第四节　智能化控制系统

一、天然药物生产对智能化控制的基本要求

与现代化的石油、化工等领域的大规模、连续化生产方式不同，我国原料药的生产过程基本上是采用小规模、单元化、批量化和间歇式的生产方式（尤其是生物制药和天然药物）。基于这些特点，天然药物提取生产对智能化控制有一些基本的要求。

天然药物提取生产具体自动控制需求可以根据天然药物提取过程特点并参照间歇控制模型来考虑，一般有顺序控制、调节控制、开关控制、联锁控制、人机界面、数据管理与管理信息系统集成等要求。

1.顺序控制

天然药物提取生产属于批量生产过程，也叫间歇生产过程。间歇生产过程是以顺序的操作步骤来进行批量产品生产的过程。过程组元和单元设备，必须按工艺规定的顺序进行操作，例如产品生产要顺序经历提取、浓缩、醇沉、酒精回收等过程，又如提取罐试漏、投料、加热、等温提取、排料、排渣等必须按照规定的顺序和时间进行。

2.调节控制

连续调节温度、压力等过程量，使它们保持在允许的范围内。控制系统要求具有启动、释放调节控制的功能，还常常要求调节回路重组和重整功能。例如提取罐料液加热到提取温度时启动等温调节控制，到达规定提取时间后释放等温调节控制。

3.开关控制

控制自动阀门、泵等设备的启动、停止，控制物料输送过程。

4.联锁控制

安全联锁监测生产设备和控制系统的运行，确保出现异常状况时，执行联锁动作、进行声光报警、显示报警状态，不致造成危险情况导致人员和设备损失。例如：酒精提取时，要监视提取罐压力，当压力超限时，要停止加热，打开放空阀，把控制调成手动方式，同时进行声光报警，显示报警状态。

5.批管理与控制系统集成

智能控制系统可优化设备控制，实现生产过程的局部优化。而天然药物提取生产总体效率的提高，在很大程度上依赖综合指标的提高，只有将过程控制与生产管理系统集成起来，才能实现生产过程的总体优化。批量生产管理与控制主要包括：配方管理、批调度、批量生产管理等内容。

另外，还有过程可视化远程监控，报警处理，操作记录，报表输出，工艺参数管理，授权管理与访问许可，降低成本依从法规等要求。

二、计算机控制系统

1.计算机控制系统组成

计算机控制系统由计算机系统和生产过程两大部分组成。计算机系统包括硬件和软件，其中硬件指计算机本身及其输入输出通道和外部设备，是计算机系统的物质基础；软件指管理计算机的程序及系统控制程序等，是计算机的灵魂。生产过程包括被控对象、测量变送单元、执行机构、电气开关等装置。下面给出了计算机控制系统的典型结构图（图3-18）和原理图（图3-19）。

由于计算机只能处理数字量，其输入输出都是数字信号，因此要有模/数转换器（A/D）和数/模转换器（D/A），实现模拟信号和数字信号之间的相互转换。

2.分散控制系统DCS

计算机控制系统按其控制方式和控制功能，可分为操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、分级控制系统及分散（集散）控制系统等。在天然药物控制生产中，分散（集散）控制系统应用广泛，我们主要对其进行介绍。

分散控制系统简称DCS，是distributed control system的缩写。它的体系特征是功能分层，一般可以分为现场控制级、过程装置控制级、车间操作管理级、全厂优化和调度管理级等。信息一方面自下而上逐渐集中，同时，它又自上而下逐渐分散。从系统结构分析，DCS由三大基本部分组成，它们是分散过程控制装置部分、集中操作和管理系统部分、通信系统部分。分散过程控制装置部分由多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、PLC及数据采集装置等组成。它包括现场控制级和过程控制级装置，实现对生产过程的控制。一个控制器只控制一个回路或几个回路，这样可避免在采用集中型计算机控制系统时，若计算机出现故障，对整个生产装置或整个生产系统产生严重影响。集中操作和管理部分由操作站、管理机和外部设备等组成，它包括车间操作管理级和全厂优化与调度管理级，实现生产过程和调度管理的全局优化。通信系统部分完成每级之间以及每级内的计算机或微处理器的数据通信。在DCS中，用大量的以微处理器为基础的过程控制器对生产过程实现分散控制，用一台或几台计算机对全系统进行全面信息管理。DCS结构如图3-20所示。

