí)間，工程實(shí)施結束之后也已經(jīng)有連續2個(gè)無(wú)故障發(fā)酵過(guò)程記錄，無(wú)通信故障，無(wú)通信丟包，無(wú)發(fā)送亂序，無(wú)信號跳變。 EPA分布式網(wǎng)絡(luò )控制系統實(shí)現了就地安裝，極大地減少了工程實(shí)施的工作量，節省了大量的信號布線(xiàn)，采用了PoE的總線(xiàn)供電方式，基于EPA的現場(chǎng)變送器和常規信號采集模塊無(wú)需再另加電源，安裝極其方便，加上EPA現場(chǎng)設備的遠程管理功能，方便了儀表工程師的維護工作。 |
