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PP420触控一体机在现代中药行业批量生产中的应用 |
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作者：天士力集团 王宏善 |
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摘 要：PowerPanel触控一体机在工业控制方面的应用日益成熟，它不但具备DCS的组态简单，数据库统一等特点，还具备PC的高性能计算和多任务处理能力，并且继承了PLC的高可靠性和易于维护等优点，在各种实际应用中已部分取代了大中型的PLC和混合型的DCS系统。本文着重介绍了PP420 在现代中药行业Batch中的应用。通过此应用，既降低了医药行业自动化系统的大量投入，也有效地完成了中药批处理的自动化控制，大大地提高了医药生产的水平。
关键词：PP420 ；Batch ； 中药批处理
1 引言
在本项目中此药厂的每个生产模块过去和现在都按照GMP标准进行生产，但控制技术并没有完善，所设计的生产模块均伴有手动配方输入和仪表测量操作环节。因此，该生产模块成为了第一个需要升级改造的对象。
此外，由于每个环节的控制系统相对独立，生产部门要求提高整个工厂的操作自动化和可视化程度。因此，在2009年第3季度引入了以贝加莱PP420触控屏为核心的自动化系统。新系统将基于S88标准的模块化控制系统与全厂范围内的控制网络以及公司的企业网集成在一起。
2 工艺描述
以秤重和配料为例，共有6个罐并行生产多种批号的产品。由于该产品批号具有很强的可变性，往往在连续生产一段时间后需要清洗设备，重新更换配料量，以生产其它批号的产品。因为它们的基本工艺过程是一致的。
从投入的生产线来看，在配料进入到该线A罐初始阶段前，就必须检查B/C/D这几个罐是否已经正常完成了上一配方的进料，并且罐内的压力、温度是否已达到了工艺预设值。每种产品在其每一生产步骤中都有很严格的反应条件检测，一旦有连锁发生，工艺会要求控制程序根据不同的连锁原因转入到相应的子步骤中去，直到连锁条件完全解除，才能继续该生产线的运行。
3 Batch系统设计
传统的Batch应用最初来自DCS的高级应用， 如应用Emerson的DeltaV， Honeywell的PKS， Siemens的PCS7等系统。由于batch自身结构的要求，为它提供的计算机控制系统和控制器必须具有界面显示、数据库平台上的信息集成和组态式软件模块化编程等功能。传统的DCS系统基本上都能够满足上述要求，但是一般中、低档的PLC系统却很难满足这样的结构要求，因为PLC无论结合组态软件还是触摸屏都要求在双方的接口上定义通讯和数据库地址等。这就使得PLC在batch的应用领域中寥寥无几。而PP420触控一体机则很好地满足上述的几点基本要求，因为PP420本身就是一台可编程计算机控制器，同时也具备HMI的人机交互功能。
3.1 硬件构架
根据批量控制的工艺需求和所需要控制的I/O点数以及现场操作特点，构成了以下中药生产批处理系统，其硬件系统结构如图1所示。
图1 硬件系统结构图
该系统主要由一台PP420一体式触控站及打印机、一台BR9300总线连接器、一台西门子的S7-300 PLC（含若干I/O模块）、一台OMRON PLC（含若干I/O模块）、一台称重仪表和数台条码扫描仪组成。它们通过内置的各种通讯接口卡（RS232/RS485/TCP-IP/CAN）与总线连接器组成工业数据通信网络。其中，PP420一体式触控站作为该系统的核心，批量软件的服务器端和客户端，承担工艺过程建模、批量的运行、配方管理、批量历史数据库、报表及安全性、查询批量运行状态、设定批量运行过程中的有关参数等任务。此外，通常当系统正常运行时，它作为工艺操作员的一个独立的人机界面，也担任直接操作现场作业的任务。
与底层PLC的模拟量和数字量I/O模块结合，该触控站还是完成现场测控的主要环节，执行所有的连续量控制、逻辑控制以及批量功能块的参数设置和采集，通过下挂PLC的I/O模块实现对工艺过程的数据采集和批量控制。
3. 2 Batch软件设计
3.2.1 工艺建模
根据批量生产的工艺要求，建立适当的模型，是所有的批量软件工程师需要面临的一个至关重要的问题。模型的好坏会直接影响到今后日常应用中工艺工程师对批量牌号库、参数修改的便捷性，并涉及到新产品、新配方的创建。
