中药提取自动控制系统设计.pdf

1、中药 提取 与自 动控 制 ( 第二版) 杨 建新 2013.11.26 摘要：中 药制药企 业完成了GMP改造任务后， 企业素质 普遍提升 ，但 是还普遍 存在生产 效率低 ， 资源利用 不够有效 的问题 ， 提高生产 效率、 降低生产 成本、 提 高竞争力 ， 成为企 业关注的 问题。 本 文初步探讨 如 何利用计 算机集成 的自动化 技术技术 ，构建中 药提取自 动化系统 。 关键词： 间歇生产 过程：以 顺序的操 作步进行 批量产品 生产的过 程； 处方（recipe）： 专门确定 某个特定 产品生产 要求的一 组必要信 息；（笔 者注：处 方中包含 配方(formula) 和处方程序

2、 （recipe procedure ） 注 : 本 部 分定 义的处方 有4 种: 通用处方 、 现场处 方、 主处 方和 控制处方 。 配方(formula): 一 种包括过程输人、过程参数和过程输出的处方 信息; （ 注：formula 在有些相关资 料中被译 为公式 ， 笔者认为 有 些不妥） 过程参数 （process parameter）： 制造一种 材料所需 的但不属 于过程输 人或者过 程输出类 别的信息 。 注 : 过 程参数信 息的例子 有温度、 压力和时 间； 批 过 程( batch process): 指 在 有 限的 时间内， 使用一台 或 多台装置 ，通过一 组有

3、序的 处理活动 来处理输 人材料量 ，生产有 限量材料 的过程; 注: batch process 常有被错 译成批处 理的情况 。 过程 控 制 （process control）： 包含提供 顺序控制 、调节控 制和离散 控制以及 采集和显 示数据所 需控制功 能的控制 活动。 一、中药 提取生产 过程 中药提取 生产过程 ，是依 据 GMP 规范，按给定 的配方， 生产一定 数量产品 的过程。 中药提取 生产采用 批量生产 方式， 也 叫间歇生 产方 式。 其主要 特 点 是： 小 批量、 多 品种， 其特征 是： 物料 流动的不 连续 性、 物料 和设备的 非稳态性 、 产品及 其工艺

4、的 不确定性 和设备资 源的 动态调度 分配。 不 连续性是 指物料输 入、 输出 是断续的 ， 单元操 作是 按顺序进 行的， 设 备运行是 间断的。 非稳态性 是指生产 过程中物 料和 设备都时 常处于变 化状态。 不确定性 指的是要 根据市场 需求生产 不同产品，和 增加新产 品。 为了提高 设备对不 同产量和 类似工艺 的适应能 力，中药 提取生产 设备需要 具有良好 的柔性， 能生产多 种工艺相 近似的产 品。 一种 产品 生产完成 ，对设备 进行清洗 后，即可 生产另一 种产品。 中药提取 过程单元 ， 一般安 装多台操 作设备 （ 如提取罐 、 浓缩器 ） ， 配置大小 不同的多

5、 组兼用设 备（如： 缓冲罐、 储罐） ，设备按串 联和 并联结构 排布， 组 成串、 并 联结构提 取过程单 元， 设备 单元之间 采用 固定管道 连接或非 固定软管 连接。 设 备以连续 、 半连续 、 间歇方 式工 作。 中药提取过程单元按生产的产品划分，可分为单品种过程单元、 多品种单 流程过程 单元， 多 品种多流 程过程单 元。 单品 种过程单 元的 生产工艺 流程、 原 料配比和 工艺参数 都是确定 的。 多品 种单流程 过程 单元可以 生产一族 不同规格 的产品， 产品生产 工艺流程 相同， 参 数变 化。 多品 种多流程 过程单元 可以生产 不同品种 的产品， 产品生产 流程

