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抗生素發酵生產自動化控制(DCS)工程可行性研究報告

抗生素發酵生產自動化控制(DCS)工程

可行性研究報告

抗生素發酵生產自動化控制(DCS)工程

可行性研究報告

一、概述

1.項目概況

1.1 項目名稱:抗生素發酵生產自動化控制(DCS)工程

1.2 項目承擔單位:岳陽中湘XX藥業集團有限公司

1.3 項目負責人:xx

1.4 項目起止時間:2001年元月—2002年6月

1.5 項目主管部門:湖南省信息產業廳

1.6 項目簡要內容及實施目標:利用計算機集散控制技術實現公司主要抗生素生產車間(包括六、九、十車間共計1495T紅霉素發酵體積)的發酵自動化控制。

2.企業概況

2.1 企業簡介

2.1.1 企業名稱:岳陽中湘XX藥業集團有限公司

2.1.2 法定代表人:xx

2.1.3 所有制性質:國有獨資

2.1.4 隸屬關系:中國醫藥集團總公司下屬中國醫藥工業公司的全資子公司

2.1.5 企業地址:湖南省岳陽市xx山一號

2.1.6 電話:0730—8XX0411

2.1.7 郵政編碼:414000

2.2 人員情況

2.2.1 職工總數:2053人

2.2.2 工程技術人員:605人

其中 高級職稱:11人

中級職稱:175人

初級職稱:419人

2.2.3 計算機、自控及相關專業人數:28人

2.3 企業資產信用狀況

2.3.1 資產總額:      42386 萬元

2.3.2 固定資產原值:  29248 萬元

2.3.3 固定資產凈值:  22368 萬元

2.3.4 流動資產:      17405 萬元

2.3.5 負債總額:      31726 萬元

2.3.6 流動負債:      12584 萬元

2.3.7 所有者權益總額:10659萬元

2.3.8 收入總額:      25628 萬元

2.3.9 主要營業收入:  25628 萬元

2.3.10 稅后利潤總額:  1605 萬元

2.3.11 銀行借款總額:19628 萬元

2.3.12 銀行信用等級:  A級

2.3.13 稅務局情況記錄:納稅先進單位

2.4 企業生產經營情況

岳陽中湘XX藥業集團是以生產抗生素原料藥為主,同時生產制劑、中成藥的大型醫藥企業,現有六條抗生素原料生產線(其發酵規模名列全國同行業廠家第四位)、三條合成藥生產線、一個制劑分廠、一個藥物研究所,下轄五個子公司和一個合資公司。1999年完成工業總產值 43557 萬元,銷售收入 22794 萬元,上交利稅 1463 萬元,實現利潤 1129 萬元;2000年完成工業總產值 49821 萬元,銷售收入 24848 萬元,上交利稅 1554 萬元,實現利潤 1325萬元。公司有自營進出口權,產品暢銷全國各地,遠銷東南亞、意大利、西班牙、東歐等國家,國家級新藥阿瑞被列為國家高新技術產業化規劃。

二、項目開發的必要性

1.項目提出的背景

中湘XX的前身為岳陽市制藥一廠,多年來一直主要生產紅霉素、螺旋霉素等抗生素原料系列產品。由于產品結構單一、融資渠道不暢、設備裝備水平較低、營銷網絡不夠健全、信息收集手段落后等多方面因素的影響,中湘XX的整體競爭能力比較差,特別是在90年代末期表現得尤為突出。1996至1998年,企業連續三年虧損,生產經營舉步維艱。1999年,公司決策層實施戰略結構調整,提出原料藥、制劑藥和中成藥三分天下、齊頭并進的發展思路,并通過實施兼并重組、技術創新、設備改造、健全營銷網絡等諸多強有力措施,一舉扭轉了生產經營的被動局面,當年實現了扭虧為盈的目標。但日趨激烈的市場競爭態勢迫使我們必須更加冷靜地面對現實,中國加入世界貿易組織既給我們帶來了發展的機遇,又使我們面臨著更大的挑戰。2000年,國內市場上隨著系列紅霉素衍生物的不斷開發問世,紅霉素原料藥的市場需求量相應地得到了增長,但紅霉素原料藥的生產廠家也在不斷地增多,紅霉素原料市場總的趨勢是供大于求,一場沒有硝煙的價格大戰已經打響;國際市場方面則表現為歐洲發達國家有大量進口中國紅霉素原料藥的跡象,但進口的門檻較高,對產品的質量提出了更高的要求。作為紅霉素老牌生產廠家,我們惟有進一步加快技術創新的步伐,努力降低產品制造成本,全面增強企業的競爭能力,才能在如此激烈的市場競爭環境下站穩腳跟,并據此獲得出口的先機。

