采用FF现场总线技术对种子罐和发酵罐系统进行优化改造

一．概述

东北制药总厂生产的 Vc 一直是我国重要的出口创汇产品，产品销往美、欧。多年来为国家创造了巨额外汇，为辽宁的经济腾飞做出了贡献，但 96 年起，市场发生了突然变化， 以罗氏为首的西方大公司联手控制市场，大幅降低销价，降幅近 70% 。我国维生素 C 产业发展严重受阻，企业的生存受到威胁。为摆脱困境，重振企业， 东北制药总厂采用 Vc 二步发酵转化技术对生产工艺加以改进， 使 VC 的 总收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ， 产量增至 11500 吨， 有力地提高了产品在国际市场的竞争力 。该新工艺保留了原工艺的主要特色，但在发酵过程中需依介质的氢离子浓度和溶氧量调节菌种的生理状态、数量及比例。操作难度加大，对工作人员的自身素质和责任心要求很高。为充分发挥该新工艺的效率，在生产中急需采用先进的控制策略和控制技术，来保证新的工艺过程能平稳高效地运行。为此，我们采用现场总线技术对二级种子罐的控制系统进行试点改造，实现温度、压力、流量和 PH 值等参数的自动检测和优化控制，该系统改造成功后，可推广应用到其它的种子罐和发酵罐，从而提高整个 VC 生产线的生产能力。

对系统进行选型设计时，鉴于本项目需要对温度、压力、流量和 PH 值等参数进行精确的自动检测和优化控制，有一定的复杂性，常规的仪表难以胜任，而采用基于工业 PC 的 PC-Based 系统，其安全可靠性难以保障， DCS 系统却因其价格昂贵， 不利于应用在中小型系统上，PLC 系统 具有结构紧凑、功能齐全、速度快、可靠性高等 优点，但其每一个检测或控制点都需要一对信号线接入相应 PLC 控制模块，系统布线较多，安装及维护成本较高，而选择 基金会现场总线 （Foundation Fieldbus，简称 FF ） 系统，则能较好的解决上述问题。

FF 现场总线是仪表及过程控制领域向数字化通讯的转变， 与其他的通讯协议不同之处在于： FF 现场总线旨在提供整个过程控制领域的应用解决方案，而不仅仅是数据传输的数字化，是一种全数字化、串行、双向的通讯系统，将各种现场设备（传感器、执行器、控制器等）连接在一起， 通过使用 “ 功能块（ Function Block ） ” 实现控制策略。

功能块的这种一致的、面向“块”的设计使得来自不同生产厂商的设备可以无缝的集成在一起，共同完成分布式控制功能，控制功能的分布（分布到现场设备中）可以减少 I/O 设备、控制设备的数量（例如，卡件、机柜、电源等）。FF 现场总线允许在一条双绞线上连接若干设备， 这条 双绞 线就是现场总线。这种连接方式减少了连线的数量， 使得使用的线缆、安全栅、安装盒数量大大减少， 易于安装和维护，使施工费用、电缆费用、调试和维修成本节省 40% 之多 。 FF 现场总线技术增加了数据的分辨率，减少失真（没有 A/D 或 D/A 转换），这样就使控制更加可靠。带微处理器的 FF 现场总线设备所提供的自测试功能和通信功能大大减少了现场停车时间，增加生产现场的安全性，一旦监测到异常情况，或者需要进行于预防性维护，现场操作元及管理人员就可以被及时通知。所有这些 FF 现场总线所带来的好处归结起来，为我们提供了一种更高性能、更少损失的控制系统。反应容器自动控制 系统 选型时，FF现场总线 作为高档系统配置，不失为一种优秀的解决方案。

DCS/PLC于FCS系统的结构比较：

DCS是基于模拟仪表的控制系统。现场控制站与仪表间通过一对一的方式，实现单向的模拟信号传输， 易造成大量的导线消耗和繁重的维护量。

FCS是基于现场总线的分布式控制系统。它 将控制任务下放至本地仪表，危险彻底分散，加强系统的自主能力；仪表与控制系统间通过总线，采用一对多的方式，实现双向的、全数字信号通讯。 FCS 具有对量程和零点进行远程设定和超强的自诊断能力。