6、 和工艺参 数都可以 改变。 除 此之外， 还有中试 过程单元，中 试 过 程单 元大多采 用多品种 多流程形 式。 目前常用 的中药提 取单元设 备主要包 括：多功 能提取罐 、热回流 提取装置 、 外循环 真空减压 浓缩器、 内循环真 空减压浓 缩器、 球 形浓 缩器、 搅 拌沉淀罐 、 冷沉罐 、 离心机 、 板框过 滤器、 精 馏塔、 溶 剂配 置罐、脱 色罐、结 晶罐、大 孔树脂吸 附洗脱装 置、膜分 离/ 膜浓 缩装 置、超临 界萃取装 置、微波 提取装置 、超声波 萃取装置 、储罐等 。 二 、 中药 提取生产 过程对自 动控制的 需求 对设备单元进行精确控制，严格按顺序执行每一

7、步操作，使每批 产品生产 实现最优 控制， 从 而获得经 济效益是 中药提取 企业对自 动控 制的基本 需求。 中药提取过程是间歇生产过程，其具体自动控制需求可以根据中 药提取过 程特点并 参照间歇 控制模型 来考虑， 一般有顺 序控制、 开关 控制、 调 节控制 、 联锁控制 、 人 机界面 、 数据 管理、 与 管理信息 系统 集成等要求 。 、顺序 控制 中药提取生产属于批量生产过程，也叫间歇生产过程。 间歇生产 过程是以 顺序的操 作步进行 批量产品 生产的过 程。 过程 组元和单 元设 备， 必 须 按工艺规 定的顺序 进行操作 ， 例如 产 品生产要 顺序经历 提取、 浓缩、 醇

8、沉、 酒精 回收等过 程， 又如 提取罐试 漏、 投料 、 加热、 等温 提取、 排 料、 排渣 等必须按 照规定的 顺序和时 间进行。 要求控制 系统 能够进行 顺序控制 ； 2 、调节 控制 连续调节温度、压力等过程量，使它们保持在允许的范围内。控 制系统要 求具有启 动、 释放 调节控制 的功能， 还常常要 求调节回 路重 组和重整功能。例如提取罐料液加热到提取温度时启动等温调节控 制，到达 规定提取 时间后释 放等温调 节控制。 3 、开关 控制 控制自动 阀门、泵 等设备的 启动、停 止，控制 物料输送 过程。 4 、联锁 控制 安全联锁 监测生产 设备和控 制系统的 运行， 确 保

9、出现异 常状况时 ， 执行联锁 动作、 进 行声光报 警、 显示 报警状态 ， 不致造 成危险情 况导 致 人员和 设备损失 。 例如: 酒精提取 时，要监 视提取罐 压力， 当压 力 超限时， 要停止加 热， 打开 放空阀， 把控制置 手动方式 ， 同时进 行声 光报警， 显示报警 状态。 5 、过程 可视化远 程监控 通过计算机图形化状态显示，可以集中、直观地对过程设备进行 有效的监 视、控 制。例如： 置手/ 自 动状态， 启动或停 止一个过 程， 确认报警 ，进行必 要的人工 干预。 6 、报警 处理 准确记录 报警和确 认信息， 输入并记 录处理过 程和结果 。 7 、操作 记录 要

10、求自控系统提供人工操作提示功能，准确记录人工和自动操作 数据，使 生产过程 可追溯。 8 、报表 输出 要求自控 系统自动 生成并输 出报表， 以便提高 管理效率 。 9 、工艺 参数管理 录入、保 存、修改 和加载工 艺参数。 10、授权管理和访 问许可 11、与批管理和控 制系统集 成 自动控制系统可优化设备控制，实现是生产过程的局部优化。而 中药提取 生产总体 效率的提 高，在很 大程度上 依赖综合 指标的提 高 ， 只有将过 程控制与 生产管理 系统集成 起来， 才 能实现生 产过程的 总体 优化， 为 企业带来 最大经济 利益。 批 量生产管 理与控制 主要包括 ： 配 方管理、批

