抗生素发酵生产自动化控制DCS工程可行性研究报告.docx

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抗生素发酵生产自动化控制DCS工程可行性研究报告

一、概述

1．项目概况

1．1项目名称：

抗生素发酵生产自动化控制（DCS）工程

1．2项目承担单位：

岳阳中湘XX药业集团有限公司

1．3项目负责人：

xx

1．4项目起止时间：

2001年元月—2002年6月

1．5项目主管部门：

湖南省信息产业厅

1．6项目简要内容及实施目标：

利用计算机集散控制技术实现公司主要抗生素生产车间（包括六、九、十车间共计1495T红霉素发酵体积）的发酵自动化控制。

2．企业概况

2．1企业简介

2．1．1企业名称：

岳阳中湘XX药业集团有限公司

2．1．2法定代表人：

xx

2．1．3所有制性质：

国有独资

2．1．4隶属关系：

2．1．5企业地址：

湖南省岳阳市xx山一号

2．1．6电话：

0730—8XX0411

2．1．7邮政编码：

2．2人员情况

2．2．1职工总数：

2053人

2．2．2工程技术人员：

605人

其中高级职称：

11人

中级职称：

175人

初级职称：

419人

2．2．3计算机、自控及相关专业人数：

28人

2．3企业资产信用状况

2．3．1资产总额：

42386万元

2．3．2固定资产原值：

29248万元

2．3．3固定资产净值：

22368万元

2．3．4流动资产：

17405万元

2．3．5负债总额：

31726万元

2．3．6流动负债：

12584万元

2．3．7所有者权益总额：

10659万元

2．3．8收入总额：

25628万元

2．3．9主要营业收入：

25628万元

2．3．10税后利润总额：

1605万元

2．3．11银行借款总额：

19628万元

2．3．12银行信用等级：

A级

2．3．13税务局情况记录：

纳税先进单位

2．4企业生产经营情况

岳阳中湘XX药业集团是以生产抗生素原料药为主，同时生产制剂、中成药的大型医药企业，现有六条抗生素原料生产线（其发酵规模名列全国同行业厂家第四位）、三条合成药生产线、一个制剂分厂、一个药物研究所，下辖五个子公司和一个合资公司。

1999年完成工业总产值43557万元，销售收入22794万元，上交利税1463万元，实现利润1129万元；2000年完成工业总产值49821万元，销售收入24848万元，上交利税1554万元，实现利润1325万元。

公司有自营进出口权，产品畅销全国各地，远销东南亚、意大利、西班牙、东欧等国家，国家级新药阿瑞被列为国家高新技术产业化规划。

二、项目开发的必要性

1．项目提出的背景

中湘XX的前身为岳阳市制药一厂，多年来一直主要生产红霉素、螺旋霉素等抗生素原料系列产品。

由于产品结构单一、融资渠道不畅、设备装备水平较低、营销网络不够健全、信息收集手段落后等多方面因素的影响，中湘XX的整体竞争能力比较差，特别是在90年代末期表现得尤为突出。

1996至1998年，企业连续三年亏损，生产经营举步维艰。

1999年，公司决策层实施战略结构调整，提出原料药、制剂药和中成药三分天下、齐头并进的发展思路，并通过实施兼并重组、技术创新、设备改造、健全营销网络等诸多强有力措施，一举扭转了生产经营的被动局面，当年实现了扭亏为盈的目标。

但日趋激烈的市场竞争态势迫使我们必须更加冷静地面对现实，中国加入世界贸易组织既给我们带来了发展的机遇，又使我们面临着更大的挑战。

2000年，国内市场上随着系列红霉素衍生物的不断开发问世，红霉素原料药的市场需求量相应地得到了增长，但红霉素原料药的生产厂家也在不断地增多，红霉素原料市场总的趋势是供大于求，一场没有硝烟的价格大战已经打响；国际市场方面则表现为欧洲发达国家有大量进口中国红霉素原料药的迹象，但进口的门槛较高，对产品的质量提出了更高的要求。