它的主要特点是集中控制分散管理，提高安全性，信息集中管理，有利于更高级的控制。DCS有许多优点，主要包括以下六个方面。

（1）分散性和集中性

分散的主要目的是为了使危险分散，提高系统的可靠性和安全性。DCS分散性的含义有不同的解释，一方面是控制对象的分散，还有控制设备地域上的分散、控制功能多种多样和危险因素的分散等。DCS的集中性是指集中监视、集中操作和集中管理。

（2）自治性和协调性

DCS系统中的各台计算机均可独立地工作，这一功能被称为自治性。DCS的协调性是指系统中的各台计算机和现场控制器的连接用统一的通信网络互联在一起，相互传送信息，相互协调工作，共同实现系统的总体功能。

（3）灵活性和扩展性

模块化设计方式广泛地应用于DCS软、硬件中。硬件配置可灵活地构成各类不同容量的系统。在企业生产扩大的时候还可根据企业的要求进行系统扩展。软件程序提供的功能模块比较多样，进行简单的组态即可构成各类功能不同的控制系统，同时硬件配置却不需要改变。

（4）先进性和兼容性

DCS系统综合集成了计算机、控制、通讯和图形显示技术，并随着这些技术的发展而不断发展，新型DCS的推出兼容DCS系统的软件和硬件，新老系统间可以无缝传递过程信息，从而实现新老系统的兼容。

（5）可靠性和适应性

DCS系统的可靠性来源于其分散性带来系统的危险分散。同时，系统采用高性能的电子元器件、先进的生产工艺和抗干扰技术，使得DCS对工作环境的要求降低了许多。DCS设备的安装位置比较灵活，可满足不同生产的需要。DCS的各项功能可适应现代化大型生产线的控制和管理需求。

（6）新颖性和友好性

DCS为操作人员提供了直观的人机界面（HMI）。操作员站采用彩色画面和交互式图形，界面比较新颖友好。

天然药物的提取分离生产过程大多采用的是DCS分散型控制系统，现场的执行元件由PLC分散控制，各控制单元的PLC再集中到控制室的工业控制计算机上进行统一管理。

PLC是可编程序控制器（programmable logic controller），是一种具有微处理器的数字电子设备，用于自动化控制的数字逻辑控制器，可以将控制指令随时载入内存中储存与执行。

PLC具有以下鲜明的特点：使用方便，编程简单；功能强，性能价格比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量小，维修方便。

常见的PLC控制系统多为一层的网络结构，有相对DCS较少的模拟量的控制和连锁，因此多用于小型自动控制场所或是大型自控系统的组成部分，其中控制的生产过程相对简单，传输的数据内容也不会很多。在天然药物生产中，广泛用于单个仪器的控制。

三、智能化控制方法

1.天然药物智能控制系统总体结构

天然药物智能控制系统大多采用DCS控制系统，一般分为三层：监控层，控制层和过程层，如图3-21所示。

（1）上位机监控层

上位机监控层是对生产现场进行实时监视以及操作人员进行各种操作的平台。生产开始进行前，需在上位机把利用到的生产工段中各种需要监控的参数预先设定一个值，该设定值是控制成品质量的重要保障和保证生产正常运行的重要手段。监控层合理调度各工段间生产状况，保证实现良好的自动化控制。

