1引言
在本項目中此藥廠的每個生產(chǎn)模塊過去和現(xiàn)在都按照GMP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，但控制技術(shù)并沒有完善，所設(shè)計的生產(chǎn)模塊均伴有手動配方輸入和儀表測量操作環(huán)節(jié)。因此，該生產(chǎn)模塊成為了第一個需要升級改造的對象。
此外，由于每個環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)相對獨立，生產(chǎn)部門要求提高整個工廠的操作自動化和可視化程度。因此，在2009年第3季度引入了以貝加萊PP420觸控屏為核心的自動化系統(tǒng)。新系統(tǒng)將基于S88標(biāo)準(zhǔn)的模塊化控制系統(tǒng)與全廠范圍內(nèi)的控制網(wǎng)絡(luò)以及公司的企業(yè)網(wǎng)集成在一起。
2工藝描述
以秤重和配料為例，共有6個罐并行生產(chǎn)多種批號的產(chǎn)品。由于該產(chǎn)品批號具有很強(qiáng)的可變性，往往在連續(xù)生產(chǎn)一段時間后需要清洗設(shè)備，重新更換配料量，以生產(chǎn)其它批號的產(chǎn)品。因為它們的基本工藝過程是一致的。
從投入的生產(chǎn)線來看，在配料進(jìn)入到該線A罐初始階段前，就必須檢查B/C/D這幾個罐是否已經(jīng)正常完成了上一配方的進(jìn)料，并且罐內(nèi)的壓力、溫度是否已達(dá)到了工藝預(yù)設(shè)值。每種產(chǎn)品在其每一生產(chǎn)步驟中都有很嚴(yán)格的反應(yīng)條件檢測，一旦有連鎖發(fā)生，工藝會要求控制程序根據(jù)不同的連鎖原因轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的子步驟中去，直到連鎖條件完全解除，才能繼續(xù)該生產(chǎn)線的運(yùn)行。
3 Batch系統(tǒng)設(shè)計
傳統(tǒng)的Batch應(yīng)用最初來自DCS的高級應(yīng)用， 如應(yīng)用Emerson的DeltaV， Honeywell的PKS， Siemens的PCS7等系統(tǒng)。由于batch自身結(jié)構(gòu)的要求，為它提供的計算機(jī)控制系統(tǒng)和控制器必須具有界面顯示、數(shù)據(jù)庫平臺上的信息集成和組態(tài)式軟件模塊化編程等功能。傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)基本上都能夠滿足上述要求，但是一般中、低檔的PLC系統(tǒng)卻很難滿足這樣的結(jié)構(gòu)要求，因為PLC無論結(jié)合組態(tài)軟件還是觸摸屏都要求在雙方的接口上定義通訊和數(shù)據(jù)庫地址等。這就使得PLC在batch的應(yīng)用領(lǐng)域中寥寥無幾。而PP420觸控一體機(jī)則很好地滿足上述的幾點基本要求，因為PP420本身就是一臺可編程計算機(jī)控制器，同時也具備HMI的人機(jī)交互功能。
3.1硬件構(gòu)架
根據(jù)批量控制的工藝需求和所需要控制的I/O點數(shù)以及現(xiàn)場操作特點，構(gòu)成了以下中藥生產(chǎn)批處理系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
該系統(tǒng)主要由一臺PP420一體式觸控站及打印機(jī)、一臺BR9300總線連接器、一臺西門子的S7-300 PLC（含若干I/O模塊）、一臺OMRON PLC（含若干I/O模塊）、一臺稱重儀表和數(shù)臺條碼掃描儀組成。它們通過內(nèi)置的各種通訊接口卡（RS232/RS485/TCP-IP/CAN）與總線連接器組成工業(yè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。其中，PP420一體式觸控站作為該系統(tǒng)的核心，批量軟件的服務(wù)器端和客戶端，承擔(dān)工藝過程建模、批量的運(yùn)行、配方管理、批量歷史數(shù)據(jù)庫、報表及安全性、查詢批量運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定批量運(yùn)行過程中的有關(guān)參數(shù)等任務(wù)。此外，通常當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，它作為工藝操作員的一個獨立的人機(jī)界面，也擔(dān)任直接操作現(xiàn)場作業(yè)的任務(wù)。
與底層PLC的模擬量和數(shù)字量I/O模塊結(jié)合，該觸控站還是完成現(xiàn)場測控的主要環(huán)節(jié)，執(zhí)行所有的連續(xù)量控制、邏輯控制以及批量功能塊的參數(shù)設(shè)置和采集，通過下掛PLC的I/O模塊實現(xiàn)對工藝過程的數(shù)據(jù)采集和批量控制。
3. 2 Batch軟件設(shè)計
3.2.1工藝建模
根據(jù)批量生產(chǎn)的工藝要求，建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，是所有的批量軟件工程師需要面臨的一個至關(guān)重要的問題。模型的好壞會直接影響到今后日常應(yīng)用中工藝工程師對批量牌號庫、參數(shù)修改的便捷性，并涉及到新產(chǎn)品、新配方的創(chuàng)建。