作为红霉素老牌生产厂家，我们惟有进一步加快技术创新的步伐，努力降低产品制造成本，全面增强企业的竞争能力，才能在如此激烈的市场竞争环境下站稳脚跟，并据此获得出口的先机。

众所周知，利用信息技术改造传统产业已在我国开展了十几年的科学实践，自动化控制技术在医药、化工等领域的研究与应用出现了大量成功的范例。

虽然红霉素具有生产周期长、生产过程复杂、控制难度大等特点，但我们仍然对应用和研究“红霉素发酵生产自动化控制”抱有信心。

在反复考察论证的基础上，我们提出了“应用计算机自动化技术控制发酵生产，改造传统生产工艺过程，提高红霉素发酵生产水平”的技术创新思路。

2000年，湖南省电子信息系统推广应用工作小组办公室下达了《关于申报2001年电子信息应用贷款项目的通知》，我们决定将“抗生素发酵自动化控制（DCS）工程”作为国家倍增计划贷款贴息项目进行申报，以借助国家资金扶助将企业信息化工作推上一个新的台阶。

2．国内外同类项目的应用情况

2．1项目的工作原理

抗生素发酵工艺生产过程是生物、化学和工程等学科的理论和技术的综合利用，其机理十分复杂，控制过程非常困难。

抗生素发酵计算机控制就是通过对菌种的环境条件要求和代谢变化规律各参数的变化进行测量，结合代谢调控的基础理论来有效地控制发酵，使菌种的代谢变化沿着最佳的方向进行，以较低的能量和物料消耗生产更多的发酵产品。

2．2国内外应用情况

国外的工业控制起步较早，特别是美国、日本和德国等西方资本主义国家，在医药生产领域有着很高的计算机控制水平，但为了追求巨额利润，发达国家一般将主要精力放在成品药的制作、研究和控制上。

我国是抗生素原料药的生产大国，但生产技术水平落后，以手工操作方式为主，生产效益低。

直到八十年代中期，原国家医药局和国务院电振办才把用先进的电子信息技术、控制技术改造传统医药产业列为“八五”、“九五”期间的工作重点。

目前，计算机控制技术在青霉素、土霉素、金霉素等产品的发酵生产过程中取得了较大的突破，技术水平已接近国外先进水平。

但红霉素发酵具有周期长、中间补料多、控制复杂等特点，对红霉素发酵进行自动化控制的研究和应用工作一直没有重大进展。

3．该项目开发前与投入使用后，企业在生产、经营、质量、技术与管理等方面的变化及成效

红霉素发酵自动化控制项目投入正常使用后，企业可望取得非常显著的生产经营成效，具体可表现为以下几个方面：

3．1生产方面

◆适时的参数检测和控制将使发酵生产更加稳定，生产产量由此可得到大幅度的提高。

3．2管理方面

◆数据记录：

真实可靠，实时记录，避免了过去人工记录数据的随意性和错误；

◆工作监督：

从记录的数据可以随时检查生产的正常与否，可增强工人的责任心，协助车间管理人员开展生产的督察工作；

◆职工培训：

自动化控制系统是一个复杂的辅助生产系统，对操作和维护管理人员素质要求较高，围绕自控系统开展的各项培训工作可提高职工的技能水平；

◆决策调度：

公司领导和生产调度等各级管理人员通过网络可实时查询生产信息，增强了生产决策和生产调度的科学性和合理性。

3．3技术方面

◆补料自控：

补料自控改变了传统的补料方式。

传统补料方式是每隔较长一段时间一次性大批量的补加料液，这对微生物的生长环境产生巨大冲击，影响发酵水平；自控补料则是根据设定好的补料速度，连续均匀少量地补加营养物质，由于连续补料对微生物生产环境冲击减少，从而达到提高发酵水平的目的。

