机电一体化设备中的控制系统

作者：华北制药股份有限公司 卞家宏 马永水 张平

欢迎访问e展厅 展厅 12 制药机械展厅 中药切片机, 中药提取浓缩机, 超微粉碎机, 滴丸机, 制丸机, ... 华北制药股份有限公司是目前世界上最大的抗生素生产制造基地。公司建立了一套高标准的青霉素提炼精制包装车间，选用当今先进的制药生产装备。其中最重要是青霉素晶体的过滤、洗涤、干燥组合设备，即大型机电一体化机组—三合一分离器。其电控系统采用西门子SIMATIC S7控制系统作为中央控制器，完成整个机组的一体化自动操作与控制，保证了对产品质量和生产过程的严格有效控制。 本项目包括四台（A#，B#，C#，D#）三合一分离器大型机组，每两台机组组成一条生产线（1#，2#），两条生产线完全相同，每条生产线各有一套PLC控制器进行控制。其中一套装置的具体组成见图1所示： 系统功能要求 三合一分离器生产系统可以实现完全的自动化操作控制，组成复杂，完成的功能包括：运动控制，液压系统，惰性气体保护，机械传动，变频调速，自动阀门控制，正负压控制，易燃易爆危险区内的信息显示与操作，流量、温度、压力、转速、扭矩、料位、动态重量等模拟量的实时状态监测控制，机械位置、压力开关、流量开关、料位、安全保护等开关量的状态监测与控制等。 每套系统的生产工艺简介如下： ◆ 先密闭整个机组系统，充入惰性气体保护，通过进料自动阀门加入青霉素待处理结晶液，达到一定体积量后关闭进料阀。 ◆ 通入惰性气体加压，通过底部的大型金属过滤板实现青霉素结晶液的固液分离。 ◆ 青霉素结晶液固液分离后进行喷淋洗涤。 ◆ 洗涤结束后通过液压装置下降搅拌装置进行搅拌，并同时利用搅拌内部的加热管路系统加热物料层，并严格控制干燥过程温度，否则会引起青霉素的降解失效。在加热干燥的同时进行系统抽真空操作，使溶媒快速蒸发，同时启动除尘器自动工作，保证真空系统的正常通风。 ◆ 物料层干燥合格后（可以取样检测），停止真空，进入自动排料程序。 ◆ 自动排料程序：在排料口附近通入高压惰性气体，同时在料仓侧抽真空，然后下降搅拌装置，控制搅拌转速和搅拌叶下降速度进行刮料、送料动作，使粉状物料快速通过排料阀进入料仓，当搅拌刮至接近金属过滤板层时停止搅拌下降，然后瞬间喷吹惰性气体，将底层物料全部吹至料仓。 ◆ 物料进入料仓后进行料位检测，并分批下装至计量仓通过称量控制器进行分装，分装为每小桶4公斤。至此完成青霉素的过滤，洗涤，干燥，分装过程。 本工程项目的特点是工序流程长，动作复杂，自动化程度高，监控点数多，既有大量开关量联锁、顺序控制，又有大量模拟量回路调节，而且生产全过程既是洁净生产环境（万级区～百级区）又是易燃易爆危险环境（危险环境为0区：总是存在易燃易爆性气体），既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求。 控制系统的构成 控制系统分为完全独立的两套相同装置，每套装置采用西门子SIMATIC S7系列PLC作为主控器（每套PLC容量为开关量288路，模拟量20路），采用PROFIBUS—DP作为控制、通讯网络，操作现场采用符合PROFIBUS—DP通讯协议的防爆操作屏BARTEC VGA作为人机操作界面，并在控制室开发具有集中管理功能的WINCC工作站作为远端管理站。 本项目中的系统结构如图2所示。 由于现场存在有机溶媒等易燃易爆危险性气体，而且机组的操作主要在现场。传统上防爆现场采用隔爆式操作控制柜作为机电设备的人机界面，控制柜上利用防爆指示灯显示机组的运行状态，利用各种防爆开关、按钮输入指令，这只适用于在一些简单的设备上的较少操作使用。对于有较多的状态显示、较复杂的流程控制，只能设计多组大的防爆操作控制柜，而且需要大量的信号线来连接。而青霉素的生产环境既是防爆区，又是洁净区，要求现场的设备尽可能少而精，所以项目中体现了西门子提出的全集成化自动化思想（TIA），使用了符合西门子控制系统开放式通讯协议的防爆操作屏，一举解决了以上难题。BARTEC VGA防爆操作屏可以实现丰富的信息与复杂的流程图显示，并可进行方便的操作。 系统的主要硬件配置组成见表１。系统的功能和特点概括如下。 ◆ 安全保护功能。惰性气体保护装置，各种安全联锁，状态位置监测联锁，流程条件的连锁，顺序控制等。弱电控制部分均为本质安全回路，安全防护等级达到最高Exia IIC T6。 ◆ 系统测控部分为本安系统。分布在现场的机械开关、接近开关、温度变送器、压力变送器等自控设备全部为本安防爆型，信号经过安全栅进行隔离，通过现场本安防爆接线盒进行处理，可以在生产现场进行带电信号检修，大大方便了设备的维护，缩短了设备故障的检修时间。 ◆ 液压程序控制。共有9套液压油缸，每3套作为一组，通过液压油泵产生30MPa油压，分别驱动这3组（9套）液压油缸，分别实现搅拌电机及搅拌装置的升降、定位；金属过滤板的升降安装、定位及底盘锁扣的拆卸、旋转锁紧等功能。 ◆ 传动控制：采用西门子变频器接受PLC的控制调节信号，由于搅拌电机的转速控制范围0—12rpm，精度要求±0.2rpm以内。由于搅拌转速较低，变频调速没有采用编码器方式，而是采用接近开关监测开孔盘（36孔）上小孔通过的频率，通过DI（SM321）送入PLC计算出搅拌转速，再通过PID调节输出驱动变频器。 ◆ 精确称重控制。利用称重传感器监测包装桶的重量来控制一个二级（快开、慢开）分装自动阀，实现粉状物料的精确分装，精度为4000+2.5g。 ◆ 实现在防爆现场的复杂操作控制。利用全集成自动化优势，采用智能防爆型液晶操作显示屏，实现了机组的复杂操作和各种状态信息显示，而且只需一根电源线和两芯屏蔽双绞通讯总线即可完成连接，减少了复杂的现场布线和庞大的操作盘。 ◆ 远程监控管理。利用WINCC组态程序的强大功能，通过管理计算机可监控机组的运行状态，实现对生产过程的全面管理，并可在紧急情况下通过高级权限登录操控现场机组的运行。 ◆ 模拟量的回路自控。可以进行温度调节、物位调节、仓体压力调节、搅拌转速调节、扭矩调节、精确分装重量调节、搅拌升降位置设定，利用SIMATIC控制系统的可靠功能可以达到很高的控制精度。 ◆ 大量开关量的逻辑连锁、顺序控制，实时，安全，运算速度极快。 应用体会 西门子控制系统可靠性高，成套能力很强，总体性能价格比有竞争力，而且由于近年集成一体化思想（TIA）在西门子产品系列中越来越得到充分体现，为自控系统的搭建提供了非常好的平台。例如本工程项目中通过PROFIBUS—DP现场总线可以方便的将模拟、数字控制，传动驱动，安全防爆操作显示，过程信息管理等诸多功能很统一的结合在一起，实现无缝连接，减少了故障点，提高了系统整体性能。(end)

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