11、调度、 批量生产 管理等内 容。 12、降低法规依从 成本 中药提取 生产必须 依从 GMP 规范，药 品出口企 业还要依从 FDA 要 求，有效 降低法规 依从成本 ，是企业 的重要需 求。 三 、 选择 合适的技 术、产品 工业生产过程，一般可以分为离散生产过程、连续生产过程和间 歇生产过 程， 它们 具有不同 的管理和 控制特点 ， 控制系 统设计和 设备选型也有 不同的要 求。 中药 提取生产 过程采用 间歇过程 ， 因此， 要选 择间歇控 制技术、 产品构建 自动控制 系统。 基于计算机技术的间歇控制系统硬件主要有：综合自动化系统、 传统集散 控制系统 （ ） 、 可 编 程控制器

12、（） 、 一体化 控制 器 、 、现场总线 等。 而目前 在中药提 取过程自 动化方面 ，应用较 多的 是传统DCS 和PLC。 1 、 综合自动化系统 ， 处理模拟 量和处 理开 关量 能力 都 比较 强， 普遍 提供可选 的间歇控 制产品组件 和统计 过程控制 选件 （SPC） ， 功能完 备 ， 适用性强 ， 普遍具 备处方管 理 （RECIPE） 、 批调度和批 数据管理 功能 ， 可以生成 可追朔性 很强的完 整的批生 产记录。 适用于大、中 型间 歇生 产过程自 动控制和 中试车间 自动控制 。 也有适 合小型应 用的系统 ， 比 如西门子 PCS7 BOX 。 目 前主要可选产品

13、包括：西门子：PCS7（过程 控制系统 ） 、ABB:800xA （扩展自动 化） 、 艾 默生： DeltaV 数 字自动 化系统、 罗克韦尔 ： PlantPAx （工厂 过程自 动化系统 ） 、 霍 尼 韦尔： Experion PKS （过 程知识系统） 。在选择这些产品时，应首先慎重考 察相关批 控制软件 组件的中 文化和技 术支持能 力问题。 千万不可 轻易 相信销售 人员的介 绍。 2 、 配备 SFC（顺 序功能图 ）和 FBC （功能块 图）编程 语言的 和 PLC 。 可以有效 的实现操 作流程控 制、 连续 回路控制 、 离散控 制及 采集和显示数据所需控制功能。其中有些

14、 DCS 或 PLC 配置了配方 （formula ） 管理功能 （注 意不是处 方 （recipe） 管理功能， 两 者功 能相差甚 远） 。目 前 ，是在 中药提取 应用中装 机量最多 的系统。 用这 类系统组成间歇控制系统，能够很好的实现中药提取的过程控制 （process control ），而 基本无法 实现完整 意义上的 批量生产 过程 的自动控 制（Batch process control ）。另 外，这类 系统的数 据记 录是按连续生产过程记录数据 的 方式记录的， 其查寻、检索和转移 是以时间节点和时间段为关键字的。这并不符合按批记录、存贮、 检索和转移数据的要求，也就是说

15、其数据记录不能有效满足中药提 取对电子批记录的要求。特别是，从 目前看，这类系统永远无法与 他们各自 厂家的处 方管理、 生产调度 、 批数据 管理等软 件组件集 成， 形成完整的批量生产过程自动化系统。因为，进口品牌已经分别提 供不同产品，而国产品牌的相关软件组件的提供还遥遥无期。总之 选择这类系统不是最合适的，但在国内却是最多的。无奈！无奈！ 目前主要可选产品包括：浙大中控 的 JX-300DCS 系统 、 西门子： S7-300 、 和利时:HS-2000DCS 系统 、 罗克韦尔 ：Logix DCS 系统等。 由于中药提取过程具有非稳态特性，物料的物理性质不断发生变 化， 这些 变化

16、会对 一些仪表 的测量产 生影响， 仪表选型 时要注意。此 外，仪表 选型时还 要考虑卫 生和防暴 方面的要 求。 间歇生产过程的过程操作、单元操作、操作阶段以及操作步都是 按顺序进 行的，编 程软件应 符合 IEC61131-3 标准，提供 顺序控制 编 程 语言（例如 SFC ） 。人机界面组态软件，应 选择能提供批管理（ 处 理） 选件 的产品， 和提供过 程管理验 证所需要 的组件或 功能。 控 制程 序设计应 采用模块 化分层结 构， 例如 ： 分成过 程单元控 制程序、设 备 单元控制 程序、 操 作阶段控 制程序、 操作步控 制程序、 设备模块 控制 或元件控 制程序。 四、满足

