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2022年10月10日

机电一体化设备中的控制系统

机电一体化设备中的控制系统 2011年12月04日 来源: 华北制药股份有限公司是目前世界上最大的抗生素生产制造基地。公司建立了一套高标准的青霉素提炼精制包装车间,选用当今先进的制药生产装备。其中最重要是青霉素晶体的过滤、洗涤、干燥组合设备,即大型机电一体化机组—三合一分离器。其电控系统采用西门子SIMATIC S7控制系统作为中央控制器,完成整个机组的一体化自动操作与控制,保证了对产品质量和生产过程的严格有效控制。 本项目包括四台(A#,B#,C#,D#)三合一分离器大型机组,每两台机组组成一条生产线(1#,2#),两条生产线完全相同,每条生产线各有一套PLC控制器进行控制。其中一套装置的具体组成见图1所示:

系统功能要求 三合一分离器生产系统可以实现完全的自动化操作控制,组成复杂,完成的功能包括:运动控制,液压系统,惰性气体保护,机械传动,变频调速,自动阀门控制,正负压控制,易燃易爆危险区内的信息显示与操作,流量、温度、压力、转速、扭矩、料位、动态重量等模拟量的实时状态监测控制,机械位置、压力开关、流量开关、料位、安全保护等开关量的状态监测与控制等。 每套系统的生产工艺简介如下: ◆ 先密闭整个机组系统,充入惰性气体保护,通过进料自动阀门加入青霉素待处理结晶液,达到一定体积量后关闭进料阀。 ◆ 通入惰性气体加压,通过底部的大型金属过滤板实现青霉素结晶液的固液分离。 ◆ 青霉素结晶液固液分离后进行喷淋洗涤。 ◆ 洗涤结束后通过液压装置下降搅拌装置进行搅拌,并同时利用搅拌内部的加热管路系统加热物料层,并严格控制干燥过程温度,否则会引起青霉素的降解失效。在加热干燥的同时进行系统抽真空操作,使溶媒快速蒸发,同时启动除尘器自动工作,保证真空系统的正常通风。 ◆ 物料层干燥合格后(可以取样检测),停止真空,进入自动排料程序。 ◆ 自动排料程序:在排料口附近通入高压惰性气体,同时在料仓侧抽真空,然后下降搅拌装置,控制搅拌转速和搅拌叶下降速度进行刮料、送料动作,使粉状物料快速通过排料阀进入料仓,当搅拌刮至接近金属过滤板层时停止搅拌下降,然后瞬间喷吹惰性气体,将底层物料全部吹至料仓。 ◆ 物料进入料仓后进行料位检测,并分批下装至计量仓通过称量控制器进行分装,分装为每小桶4公斤。至此完成青霉素的过滤,洗涤,干燥,分装过程。 本工程项目的特点是工序流程长,动作复杂,自动化程度高,监控点数多,既有大量开关量联锁、顺序控制,又有大量模拟量回路调节,而且生产全过程既是洁净生产环境(万级区~百级区)又是易燃易爆危险环境(危险环境为0区:总是存在易燃易爆性气体),既有很高的安全性要求,又有非常高的控制精度要求。 控制系统的构成 控制系统分为完全独立的两套相同装置,每套装置采用西门子SIMATIC S7系列PLC作为主控器(每套PLC容量为开关量288路,模拟量20路),采用PROFIBUS—DP作为控制、通讯网络,操作现场采用符合PROFIBUS—DP通讯协议的防爆操作屏BARTEC VGA作为人机操作界面,并在控制室开发具有集中管理功能的WINCC工作站作为远端管理站。 本项目中的系统结构如图2所示。

由于现场存在有机溶媒等易燃易爆危险性气体,而且机组的操作主要在现场。传统上防爆现场采用隔爆式操作控制柜作为机电设备的人机界面,控制柜上利用防爆指示灯显示机组的运行状态,利用各种防爆开关、按钮输入指令,这只适用于在一些简单的设备上的较少操作使用。对于有较多的状态显示、较复杂的流程控制,只能设计多组大的防爆操作控制柜,而且需要大量的信号线来连接。而青霉素的生产环境既是防爆区,又是洁净区,要求现场的设备尽可能少而精,所以项目中体现了西门子提出的全集成化自动化思想(TIA),使用了符合西门子控制系统开放式通讯协议的防爆操作屏,一举解决了以上难题。BARTEC VGA防爆操作屏可以实现丰富的信息与复杂的流程图显示,并可进行方便的操作。 系统的主要硬件配置组成见表1。系统的功能和特点概括如下。

◆ 安全保护功能。惰性气体保护装置,各种安全联锁,状态位置监测联锁,流程条件的连锁,顺序控制等。弱电控制部分均为本质安全回路,安全防护等级达到最高Exia IIC T6。 ◆ 系统测控部分为本安系统。分布在现场的机械开关、接近开关、温度变送器、压力变送器等自控设备全部为本安防爆型,信号经过安全栅进行隔离,通过现场本安防爆接线盒进行处理,可以在生产现场进行带电信号检修,大大方便了设备的维护,缩短了设备故障的检修时间。 ◆ 液压程序控制。共有9套液压油缸,每3套作为一组,通过液压油泵产生30MPa油压,分别驱动这3组(9套)液压油缸,分别实现搅拌电机及搅拌装置的升降、定位;金属过滤板的升降安装、定位及底盘锁扣的拆卸、旋转锁紧等功能。 ◆ 传动控制:采用西门子变频器接受PLC的控制调节信号,由于搅拌电机的转速控制范围0—12rpm,精度要求±0.2rpm以内。由于搅拌转速较低,变频调速没有采用编码器方式,而是采用接近开关监测开孔盘(36孔)上小孔通过的频率,通过DI(SM321)送入PLC计算出搅拌转速,再通过PID调节输出驱动变频器。 ◆ 精确称重控制。利用称重传感器监测包装桶的重量来控制一个二级(快开、慢开)分装自动阀,实现粉状物料的精确分装,精度为4000+2.5g。 ◆ 实现在防爆现场的复杂操作控制。利用全集成自动化优势,采用智能防爆型液晶操作显示屏,实现了机组的复杂操作和各种状态信息显示,而且只需一根电源线和两芯屏蔽双绞通讯总线即可完成连接,减少了复杂的现场布线和庞大的操作盘。 ◆ 远程监控管理。利用WINCC组态程序的强大功能,通过管理计算机可监控机组的运行状态,实现对生产过程的全面管理,并可在紧急情况下通过高级权限登录操控现场机组的运行。◆ 模拟量的回路自控。可以进行温度调节、物位调节、仓体压力调节、搅拌转速调节、扭矩调节、精确分装重量调节、搅拌升降位置设定,利用SIMATIC控制系统的可靠功能可以达到很高的控制精度。 ◆ 大量开关量的逻辑连锁、顺序控制,实时,安全,运算速度极快。 应用体会 西门子控制系统可靠性高,成套能力很强,总体性能价格比有竞争力,而且由于近年集成一体化思想(TIA)在西门子产品系列中越来越得到充分体现,为自控系统的搭建提供了非常好的平台。例如本工程项目中通过PROFIBUS—DP现场总线可以方便的将模拟、数字控制,传动驱动,安全防爆操作显示,过程信息管理等诸多功能很统一的结合在一起,实现无缝连接,减少了故障点,提高了系统整体性能。(end)

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