在运用Automation studio建模的过程中，使用的是C语言独特的模块结构编程方式，对各个装置通过定义模块à函数à结构体à成员形式，定义好装置的名称（UNIT）、装置之间的联系（Connections），还需要将装置按照相似的性质及生产能力进行过程级别分类（Process Class）。在相应的过程级别下定义若干个PHASE，PHASE将直接作用于过程控制，根据测量条件控制阀门的开闭和阀位的变化。但是，这里最为重要的还是必须确保用户建模的基本准确性。Automation studio软件为用户提供了有效的Batch组态控制环境SFC编程语言（如图2所示）并要求Batch软件编程工程师在不同的组态阶段，使用该软件提供的途径做好有效性的验证工作。
3.2.2 控制逻辑封装
Automation studio软件本身包含了一种数据管理软件，批量管理控制则是通过工程师编写C语言程序来建立UNITàPROCESS CLASSàPHASE这些功能的。其中最重要的就是PHASE，设备的PAHSE来用来控制和监视批量的执行的。
PHASE是独立的一段过程控制程序，它直接作用于生产设备的行为。尽管PHASE存在于不同的地方，但批量管理系统和PHASE之间的接口是一定的，该项目在使用Automation studio所带有的自定义库管理的基础上，通过建立功能块的形式，在接口输入和输出参数上定义通用的接口，而对不同的参数类型，通过不同结构体的指针来实现多态编程，如图3所示。
3.2.3 配方管理
通过AutomationStudio软件中创建结构数组的方式来搭建配方编辑结构。配方结构完全符合ISA S88.01标准（美国仪表协会标准）。每个配方由四部分构成：配方头、设备要求、公式、过程。其代码举例如下：
struct recipe
{
unsigned long elem1; /* 元素1 */
unsigned long elem2; /* 元素2 */
unsigned long elem3; /* 元素3 */
unsigned long elem4; /* 元素4 */
unsigned long elem5; /* 元素5 */
};
struct recipe rec_arr[20]; /* 声明配方结构定义配方数组*/
配方编辑器采用PP420触控一体机的人机界面图形化方式，为用户创建了一个极其直观、人机友好交互的组态环境。在这个环境中，工艺人员可以根据当前的产品生产的需求，在第一时间内快速改变相关配方的参数及流程，达到预设的目标。其编辑图形界面如图4所示。
3.2.4 电子记录
为了实现采用电子记录的工艺要求，也为了替换一个所有记录都采用人工录入的手动系统，编制了一套通过Batch系统记录电子信息确认和批次记录的方法，采用了输入用户名和密码的方式来记录当前用户的行为。在PP420中，所有具有可操控功能的控件，都编写了其记录脚本，一旦某个当前用户进行了任何操作，系统将记录当前时间、操作行为和该用户名。另外，原料的秤重也必须经过两个人确认（一个确认，一个审核），系统能够使用多个电子签名。因此，在一个过程的各个阶段它都会在执行任何操作之前要求操作者进行电子签名，还能通过PP420的图形界面查看所有的电子记录，
当配料通过条形码识别器被添加进去时，系统会自动查找产品资源和可用原材料之间的关系。它也会为每一个批处理过程产生唯一的识别数量，并投放相应数量的带条形码的配料。当配料添加进来时，它们会被通过条形码扫描器扫描和确认。电子记录的最大优点就是它不允许无序操作，减少了人为错误发生的机率。
4 结束语
该批量软件不仅能帮助操作员更方便地查询现场的数据，应对生产过程中的突发事件，而且也减轻了仪表工程师对系统的维护工作量。对于工艺工程师来说，PP420可以使他们独立于自控维护人员，自行根据工艺需求修改配方。自从该中药工厂使用批量控制系统以来，所表现出来的高的产品生产效率、稳定的设备运行状态、简捷的操作和完整的历史数据记录等优势使其产品质量和产量都得到了很大的提高，工厂效益也得到了改善。表明PP420触控一体机对于中小型Batch控制系统具有先进、可靠、经济、灵活等显著优点。
参考文献
[1] 齐蓉，肖维荣；可编程计算机控制器技术；2005-11
[2]Rockwell；流程工业；罗克韦尔自动化RSBizWare Batch软件在制药厂的应用；2006.12
作者简介
王宏善 （1978-），男，软件工程硕士，工程师，主要从事PLC和DCS以及监控软件在过程控制中的应用工作。(end)
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(11/15/2011) |
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