二．工艺过程

东药万吨 VC 生产过程采用了二步发酵新工艺，在发酵过程中需依介质的氢离子浓度和溶氧量调节菌种的生理状态、数量及比例。经实验测量， Vc 二步混菌发酵中氧化葡萄糖酸杆菌和巨大芽孢杆菌的相互作用及其变化特性与二混菌发酵不同阶段的环境状态有关，菌种在温度范围为 29-30 度、压缩空气流量范围为 175-185 每小时立方米、　压力范围是 0.02-0.05Mpa 条件下最为活跃，故通过对二级种子罐罐内温度、罐内压力、压缩空气通气量的调节，为菌种提供适宜的生化反应环境，提高反应效率，减低物耗与能耗，降低生产成本。

我们在选用的二级种子罐上，采用现场总线技术实现监测和对三个控制回路的控制，实现罐内温度、罐内压力、压缩空气通气量的自动控制以及 PH 值的自动连续检测，在此基础之上，实现种子罐的生化反应过程的最优控制，同时结合我们开发的 FF 全分布式控制系统软件实现二级种子罐的计算机自动监控，为整个 VC 车间的自动控制系统提供解决方案。

二级种子罐控制系统涉及 4 个输入参数， 3 个输出参数。4 个输入参数分别为种子罐的罐内温度、罐内压力、压缩空气的流量及发酵反映中物料的 PH 值。 3 个输出参数用于控制 3 个阀门的开度，即种子罐的排气阀、压缩空气的进气阀、冷却水的进水阀。

三．系统方案

1 ．系统网络结构

东北制药总厂二级种子罐控制系统采用 FF现场总线结构，主要检测及控制仪表选择中国科学院沈阳自动化研究所研发的NCS系列智能仪表， 整个 控制系统主要由 1 台操作员站（兼工程师站）、 1 块 FF HSE/H1 接口模块、1块 FF 现场总线温度变送器、 1 块 FF 现场总线压力变送器、 1 块 FF 现场总线 IF 仪表（ 4 通道）、 1 块 FF 现场总线 FI 仪表（ 4 通道）构成， 其 硬件结构如下图所示。

系统结构图

操作站是系统操作监控的主要渠道，操作人员通过操作站所显示的各种人机界面，可监控到所有的现场工艺参数及设备运行状态，实现整个生产过程的监视、控制、启停和调节，以自动和手动两种方式确保生产过程的安全、经济、高效。并对各种信息形成各种运行参数报表、运行趋势曲线、操作记录及指导、历史数据信息、报警保护管理、人机操作等画面，供运行人员监视。所有操作都具有权限控制，保证系统安全可靠运行。

FF 现场总线控制 系统主要设备性能如下：

FF HSE/H1 接口模块 是通过以太网连接 FF H1 网段的关键设备。一个 H1 接口设备最多可以连接四个 H1 网段， 可以做 H1 网桥设备。本设备在现场总线基金会 （FF） 在 H1 协议的基础上，将以太网技术作为底层协议加入到现场总线协议中，构建了基于工业以太网的H1 接口设备。用户可以通过现场总线的组态软件。完成对多个 FF H1 网段的组态、控制回路组态、控制逻辑组态、功能块连接、报警趋势组态、控制应用下载等功能。

FF现场总线温度变送器 NCS-1-TT 主要通过热电阻或热电偶传感器测量温度，并按现场总线协议连接到 FF 现场总线系统中。

FF 现场总线压力及液位变送器 NCS-1-LD ，是在普通型 1151 变送器的基础上，采用 FF 现场总线技术， 自主研制的新一代智能变送器，是 1151 变送器的更新换代产品，用于测量流量、液位、表压、绝压、真空度和比重等，是过程控制必不可少的传感设备，配有丰富的控制功能模块，在完成检测任务的同时，还能实现复杂的控制功能。

