本方案結(jié)合實際工程，闡述生物化工行業(yè)反應(yīng)容器的一般工藝過程及控制特點，充分發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)優(yōu)勢，具有低成本，高性能的特點，為類似相關(guān)控制方案設(shè)計提供良好借鑒。 一．概述 　　東北制藥總廠生產(chǎn)的 Vc 一直是我國重要的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品，產(chǎn)品銷往美、歐。多年來為國家創(chuàng)造了巨額外匯，為遼寧的經(jīng)濟(jì)騰飛做出了貢獻(xiàn)，但 96 年起，市場發(fā)生了突然變化， 以羅氏為首的西方大公司聯(lián)手控制市場，大幅降低銷價，降幅近 70% 。我國維生素 C 產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴(yán)重受阻，企業(yè)的生存受到威脅。為擺脫困境，重振企業(yè)， 東北制藥總廠采用 Vc 二步發(fā)酵轉(zhuǎn)化技術(shù)對生產(chǎn)工藝加以改進(jìn)， 使 VC 的 總收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ， 產(chǎn)量增至 11500 噸， 有力地提高了產(chǎn)品在國際市場的競爭力 。該新工藝保留了原工藝的主要特色，但在發(fā)酵過程中需依介質(zhì)的氫離子濃度和溶氧量調(diào)節(jié)菌種的生理狀態(tài)、數(shù)量及比例。操作難度加大，對工作人員的自身素質(zhì)和責(zé)任心要求很高。為充分發(fā)揮該新工藝的效率，在生產(chǎn)中急需采用先進(jìn)的控制策略和控制技術(shù)，來保證新的工藝過程能平穩(wěn)高效地運行。為此，我們采用現(xiàn)場總線技術(shù)對二級種子罐的控制系統(tǒng)進(jìn)行試點改造，實現(xiàn)溫度、壓力、流量和 PH 值等參數(shù)的自動檢測和優(yōu)化控制，該系統(tǒng)改造成功后，可推廣應(yīng)用到其它的種子罐和發(fā)酵罐，從而提高整個 VC 生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。 　　 　　對系統(tǒng)進(jìn)行選型設(shè)計時，鑒于本項目需要對溫度、壓力、流量和 PH 值等參數(shù)進(jìn)行精確的自動檢測和優(yōu)化控制，有一定的復(fù)雜性，常規(guī)的儀表難以勝任，而采用基于工業(yè) PC 的 PC-Based 系統(tǒng)，其安全可靠性難以保障， DCS 系統(tǒng)卻因其價格昂貴， 不利于應(yīng)用在中小型系統(tǒng)上，PLC 系統(tǒng) 具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、速度快、可靠性高等 優(yōu)點，但其每一個檢測或控制點都需要一對信號線接入相應(yīng) PLC 控制模塊，系統(tǒng)布線較多，安裝及維護(hù)成本較高，而選擇 基金會現(xiàn)場總線 （Foundation Fieldbus，簡稱 FF ） 系統(tǒng)，則能較好的解決上述問題。 　　FF 現(xiàn)場總線是儀表及過程控制領(lǐng)域向數(shù)字化通訊的轉(zhuǎn)變， 與其他的通訊協(xié)議不同之處在于： FF 現(xiàn)場總線旨在提供整個過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用解決方案，而不僅僅是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化，是一種全數(shù)字化、串行、雙向的通訊系統(tǒng)，將各種現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器、控制器等）連接在一起， 通過使用 “ 功能塊（ Function Block ） ” 實現(xiàn)控制策略。 　　功能塊的這種一致的、面向“塊”的設(shè)計使得來自不同生產(chǎn)廠商的設(shè)備可以無縫的集成在一起，共同完成分布式控制功能，控制功能的分布（分布到現(xiàn)場設(shè)備中）可以減少 I/O 設(shè)備、控制設(shè)備的數(shù)量（例如，卡件、機(jī)柜、電源等）。FF 現(xiàn)場總線允許在一條雙絞線上連接若干設(shè)備， 這條 雙絞 線就是現(xiàn)場總線。這種連接方式減少了連線的數(shù)量， 使得使用的線纜、安全柵、安裝盒數(shù)量大大減少， 易于安裝和維護(hù)，使施工費用、電纜費用、調(diào)試和維修成本節(jié)省 40% 之多 。 FF 現(xiàn)場總線技術(shù)增加了數(shù)據(jù)的分辨率，減少失真（沒有 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換），這樣就使控制更加可靠。