（2）下位机控制层

下位机控制层是整个控制系统的核心，首先制定各个生产工段的控制方案，编写控制程序，操作现场执行机构。同时，可作为连接监控层和现场过程层的中间枢纽。现场过程层采集的各种变量信号传输到控制层，完成信号转换后，向监控层传输；监控层也通过控制层向下传送控制指令，完成对电动执行机构的精确控制和故障报警操作。

（3）现场过程层

现场过程层作为整个控制系统的基础，由传感器、阀门、泵、电机等设备组成。通过各种传感器仪表检测参数的变化，传感器的非电量信号转换成4～20mA和1～5V的标准电信号后，传送至控制系统，执行机构接收控制器传回的控制信号，完成相应的机械调节。

2.智能控制系统作用原理

按智能控制作用原理可将智能控制系统分为递阶控制系统，专家控制系统，模糊控制系统，学习控制系统，神经控制系统，仿生控制系统，集成智能控制系统和组合智能控制系统等。其中组合智能控制系统是把智能控制与传统控制（包括经典PID控制和近代控制）有机地组合起来构成的控制系统，它将智能控制方法和传统控制方法各自的长处集合起来，是一种很好的控制策略。PID模糊控制、神经自适应控制等就是组合智能控制的例子。PID模糊控制在天然药物智能控制领域应用比较广泛，下面我们简要对PID模糊控制进行介绍。

（1）PID控制

工业控制中，PID控制是应用十分广泛且发展比较成熟的控制方法，它不需要依赖于系统的传递函数G（s），对于模型未知对象，PID参数的调节非常重要。PID算法简单、可靠，同时参数调整方便，并且有一定的控制精度。因此，它已成为最为普遍采用的算法，其结构原理图如图3-22所示。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成控制偏差：

e（t）=r（t）-y（t）

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律可表达为下式：

式中，K P为比例系数；T I为积分时间常数；T D为微分时间常数；e（t）为PID控制器的输入；u（t）为PID控制器的输出。PID控制器的比例、积分、微分三个环节的作用如下。

① 比例环节　系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，比例控制作用实际上是一个增益可调的放大器，如果将其串联在前向通道上，当KP＞1时，其作用是提高开环增益，加快系统的响应速度，且其能提高系统的控制精度。缺点是对于具有自平衡（即系统阶跃响应终值为一有限值）能力的被控对象存在静差。加大K P可以减小静差，但KP过大，会导致系统超调增大，使系统的静动态性能变坏。

② 积分环节　积分环节能对误差进行记忆并积分，有利于提高控制系统的稳态特性，消除系统的静差，大大改善系统的稳态精度。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统的不稳定。

③ 微分环节　通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。

（2）模糊控制

模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。模糊控制的基本思想是用机器去模拟人对系统的控制，它的最大特征是：能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知、复杂的非线性系统的控制。

模糊控制的基本原理框图如图3-23所示。模糊控制过程分为三个步骤：模糊化、模糊逻辑推理和解模糊判断，分别由模糊控制器的模糊化接口、推理机、清晰化接口完成。模糊系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、推理算法以及模糊决策的方法等因素。

清晰量的模糊化是指模糊控制器的确定量输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将输入的确定值转换成相应的模糊语言变量，此相应语言变量值由对应的隶属度来表示，记为μA（x），表示元素x隶属于模糊集合A的程度。

模糊逻辑推理是指根据事先确定的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行推理，得到一个模糊输出集合，即一个新的模糊隶属函数。

模糊量是不能直接控制执行部件，根据模糊逻辑推理得到的模糊隶属函数用不同方法寻找一个具有代表性的精确值作为控制量，这个过程就是模糊量的清晰化。常用的模糊量的清晰化方法有最大隶属度法、中位数法、重心法等。