FF 现场总线 FI 仪表 NCS-1 -FI ，用于将 FF 现场总线中的数字信号转换成 4-20mA 的模拟信号并连接到其它的设备，是现场总线与执行机构及控制装置之间的转换设备。

FF 现场总线 IF 仪表 NCS-1 - IF ，用于将 4-20mA 的模拟信号转换成 FF 现场总线中的数字信号， 是传统模拟仪表与现场总线之间的转换设备。

2 ．操作站功能

系统 监控界面软件 采用中国科学院沈阳自动化研究所研发的国家九五攻关科研成果“ SIAVIEW工业控制监控系统” 开发， 包括显示、过程控制、测量值记录和报表等多种功能。

操作员站的基本功能如下：

显示系统工艺流程画面，实时显示监控数据

运行（手动 /自动）方式的切换，进行手动操作，各调节阀、开关阀操作等

建立并显示趋势曲线

调整过程设定值及相应的参数

历史数据查询功能， 为提高员工的工作责任心，明确操作人员的责任，将对整个生产过程的主要数据（罐内空气腔温度、罐内空气腔压力、罐内冷却槽水温）进行全程的跟踪记录，可避免各种因员工责任心不强造成生产的不稳定，同时为工艺改进提供依据

设置操作人员，系统维护人员，工艺技术人员，系统工程师等不同级别的授权密码，不同的人员享有不同的操作权限。 所有人员需使用密码登陆后才能进入控制系统完成相应的操作功能

显示并确认报警

报表显示 /打印

监控界面软件 可以显示系统内所有过程点，包括罐内温度、压缩空气流量、罐内压力及 PH值等，对显示的每一个过程点，均显示其标号、说明、数值、性质、工程单位等等。

监控界面软件 提供棒状图显示功能，操作员可通过动态棒状图的变化了解各种过程变量的变化， 棒状图的显示比例可以根据工艺要求进行调节。

监控界面软件 提供的趋势图提供实时趋势和历史趋势两种曲线。可以在趋势图上显示 生产过程的主要数据（罐内温度、罐内压力、压缩空气流量及 PH 值等） ，能够查询趋势图上任意一点在任意时刻的实际值。

监控界面软件 所提供的报警功能能够对预先设定任何一个模拟量报警点实施实时监控， 当某一点超过报警限时将在屏幕上有　　高亮度的报警显示，并发出报警声音，提示操作人员进行相应的紧急操作，对整个生产过程进行分析。

3 ．系统控制点分布

二级种子罐控制系统涉及 4 个输入参数， 3 个输出参数。 4 个输入参数分别为种子罐的罐内温度、罐内压力、 压缩空气的流量及发酵反映中物料的 PH 值。 3 个输出参数用于控制 3 个阀门的开度，即种子罐的排气阀、压缩空气的进气阀、冷却水的进水阀。

温度 ：

罐内温度：集中显示，现场显示

压力 ：

罐内压力：集中显示，现场显示

流量 ：

罐内压缩空气流量：集中显示，现场显示

PH值：

物料 PH值：集中显示

4 ．系统的控制功能

本控制系统根据工艺要求，主要对反应罐内温度、压力、压缩空气通气量进行自动控制以及 PH 值的自动连续检测，在此基础之上，实现种子罐的生化反应过程的最优控制，同时，对反应罐内温度、压力、压缩空气通气量 等关键参数设置报警， 及时向操作人员反馈现场情况，保障了生产的安全及产品质量的稳定。

系统主要的报警、联锁和控制如下：

反应罐内温度、压力、压缩空气通气量 等自动报警，当以上测量值达到报警界限时，在监控软件界面显示报警状态，操作员站工控机蜂鸣器发出报警声音，提示操作人员及时处理

罐内 温度控制： 罐内温度正常范围为 29-30度， 采用 FF现场总线温度变送器检测 二级种子罐的罐内温度，FF现场总线FI仪表（将总线信号转换为传统4-20mA信号）控制“ 冷却水调节阀”调节罐内温度

