基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF技術(shù)在二級(jí)種子罐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一．概述

　　東北制藥總廠生產(chǎn)的 Vc 一直是我國(guó)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(guó)家創(chuàng)造了巨額外匯，為遼寧的經(jīng)濟(jì)騰飛做出了貢獻(xiàn)，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(guó)維生素 C 產(chǎn)業(yè)發(fā)展嚴(yán)重受阻，企業(yè)的生存受到威脅。為擺脫困境，重振企業(yè)， 東北制藥總廠采用 Vc 二步發(fā)酵轉(zhuǎn)化技術(shù)對(duì)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(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)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(diào)節(jié)菌種的生理狀態(tài)、數(shù)量及比例。操作難度加大，對(duì)工作人員的自身素質(zhì)和責(zé)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(wěn)高效地運(yùn)行。為此，我們采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)二級(jí)種子罐的控制系統(tǒng)進(jìn)行試點(diǎn)改造，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量和 PH 值等參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和優(yōu)化控制，該系統(tǒng)改造成功后，可推廣應(yīng)用到其它的種子罐和發(fā)酵罐，從而提高整個(gè) VC 生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。 　　
　　對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，鑒于本項(xiàng)目需要對(duì)溫度、壓力、流量和 PH 值等參數(shù)進(jìn)行精確的自動(dòng)檢測(cè)和優(yōu)化控制，有一定的復(fù)雜性，常規(guī)的儀表難以勝任，而采用基于工業(yè) PC 的 PC-Based 系統(tǒng)，其安全可靠性難以保障， DCS 系統(tǒng)卻因其價(jià)格昂貴， 不利于應(yīng)用在中小型系統(tǒng)上，PLC 系統(tǒng) 具有結(jié)構(gòu)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(cè)或控制點(diǎn)都需要一對(duì)信號(hào)線接入相應(yīng) PLC 控制模塊，系統(tǒng)布線較多，安裝及維護(hù)成本較高，而選擇 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 （Foundation Fieldbus，簡(jiǎn)稱 FF ） 系統(tǒng)，則能較好的解決上述問(wèn)題。

　　FF 現(xiàn)場(chǎng)總線是儀表及過(guò)程控制領(lǐng)域向數(shù)字化通訊的轉(zhuǎn)變， 與其他的通訊協(xié)議不同之處在于： FF 現(xiàn)場(chǎng)總線旨在提供整個(gè)過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用解決方案，而不僅僅是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化，是一種全數(shù)字化、串行、雙向的通訊系統(tǒng)，將各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器、控制器等）連接在一起， 通過(guò)使用 “ 功能塊（ Function Block ） ” 實(shí)現(xiàn)控制策略。


　　功能塊的這種一致的、面向“塊”的設(shè)計(jì)使得來(lái)自不同生產(chǎn)廠商的設(shè)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(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中）可以減少 I/O 設(shè)備、控制設(shè)備的數(shù)量（例如，卡件、機(jī)柜、電源等）。FF 現(xiàn)場(chǎng)總線允許在一條雙絞線上連接若干設(shè)備， 這條 雙絞 線就是現(xiàn)場(chǎng)總線。這種連接方式減少了連線的數(shù)量， 使得使用的線纜、安全柵、安裝盒數(shù)量大大減少， 易于安裝和維護(hù)，使施工費(fèi)用、電纜費(fèi)用、調(diào)試和維修成本節(jié)省 40% 之多 。 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)增加了數(shù)據(jù)的分辨率，減少失真（沒(méi)有 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換），這樣就使控制更加可靠。帶微處理器的 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備所提供的自測(cè)試功能和通信功能大大減少了現(xiàn)場(chǎng)停車(chē)時(shí)間，增加生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的安全性，一旦監(jiān)測(cè)到異常情況，或者需要進(jìn)行于預(yù)防性維護(hù)，現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)總線所帶來(lái)的好處歸結(jié)起來(lái)，為我們提供了一種更高性能、更少損失的控制系統(tǒng)。反應(yīng)容器自動(dòng)控制 系統(tǒng) 選型時(shí)，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線 作為高檔系統(tǒng)配置，不失為一種優(yōu)秀的解決方案。

　　DCS/PLC于FCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較：

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

　　FCS是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)。它 將控制任務(wù)下放至本地儀表，危險(xiǎn)徹底分散，加強(qiáng)系統(tǒng)的自主能力；儀表與控制系統(tǒng)間通過(guò)總線，采用一對(duì)多的方式，實(shí)現(xiàn)雙向的、全數(shù)字信號(hào)通訊。 FCS 具有對(duì)量程和零點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定和超強(qiáng)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(diào)節(jié)菌種的生理狀態(tài)、數(shù)量及比例。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)二級(jí)種子罐罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)壓力、壓縮空氣通氣量的調(diào)節(jié)，為菌種提供適宜的生化反應(yīng)環(huán)境，提高反應(yīng)效率，減低物耗與能耗，降低生產(chǎn)成本。

　　我們?cè)谶x用的二級(jí)種子罐上，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和對(duì)三個(gè)控制回路的控制，實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)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(xù)檢測(cè)，在此基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)種子罐的生化反應(yīng)過(guò)程的最優(yōu)控制，同時(shí)結(jié)合我們開(kāi)發(fā)的 FF 全分布式控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)二級(jí)種子罐的計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)控，為整個(gè) VC 車(chē)間的自動(dòng)控制系統(tǒng)提供解決方案。