眾所周知,利用信息技術改造傳統產業已在我國開展了十幾年的科學實踐,自動化控制技術在醫藥、化工等領域的研究與應用出現了大量成功的范例。雖然紅霉素具有生產周期長、生產過程復雜、控制難度大等特點,但我們仍然對應用和研究“紅霉素發酵生產自動化控制”抱有信心。在反復考察論證的基礎上,我們提出了“應用計算機自動化技術控制發酵生產,改造傳統生產工藝過程,提高紅霉素發酵生產水平”的技術創新思路。

2000年,湖南省電子信息系統推廣應用工作小組辦公室下達了《關于申報2001年電子信息應用貸款項目的通知》,我們決定將“抗生素發酵自動化控制(DCS)工程”作為國家倍增計劃貸款貼息項目進行申報,以借助國家資金扶助將企業信息化工作推上一個新的臺階。

2.國內外同類項目的應用情況

2.1項目的工作原理

抗生素發酵工藝生產過程是生物、化學和工程等學科的理論和技術的綜合利用,其機理十分復雜,控制過程非常困難??股胤⒔圖撲慊刂憑褪峭ü躍值幕肪程跫蠛痛槐浠媛篩韃問謀浠脅飭?,結合代謝調控的基礎理論來有效地控制發酵,使菌種的代謝變化沿著最佳的方向進行,以較低的能量和物料消耗生產更多的發酵產品。

2.2 國內外應用情況

國外的工業控制起步較早,特別是美國、日本和德國等西方資本主義國家,在醫藥生產領域有著很高的計算機控制水平,但為了追求巨額利潤,發達國家一般將主要精力放在成品藥的制作、研究和控制上。我國是抗生素原料藥的生產大國,但生產技術水平落后,以手工操作方式為主,生產效益低。直到八十年代中期,原國家醫藥局和國務院電振辦才把用先進的電子信息技術、控制技術改造傳統醫藥產業列為“八五”、“九五”期間的工作重點。目前,計算機控制技術在青霉素、土霉素、金霉素等產品的發酵生產過程中取得了較大的突破,技術水平已接近國外先進水平。但紅霉素發酵具有周期長、中間補料多、控制復雜等特點,對紅霉素發酵進行自動化控制的研究和應用工作一直沒有重大進展。

3.該項目開發前與投入使用后,企業在生產、經營、質量、技術與管理等方面的變化及成效

紅霉素發酵自動化控制項目投入正常使用后,企業可望取得非常顯著的生產經營成效,具體可表現為以下幾個方面:

3.1生產方面

◆適時的參數檢測和控制將使發酵生產更加穩定,生產產量由此可得到大幅度的提高。

3.2管理方面

◆數據記錄:真實可靠,實時記錄,避免了過去人工記錄數據的隨意性和錯誤;

◆工作監督:從記錄的數據可以隨時檢查生產的正常與否,可增強工人的責任心,協助車間管理人員開展生產的督察工作;

◆職工培訓:自動化控制系統是一個復雜的輔助生產系統,對操作和維護管理人員素質要求較高,圍繞自控系統開展的各項培訓工作可提高職工的技能水平;

◆決策調度:公司領導和生產調度等各級管理人員通過網絡可實時查詢生產信息,增強了生產決策和生產調度的科學性和合理性。

3.3技術方面

◆補料自控:補料自控改變了傳統的補料方式。傳統補料方式是每隔較長一段時間一次性大批量的補加料液,這對微生物的生長環境產生巨大沖擊,影響發酵水平;自控補料則是根據設定好的補料速度,連續均勻少量地補加營養物質,由于連續補料對微生物生產環境沖擊減少,從而達到提高發酵水平的目的。

◆消沫自控:在發酵期間,有時微生物生長旺盛,產生大量泡沫,抬高了發酵液液位,可能會出現逃液現象。傳統手工控制時,常常不能及時發現泡沫的產生,即便發現泡沫也難以加入適量的消沫劑控制逃液。而消沫自控則能馬上檢測到泡沫的產生,并自動連續補加消沫劑,直到消除泡沫為止。

◆優化工藝:對發酵生產進行自動化控制,可由此得到大量實時準確的生產數據,這為優化生產工藝的研究和工藝改變提供了極大的幫助。發酵過程中以往傳統的控制方法,均是以動力學為基礎,采用最佳工藝控制點為依據的靜態操作方法,這種控制忽略了發酵過程中的動態變化及其與其他發酵過程參數的關系,在生產控制過程中有較大的局限性。以動態生產實時數據為基礎,我們可進行發酵新理論的研究和探索,即以細胞代謝流量分析與控制為核心的發酵工程學的觀點,來控制發酵過程。自動化控制技術和發酵分析計算機軟件的引入,使得研究細胞與工程水平問題并實現過程數據優化成為現實,通過不斷的工藝優化,可使紅霉素發酵水平發生巨大的變化,發酵生產得到質的飛躍。