罐内压力控制： 罐内压力正常范围是 0.02-0.05MPa ， 采用 FF现场总线 压力 变送器检测 二级种子罐的罐内压力， FF现场总线FI仪表控制 二级种子罐的“排气调节阀”调节罐内压力

罐内空气流量控制： 压缩空气流量正常范围为 175-185每小时立方米， 流量计采用上海横河电机有限公司的涡街流量计， 输出信号为标准的4-20mA电流信号， 用于检测二级种子罐的压缩空气的进入量，采用 FF现场总线IF仪表（将传统4-20mA信号转换为总线信号）将 流量计数据转换为 FF总线信号， FF现场总线FI仪表控制 二级种子罐的 “ 压缩空气进气调节阀”调节罐内压缩空气流量

罐内 PH值检测：　PH计选用 METTLER公司生产的PH测量仪表，输出信号为标准的4-20mA电流信号， 采用 FF现场总线IF仪表将 PH计数据转换为FF总线信号

动静流程画面的布局设计，实时过程显示，实时报警显示和管理，直观的趋势显示

5 ．主要控制策略和系统特点

主要控制策略

本控制系统通过控制反应罐内温度、压力、压缩空气通气量来满足工艺要求，实现生化反应过程的最优控制。由于是制药行业生化反应，控制精度高，以罐内温度为例，与设定值误差不超过 0.1摄氏度，不易于实现，因此，在进行方案设计及现场调试过程中，充分考虑到以上要求，除选择精度高的进口执行设备（如调节阀）外，还利用FF现场总线智能仪表先进的PID调节算法， 构成PID控制回路，并将该算法下载到现场智能仪表中，做到真正的分布式控制，极大提高了系统安全性和稳定性。 控制图如下：

 

 

系统特点

FF 现场总线每个网段（一个 FF HSE/H1 接口模块可支持四个网段）可以挂接个 6 本安型 FF 现场总线设备或 32 个非本安型 FF 现场总线设备， 本方案中 FF HSE/H1 接口模块带一个网段， 该网段上现挂有 4 个非本安型 FF 现场总线设备， 还可再挂接 124 个非本安型 FF 现场总线设备，有利于将来罐体增加测点。

操作员站采用工业 PC ，适合恶劣的工业环境。

FF H1 现场总线为通讯网络，总线设备可带电上、下网，有利于在线投入。

系统采用 FF 现场总线智能仪表提供的 PID 算法，保证系统调节功能最佳。

使用 OPC 技术，高效的、基于多任务的 OPC 内部实时数据库引擎，既可以保证系统实时数据采集的快捷， 又可以向支持 OPC 规范的多种系统开放。

四．应用效果

系统运行后，达到了以下一些显著效果：

1 ．可靠而稳定的实现了对现场工艺参数的记录、显示以及储存，为改善工艺及生产管理提供了宝贵的依据。

2 ．实现了对 3 个被控量的全自动控制，同时实现了对 3 个调节阀的远程控制，降低了工人的劳动强度。

3 ．生产和产品质量较手工操作稳定，生产效率得到大幅提高，使 VC 的 总收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ，产量增至 11500 吨， 自 2001 年 3 月正式投入运行，系统运行稳定可靠，整套控制系统具有施工简单、操作方便、控制品质高、 易于集成、监视直观等优点，在实际应用中取得了良好的应用效果，为企业创造了可观的经济效益。

在生物化工领域，大量存在类似反应罐控制需求，因工艺不同，生产流程、控制对象和控制参数不尽相同，但都需要对温度、压力（微正压）、流量以及 PH 值等进行精确控制，中国科学院沈阳自动化研究所推出的现场总线控制系统具有全数字化、智能化、网络化和开放的特点，以 FF 现场总线技术为核心， OPC 技术为纽带， 将现场总线仪表、模拟仪表、 分布式智能 I/O 、 DCS 和 PLC 等工业自动化设备有机地集成在一起，自动化程度和控制精度都较高，为企业综合自动化系统提供一套完整的解决方案。

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