在運(yùn)用Automation studio建模的過程中，使用的是C語言獨特的模塊結(jié)構(gòu)編程方式，對各個裝置通過定義模塊函數(shù)結(jié)構(gòu)體成員形式，定義好裝置的名稱（UNIT）、裝置之間的聯(lián)系（Connections），還需要將裝置按照相似的性質(zhì)及生產(chǎn)能力進(jìn)行過程級別分類（Process Class）。在相應(yīng)的過程級別下定義若干個PHASE，PHASE將直接作用于過程控制，根據(jù)測量條件控制閥門的開閉和閥位的變化。但是，這里最為重要的還是必須確保用戶建模的基本準(zhǔn)確性。Automation studio軟件為用戶提供了有效的Batch組態(tài)控制環(huán)境SFC編程語言（如圖2所示）并要求Batch軟件編程工程師在不同的組態(tài)階段，使用該軟件提供的途徑做好有效性的驗證工作。
圖2
3.2.2 控制邏輯封裝
Automation studio軟件本身包含了一種數(shù)據(jù)管理軟件，批量管理控制則是通過工程師編寫C語言程序來建立UNITPROCESS CLASSPHASE這些功能的。其中最重要的就是PHASE，設(shè)備的PAHSE來用來控制和監(jiān)視批量的執(zhí)行的。
PHASE是獨立的一段過程控制程序，它直接作用于生產(chǎn)設(shè)備的行為。盡管PHASE存在于不同的地方，但批量管理系統(tǒng)和PHASE之間的接口是一定的，該項目在使用Automation studio所帶有的自定義庫管理的基礎(chǔ)上，通過建立功能塊的形式，在接口輸入和輸出參數(shù)上定義通用的接口，而對不同的參數(shù)類型，通過不同結(jié)構(gòu)體的指針來實現(xiàn)多態(tài)編程，如圖3所示。
圖3
3.2.3 配方管理
通過AutomationStudio軟件中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)數(shù)組的方式來搭建配方編輯結(jié)構(gòu)。配方結(jié)構(gòu)完全符合ISA S88.01標(biāo)準(zhǔn)（美國儀表協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）。每個配方由四部分構(gòu)成：配方頭、設(shè)備要求、公式、過程。其代碼舉例如下：
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]; ／＊ 聲明配方結(jié)構(gòu)定義配方數(shù)組*/
配方編輯器采用PP420觸控一體機(jī)的人機(jī)界面圖形化方式，為用戶創(chuàng)建了一個極其直觀、人機(jī)友好交互的組態(tài)環(huán)境。在這個環(huán)境中，工藝人員可以根據(jù)當(dāng)前的產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，在第一時間內(nèi)快速改變相關(guān)配方的參數(shù)及流程，達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。其編輯圖形界面如圖4所示。
圖4
3.2.4 電子記錄
為了實現(xiàn)采用電子記錄的工藝要求，也為了替換一個所有記錄都采用人工錄入的手動系統(tǒng)，編制了一套通過Batch系統(tǒng)記錄電子信息確認(rèn)和批次記錄的方法，采用了輸入用戶名和密碼的方式來記錄當(dāng)前用戶的行為。在PP420中，所有具有可操控功能的控件，都編寫了其記錄腳本，一旦某個當(dāng)前用戶進(jìn)行了任何操作，系統(tǒng)將記錄當(dāng)前時間、操作行為和該用戶名。另外，原料的秤重也必須經(jīng)過兩個人確認(rèn)（一個確認(rèn)，一個審核），系統(tǒng)能夠使用多個電子簽名。因此，在一個過程的各個階段它都會在執(zhí)行任何操作之前要求操作者進(jìn)行電子簽名，還能通過PP420的圖形界面查看所有的電子記錄，
當(dāng)配料通過條形碼識別器被添加進(jìn)去時，系統(tǒng)會自動查找產(chǎn)品資源和可用原材料之間的關(guān)系。它也會為每一個批處理過程產(chǎn)生唯一的識別數(shù)量，并投放相應(yīng)數(shù)量的帶條形碼的配料。當(dāng)配料添加進(jìn)來時，它們會被通過條形碼掃描器掃描和確認(rèn)。電子記錄的最大優(yōu)點就是它不允許無序操作，減少了人為錯誤發(fā)生的機(jī)率。
4結(jié)束語
該批量軟件不僅能幫助操作員更方便地查詢現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，應(yīng)對生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件，而且也減輕了儀表工程師對系統(tǒng)的維護(hù)工作量。對于工藝工程師來說，PP420可以使他們獨立于自控維護(hù)人員，自行根據(jù)工藝需求修改配方。自從該中藥工廠使用批量控制系統(tǒng)以來，所表現(xiàn)出來的高的產(chǎn)品生產(chǎn)效率、穩(wěn)定的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、簡捷的操作和完整的歷史數(shù)據(jù)記錄等優(yōu)勢使其產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都得到了很大的提高，工廠效益也得到了改善。表明PP420觸控一體機(jī)對于中小型Batch控制系統(tǒng)具有先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)、靈活等顯著優(yōu)點。
參考文獻(xiàn)
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[2]Rockwell；流程工業(yè)；羅克韋爾自動化RSBizWare Batch軟件在制藥廠的應(yīng)用；2006.12
作者簡介
王宏善 （1978-），男，軟件工程碩士，工程師，主要從事PLC和DCS以及監(jiān)控軟件在過程控制中的應(yīng)用工作。