3.4質量方面

◆發酵液的組分與提煉收率和產品質量有著極為密切的聯系,通過自控技術的引用,可大大改善發酵液的組分,使得主要組分(如A組分)比例增大,而B組分(含毒性)和C組分(含雜質)相應降低,從而使提煉出來的產品質量得到大幅提升。

3.5經營方面

◆紅霉素產品產量和質量的提高,為生產經營創造了良好的內部環境,有利于營銷戰線掌握市場營銷工作的主動,我們可通過優異的產品質量和相對較低的市場價格贏得市場的優勢,從而可望帶來嶄新的營銷工作新局面。

三、協作單位的選定理由

1.協作單位的概況及其優勢分析比較

1.1  協作單位概況

協作單位北京康拓生化控制工程公司(即國家醫藥管理局控制工程中心)成立于1993年7月,隸屬國家醫藥管理局,是一家依托航天工業部502研究所,實行企業化管理的研究開發事業單位。公司憑借502所雄厚的技術力量和靈活的市場機制,建立了一支人員素質高、新技術開發和工程能力強的技術隊伍,主要從事制藥行業自動化控制技術的研究與開發應用。現有員工30多名,其中研究員一名,具有中高級以上職稱的18人,其余均為從事自控或相關專業的科技骨干。幾年來,康拓公司的系統和產品已經成功地推廣應用到幾十家制藥行業的十多個品種,經濟效益顯著,帶動了整個行業生產水平的提高。

1.2 協作單位優勢分析

與其他從事自控技術研究的單位相比,康拓公司具有以下優勢:

◆ 技術力量雄厚,有國家醫藥管理局和航天部502研究所作堅強的后盾;

2    專業性強,專門從事醫藥抗生素發酵領域的研究與開發;

◆ 工控產品質量過硬,康拓先后研制開發成功KT型智能補料控制器、系列防污染控制裝置、生產過程控制系統及抗腐蝕、耐高溫控制閥門等一系列優秀的工控產品;

◆ 實施能力強,多年來在抗生素發酵領域積累了大量的實施經驗,并有許多成功的范例。

2.與國內外同類系統或產品在性能、價格、服務等方面的比較

XX發酵生產自動化控制(DCS)工程主要采用美國Honeywell公司最新生產PlantScape集散控制系統,現場執行機構大多選用性能優越的國外產品或康拓公司自制產品,系統平均無故障時間不小于30000小時,可用率達到99.99%,與國內外其他系統(如橫河XLDCS控制系統,西門子控制系統,歐陸控制系統)相比具有很高的性能價格比,成熟性和可靠性都能夠得到保證且技術水平位居世界領先行列。此外,在系統維護方面,康拓公司能夠保證提供24小時的電話支持服務和48小時的現場服務,并能夠及時供應各種系統維修配件。

四、項目的內容及目標

1.項目的主要內容

本項目將對我公司抗生素發酵規模較大的三個紅霉素車間實現計算機自動化控制,主要內容包括:

二車間14個大罐385T發酵體積;

六車間14個大罐780T發酵體積;

九車間10個大罐330T發酵體積;

共計1495T發酵體積實現計算機自動化控制及與之配套的發酵工藝綜合分析系統。

主要技術參數有:

1.1檢測參數:發酵溫度、罐壓力、空氣流量、PH值、溶解氧、空氣流量、發酵液體積、尾氣中的二氧化碳和二氧化碳含量以及公用系統的參數檢測;

1.2控制參數:溫度控制、PH控制、補料控制、消沫控制、空氣流量控制等。

2.項目的目標

2.1 功能目標

2.1.1對抗生素發酵生產過程實現不間斷連續監控,保證車間生產連續、穩定、安全、高效運行;

2.1.2滿足生產工藝要求,具有現場操作、參數修改、報警顯示、實時和歷史趨勢顯示、報表自動生成以及打印輸出等功能;

2.1.3具有網絡通訊、數據庫接口,可實現信息共享。

2.2 性能目標

2.2.1系統的可靠性:由于控制器I/O端口與現場直接連接,因此對可靠性要求尤為嚴格,擬選用的集散控制系統的平均無故障時間應大于30000小時。

2.2.2系統的實時性:對現場監控信息實施實時監測,系統采集信號時間必須滿足發酵生產工藝要求,既采集參數時間為2秒的實時要求。

2.2.3系統的安全性:系統必須對系統管理員、工程師和操作員設置不同的操作權限,要防止發生誤操作和越權操作。

2.3 效益目標

發酵水平提高10%,單罐消耗下降5%,產量提高8%以上。

五、項目的技術可行性

1.我國測控領域控制系統結構的發展

一個控制系統由I/O設備(傳感器和執行器)、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統的連接等組成。設備級現場總線使I/O模件和控制箱得以分開,以太網使得現場采集的數據集成到企業應用中。