17、 不同需要 的控制系 统 1 、中药 提取过程 控制系统 （process control ） 独立的过程控制系统设计目标是优化设备控制，获取经济效益。 系统主要 包括： 控 制站、 操 作服务器 、 操作 员 站、 工程 师站、 现 场仪 表与执行 机构和计 算机网络 。 一般具 有设备控 制、 人机 界面、 数 据管 理、 信息 通讯和系 统管理维 护功能。 设备控制 程序在控 制站运 行 ，人 机界面软 件运行在 操作员站 、 数据管 理一般运 行在操作 服务器或 工程 师站，系 统管理维 护在工程 师站完成 。 设备控制程序由自控专业人员开发，下装并驻留在控制站内。程 序开发依据产品工

18、艺流程，可以设计成 控制不同工艺流程的控制程 序，满足 多品种生 产要求。 人机界面由自控专业人员组态生成，下装并运行于操作员站，主 要用于设 备工作状 态的监视 ，和对生 产设备的 操作。 数据管理 一般包括 ： 工艺参 数 （公式 管理） 管 理；实 时 数据采集 、 存储、查 询；报表 输出功能 。 系统管理维护在工程师站完成，包括：授权管理和访问许可、程 序修改、 数据维护 等。 （1 ）基 本功能 过程I/O 安全联锁 过程联锁 开关控制 和调节控 制 顺序控制 计算机图 形化监控 报警及处 理 过程数据 存储和报 表输出 信息提示 和事件记 录 公式管理 （原料组 分的品种 规格、

19、数 量和操作 条件等） 授权管理 和访问许 可 人工操作 信息记录 程序修改 记录 （2 ）常 见系统结 构： 单站系统 控制站和工程师站、操作员站、操作服务器、存档服务器集成在 一个专用 工业PC中， 适合在 现场实施 监控的小 型中药提 取项目或 中试 项目。 单操作站 系统 工程师站 操作员站 操作服务器 存档服务器 数据库 控制站 仪表/ 执行机构 仪表/ 执行机构 信号I/O I/O 站 仪表/ 执行机构 工程师站 操作员站 操作服务器 存档服务器 数据库 控制站 仪表/ 执行机构 仪表/ 执行机构 信号I/O 控制站 I/O 站 仪表/ 执行机构 单操作站 系统，由 控制器承 担设

20、备控 制功能， 操作站是 集成了工 程师站、 操作员站 、操作服 务器、存 档服务器 功能的高 性能 PC 机。 适合远程 监控的小 型提取项 目。 多操作员 站的系统 系统把设备控制、管理维护、监控操作、数据归档功能分配到控 制站、 工 程师站、 操作员站 ， 能基本 满足中药 提取PCS 需求， 造 价较 低。 由于 没有独立 的实时数 据采集、 存储系统 ， 实时数 据管理往 往在 操作员站 进行，所 以容易出 现因操作 员站停机 造成数据 丢失的问 题 。 如果考虑 与批生产 管理系统 或批MES 集成， 则 需要对硬 件和软件 进行 较大范围 的重构。 基于服务 器的系统 操员作站

21、工程师站 以态网交 换机 仪表/ 执行机 构 仪表/ 执行机 构 仪表/执行 机构 ES OS 信号I/O 控制站 I/O 站 操员作站 OS 仪表/ 执行机 构 系统由可冗余的操作服务器承担控制数据采集、归档功能，同时 完成操作 员站与控 制站的数 据通讯， 由于服务 器可采用 冗余结构 ， 大 大提高了 数据管理 系统的可 用性和可 靠性， 能 基本的满 足中药提 取过 程控制需 求。 如果 考虑与批 生产管理 系统或 批 MES 集成， 则需要 对硬 件和软件 进行适当 的重构。 （3 ）适 合的应用 我国已经投入运行的中药提取过程控制系统，大多是独立运行的 自控系统 ， 这些系 统不同