模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，其中包含了人的控制经验知识，它不需要有准确的控制对象模型，是一种智能控制的方法。其突出的特点在于：

a.模糊控制是一种语言控制器，无须知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验及操作数据；

b.控制系统的鲁棒性强，适用于解决常规控制难以解决的非线性、强耦合性、时变和时滞系统；

c.以语言变量代替了常规的数学变量，构成了专家的“知识”；

d.控制推理模仿人的思维过程，采用“不精确推理”，融入了人类的经验，因而能够处理复杂系统；

e.对干扰有很强的抑制能力。

（3）PID模糊控制

采用常规PID控制器虽然简单易行，但一组固定不变的PID参数无法适应参数变化，且干扰众多的控制系统，难以获得满意的控制效果，甚至当参数变化范围太大时，系统性能会明显变差。基于模糊控制和PID控制各自的优势和局限性，把PID控制和模糊控制结合起来，用模糊控制的方法在线调整PID参数，构成模糊PID控制，能够实现较好的控制效果。

模糊PID控制器以误差e和误差变化率作为输入，PID参数K P，K I，K D作为输出，在系统运行中，通过不断检测e和，利用模糊系统在线调整3个参数，以满足不同的e和对控制参数的要求，从而使被控系统具有良好的动、静态性能。控制结构如图3-24所示。

3.智能化控制工业设备

智能化控制设备的系统特点具有模块化，可维护性，开放性，安全性。目的是为了提高产品批间稳定性，确保生产数据的完整性，提升生产记录可追溯性，节能环保，技术创新，提高产业化水平，提升市场竞争力，正常使用期限不少于10年。本节主要对提取、浓缩、分离自动化控制设备进行举例介绍。

（1）多功能提取罐自动控制

多功能提取系统是由多功能提取罐、回流、冷凝、强制循环等组成，见图3-25。能对常压（加）水提、醇提（常压，加压，减压）、渗漉、提取挥发油、热回流和强制循环等多种提取工艺和不同形态物料进行提取。

多功能提取罐的优点是操作简便、工艺应用灵活，可根据工艺需要同其他设备进行不同的组合。可用常压、减压、加压、水煎、温浸、渗漉、强制循环等提取方式进行天然药物的提取。特别适合对植物茎叶类天然药物的短时间提取。

在天然药物生产中应用自动控制技术，可以使天然药物生产的工艺操作和参数得到科学、有效、严格地监测和控制，实现天然药物生产的连续化和自动化，从而提高生产效率，降低成本，同时使产品更安全、卫生，更符合GMP要求。

自动化操作过程：药材经过多功能自动控制系统操作，首先在系统控制界面录入本批物料品名及批次，随物料运转进行批次流转，人工完成投料操作，投料结束，现场反馈按钮确认，根据工艺设定系统自动选择溶媒，并通过溶媒管道上的在线流量计自动累积加溶媒量。在提取罐蒸汽管道上设置蒸汽调节阀，系统调节控制调节阀开度，通过控制系统设定外循环时间、循环频率及循环启动温度，保证提取温度稳定控制和提高提取效率。系统结合品种工艺参数设定自动控制提取时间；并自动完成一次投料多次提取的自动控制。通过控制出液气动阀门动作同时结合在线流量计检测，经系统控制程序实现出液终点的自动判断。判堵及反堵控制生产过程中，自动对堵塞位置判断并及时进行反堵控制。采用油水界面检测仪检测油水界面，实现挥发油自动收集控制。控制提取过程记录，自动完成出渣过程。清洗及排污系统设计时还应考虑到安全保护措施，通过控制系统对夹套压力、工艺过程安全进行联锁保护，见图3-26。

（2）双效浓缩自动控制

双效浓缩器由2个加热器、2个蒸发器、1个冷凝器、1个凝液接收器组成如图3-27所示，其中1和2为一效列管，3和4为二效列管，见图3-27。

① 操作原理　双效浓缩的工作原理是通过真空泵抽真空，在真空状态下，不断抽取提取液储罐中的液体，通过一效列管式加热器加热，利用热动力使药液在一效列管式加热器和蒸发室之间循环，蒸汽随真空管道进入二效列管，进行二次加热，一效、二效的蒸汽冷凝液进入平衡罐，使药液不断浓缩。

