浅析中药提取工艺自动化系统程序设计

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,这些系统不同程度地解决了优化控制问题,
但还普遍存在生产效率低、资源利用不足等问题。
针对以上问题,自动化系统提供了一种良好的解决手段,但如何将自动化系统运用至中药生产过程中,成为企业发展面临的一个挑战。
现介绍一种设计框架,按照中药生产的常用工艺,构建中药提取浓缩自动化系统。

# 1 控制系统结构
本文以西门子PCS7亚洲版V8.1平台实现的中药提取自动化生产系统为研究对象, 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、信息通信和系统管理维护功能, 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。
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, 下装并保存在控制站内。程序开发依据产品工艺流程, 可以设计成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。
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。
# 2 中药提取生产工艺自动化控制程序构建
中药提取过程自动化依赖于对设备单元进行精确控制, 严格按工艺流程执行每一步操作, 通过最优、最稳定控制, 产出形状均一、稳定、高质量的产品。
工艺自动化流程需按照工艺、自控、质量管理等相关要求有机组合起来。
## 2.1 煎煮过程设计
提取煎煮生产流程包括:投料→进溶媒→升温煎煮→保温→出液→排渣。
通常中药提取自动化以投料自动控制、进溶媒控制、提取温度均匀控制、出药结束判断、堵料自动控制、出渣系统联动、控制罐底锁与罐底开启装置的联锁与保护等为主要控制目标。为了使提取罐内部受热均匀, 当提取罐内上下部温差较大时, 提取罐内药液需要能够自动循环形成对流。
程序通过以下参数进行各个阶段的具体控制:

进溶剂量:每次加乙醇或纯化水的设定量。
	保温时间:升温后的每次保温煎煮时间设定。
	出液量:每次保温结束的出液量设定。
	升温温度:升温到目标值进入保温。
	升温蒸汽压力:升温阶段蒸汽调节阀自动调节的目标压力值。
	保温蒸汽压力:保温阶段蒸汽调节阀自动调节的目标压力值。
	开循环时间:升温、保温过程中循环开的时间。
	关循环时间:升温、保温过程中循环间隔时间。
	静置时间:静置出液前静置时间。
	堵塞冲洗时间:判断为堵塞后自动冲洗时间。
	判堵低流量:出液量未达到设定提取出液量, 流量小于判堵低流量判断为堵塞。
	出液结束低流量:出液量达到设定提取出液量并且流量小于结束低流量出液结束。
	罐内保护压力:升温、保温过程中罐内压力超过保护值自动打开放空阀。
	蒸汽保护压力:升温、保温过程中蒸汽压力超过保护压力自动关闭蒸气调节阀。
	罐内保护压力:保温过程中温度到达设定的保护温度自动关闭蒸汽调节阀。

将提取的工艺过程拆分为下面几个主要步骤。多次煎煮过程可以按照工艺流程的先后顺序排列各步骤, 最多可以选择20步, 如图1所示。用户根据实际药品需求可以自行组态步骤执行顺序, 未选的步骤不执行, 如图2所示。