22、程 度地解决 了优化控 制问题， 提高了生 产的 安全性和 生产效率 ， 保证 了 设备控制 得一致性 。 但大 多 存在以下 不足： 、 控制 程序固定 ， 添加新 产品时， 往往需要 编程人员 添加、 修 改控 制程序； 、 企业 必须把产 品生产工 艺流程细 节完全介 绍给项目 承包 单位负责 控制软件 编程的技 术人员， 不利于保 密； 、 虽然具备 工艺 参数管理 功能， 但 功能大多 不规范、 不完整， 不具有版 本控制和 审计 跟踪功能 ； 、 不 具有规范 的批电子 记录功能 ， 不能生 成符合 21 CFR PART 11 的电子批 记录，大 量的生产 记录还要 靠手工完 成

23、，手工 记录 的数据往 往与自控 过程数据 不匹配； 、自动 控制系统 与生产操 作 、 生产调度 、 生产管 理和工艺 管理之间 没有规范 、 完整的 交互界面 ， 信工程师以态网交换机 仪表/ 执行机构 仪表/ 执行机构 仪表/ 执行机构 ES OS 信号I/O 控制站 I/O 站 操员作站 OS 仪表/ 执行机构 OS OS 可冗余的 操作服务器 以态网交换机 息交互零 乱、 效率 低； 、 生产管理 人员， 不 能从控制 系统直接 获得 完整的过 程信息； 、 如果 要求与批 生产管理 系统或 批 MES 集成， 则 需要对硬 件和软件 进行修改 和重组。 2 、中药 提取批（ 管理和

24、） 控制系统 （Batch process control ） 把过程控制系统与 批 生产管理信息系统集成， 可以实现生产过程 的总体优 化， 帮助 企业提高 生产效率 ， 降低生 产成本， 获得更大 的经 济利益和 竞争优势 。 通过对 过程控制 、 配方管 理、 批调 度、 批管 理的 集成， 可以 弥补所有 独立过 程控制系 统存在的 不足。 中 药提取批 管理 和控制系 统， 以主 配方向控 制配方的 转化为主 线， 将人 、 设备、 物料 集成，达 到生产管 理与控制 一体化操 作的目的 。 系统主要包括：控制站、可冗余的操作服务器、可冗余的批管理 服务器， 操作员站 、工程师 站、

25、现场 仪表、执 行机构、 计算机网 络 ， 还可以专 门设置配 方管理操 作员站和 生产调度 操作员站 。 具有设 备控 制、 设备 监视、 配方 管理、 批生产调 度、 批生 产管理、 信息通讯 、 系 统管理和 系统维护 功能。 设 备控制程 序运行在 控制站， 人机界面 软件 和批监控 软件运行 在操作员 站， 数据 管理运行 在操作服 务器和批 管理 服务器， 系统管理 、维护在 工程师站 完成。 控制站存储并执行控制步程序（例如：提取罐加水、控制提取温 度、排料 、排查） 。控制步 程序由自 控专业人 员编制， 下装并驻 留在 控制站内 。 控制步 程序依据 单元设备 固有控制 环节

26、设计 ， 而不是 依据 特定产品 工艺。 人机界面由设备监控和批监控组成，自控专业人员组态生成，下 装并运行 于操作员 站。前 者 主要用于 设备工作 状态的监 视和异常 状况 发生时对 生产设备 的手动操作 ， 后者 用于启动 过程、 保 证过程平 稳运 行、 在线 监控配方 程序的执 行、 监控 批次列表 的执行情 况、 材料 的存 储和移动 、 设备的 单元的实 时调度和 分配、 人 工干预提 示和人工 干预 输入、记 录等。 系统管理维护在工程师站完成，包括：授权管理和访问许可、程 序修改、 数据维护 等。 配方管理功能主要面向工艺人员，工艺人员可建立和管理多个主 配方。主 配方规定