帶微處理器的 FF 現(xiàn)場總線設(shè)備所提供的自測試功能和通信功能大大減少了現(xiàn)場停車時間，增加生產(chǎn)現(xiàn)場的安全性，一旦監(jiān)測到異常情況，或者需要進(jìn)行于預(yù)防性維護(hù)，現(xiàn)場操作元及管理人員就可以被及時通知。所有這些 FF 現(xiàn)場總線所帶來的好處歸結(jié)起來，為我們提供了一種更高性能、更少損失的控制系統(tǒng)。反應(yīng)容器自動控制 系統(tǒng) 選型時，F(xiàn)F現(xiàn)場總線 作為高檔系統(tǒng)配置，不失為一種優(yōu)秀的解決方案。 　　DCS/PLC于FCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較： 　DCS是基于模擬儀表的控制系統(tǒng)。現(xiàn)場控制站與儀表間通過一對一的方式，實現(xiàn)單向的模擬信號傳輸， 易造成大量的導(dǎo)線消耗和繁重的維護(hù)量。 　　FCS是基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)。它 將控制任務(wù)下放至本地儀表，危險徹底分散，加強系統(tǒng)的自主能力；儀表與控制系統(tǒng)間通過總線，采用一對多的方式，實現(xiàn)雙向的、全數(shù)字信號通訊。 FCS 具有對量程和零點進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定和超強的自診斷能力。 二．工藝過程 　　東藥萬噸 VC 生產(chǎn)過程采用了二步發(fā)酵新工藝，在發(fā)酵過程中需依介質(zhì)的氫離子濃度和溶氧量調(diào)節(jié)菌種的生理狀態(tài)、數(shù)量及比例。經(jīng)實驗測量， Vc 二步混菌發(fā)酵中氧化葡萄糖酸桿菌和巨大芽孢桿菌的相互作用及其變化特性與二混菌發(fā)酵不同階段的環(huán)境狀態(tài)有關(guān)，菌種在溫度范圍為 29-30 度、壓縮空氣流量范圍為 175-185 每小時立方米、　壓力范圍是 0.02-0.05Mpa 條件下最為活躍，故通過對二級種子罐罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)壓力、壓縮空氣通氣量的調(diào)節(jié)，為菌種提供適宜的生化反應(yīng)環(huán)境，提高反應(yīng)效率，減低物耗與能耗，降低生產(chǎn)成本。 　　我們在選用的二級種子罐上，采用現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測和對三個控制回路的控制，實現(xiàn)罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)壓力、壓縮空氣通氣量的自動控制以及 PH 值的自動連續(xù)檢測，在此基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)種子罐的生化反應(yīng)過程的最優(yōu)控制，同時結(jié)合我們開發(fā)的 FF 全分布式控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)二級種子罐的計算機(jī)自動監(jiān)控，為整個 VC 車間的自動控制系統(tǒng)提供解決方案。 　　二級種子罐控制系統(tǒng)涉及 4 個輸入?yún)?shù)， 3 個輸出參數(shù)。4 個輸入?yún)?shù)分別為種子罐的罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)壓力、壓縮空氣的流量及發(fā)酵反映中物料的 PH 值。 3 個輸出參數(shù)用于控制 3 個閥門的開度，即種子罐的排氣閥、壓縮空氣的進(jìn)氣閥、冷卻水的進(jìn)水閥。 三．系統(tǒng)方案 1 ．系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　東北制藥總廠二級種子罐控制系統(tǒng)采用 FF現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，主要檢測及控制儀表選擇中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)的NCS系列智能儀表， 整個 控制系統(tǒng)主要由 1 臺操作員站（兼工程師站）、 1 塊 FF HSE/H1 接口模塊、1塊 FF 現(xiàn)場總線溫度變送器、 1 塊 FF 現(xiàn)場總線壓力變送器、 1 塊 FF 現(xiàn)場總線 IF 儀表（ 4 通道）、 1 塊 FF 現(xiàn)場總線 FI 儀表（ 4 通道）構(gòu)成， 其 硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 　　操作站是系統(tǒng)操作監(jiān)控的主要渠道，操作人員通過操作站所顯示的各種人機(jī)界面，可監(jiān)控到所有的現(xiàn)場工藝參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制、啟停和調(diào)節(jié)，以自動和手動兩種方式確保生產(chǎn)過程的安全、經(jīng)濟(jì)、高效。