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。其某一无菌抗生素提炼精制包装车间，生产现场既是防爆区又是医药生产洁净区，因此根据生产工艺和生产线设备分布特点，设计使用了以防爆式远程I/O ET200iSP构成控制系统，完成了无菌抗生素晶体的从过滤、洗涤、干燥到分装包装全流程的自动化控制。完全符合制药生产GMP要求，具有现场布线简洁，方便清洁无死角，防爆等级高，控制元件可以实现本安带电检修等特点，非常适合在无菌制药生产过程推广。
项目介绍
本项目包括有四台过滤、洗涤、干燥三合一大型机组，由每两台机组组成一条生产线。生产线具体组成见图1所示。生产线的设备组成按生产流程顺序依次是：罐式三合一干燥器，全排料管道，排料料仓，振荡筛，称量分装装置等组成。
图1：三合一生产线的设备组成
生产线的生产工艺简介如下：
1）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抗生素待处理结晶液，达到一定体积量后关闭进料阀。
2）通入惰性气体加压，通过底部的大型金属过滤板实现抗生素结晶液的固液分离。
3） 抗生素结晶液固液分离后进行喷淋洗涤。
4） 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，否则会使抗生素的降解失效。在加热干燥的同时进行系统抽真空操作，使溶媒快速蒸发。
5） 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。
6） 自动排料程序：在排料口通入惰性气体，同时在料仓侧抽真空，然后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，然后喷吹惰性气体，将底层物料全部吹至料仓。
7）物料进入料仓后进行料位检测，并分批下装至计量仓，通过称量控制阀门进行分装。至此完成抗生素的无菌过滤，洗涤，干燥，分装过程。
生产系统控制特点分析
三合一生产系统工序流程长，监控点数多，动作复杂，既有大量开关量联锁、顺序控制，又有大量模拟量回路调节；同时生产全过程既是洁净生产环境，又是易燃易爆危险环境，既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求。控制系统可以实现完全的自动化操作控制，系统组成复杂，控制系统涉及的功能多样，可以完成的功能有：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，还有易燃易爆危险区内的信息显示与操作，信号包括流量、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，以及机械位置、压力开关、流量开关、料位、安全保护等开关量。
此生产线的生产现场特殊，要求很高：
1） 医药洁净区，（万级区～百级区），制药管理规范GMP要求现场越简洁越好，便于清洁，免除清洁死角
2） 是防爆区，为Zone1区，含有多种有机溶媒。
3） 全自动化生产线分布很长，很散，跨越几个隔离间， GMP要求现场管线越少越好
4） 机组本身控制点分布特点是：分布区域大，但每个区域内信号点集中，适合I/O分布式信号处理。
5） 生产操作复杂，需要人工干预生产阶段的结束和开始，操作信息非常多，同时机械安全操作要求必须在现场操作设备，不得远程控制，因此现场必须设置大信息量的防爆、洁净操作界面。
这些控制特点和要求，因此非常适合采用西门子防爆远程I/O方案解决以上问题。因此，按照生产线功能流程和仪表信号的位置分布可以将系统划分为6个功能部分，分别见图1中所示各位置功能单元：
1） 三合一罐体上部
2） 三合一罐体下部底盘开合操作区
3） 信息显示与操作单元
4） 料仓区
5） 振荡筛部分
6） 自动称量、分装单元
7） 控制室控制柜
控制系统构成：
控制系统采用西门子SIMATIC S7300 PLC作为主控器，采用PROFIBUS-DP作为控制、通讯网络，现场按照控制点的区域位置分布设置西门子防爆式远程I/O模块 ET200iSP，现场采用防爆操作屏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图如下：
图2：三合一生产线控制系统结构图
控制系统的特点：
1） 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。
2） 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、压力变送器，这些自控设备全部为本安防爆型，信号通过现场本安防爆远程I/O模块 ET200iSP进行汇总处理，弱电控制部分均为本质安全回路，安全等级达到Ex ia IIC T6。所以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，减少设备故障检修时间。
3） 现场I/O模块设置在RITTAL增安型仪表箱中，布线简洁，与传统点对点防爆控制系统现场布线方式相比，省却了大量电缆保护管，有效保证了现场环境的简洁易于清洁，减少死角，充分符合制药GMP规范。
4） 信号采集采用1.5M的通讯速率，速度极快。控制系统包括大量开关量、模拟量的逻辑联锁、顺序控制、混合控制，实时安全。
5） 实现在防爆现场的复杂操作控制。利用全集成自动化的优势，采用智能防爆型BARTEC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，省却复杂的现场布线和庞大的隔爆操作盘。
6） 模拟量的回路自控。可以进行温度的调节、物位的调节、仓体压力的调节、搅拌转速的调节、扭矩的调节、精确分装重量的调节、搅拌升降位置设定，SIMATIC控制系统可以达到很高的控制精度。
7） 系统采用防爆远程I/O单元式结构，因此实现了单元分步骤调试，调试任务清晰，加快了系统投运速度。
在无菌抗生素生产线控制系统中，本安防爆远程I/O模块 ET200iSP的使用，完全适合了无菌制药环境要求，安全防爆，布线简洁，易于清洁，完美实现了各项功能。控制系统通过PROFIBUS-DP现场总线将模拟、数字控制，传动控制，安全防爆操作显示，过程信息管理等诸多功能很方便的统一在一起，减少了故障点，提高了系统整体性能，为用户创造了价值。
【作者】卞家宏，男，硕士学位，高级工程师，国家注册自动化系统工程师；主要研究方向为过程控制系统设计及自动化仪表的工程技术应用。
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