◆消沫自控：

在发酵期间，有时微生物生长旺盛，产生大量泡沫，抬高了发酵液液位，可能会出现逃液现象。

传统手工控制时，常常不能及时发现泡沫的产生，即便发现泡沫也难以加入适量的消沫剂控制逃液。

而消沫自控则能马上检测到泡沫的产生，并自动连续补加消沫剂，直到消除泡沫为止。

◆优化工艺：

对发酵生产进行自动化控制，可由此得到大量实时准确的生产数据，这为优化生产工艺的研究和工艺改变提供了极大的帮助。

发酵过程中以往传统的控制方法，均是以动力学为基础，采用最佳工艺控制点为依据的静态操作方法，这种控制忽略了发酵过程中的动态变化及其与其他发酵过程参数的关系，在生产控制过程中有较大的局限性。

以动态生产实时数据为基础，我们可进行发酵新理论的研究和探索，即以细胞代谢流量分析与控制为核心的发酵工程学的观点，来控制发酵过程。

自动化控制技术和发酵分析计算机软件的引入，使得研究细胞与工程水平问题并实现过程数据优化成为现实，通过不断的工艺优化，可使红霉素发酵水平发生巨大的变化，发酵生产得到质的飞跃。

3．4质量方面

◆发酵液的组分与提炼收率和产品质量有着极为密切的联系，通过自控技术的引用，可大大改善发酵液的组分，使得主要组分（如A组分）比例增大，而B组分（含毒性）和C组分（含杂质）相应降低，从而使提炼出来的产品质量得到大幅提升。

3．5经营方面

◆红霉素产品产量和质量的提高，为生产经营创造了良好的内部环境，有利于营销战线掌握市场营销工作的主动，我们可通过优异的产品质量和相对较低的市场价格赢得市场的优势，从而可望带来崭新的营销工作新局面。

三、协作单位的选定理由

1．协作单位的概况及其优势分析比较

1．1协作单位概况

协作单位北京康拓生化控制工程公司（即国家医药管理局控制工程中心）成立于1993年7月，隶属国家医药管理局，是一家依托航天工业部502研究所，实行企业化管理的研究开发事业单位。

公司凭借502所雄厚的技术力量和灵活的市场机制，建立了一支人员素质高、新技术开发和工程能力强的技术队伍，主要从事制药行业自动化控制技术的研究与开发应用。

现有员工30多名，其中研究员一名，具有中高级以上职称的18人，其余均为从事自控或相关专业的科技骨干。

几年来，康拓公司的系统和产品已经成功地推广应用到几十家制药行业的十多个品种，经济效益显著，带动了整个行业生产水平的提高。

1．2协作单位优势分析

与其他从事自控技术研究的单位相比，康拓公司具有以下优势：

◆技术力量雄厚，有国家医药管理局和航天部502研究所作坚强的后盾；

2专业性强，专门从事医药抗生素发酵领域的研究与开发；

◆工控产品质量过硬，康拓先后研制开发成功KT型智能补料控制器、系列防污染控制装置、生产过程控制系统及抗腐蚀、耐高温控制阀门等一系列优秀的工控产品；

◆实施能力强，多年来在抗生素发酵领域积累了大量的实施经验，并有许多成功的范例。

2．与国内外同类系统或产品在性能、价格、服务等方面的比较

XX发酵生产自动化控制（DCS）工程主要采用美国Honeywell公司最新生产PlantScape集散控制系统，现场执行机构大多选用性能优越的国外产品或康拓公司自制产品，系统平均无故障时间不小于30000小时，可用率达到99.99%，与国内外其他系统（如横河XLDCS控制系统，西门子控制系统，欧陆控制系统）相比具有很高的性能价格比，成熟性和可靠性都能够得到保证且技术水平位居世界领先行列。