并對各種信息形成各種運行參數(shù)報表、運行趨勢曲線、操作記錄及指導(dǎo)、歷史數(shù)據(jù)信息、報警保護(hù)管理、人機(jī)操作等畫面，供運行人員監(jiān)視。所有操作都具有權(quán)限控制，保證系統(tǒng)安全可靠運行。 　　FF 現(xiàn)場總線控制 系統(tǒng)主要設(shè)備性能如下： 　　FF HSE/H1 接口模塊 是通過以太網(wǎng)連接 FF H1 網(wǎng)段的關(guān)鍵設(shè)備。一個 H1 接口設(shè)備最多可以連接四個 H1 網(wǎng)段， 可以做 H1 網(wǎng)橋設(shè)備。本設(shè)備在現(xiàn)場總線基金會 (FF) 在 H1 協(xié)議的基礎(chǔ)上，將以太網(wǎng)技術(shù)作為底層協(xié)議加入到現(xiàn)場總線協(xié)議中，構(gòu)建了基于工業(yè)以太網(wǎng)的H1 接口設(shè)備。用戶可以通過現(xiàn)場總線的組態(tài)軟件。完成對多個 FF H1 網(wǎng)段的組態(tài)、控制回路組態(tài)、控制邏輯組態(tài)、功能塊連接、報警趨勢組態(tài)、控制應(yīng)用下載等功能。 　　FF現(xiàn)場總線溫度變送器 NCS-1-TT 主要通過熱電阻或熱電偶傳感器測量溫度，并按現(xiàn)場總線協(xié)議連接到 FF 現(xiàn)場總線系統(tǒng)中。 　　FF 現(xiàn)場總線壓力及液位變送器 NCS-1-LD ，是在普通型 1151 變送器的基礎(chǔ)上，采用 FF 現(xiàn)場總線技術(shù)， 自主研制的新一代智能變送器，是 1151 變送器的更新?lián)Q代產(chǎn)品，用于測量流量、液位、表壓、絕壓、真空度和比重等，是過程控制必不可少的傳感設(shè)備，配有豐富的控制功能模塊，在完成檢測任務(wù)的同時，還能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 　　FF 現(xiàn)場總線 FI 儀表 NCS-1 -FI ，用于將 FF 現(xiàn)場總線中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成 4-20mA 的模擬信號并連接到其它的設(shè)備，是現(xiàn)場總線與執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制裝置之間的轉(zhuǎn)換設(shè)備。 　　FF 現(xiàn)場總線 IF 儀表 NCS-1 - IF ，用于將 4-20mA 的模擬信號轉(zhuǎn)換成 FF 現(xiàn)場總線中的數(shù)字信號， 是傳統(tǒng)模擬儀表與現(xiàn)場總線之間的轉(zhuǎn)換設(shè)備。 2 ．操作站功能 　　系統(tǒng) 監(jiān)控界面軟件 采用中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)的國家九五攻關(guān)科研成果“ SIAVIEW工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)” 開發(fā)， 包括顯示、過程控制、測量值記錄和報表等多種功能。 　　操作員站的基本功能如下： • 顯示系統(tǒng)工藝流程畫面，實時顯示監(jiān)控數(shù)據(jù) • 運行（手動 /自動）方式的切換，進(jìn)行手動操作，各調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥操作等 • 建立并顯示趨勢曲線 • 調(diào)整過程設(shè)定值及相應(yīng)的參數(shù) • 歷史數(shù)據(jù)查詢功能， 為提高員工的工作責(zé)任心，明確操作人員的責(zé)任，將對整個生產(chǎn)過程的主要數(shù)據(jù)（罐內(nèi)空氣腔溫度、罐內(nèi)空氣腔壓力、罐內(nèi)冷卻槽水溫）進(jìn)行全程的跟蹤記錄，可避免各種因員工責(zé)任心不強造成生產(chǎn)的不穩(wěn)定，同時為工藝改進(jìn)提供依據(jù) • 設(shè)置操作人員，系統(tǒng)維護(hù)人員，工藝技術(shù)人員，系統(tǒng)工程師等不同級別的授權(quán)密碼，不同的人員享有不同的操作權(quán)限。 所有人員需使用密碼登陸后才能進(jìn)入控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的操作功能 • 顯示并確認(rèn)報警 • 報表顯示 /打印 　　監(jiān)控界面軟件 可以顯示系統(tǒng)內(nèi)所有過程點，包括罐內(nèi)溫度、壓縮空氣流量、罐內(nèi)壓力及 PH值等，對顯示的每一個過程點，均顯示其標(biāo)號、說明、數(shù)值、性質(zhì)、工程單位等等。 　　監(jiān)控界面軟件 提供棒狀圖顯示功能，操作員可通過動態(tài)棒狀圖的變化了解各種過程變量的變化， 棒狀圖的顯示比例可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。 　　監(jiān)控界面