1、西门子 PLC400 自控系统在青霉素钾盐结晶生产中的应用摘要：针对蒸发结晶生产过程中存在的液相温升速率和蒸发量耦合性较强、控制系统波动幅度大等问题，设计开发了一套基于西门子PLC400 系统的多变量自校正的复合 PID 控制器。生产实践表明，该复合PID 控制器是解决多变量耦合控制问题的一种实用有效算法。 关键词：PLC400 自控控制；蒸发结晶；复合 PID 控制器；一键操作。中图分类号：TM571 文献标识码： A 一 引言 在工业生产工程中，结晶方法可分为六种：（1）升华结晶（2）冷却结晶（3）真空结晶（4）喷雾结晶（5）盐析结晶（6）蒸发结晶。而蒸发结晶适合于溶液的溶解度随着温度的升
2、高而变换不大的盐类结晶。青霉素钾盐的结晶操作就是共沸蒸发结晶的过程，结晶自控流程设备图1。 图 1 青霉素钾盐结晶过程分为四个阶段：（1）青霉素钾盐溶液由不饱和变为饱和阶段即析晶点阶段（2）晶体的形成既养晶阶段（3）晶体生长阶段， （4）结晶结束阶段。在整个结晶过程中，决定晶体质量的主要因素只有两个，第一个是液相温度的温升速率控制，第二个是结晶罐蒸发量的控制。以往青霉素钾盐操作控制系统很难实现“一键式”管理，上位 SCADA（数据采集与监控）系统的自控算法也容易受计算机系统稳定性的制约，而西门子 PLC400 自控系统恰恰由于它的高效性，稳定性，安全性为青霉素钾盐结晶工业生产的“一键式”管理提
3、供了可靠的保障。西门子 PLC400 系统优越性就在于它能为用户提供高效安全、简捷实用的“一键式”操作窗口，大大降低了生产成本，提高了生产效率。 二 自控策略 青霉素钾盐结晶生产自动控制系统分为：上位的 SCADA 系统，下位的控制系统。SCADA 系统通过 GE 公司的 IFIX5.0 软件实现，下午的控制系统是有西门子 PLC400 系统组成。整个生产工艺需要监控的参数有：结晶罐的真空度、搅拌转速、晶体的浊度、气象温度、液相温度、结晶罐的液位、受液罐的液位、结晶罐夹套温度、冷凝器真空度、正丁醇的流量等。难点和重点就是液相温度的温升速率和结晶罐的蒸发量的控制。 在介绍控制策略前首先要澄清一个
4、概念性的误区，温度滞后因素对制药工艺的影响。温度滞后即现场工况的实际温度和 SCADA 系统采集的数据有一定的偏差。这些偏差是因为现场的智能仪表本身的精度和反应速度造成的，是自控设备本身先天性的缺陷。自控算法只能去修复这个偏差但不能彻底的消除这个偏差。基于这一点，在青霉素结晶的自控工程中，无论是 PID 控制算法还是模糊控制算法都是无法避免上述问题的。PID 控制和模糊算法控制都有各自的优缺点。PID 算法容易使变量超调，但控制相对较精确；模糊算法相对比较稳定，但精确度却不是很理想。如果把两个自控算法有机的结合在一起，对制药工艺生产会更加的有效，便捷。复合 PID 的算法就具备了上述的优点。在
5、工艺生产的不同阶段，工艺参数会随之改变。复合 PID 算法不仅能够使自身的比例，积分，微分参数随着现场工艺的要求变换，而且 PID 的设定值和采样周期也可智能的伴随着工艺要求做出相应的改变。复合 PID 算法不仅能够满足工艺的变换要求，而且不会产生超调的现象。 青霉素钾盐结晶的两个变量液相温度的温升速率和蒸发量是整个工艺过程的关键，这两个变量的关系是相辅相成且相互制约的。当温升速率升高时，蒸发量必然增大，而当蒸发量曾大时带走的热量会相应的增多，从而抑制了温升速率的升高。相反当温升速率降低时，蒸发量相应的减少，带走的热量也会降低。所以不难看出这两个变量因素中温升速率是“因” ，而蒸发量是“果”