此外，在系统维护方面，康拓公司能够保证提供24小时的电话支持服务和48小时的现场服务，并能够及时供应各种系统维修配件。

四、项目的内容及目标

1．项目的主要内容

本项目将对我公司抗生素发酵规模较大的三个红霉素车间实现计算机自动化控制，主要内容包括：

二车间14个大罐385T发酵体积；

六车间14个大罐780T发酵体积；

九车间10个大罐330T发酵体积；

共计1495T发酵体积实现计算机自动化控制及与之配套的发酵工艺综合分析系统。

主要技术参数有：

1．1检测参数：

发酵温度、罐压力、空气流量、PH值、溶解氧、空气流量、发酵液体积、尾气中的二氧化碳和二氧化碳含量以及公用系统的参数检测；

1．2控制参数：

温度控制、PH控制、补料控制、消沫控制、空气流量控制等。

2．项目的目标

2．1功能目标

2．1．1对抗生素发酵生产过程实现不间断连续监控，保证车间生产连续、稳定、安全、高效运行；

2．1．2满足生产工艺要求，具有现场操作、参数修改、报警显示、实时和历史趋势显示、报表自动生成以及打印输出等功能；

2．1．3具有网络通讯、数据库接口，可实现信息共享。

2．2性能目标

2．2．1系统的可靠性：

由于控制器I/O端口与现场直接连接，因此对可靠性要求尤为严格，拟选用的集散控制系统的平均无故障时间应大于30000小时。

2．2．2系统的实时性：

对现场监控信息实施实时监测，系统采集信号时间必须满足发酵生产工艺要求，既采集参数时间为2秒的实时要求。

2．2．3系统的安全性：

系统必须对系统管理员、工程师和操作员设置不同的操作权限，要防止发生误操作和越权操作。

2．3效益目标

发酵水平提高10%，单罐消耗下降5%，产量提高8%以上。

五、项目的技术可行性

1.我国测控领域控制系统结构的发展

一个控制系统由I/O设备（传感器和执行器）、控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统的连接等组成。

设备级现场总线使I/O模件和控制箱得以分开，以太网使得现场采集的数据集成到企业应用中。

1.1早期的集中式控制系统

80年代初期，控制系统多使用以单板机组成的微机控制装置，与上位机系统连接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一个或几个机柜中。

由这些装置构成的系统多为集中式控制系统或分层控制系统。

这种系统为我国自动化控制系统发挥了重要作用，其开拓性的实践是今天控制系统丰富多彩的基础。

但是，这类系统技术上已经落后，不符合控制系统分布、开放的发展趋势。

1.2DCS控制系统

DCS在我国控制系统中得到了广泛的应用。

传统的DCS主要有4层结构：

第1层是I/O层；第2层是控制器层；第3层是人机接口层；第4层是企业信息系统层。

这种结构除在第3层、第4层之间采用以太网外，其他都是专用网络，控制设备及软件也是专用的，开放程度不够，给系统维护及升级带来不便。

DCS在设备配置上还要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致DCS成本太高。

1.3PLC可编程逻辑控制器

严格说来，单独的PLC因缺少人机接口及信息系统等部分，不是一个控制系统。

PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占领着很大的市场份额。

从控制系统结构来看，传统的PLC相当于通用化的微机监控装置，由电源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及扩展插箱组成，使用厂家提供的梯形图逻辑语言进行编程。

但随着市场的需要及DCS的挑战，PLC家族在以下几方面得到了发展：

①分布式I/O连接能力方面，由于许多高档PLC支持远程I/O及现场总线网络（如DeviceNet，Profibus等），使PLC向下连接更分布；②厂级控制系统连接方面，许多PLC支持高速网络，如Ethernet，ControlNet，Profibus等；③软件的开放性方面，由于许多PLC支持OPC标准（objectlinkingandembeddingforprocesscontrol），使软、硬件平台之间的数据通信找到了一个实现的标准。

