基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF技術(shù)在二級種子罐控制系統中的應用

一．概述

　　東北制藥總廠(chǎng)生產(chǎn)的 Vc 一直是我國重要的出口創(chuàng )匯產(chǎn)品，產(chǎn)品銷(xiāo)往美、歐。多年來(lái)為國家創(chuàng )造了巨額外匯，為遼寧的經(jīng)濟騰飛做出了貢獻，但 96 年起，市場(chǎng)發(fā)生了突然變化， 以羅氏為首的西方大公司聯(lián)手控制市場(chǎng)，大幅降低銷(xiāo)價(jià)，降幅近 70% 。我國維生素 C 產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴重受阻，企業(yè)的生存受到威脅。為擺脫困境，重振企業(yè)， 東北制藥總廠(chǎng)采用 Vc 二步發(fā)酵轉化技術(shù)對生產(chǎn)工藝加以改進(jìn)， 使 VC 的 總收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ， 產(chǎn)量增至 11500 噸， 有力地提高了產(chǎn)品在國際市場(chǎng)的競爭力 。該新工藝保留了原工藝的主要特色，但在發(fā)酵過(guò)程中需依介質(zhì)的氫離子濃度和溶氧量調節菌種的生理狀態(tài)、數量及比例。操作難度加大，對工作人員的自身素質(zhì)和責任心要求很高。為充分發(fā)揮該新工藝的效率，在生產(chǎn)中急需采用先進(jìn)的控制策略和控制技術(shù)，來(lái)保證新的工藝過(guò)程能平穩高效地運行。為此，我們采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)對二級種子罐的控制系統進(jìn)行試點(diǎn)改造，實(shí)現溫度、壓力、流量和 PH 值等參數的自動(dòng)檢測和優(yōu)化控制，該系統改造成功后，可推廣應用到其它的種子罐和發(fā)酵罐，從而提高整個(gè) VC 生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)能力。 　　
　　對系統進(jìn)行選型設計時(shí)，鑒于本項目需要對溫度、壓力、流量和 PH 值等參數進(jìn)行精確的自動(dòng)檢測和優(yōu)化控制，有一定的復雜性，常規的儀表難以勝任，而采用基于工業(yè) PC 的 PC-Based 系統，其安全可靠性難以保障， DCS 系統卻因其價(jià)格昂貴， 不利于應用在中小型系統上，PLC 系統 具有結構緊湊、功能齊全、速度快、可靠性高等 優(yōu)點(diǎn)，但其每一個(gè)檢測或控制點(diǎn)都需要一對信號線(xiàn)接入相應 PLC 控制模塊，系統布線(xiàn)較多，安裝及維護成本較高，而選擇 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn) （Foundation Fieldbus，簡(jiǎn)稱(chēng) FF ） 系統，則能較好的解決上述問(wèn)題。

　　FF 現場(chǎng)總線(xiàn)是儀表及過(guò)程控制領(lǐng)域向數字化通訊的轉變， 與其他的通訊協(xié)議不同之處在于： FF 現場(chǎng)總線(xiàn)旨在提供整個(gè)過(guò)程控制領(lǐng)域的應用解決方案，而不僅僅是數據傳輸的數字化，是一種全數字化、串行、雙向的通訊系統，將各種現場(chǎng)設備（傳感器、執行器、控制器等）連接在一起， 通過(guò)使用 “ 功能塊（ Function Block ） ” 實(shí)現控制策略。


　　功能塊的這種一致的、面向“塊”的設計使得來(lái)自不同生產(chǎn)廠(chǎng)商的設備可以無(wú)縫的集成在一起，共同完成分布式控制功能，控制功能的分布（分布到現場(chǎng)設備中）可以減少 I/O 設備、控制設備的數量（例如，卡件、機柜、電源等）。FF 現場(chǎng)總線(xiàn)允許在一條雙絞線(xiàn)上連接若干設備， 這條 雙絞 線(xiàn)就是現場(chǎng)總線(xiàn)。這種連接方式減少了連線(xiàn)的數量， 使得使用的線(xiàn)纜、安全柵、安裝盒數量大大減少， 易于安裝和維護，使施工費用、電纜費用、調試和維修成本節省 40% 之多 。 FF 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)增加了數據的分辨率，減少失真（沒(méi)有 A/D 或 D/A 轉換），這樣就使控制更加可靠。帶微處理器的 FF 現場(chǎng)總線(xiàn)設備所提供的自測試功能和通信功能大大減少了現場(chǎng)停車(chē)時(shí)間，增加生產(chǎn)現場(chǎng)的安全性，一旦監測到異常情況，或者需要進(jìn)行于預防性維護，現場(chǎng)操作元及管理人員就可以被及時(shí)通知。所有這些 FF 現場(chǎng)總線(xiàn)所帶來(lái)的好處歸結起來(lái)，為我們提供了一種更高性能、更少損失的控制系統。反應容器自動(dòng)控制 系統 選型時(shí)，FF現場(chǎng)總線(xiàn) 作為高檔系統配置，不失為一種優(yōu)秀的解決方案。

　　DCS/PLC于FCS系統的結構比較：

　　DCS是基于模擬儀表的控制系統?，F場(chǎng)控制站與儀表間通過(guò)一對一的方式，實(shí)現單向的模擬信號傳輸， 易造成大量的導線(xiàn)消耗和繁重的維護量。

　　FCS是基于現場(chǎng)總線(xiàn)的分布式控制系統。它 將控制任務(wù)下放至本地儀表，危險徹底分散，加強系統的自主能力；儀表與控制系統間通過(guò)總線(xiàn)，采用一對多的方式，實(shí)現雙向的、全數字信號通訊。 FCS 具有對量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠程設定和超強的自診斷能力。

二．工藝過(guò)程

　　東藥萬(wàn)噸 VC 生產(chǎn)過(guò)程采用了二步發(fā)酵新工藝，在發(fā)酵過(guò)程中需依介質(zhì)的氫離子濃度和溶氧量調節菌種的生理狀態(tài)、數量及比例。經(jīng)實(shí)驗測量， Vc 二步混菌發(fā)酵中氧化葡萄糖酸桿菌和巨大芽孢桿菌的相互作用及其變化特性與二混菌發(fā)酵不同階段的環(huán)境狀態(tài)有關(guān)，菌種在溫度范圍為 29-30 度、壓縮空氣流量范圍為 175-185 每小時(shí)立方米、　壓力范圍是 0.02-0.05Mpa 條件下最為活躍，故通過(guò)對二級種子罐罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的調節，為菌種提供適宜的生化反應環(huán)境，提高反應效率，減低物耗與能耗，降低生產(chǎn)成本。

　　我們在選用的二級種子罐上，采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現監測和對三個(gè)控制回路的控制，實(shí)現罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的自動(dòng)控制以及 PH 值的自動(dòng)連續檢測，在此基礎之上，實(shí)現種子罐的生化反應過(guò)程的最優(yōu)控制，同時(shí)結合我們開(kāi)發(fā)的 FF 全分布式控制系統軟件實(shí)現二級種子罐的計算機自動(dòng)監控，為整個(gè) VC 車(chē)間的自動(dòng)控制系統提供解決方案。