6、。那么在自控系统控制模型中，温升速率作为唯一的变量进行操作处理，蒸发量作为负反馈进行处理，控制模型如图 2。 SP（t） U（输出）PV e（偏差） 图 2 PV:过程变量，SP（t）:过程设定值，WSSL（t）：液相温度温升速率，ZFL（t）:蒸发量， YXWD：现场液相温度。这里的 SP（t） ，WSSL（t） ，ZFL（t）都是关于时间的函数。SP（t）=kt+b（b 为当系统切换到自控档时过程变量的当前值，k 是每个阶段不同的液相温度温升速率的数值） ，WSSL（t）=（T1-T0）*60（T0 为当前液相温度的实际数值，T1为后一分钟液相温度的实际数值） ，ZFL（tx）=（YXWD
7、（tx）- YXWD（tx-5） ）*12（YXWD（tx）为当前的液相温度，YXWD（tx-5）为前5 分钟的液相温度） 。 三 自控过程 在系统切换到自动状态前，现场工艺参数要满足生产要求， （1）真空度要达到-0.093Mpa（2）冷媒水温度要在-5.0以下。 （3）冷凝器的真空度和结晶罐的真空度相差不能超出 0.003Mpa（4）液相温度要保持在24左右稳定等。只用在这些条件满足的前提下才能进行自动工艺的生产，否则系统进行报警。 自控过程：整个结晶控制分为四个阶段。 （1）到达析晶点阶段，要求温升速率在 4/h，蒸发量为 1000L/h，搅拌转速为 35N/h。 （2）养晶阶段，要求液
8、相温度维持在当前数值，蒸发量要降到 800L/h，搅拌转速为 30N/h。 （3）晶体生成阶段，要求温升速率在 5/h，蒸发量为1100L/h，搅拌转速为 35N/h。在这三个阶段中，下位系统会自动的给PID 控制器分配比例、积分、微分参数，同时 SP（t） 、WSSL（t） 、ZFL（t）三个函数会一直的输出运算结果参与自控系统的控制。 （注解：因为考虑到现场单法兰液位计的反应时间和精度，ZFL（t）函数的时间差是 5 分钟，但在下位程序和 SCADA 系统中都要在第 5 分钟后每一分钟刷新一次数据,而温升速率反应较快系统设定时间差为 1 分钟，SCADA 系统每一分钟刷新一次数据） 。 （
9、4）结晶结束阶段，结晶结束的标志是液相温度达到 45，蒸发总量满足了工艺要求。当这两个条件同时满足时，自控系统自动停止运行，为下一个批次生产做准备。在这四个阶段中同时要伴随着补正丁醇的流量控制，工艺要求补正丁醇的量要与结晶罐蒸发量相同，换个角度思考就是结晶罐蒸发出多少水分就要补进相应体积的正丁醇，那么我们只要控制正丁醇的流量使结晶罐的液位保持不变就能达到工艺控制要求了。这个过程用简单的 PID 算法就能实现，控制一览如图 3。 图 3 四 自控效果和分析 由于采用了较为合理的复合 PID 自动控制原理算法，使得整个青霉素钾盐结晶过程层次合理、结构清楚。能够智能的实现“一键操作”功能。改变了以往
10、现场的工艺人员盲目的，没有层次感的操作流程。所以自动化应用水平的改善，相应的也提高了现场生产工艺参数，提高了青霉素钾盐成品的质量，使青霉素钾盐晶体纯度较高，晶状较好，分布较集中，大大提高了生产效益。同时由于复合 PID 算法智能的控制现场执行机构，使蒸汽用量大大的降低，避免了不必要的浪费，实现了节能减排的作用。 现场液相温度实际值和设定值图标及现场蒸发量实际值和设定值图标如图 4。 图 4 （1）侯宝红 青霉素盐结晶工业生产控制系统的研究D 。天津：天津大学，1996 （2） 陈建明 电气控制与 PLC 应用M. 北京：电子工业出版社，2006（263-264） （3）张学军 逻辑控制器的形式验证及其应用J化工自动化及仪表 ， 2000,27 （4）高国燊，余文烋自动控制原理M广州：华南理工大学出版社，1999 （5）SIMMENS.SIMATIC S7-400 AND M7-400 Programmable Controllers Module Specifications Reference Manual,2001