1.1早期的集中式控制系統

80年代初期,控制系統多使用以單板機組成的微機控制裝置,與上位機系統連接多采用串行通信方式,所有模件集中布置在一個或幾個機柜中。由這些裝置構成的系統多為集中式控制系統或分層控制系統。這種系統為我國自動化控制系統發揮了重要作用,其開拓性的實踐是今天控制系統豐富多彩的基礎。但是,這類系統技術上已經落后,不符合控制系統分布、開放的發展趨勢。

1.2 DCS控制系統

DCS在我國控制系統中得到了廣泛的應用。傳統的DCS主要有4層結構:第1層是I/O層;第2層是控制器層;第3層是人機接口層;第4層是企業信息系統層。這種結構除在第3層、第4層之間采用以太網外,其他都是專用網絡,控制設備及軟件也是專用的,開放程度不夠,給系統維護及升級帶來不便。

DCS在設備配置上還要求網絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構,支持無擾切換和帶電插拔,由于設計上的高要求,導致DCS成本太高。

1.3 PLC可編程邏輯控制器

嚴格說來,單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統等部分,不是一個控制系統。PLC由于其高可靠性及使用的方便性,占領著很大的市場份額。從控制系統結構來看,傳統的PLC相當于通用化的微機監控裝置,由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成,使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進行編程。但隨著市場的需要及DCS的挑戰,PLC家族在以下幾方面得到了發展:①分布式I/O連接能力方面,由于許多高檔PLC支持遠程I/O及現場總線網絡(如DeviceNet,Profibus等),使PLC向下連接更分布;②廠級控制系統連接方面,許多PLC支持高速網絡,如Ethernet,ControlNet,Profibus等;③軟件的開放性方面,由于許多PLC支持OPC標準(object linking and embedding forprocess control),使軟、硬件平臺之間的數據通信找到了一個實現的標準。這種部分開放加上部分專用所構成的系統可能還會延續一段時間。

但是,PLC需配置額外的設備和電路,與DCS相比,雖有成本上的優勢,但可靠性、電氣性能卻不如DCS。

1.4 FCS現場總線控制系統

FCS(fieldbuscontrol system)顧名思義基于現場總線,根據IEC標準及現場總線基金會的定義:現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線系統應具有以下技術特點:①系統的開放性;②互可操作性與可用性;③現場設備的智能化與功能自治性;④系統結構的高度分散性;⑤對現場環境的適應性。

由于有以上技術要求,現場總線控制系統將是開放系統的主要支撐力量。由于受集團利益的限制,現場總線網絡本身目前還未形成一個單一的標準。

現場總線控制系統不僅需要控制系統設備制造商的支持,更主要的是要得到分散在現場的傳感器及執行設備的支持,以取代DCS的數字/模擬混合技術,成為全數字式系統。這樣的系統才會比DCS有很大的技術及成本優勢,但現場總線控制系統近幾年內難以實現。

針對上述所作比較,結合公司DCS第一期工程的經驗得失,我們決定本期項目實施仍然以DCS技術為主體,兼顧現場總線技術。

2. 用DCS技術實現發酵過程監控方案設計

本工程將對我公司抗生素發酵規模較大的三個車間實現發酵計算機自動化控制。

主要內容:

包括六車間14個大罐780T發酵體積、二車間14個大罐385T發酵體積和九車間10個大罐330T發酵體積共計1495T發酵體積實現計算機自動化控制(DCS)及與之配套的發酵工藝綜合分析系統。

2.1需求分析

要求以系統的先進性、成熟性、可適性、安全性、可靠性、可擴展性、可維護性和性能價格比等作為系統方案的設計原則。

2.1.1功能目標

2.1.1.1對抗生素發酵生產過程實現不間斷連續監控,保證車間生產連續、穩定、安全、高效運行;

2.1.1.2滿足生產工藝要求,具有現場操作和參數修改、報警顯示、實時和歷史趨勢顯示、生成報表(日報表、批報表等)及打印輸出等功能;

2.1.1.3具有網絡通訊、數據庫接口,可實現信息共享。

2.1.2性能目標

2.1.2.1系統的可靠性

系統選用美國HONEYWELL公司生產的PLANTSCAPE集散控制系統,該系統具有很強的可靠性、安全性,同時還具有易擴展等特點,在發酵控制領域應用較為廣泛,由于控制器I/O口與現場直接相連,因此對可靠性的要求尤為重要,該系統平均無故障時間不小于3×104小時,系統可用率達99.99%,模板支持熱插拔,可進行無擾動切換。現場采集信號輸入和輸出用配電器隔離;