这种部分开放加上部分专用所构成的系统可能还会延续一段时间。

但是，PLC需配置额外的设备和电路，与DCS相比，虽有成本上的优势，但可靠性、电气性能却不如DCS。

1.4FCS现场总线控制系统

FCS（fieldbuscontrolsystem）顾名思义基于现场总线，根据IEC标准及现场总线基金会的定义：

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。

现场总线系统应具有以下技术特点：

①系统的开放性；②互可操作性与可用性；③现场设备的智能化与功能自治性；④系统结构的高度分散性；⑤对现场环境的适应性。

由于有以上技术要求，现场总线控制系统将是开放系统的主要支撑力量。

由于受集团利益的限制，现场总线网络本身目前还未形成一个单一的标准。

现场总线控制系统不仅需要控制系统设备制造商的支持，更主要的是要得到分散在现场的传感器及执行设备的支持，以取代DCS的数字/模拟混合技术，成为全数字式系统。

这样的系统才会比DCS有很大的技术及成本优势，但现场总线控制系统近几年内难以实现。

针对上述所作比较，结合公司DCS第一期工程的经验得失，我们决定本期项目实施仍然以DCS技术为主体，兼顾现场总线技术。

2.用DCS技术实现发酵过程监控方案设计

本工程将对我公司抗生素发酵规模较大的三个车间实现发酵计算机自动化控制。

主要内容：

包括六车间14个大罐780T发酵体积、二车间14个大罐385T发酵体积和九车间10个大罐330T发酵体积共计1495T发酵体积实现计算机自动化控制（DCS）及与之配套的发酵工艺综合分析系统。

2.1需求分析

要求以系统的先进性、成熟性、可适性、安全性、可靠性、可扩展性、可维护性和性能价格比等作为系统方案的设计原则。

2.1.1功能目标

2.1.1.1对抗生素发酵生产过程实现不间断连续监控，保证车间生产连续、稳定、安全、高效运行；

2.1.1.2满足生产工艺要求，具有现场操作和参数修改、报警显示、实时和历史趋势显示、生成报表（日报表、批报表等）及打印输出等功能；

2.1.1.3具有网络通讯、数据库接口，可实现信息共享。

2.1.2性能目标

2.1.2.1系统的可靠性

系统选用美国HONEYWELL公司生产的PLANTSCAPE集散控制系统，该系统具有很强的可靠性、安全性，同时还具有易扩展等特点，在发酵控制领域应用较为广泛，由于控制器I/O口与现场直接相连，因此对可靠性的要求尤为重要，该系统平均无故障时间不小于3×104小时，系统可用率达99.99%，模板支持热插拔，可进行无扰动切换。

现场采集信号输入和输出用配电器隔离；

2.1.2.2系统的实时性

对现场监控信息实施实时监测，PLANTSCAPE集散控制系统采集信号参数时间从0.1秒～60秒不等，根据发酵生产工艺要求，采集参数时间为2秒，满足实时要求；

2.1.2.3系统的安全性

系统对系统管理员、工程师、操作员有各自不同的操作权限，对一些重要的操作命令进行口令复核和操作复核，防止发生误操作和越权操作。

2.2控制系统结构原理

DCS系统对发酵过程控制进行实时数据采集、按生产工艺要求控制参数、生成历史曲线、生成日报表或批报表及向主干网传输实时数据和历史数据。

发酵过程控制系统的构成见图：

以太网以太网

上位机由一台服务器（兼做操作站）和一个工作站（管理员和工程师站）组成。

日常的生产操作在操作员站完成，管理关键参数整定工作在工程师站完成。

操作员站和工程师站各配置一台打印机，可进行报表打印及数据历史曲线打印。

控制器是HONEYWELL公司的S9000回路控制器，可并接多个控制器和连接数个扩展机箱。

控制器和服务器及工作站之间、控制器和控制器之间的网络通讯是以以太网（Ethernet）实现的，先进的以太网（Ethernet）通讯，为以后全公司计算机联网奠定了基础。

接口仪表如SFP-X多功能配电器有效地将供电、信号输入、信号输出三者实施分离，抗共模干扰能力3000V，切断测控元件和系统回路之间有害地电耦合，将干扰抑制到最小程度，将各通道之间的干扰抑制到最小程度。