双效浓缩设备具有高效节能的特点，已经在天然药物工业化生产中广泛使用。但是目前在国内的天然药物生产企业中，双效浓缩器的使用大部分都是手动操作的。正是由于这种原因，使得药液的浓缩效果会因操作人员不同而产生偏差，最终造成浓缩效果不稳定，进而对下一步的生产工序造成影响，所以在双效浓缩器中实现自动控制将有利于保证天然药物生产过程的相对稳定性，提高天然药物生产的效率，降低生产成本。

双效浓缩自动化控制从控制系统的角度来看，主要有几个回路：温度控制，真空度控制，蒸发室液体的控制，泡沫控制，平衡罐控制，密度控制及各回路的协调控制。

② 自动化操作过程　药材经过提取，进行浓缩，首先在系统控制界面录入本批物料品名及批次，随物料运转进行批次流转，若检测非当前品名批次进行报警提示，停止操作，若品名批次一致，程序顺序执行。首次进液控制：浓缩程序启动后，系统进行自动开启浓缩器真空系统，开启浓缩器上进液阀，进料至蒸发室内，监测罐内蒸发室液位、真空度等参数实时反应进液过程中的数据。浓缩压力温度控制：通过系统程序内部的自动浓缩控制程序PID回路，来调节蒸汽调节阀的PID回路控制，夹套热媒压力、浓缩温度控制在各自设定参数范围内，保证浓缩过程系统真空度、浓缩药液温度及蒸汽调节压力平衡稳定。系统平衡调节控制浓缩过程易产生泡沫阶段的系统参数，避免泡沫产生。同时在浓缩器配置检测装置，一旦泡沫达到高位时，系统自动进行消泡控制，避免跑料。

在浓缩过程中监测浓缩罐中真空度，通过装在真空管道上的气动阀使整个浓缩过程中罐内真空稳定。在凝液接收器上加装液位计，凝液接收器的冷凝液位达到高液位时，系统关闭液相平衡阀、气相平衡阀，打开放空阀，酒精回收阀进行冷凝液排液控制，当进入凝液接收器的冷凝液位达到低液位时，停止出液各阀门复位，直到浓缩过程结束。根据浓缩液密度作为最终浓缩出料终点标准，采用在线密度计检测蒸发室药液，判断浓缩终点同时结合液位检测复核药液量。在判断达浓缩终点设定值后，关闭蒸汽阀门和真空阀门，停止浓缩，开启放空阀门，发出出液请求，进行出液。浓缩出液完成后，系统进行自动清洗、排污的控制程序。双效浓缩自动控制设备及流程分别见图3-28、图3-29。

（3）醇沉罐自动控制

醇沉灌多设计成细长，锥角为60°～90°锥底不锈钢罐，醇沉后，杂质沉降于锥底，清液从上部吸出，醇沉罐设备有机械搅拌醇沉罐和空气搅拌醇沉罐。由于空气搅拌醇沉罐使用大量空气，空气排放时带有乙醇气，损失大量乙醇，故机械搅拌醇沉罐的应用范围广。

自动控制操作过程：系统联动上工段出液阀，并结合进罐阀，实现自动进液控制，通过在线流量计检测，自动计算加药量及药液分配。通过物料管道安装流量计，对溶媒进液体积计量并记录，并通过在线密度计检测终点酒精浓度。

根据工艺步骤，实现搅拌电机联动启停控制，并实现自动计时控制；根据工艺要求，在物料沉淀过程处理时间、冷藏静置时间进行记录、监控，并在达到设定时间前，进行预警提示；罐内温度计实时监测物料温度，系统根据温度反馈，联动控制冷水进阀，实现自控降温、稳定保温静置过程；静置时间达到设定时间后，结合人工检测判断后工序具备出液条件时，系统提示出液，结合人工判定分层界面，进入出液工序。浓缩出液完成后，系统进行自动清洗、排污的控制程序。具体自动控制示意见图3-30。