2.1.2.2系統的實時性

對現場監控信息實施實時監測,PLANTSCAPE集散控制系統采集信號參數時間從0.1秒~60秒不等,根據發酵生產工藝要求,采集參數時間為2秒,滿足實時要求;

2.1.2.3系統的安全性

系統對系統管理員、工程師、操作員有各自不同的操作權限,對一些重要的操作命令進行口令復核和操作復核,防止發生誤操作和越權操作。

2.2控制系統結構原理

DCS系統對發酵過程控制進行實時數據采集、按生產工藝要求控制參數、生成歷史曲線、生成日報表或批報表及向主干網傳輸實時數據和歷史數據。

發酵過程控制系統的構成見圖:

以太網                                               以太網

上位機由一臺服務器(兼做操作站)和一個工作站(管理員和工程師站)組成。日常的生產操作在操作員站完成,管理關鍵參數整定工作在工程師站完成。操作員站和工程師站各配置一臺打印機,可進行報表打印及數據歷史曲線打印。

控制器是HONEYWELL公司的S9000回路控制器,可并接多個控制器和連接數個擴展機箱??刂破骱頭衿骷骯ぷ髡局?、控制器和控制器之間的網絡通訊是以以太網(Ethernet)實現的,先進的以太網(Ethernet)通訊,為以后全公司計算機聯網奠定了基礎。

接口儀表如SFP-X多功能配電器有效地將供電、信號輸入、信號輸出三者實施分離,抗共模干擾能力3000V,切斷測控元件和系統回路之間有害地電耦合,將干擾抑制到最小程度,將各通道之間的干擾抑制到最小程度。

傳感器根據被測對象的內容,分為溫度傳感器、PH傳感器、壓力傳感器、DO傳感器、尾氣CO2傳感器、流量傳感器和稱重傳感器等。傳感器的參數及性能見表:

傳感器

溫度

壓力

PH

DO

尾氣CO2

流量

稱重

型號

Pt100

2400儀表

4500儀表

4500儀表

9m毛細管

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%

輸出

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

執行機構是DCS系統對現場實施控制的執行器。執行器應滿足生產過程中的各種環境要求,耐高溫、耐腐蝕、動作靈敏、不染菌等。采用北京康拓公司自行研制的不銹鋼波紋管隔膜汽動閥系列產品滿足了以上要求。

2.3系統組態

HONEYWELLPLANTSCAPE組態軟件是在Windows Nt基礎上開發的組態軟件。PLANTSCAPE 服務器維護著系統實時數據的采集,生成實時數據庫,非常方便地通過網絡來監視、控制當前生產過程,運用ExcelData Exchange 實現任意點、任意時刻數據報表生成。

2.3.1下位機系統組態

在系統組態中,對信號點定義均使用7個字母,按如下方式定義:

物理量+罐號+特征

XX +XXX + XX

如:TC301PV—301溫度檢測值

物理量的符號:TC—溫度             PA—壓力

FA—流量              PH—PH值

DO—溶氧              CO—CO2

特征:PV—檢測值           SP—設定值

AR—報警范圍          KP—比例系數

KD—微分系數          KI—積分系數

TM—最大輸出時間      HT—加熱水最大時間

2.3.1.1 大罐溫度控制組態

根據被控對象的要求,規劃設定各輸入輸出模件和控制器的類型與地址,制定組態方案。以301大罐溫度控制為例,介紹用連續控制圖(CCC)實現連續控制的組態方案。見圖1:

TC301SP

圖1:連續控制組態(CCC)的方案

在發酵過程中,微生物生長代謝大部分是產熱過程,溫度控制就是要將菌種生長過程控制在一定溫度范圍。通常情況下,發酵罐的產熱量大于散熱量,因此我們實施的控制實際上是一個降溫過程。發酵罐的體積較大,且隨著發酵過程的進行,發酵液體積也不斷增大,因此系統的慣性和滯后較大,PID調節規律是最經典的控制方法。

經典PID算法的方程式如下:

(1)

(1)式中,e(t):控制的輸入信號,一般是指輸入信號和反饋信號之差,這里指301罐溫度模擬值的輸入值。

U(t):控制的輸出信號,一般為受控對象的控制信號,這里指調節閥的閥位。

Kp:控制比例系數。

Ti:控制積分系數,這里指積分時間。

Td:控制微分系數,這里指微分時間。

將(1)式表為增量形式,即為:

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

在實際控制中,大多采用增量式PID算法,優點是:

第一,計算機只輸出增量,誤差動作影響小,執行器只進行增量動作。

第二,算式中不需要累加,增量大小只與近幾次采樣值有關。

第三,對任何故障或切換沖擊小。

HoneywellConfigration組態軟件將PID運算“??欏被?,在開發軟件過程中,調用相應“??欏奔純?。見上圖?!澳?欏比砑ID1包含了(2)式的運算過程,根據生產工藝要求,修改“??欏敝蠯p比例系數、Ki積分系數、Kd微分系數,正確完成PID1“??欏蹦諶葑樘?,即實現了完整的PID運算。PID控制除此之外還有PID2串級控制,PID3串級加連鎖控制等方式?!澳?欏盇O是“??欏盤ID1運算結果的賦值(△u(k)),AO增量的大小改變執行器的動作,實現溫度的控制??掌髁?、水流量等參數的控制與大罐的溫度控制過程一致,且執行器均為調節閥。

Honeywell Configration組態軟件連續控制圖(CCC)還實現了其他運算“??欏被?,如梯形邏輯運算、布爾運算、算術運算、常用函數計算、設定點程序、報警等。

2.3.1.2 PH控制組態

以301罐PH控制為例,介紹用梯形邏輯控制圖實現邏輯控制的方案。

發酵過程中PH值的變化決定著菌種的生產特性,準確檢測PH值,以及將PH值控制在菌種生長的最佳條件,是發酵過程中至關重要的條件。一般說來,抗生素發酵是一個產酸過程,在生產過程中往往采用加堿水或氨水的方法調節PH值。

發酵液PH值變化原因很多,主要原因是菌種自身的代謝特性。發酵罐體積較大,發酵液隨著發酵過程的進行體積也不斷增大,因此PH值也是一個大慣性、大滯后的控制對象。PH值控制的輸出是開閥時間,通過控制開閥時間長短控制加氨量或加堿量,控制算法采用帶時間比例的比例微分PD運算。

PD算法的方程式如下:

(3)

用增量形式表示如下:

△u(k)=Kpe(k) +Kd[e(k)- e(k-1)] (4)

(4)式中,e(k):第k次采樣值偏差,e(k-1)為上次偏差。

Kp:比例系數。  Kd:微分系數,這里指微分時間。

若控制敏感精度在0.1PH,討論(4)式運算,有以下幾種情況:

△u(k)  =  1,Kpe(k)+Kd[e(k)- e(k-1)]   0<e(k)<0.1PH

2,100%                      e(k)>0.1PH

3,0                          e(k)<0

4,0關斷備用閥  e(k)<0且e(k)-e(k-1)<0.1PH

把邏輯控制和PD運算控制結合起來,用流程圖形式表示如下:

補堿開車操作     入口

自動嗎?       N

控制周期到否?    N

采PH值,計算e(k)

e(k)<0且e(k)-e(k-1)<0.1PH Y 報警,關閉

e(k)>0.1PH       Y △u(k)=100%?

按公式計算△u(k)

開閥,加堿

返回

PH值控制的軟件開發是用梯形邏輯(RLL)控制圖實現的。

2.3.1.3 補料控制組態

以下介紹301罐補料控制方案。

補料控制的目的是不使菌種在發酵過程中耗盡基礎料,導致生產環境破壞,終止代謝,影響產品的質量。補料計量是采用等時間間隔一罐一罐地向發酵罐注入料液,而且每罐料液放料過程可以采用“脈沖流加”方式,即多次少量逐漸放料,直至放完本罐,進入下一個補料周期。其原理示意圖如下:

視             計算機

4L或2L計量罐      鏡

V1

V2

當補料過程工藝要求補料時,計算機發出補料指令,開始第一周期補料過程,V1閥開,V2閥閉,料液注入補料罐,當料液觸及到罐頂采樣電極時,料液注滿計量罐,(4L或2L),計算機給出指令,V1閥閉,V2閥開。為保證料液勻速注入發酵罐,放料過程采用“脈沖流加”方式,分數次開V2,直至料液放完為止,進入下一個補料周期,以次類推。計算機采集補料次數,根據計量罐地體積,計算出補料總量,并實時顯示。

補料控制過程需要幾個參數:

補料速率:每小時補料地體積,體積單位為L。

最大V1入料閥開閥時間:t1max

最大V2出料閥開閥時間:t2max

確定這幾個參數,與補料過程出現意外有關,計算機根據此參數進行報警。

2.3.2上位機組態

檢測點和控制點確定以后,進行下位機組態,過程點數據留存在PLANTSCAPE數據庫中。PLANTSCAPE服務器運行在WindowsNt網絡操作系統環境下,采用以太網(ethernet)結構、SQL數據庫、TCP/IP協議,由于使用了這些工業標準化技術,因此很容易開發一個集成的、開放的監控系統。PLANTSCAPE已有準備好的標準的組態界面,內容多樣,形式豐富,也有為用戶自己開發界面文件而設置的應用功能塊。