传感器根据被测对象的内容，分为温度传感器、PH传感器、压力传感器、DO传感器、尾气CO2传感器、流量传感器和称重传感器等。

传感器的参数及性能见表：

传感器

温度

压力

PH

DO

尾气CO2

流量

称重

型号

Pt100

2400仪表

4500仪表

4500仪表

9m毛细管

量程

0-150/200℃

0-0.25/

0.7Mpa

0-14PH

0-100%

0-100%

待定

待定

精度

±0.3℃

±0.3%

±0.01

Mpa

±0.1%

±0.1%

±1.0%

±0.2%

输出

4-20mA

4-20mA

4-20mA

4-20mA

4-20mA

4-20mA

4-20mA

工位

公用工程

公用工程

大罐

大罐

大罐

大罐

大罐

执行机构是DCS系统对现场实施控制的执行器。

执行器应满足生产过程中的各种环境要求，耐高温、耐腐蚀、动作灵敏、不染菌等。

采用北京康拓公司自行研制的不锈钢波纹管隔膜汽动阀系列产品满足了以上要求。

2.3系统组态

HONEYWELLPLANTSCAPE组态软件是在WindowsNt基础上开发的组态软件。

PLANTSCAPE服务器维护着系统实时数据的采集，生成实时数据库，非常方便地通过网络来监视、控制当前生产过程，运用ExcelDataExchange实现任意点、任意时刻数据报表生成。

2.3.1下位机系统组态

在系统组态中，对信号点定义均使用7个字母，按如下方式定义：

物理量+罐号+特征

XX+XXX+XX

如：

TC301PV—301温度检测值

物理量的符号：

TC—温度PA—压力

FA—流量PH—PH值

DO—溶氧CO—CO2

特征：

PV—检测值SP—设定值

AR—报警范围KP—比例系数

KD—微分系数KI—积分系数

TM—最大输出时间HT—加热水最大时间

2.3.1.1大罐温度控制组态

根据被控对象的要求，规划设定各输入输出模件和控制器的类型与地址，制定组态方案。

以301大罐温度控制为例，介绍用连续控制图（CCC）实现连续控制的组态方案。

见图1：

TC301SP

图1：

连续控制组态（CCC）的方案

在发酵过程中，微生物生长代谢大部分是产热过程，温度控制就是要将菌种生长过程控制在一定温度范围。

通常情况下，发酵罐的产热量大于散热量，因此我们实施的控制实际上是一个降温过程。

发酵罐的体积较大，且随着发酵过程的进行，发酵液体积也不断增大，因此系统的惯性和滞后较大，PID调节规律是最经典的控制方法。

经典PID算法的方程式如下：

（1）

（1）式中，e（t）：

控制的输入信号，一般是指输入信号和反馈信号之差，这里指301罐温度模拟值的输入值。

U（t）：

控制的输出信号，一般为受控对象的控制信号，这里指调节阀的阀位。

Kp：

控制比例系数。

Ti：

控制积分系数，这里指积分时间。

Td：

控制微分系数，这里指微分时间。

将

（1）式表为增量形式，即为：

△u（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+Kie（k）+kd[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]

（2）

在实际控制中，大多采用增量式PID算法，优点是：

第一，计算机只输出增量，误差动作影响小，执行器只进行增量动作。

第二，算式中不需要累加，增量大小只与近几次采样值有关。

第三，对任何故障或切换冲击小。

HoneywellConfigration组态软件将PID运算“模块”化处理，在开发软件过程中，调用相应“模块”即可。

见上图。

“模块”软件PID1包含了

（2）式的运算过程，根据生产工艺要求，修改“模块”中Kp比例系数、Ki积分系数、Kd微分系数，正确完成PID1“模块”内容组态，即实现了完整的PID运算。

PID控制除此之外还有PID2串级控制，PID3串级加连锁控制等方式。

“模块”AO是“模块”PID1运算结果的赋值（△u（k）），AO增量的大小改变执行器的动作，实现温度的控制。

空气流量、水流量等参数的控制与大罐的温度控制过程一致，且执行器均为调节阀。

HoneywellConfigration组态软件连续控制图（CCC）还实现了其他运算“模块”化，如梯形逻辑运算、布尔运算、算术运算、常用函数计算、设定点程序、报警等。

2.3.1.2PH控制组态

以301罐PH控制为例，介绍用梯形逻辑控制图实现逻辑控制的方案。

发酵过程中PH值的变化决定着菌种的生产特性，准确检测PH值，以及将PH值控制在菌种生长的最佳条件，是发酵过程中至关重要的条件。

一般说来，抗生素发酵是一个产酸过程，在生产过程中往往采用加碱水或