27、了产品的 规格、型 号、操作 程序、使 用的设备 类 、 工艺参数 、 原料 等 内容。 配 方管理主 要包括建 立、 编 辑 、 存取、 传递 主配方， 把主配方 向控制配 方转换， 提供依从 法规的版 本控制和 审计 跟踪功能 ， 还提供 管理人员 和操作人 员调用配 方的安全 保密措施 。 工 艺人员根据工艺在主配方中建立过程操作、单元操作和操作阶段程 序， 避免 了对外暴 露生产工 艺， 既满 足了工艺 配方保密 要求， 也 满足 了柔性化 生产的要 求，大大 提高管理 效率。 批调度提 供选择主 配方、生 成批调度 表和执行 批初始化 功能。 批管理可 以调度、 跟踪各批 产品的生

28、产， 使产 品配方、 生产路径 、 记录的数 据与各批 产品正确 的对应， 功能包括 ： 选择主 配方并把 它转 变成控制 配方； 灵 活分配设 备单元， 高效利用 设备； 控 制并监视 生产 过程，控制包括启动、中断、挂起、恢复、复位等功能；生成符合 21 CFR PART 11 的批电子记 录。 配方管理和生产调度可以设置专门的操作员 站，也可以在工程师 站完成。 （1 ）基 本功能 基本过程 控制系统 配方管理 批调度 批管理 法规依从 支持 与MES 集成的接口 （2 ）常 见系统结 构： 单操作站/ 单站系统 批管理功 能可以集 成在单操 作站/ 单 站系统中 ， 构成集 成的批量

29、生 产过程控 制系统。 基于服务 器的系统 工程师站 以态网交换机 仪表/ 执行机构 仪表/ 执行机构 仪表/ 执行机ES 信号I/O 控制站 I/O 站 OS OS 可冗余的 操作服务器 可冗余的 批服务器 OS 操员作站 以态网交换机 批管理和 控制系统 与PCS集成， 在可 冗余的批 服务器和 操作员站 运 行批管理 系统， 在 工程师站 完成批管 理系统的 组态， 控 制站按控 制配 方 实施设备控制。系统可完成间歇控制模型（ISAds88.0.1 ）中所 有功能， 具有符合21 CFR PART 11的 电子签名 和电子记 录功能， 可输 出完整批 报表。 （3 ）适 合的应用 有效

30、地提高控制和生产管理效率，降低确认或法规依从成本，降 低操作和 生命周期 成本，性 价比高。 适合所有 中药提取 自动化应 用，是中 药提取企 业理想的 选择。 有效地提高控制和生产管理效率 ， 降低确认或法规依从成本，降 低操作和 生命周期 成本，性 价比高。 3 、三项 技术降低 法规依从 成本 利用过程 分析技术 （PAT） 、 无线射频 识别技术 （RFID） 和符合21 CFR PART 11 的电子记录和 电子签名 ，可以有 效降低 FDA 法规依 从成 本。在放 行阶段，PAT 和 RFID 的应用可以帮 助企业利 用“例外 放行 法 ” 。符合 21 CFR PART 11 的

31、电子记 录和电子 签名可以 支持“准 实时 放行” 。 五、中药 提取自动 化系统规 划及实施 规划和实 施一个中 药提取自 动化系统 项目有关 的规范包 括：GMP 、 21 CFR PART 11，ISA S95 、ISAds88.01 和GAMP 5 。 ISAds88.0.1 给 出了间歇 生产模型 、 间歇控 制模型和 术语定义 。 GAMP 4 给出 了 自动 化系统生 命周期指 南，利用 生命周期 指南，可 以提高项目 设计、 实施过程 可见度， 缩短验证 时间和周 期， 提高 系统 实施效率 ， 保证系 统质量， 使设计的 系统在限 定条件下 优质、 高 效的 满足实际 需求。 21 CFR PART 11 给出电子签 名和电子 记录的范 畴和应用 。 参考文献 戴勇教授 曹江辉 博士.MES ，让制造 与计划相 统一 . 2003-7-30 王志新， 金松涛. 制造执行 系统MES 及应用.2006 中药提 取与自 动控制(第二版) 北京杨 建新 2013.11.26