PLANTSCAPE系統標準顯示和功能有:

.時間匯總顯示

.操作組顯示

.報警匯總顯示

.趨勢圖顯示

.報表匯總

.操作站狀態顯示

.通訊通道狀態顯示

.控制器狀態顯示

.組態菜單

2.4 報表設計:PLANTSCAPE服務器維護著系統實時數據的采集,生成實時數據庫,非常方便地通過網絡來監控當前的生產過程,運用ExcelData Exchange來實現任意點和任意時刻數據報表的自動生成。

2.5 發酵工藝綜合分析:利用DCS監控獲得的罐上實時數據信息(如溫度、壓力、溶解氧(DO)、pH、稱重、變頻轉速、空氣流量、補料速率、尾氣氧和尾氣二氧化碳等)畫出歷史曲線,根據曲線圖觀察各參數對發酵過程的影響以及多種參數的綜合作用所出現的現象從而對發酵全過程進行深入研究,達到優化生產工藝的目的。

六、工程費用計劃及設備選型

費用或設備項目

產地或公司

數量

單位

單價

金額

計算機及控制設備

HoneyWell

2

75

150

儀器儀表

康拓

2

18

36

執行機構

康拓

METTLER

2

82

164

傳感器

康拓

METTLER

2

150

300

分析儀器和軟件

上海

2

100

設計調試集成等

2

25

50

輔材及配套改造等

62

支付工程利息

138

合    計(萬元)

1000

七、項目實施計劃

1.項目實施計劃時間表

1.1 項目進度計劃

實施步驟

目    標

完成時間

第一階段

完成二車間14個大罐和九車間10個大罐的計算機自動化控制

2001年元月—9月

第二階段

完成六車間14個大罐的計算機自動化控制,并完成整體集成

2001年10月—

2002年6月

1.2 項目培訓計劃

培訓步驟

培訓內容

參加人員

完成時間

第一步

計算機自動化控制基本原理及集散控制系統相關知識

參與項目實施的專業技術人員

2001年1-3月

第二步

系統控制知識講座,要求培訓人員懂得控制的一般性原理

參與項目實施的車間管理人員和儀表工

2001年4月

第三步

系統調試、安裝的基本要求和注意事項

參與系統安裝、調試的車間有關人員等

2001年4月—9月

第四步

系統調試運行基本要求,系統操作及日常維護的注意事項等

車間相關操作人員和儀表工等

2001年6月——2002年3月

1.3 項目投資計劃

投資期

費用項目

主要用途

金額

第一階段

二、九車間系統實施

主要用于購置計算機及控制系統、傳感器、執行機構、儀器儀表和計算機軟件等;還包括前期安裝的輔助材料和技術指導費

600萬元

第二階段

六車間

系統實施

主要用于購置計算機及控制系統、傳感器、執行機構、儀器儀表和計算機軟件等;還包括前期安裝的輔助材料和技術指導費

400萬元

2.項目實施的保證措施

2.1 組織保證

成立項目實施工作小組,由公司副總經理楊生武同志擔任組長,生產總監李水龍同志為副組長,小組成員由計算機中心、機動部、供應部和各車間相關人員組成。計算機中心主要負責方案設計、合同簽訂、計算機組態技術和控制技術的應用、系統調試等工作,機動部和車間負責現場安裝、配套設備改造、儀器儀表的調試等,供應部負責輔材的采購。

2.2 條件保證

2.2.1 資金保證:千方百計籌措資金,通過貸款和擠占自有資金相互結合的辦法來滿足項目實施的資金要求;

2.2.2人力保證:加強學習與培訓,提高項目實施人員的技能水平,為項目的成功應用提供人力保證;

2.2.3 制度保證:出臺計算機自動化控制實施及運行系列管理規定,從制度上保證項目的成功應用;

2.2.4其他條件:宣傳發動,群策群力,改變系統應用環境,竭力做好項目啟動前的各項準備工作。

2.3 協作單位

要成功應用發酵自動化控制系統,就必須有一只經驗豐富、技術實力雄厚的開發和實施隊伍。為此,我們在充分考察和論證的基礎上,擬定北京康拓生化控制工程公司作為項目的主要協作單位。北京康拓公司亦保證給予項目實施最大限度的支持,如安排最為精干的力量投入該項目,并在開發經費上作出優惠和讓步。

八、總投資估算和資金籌措

1.總投資估算

本項目利用中湘XX現有設備和水、電、汽、氣等配套公用設施,增加計算機自動控制系統所需設備。項目所需資金估算如下表:

單位:萬元

序號

項目名稱

資金估算

1

計算機及控制設備

150.00

2

儀器儀表

36.00

3

執行機構

164.00

4

傳感器

300.00

5

分析儀器及軟件

100.00

6

設計調試集成等

50.00

7

輔材及配套改造等

62.00

8

工程利息

138.00

9

合計

1000.00

2.資金籌措

2.1 資金運用計劃:

計劃運用資金總額                1000萬元

其中:2001年計劃使用            700萬元

2002年計劃使用            300萬元

2.2 資金來源計劃:

新增資金                       1000萬元

其中:自籌                      300萬元

銀行貸款                      700萬元

2.3 貸款償還計劃:

2004年償還700萬元本金及其相應利息。

九、經濟、社會效益評價

1.財務成本分析

1.1產品生產成本分析:紅霉素罐批材料消耗預計平均下降5%,DCS實施前后,紅霉素產品成本可比較如下:

項目

DCS實施前

DCS實施后

差額

產品產量

(6000+12000+5000)×12=276000十億

(6000+12000+5000)×1.08×12=298080十億

22080十億

原材料成本

37000000.00

35150000.00

-1850000.00

動力成本

46199640.00

46199640.00

0.00

人工成本

4901760.00

4901760.00

0.00

制造費用

9600000.00

10392000.00

792000.00

產品總成本

97701400.00

96643400.00

-1058000.00

產品單位成本

353.99

324.22

-29.77

從上表中看,本項目實施后,由于紅霉素發酵技術水平的提高,使產品產量增加8%,產量增加22080十億/年,罐批原材料消耗節約185.00萬元/年,新增設備所增加的折舊費用為79.20萬元/年,年節約成本總額105.80萬元,單位產品成本下降29.77元/十億。

1.2銷售、稅金及利潤分析

項目

DCS實施前

DCS實施后

差額

產品銷售量

276000.00

298080.00

22080.00

銷售單價

427.35

427.35

0

銷售收入

117948717.95

127384615.38

9435897.44

銷售成本

97701400.00

96643400.00

-1058000.00

銷售稅金

707692.31

764307.69

56615.38

利潤總額

19539625.64

29976907.69

10437282.05

所得稅

6448076.46

9892379.54

3444303.08

凈利潤

13091549.18

20084528.15

6992978.97

稅金

7784615.38

8407384.62

622769.23

增值稅

7076923.08

7643076.92

566153.85

城建稅

495384.62

535015.38

39630.77

教育費附加

212307.69

229292.31

16984.62

從上表中看,DCS項目實施后年產品銷售收入增加943萬元,利潤總額增加1044萬元,稅金增加62萬元,利稅總額增加1106萬元。

2.財務分析:

項目總投資1000萬元,項目完成后年新增銷售收入943萬元,年新增利潤1044萬元,年新增利稅1106萬元。

A、投資回期

投資總額

稅前投資回收期= ————————=0.96

年稅前利潤

投資總額

稅后投資回收期= ————————=1.43

年稅后利潤

B、投資利潤率:

年稅前利潤

稅前投資利潤率= ————————  ×100% =104.40%

投資總額

年稅后利潤

稅后投資利潤率= ————————  ×100% =69.90%

投資總額

C、投資利稅率:

年利稅總額

投資利稅率= ————————  ×100% =110.60%

投資總額

3.社會效益分析

3.1 通過DCS系統的實施,引入高新技術,可加快公司科學技術進步的步伐,這對于公司著力開展的科技興企戰略是非常有利的。

3.2 以DCS系統的應用為契機,可培養和鍛煉我公司的技術骨干,造就一支專業能力突出、善打硬戰的信息化隊伍。

3.3自動化控制技術(DCS)應用后,可提高生產工藝技術水平和設備裝備水平,并降低產品生產成本??晌ひ輾治魷低車腦誦械於ɑ?,并有力地推動公司各產品技術攻關工作的向前發展,從而帶來企業整體競爭能力的全面提高。

3.4 實施DCS系統,使發酵生產嚴格按照規范的工藝流程進行,既達到了穩定生產的目的,又可提高產品質量。

3.5 實施紅霉素發酵自動化控制,對國內眾多的紅霉素原料藥生產廠家將起到良好的示范作用。這對中國的醫藥工業加入WTO后承受國際市場的沖擊,早日趕超世界領先水平將起到十分積極的影響。

十、可行性研究結論及建議

綜上所述,中湘XX發酵自動化控制(DCS)系統在技術上是完全可行的,實施條件也非常成熟,經預測可獲得十分顯著的直接經濟效益和良好的社會效益。建議盡快啟動該項目的各項實施工作,以期推動企業生產經營業績的迅速增長。

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