第1步:提取投药材。发送投料请求, 收到现场按钮反馈或中控给信号, 按顺序开投料锁、开投料门和降投料桶进行投料。投料结束后系统收到投料系统的投料结束信号, 然后按顺序升投料桶、关投料门和关投料锁, 投料结束, 进入下一步。
	第2步:提取加溶剂。按照选择的溶剂是水或乙醇开启相应的饮用水进液阀或乙醇进液阀和进液总阀。由流量计累计的加溶剂量达到设定值, 关闭开启的进液阀门后进入下一步。
	第3步:提取升温+循环。开启蒸汽调节阀 (根据设定的升温蒸汽压力自动调节开度) , 开启中部、底部的蒸汽隔断阀和循环水阀门。根据循环开时间和关时间打开或关闭循环管路的相关阀门和泵。升温过程中如果蒸汽夹套压力超过设定的蒸汽保护压力或温度超过罐内保护压力都会关闭蒸汽调节阀和蒸汽隔断阀。罐内压力超过罐内保护压力会开启放空阀。提取罐温度达到设定的提取升温温度进入下一步 (循环是为了使提取罐内部各位置温差较小) 。
	第4步:提取温控 (保温) 。开启蒸汽调节阀 (根据设定的保温蒸汽压力自动调节开度) , 开启底部的蒸汽隔断阀和循环水阀门。根据循环开时间和关时间打开或关闭循环管路的相关阀门和泵。保温过程中如果蒸汽夹套压力超过设定的蒸汽保护压力或温度超过罐内保护压力都会关闭蒸汽调节阀和蒸汽隔断阀。罐内压力超过罐内保护压力会开启放空阀。提取温度一直维持设定温度直到保温实际时间达到设定的保温时间。
	第5步:提取正常出料。关闭蒸汽调节阀和蒸汽隔断阀, 打开提取出液管路相应阀门和提取液储罐进液阀, 开启出液泵进行出液, 当出液量达到设定的提取出液量出液结束, 关闭出液泵和开启的出液阀门。出液过程中如果出液量未达到设定的出液量, 并且出液流速小于设定的提取判堵低流量, 判堵出液堵塞, 自动启动冲洗程序, 关闭出液泵和相关出液阀门, 打开双联过滤器饮用水进液阀和排污阀进行冲洗, 冲洗时间到关闭过滤器饮用水进液阀和排污阀, 打开出液相关阀门和出液泵继续出液。
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图1 工艺过程步骤选择
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图2 自行组态步骤执行顺序
程序运行过程中按暂停, 程序会自动记录运行状态然后复位所有自控设备, 再按继续按钮后程序自动回到暂停记录的状态接着自动运行。按停止按钮结束自动程序, 并复位所有自控设备。
## 2.2 双效浓缩设计
浓缩过程包括:浓缩液进液→浓缩液补液→浓缩→出液→冷凝液回收或排放。
该工艺过程需通过温度监控、真空度监控、密度检测, 实现对浓缩过程中物料温度、物料密度、物料成分在线分析等质量目标的控制, 实现浓缩终点判断和出液自动化控制。增加浓缩器泡沫检测, 解决中药提取液在减压和加热状态下跑料问题;实现浓缩液在浓缩过程中连续进液功能, 同时基于冷凝液受液器液位检测装置, 实现自动排液功能, 保证蒸发过程连续进行。
程序流程设计如下:
(1) 双效抽真空, 打开真空阀, 关闭放空阀。
(2) 当一效和二效的真空都达到设定真空值时, 打开储罐的出液阀, 双效的一、二效进液阀开始进液。当一效液位高度达到一效进液液位结束值结束一效进液, 二效液位高度达到二效进液液位结束值结束二效进液, 都达到高位值关闭储罐的出液阀。
(3) 打开蒸汽调节阀、蒸汽隔断阀、循环水进出阀, 开始浓缩。蒸汽调节阀按照浓缩蒸汽压力设定值自动调节开度。浓缩过程中打开受液器循环阀门。
(4) 浓缩过程中夹套蒸汽压力超过浓缩蒸汽压力保护值, 一、二效真空大于设定的各自真空保护值, 或者温度超过浓缩温度保护值, 都关闭蒸汽调节阀和隔断阀。一、二效罐内液位小于各自的补液开始液位值开始补液, 液位大于补液结束液位值结束补液。当受液器的高位浮子开关亮起时, 打开受液器泵前出液阀和出液泵, 出液循环10 s后关闭循环阀, 打开泵后出液阀排废水。当排液时间达到设定的受液器排液时间时, 关闭出液泵, 关闭泵前后出液阀, 打开循环阀。
(5) 当补液过程中一、二效真空达到各自进料真空破空值判断前罐进液完全, 停止补液程序, 继续浓缩。
(6) 当一、二效体积和小于等于双效倒料体积开始值, 二效开始往一效倒液。
(7) 倒液结束后二效开始加饮用水, 一效继续浓缩。当一效浓缩密度大于设定的浓缩结束密度值, 关闭蒸汽调节阀、隔断阀, 关闭循环水阀, 关闭真空阀, 打开放空阀, 结束浓缩。
双效通过以下程序参数对整个浓缩过程进行控制:一效进料真空设定值:双效罐一效真空达到设定值后开始进料。二效进料真空设定值:双效罐二效真空达到设定值后开始进料。浓缩蒸汽压力设定值:浓缩过程中蒸汽调节阀根据该值调节开度大小。一效进液液位结束值:一效进液过程中液位达到该值结束进液或补液。二效进液液位结束值:二效进液过程中液位达到该值结束进液或补液。一效补液开始液位值:浓缩过程中一效液位小于该值开始补液。二效补液开始液位值:浓缩过程中二效液位小于该值开始补液。双效倒料体积开始值:补液结束后浓缩一、二效体积和小于该值开始倒液。二效补水液位目标值:加饮用水到该设定值结束加水。浓缩结束密度值:双效最后浓缩密度达到该设定值结束浓缩。
受液器排液时间值:受液器到高位开启受液器出液阀和出液泵排废水, 时间到关泵关阀。
一效真空保护值:浓缩过程中一效真空大于该值自动关闭蒸汽调节阀、隔断阀。二效真空保护值:浓缩过程中二效真空大于该值自动关闭蒸汽调节阀、隔断阀。浓缩蒸汽压力保护值:浓缩过程中蒸汽夹套压力超过该值自动关闭蒸汽调节阀、隔断阀。
一效温度保护值:浓缩过程中一效温度超过该值自动关闭蒸汽调节阀、隔断阀。二效温度保护值:浓缩过程中二效温度超过该值自动关闭蒸汽调节阀、隔断阀。
# 3 结语
中药提取和浓缩两个工艺阶段相对成熟, 工艺流程可量化程度较高, 
将这两个工段工艺按照本文程序设计, 实际实施效果较好, 可大大减少操作人员的工作量, 
操作人员按照产品工艺选择对应的执行策略, 并设置好对应的参数, 程序自动执行, 有利于生产单位减少人员编制, 优化成本管理。
自控系统可以完整记录整个生产过程中的参数及人员操作, 做到可追溯、可追踪, 方便工艺生产分析及追溯, 做到整个生产过程设备参数可查、人员操作可控, 为企业工艺优化及信息化提供数据来源。