冷冻干燥过程计算机监控系统

1 引言?
  冷冻干燥是将含水物质先冻结成固态，然后使其中水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。由于这种干燥方法具有许多优点，因此在生物制品、药品的保存等方面具有重要的意义和广阔的应用前景。?
  冻干过程的原理是以水的三相平衡图为基础的，如图1—1所示。纯水的三相平衡压力P0＝610.5Pa，温度T0＝0.0098℃。当压力低于P0时，水就从固态直接转化为气态 ，冻干的基本原理就是AB线上的汽固转化过程。真空冷冻干燥过程一般分为预冻结、升华干燥、解析干燥3个阶段。冷冻干燥在冷冻干燥设备(简称冻干机)中实现。冻干机的结构形式多种多样，但一般包含冻干仓、制冷系统、真空系统、加热系统、水汽凝结器(也称冷阱)、自动加塞系统 、自动清洗系统、控制系统等几个部分。
                  

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2 系统分析与硬件设计?
2.1 冷冻干燥过程对控制系统的要求?
  控制系统要求采用手动和自动两种方式实现对6m2冻干仓的冻干机进行整个冻干过程及自动加塞、自动清洗的控制。具体要求是：(1)能够将冻干曲线数值存储在磁盘中，并能在计算机屏幕上进行实时显示和历史数据显示，且支持即时打印。这些曲线包括：A：物料温度曲线；B：板层温度曲线；C：水汽凝结器曲线；D：真空度曲线；(2)控制系统的测量误差：温度±1.0℃，真空度±10Pa，产品最终含水量±1%；(3)该系统能根据不同的产品设定或修改药品冻干曲线，在冻干过程中通过调节加热板的温度、供热量、箱体真空度 、水汽凝结器的温度使物料跟踪设定曲线；(4)对水汽凝结器的温度进行设定，通过控制制冷机能量调节器来跟踪设定温度；(5)对箱体内真空度能够设定，并通过微动阀来调节所要求的真空度；(6)故障报警及处理，包括真空机组启动压力，冻干过程中真空度超过设定值的报警和有关数据显示；(7)药品的自动加塞：在药品和生物制品出箱前进行自动加塞密封处理，保证产品的洁净和冷冻状态，提高冻干制品的质量；(8)前后批量生产之间的消毒：为了防止交叉污染，在两批量生产之间进行在位自动消毒，要求达到GMP标准。?
2.2 监控系统的总体方案?
  监控系统的设计目标是在保证冻干过程高效可靠运行的前提下，兼顾操作的方便性和构成的经济性。可靠性需要控制系统同时提供手动控制和自动控制两种方式，方便性体现控制流程的简单明确和人机交互界面的简洁友好。所以，整套系统采用集中控制方式，如图2—1所示。?
                    


2.3 监控系统的硬件构成?
  冷冻干燥过程需要检测的参数主要是温度和压力，其中温度又分为高温和低温，因此该监控系统采用如下几种传感器：热电偶、热电阻、数字式电阻真空计。上位机选用一般商用PC机，在监控系统中上位机不直接与现场设备及仪表打交道，而是通过串行通信端口 ，使用RS－232C协议与下位机进行通信连接，因此普通商用机的可靠性足以满足系统要求。下位机选用三菱公司PLC的FX2N－48MR型。其输出直接控制执行机构，如电动阀、汽动蝶阀等，起到可编程继电器的作用。PLC的输入由计算机控制，以实现手动、自动两种方式控制。监控系统的其它设备和器件有：(1)控制柜，包括手动按钮开关、冻干过程状态指示灯、现场设备的运行状态指示灯等；(2)动力柜，包括控制电机与手动阀门启停的按钮开关和继电器组成的控制柜；(3)打印机，完成数据报表等的实时打印与历史数据的打印；(4)执行机构，包括各种电机、电动阀和气动蝶阀等。所有执行机构均具有相应的手动开关 ，当控制系统出现故障时，可用手动方式单独开、关任何一个阀门或电机；(5)补偿导线，用于热电偶的冷端补偿。?
3 监控软件的编制?
3.1 软件设计方案?
  监控系统要完成的工作可分为：(1)数据实时采集、处理、显示、存储；(2)冻干过程各阶段的运行状态、各阀门的开关状态(包括少数电磁阀的正反转状态)及报警信号指示，所有信号由控制柜的面板指标灯显示；(3)冻干工艺参数传送与紧急情况处理时有关命令传送。(4)自动操作中控制器的算法处理与手动操作时按钮命令发送。?
  为了提高软件的重用性和易扩展性，该监控软件采用面向对象的方法实现。一些实时性较高的运算与处理则在下位机中实现，以使上位机软件的实现更加灵活和易于维护。上、下位机监控软件所要完成的任务如下图3—1所示：
               

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3.2 上位机软件设计?
  该监控软件采用VB6.0开发，监控软件的构成如图3—2所示：对于该软件而言，数据库主要有数据记录表、参数给定表、用户信息表等形式，采用VB自带的数据管理器Access建立数据库，结构简单，容易实现。操作数据库，可将数据控件和数据绑定控件结合使用 ，则不需要编写任何代码便可实现数据的浏览和更改。为了实现实时通信，采用标准RS—232C协议，使用MSCOMM控件编程，并采用事件驱动的方法从端口获取数据。监控软件中其它功能：如数据文件的读写、帮助文件的制作、打印功能等都能方便地通过VB6.0实现。
            


            


3.3 下位机软件设计?
  在冻干机监控系统中上位机与下位机是通过串行通信联系在一起的，串行通信的可靠性十分重要，需要设计周密的通信协议。本文采用数据包的形式进行通信，发送接收信息都以包为单位，每个数据由起始标志字、包数据总长度、命令号、数据内容和检验码组成 。
  在通信过程中上位机始终处于主动状态，下位机始终处于被动状态。由此原则设计的命令码主要有下列3种：?
  0号命令：完成上位机与下位机的通信握手；?
  1号命令：读取下位机内存中的数据；?
  2号命令：将一定长度的数据写到指定的下位机内存中去。?
  实践证明采用数据包形式的通信方法，提高了通信的可靠性，有效的防止了通信时可能由生产现场各种干扰信号引起的误码。?
4 冻干过程控制策略?
4.1 冻干机加热系统控制?
  加热系统不但是整个真空冷冻干燥过程的关键部分，也是控制的主要部分。本文采用间接加热方式，加热系统的核心设备是热交换器。温度控制系统的要求是：在工艺限制范围内，保证物品质量前提条件下，使升华最快。具体要求：一是保障水汽从物料中逸出的自由面积最大；二是为向升华区供热提供最佳的条件。为此，采用极值温度法控制供能，其方法分为3个阶段：第一时间段为固定供能加热段，第二时间段为递减供能段，第三时间段为解析干燥段。?
  在系统设计中，被控变量的选取至关重要，依据被控参数的选择原则，结合冷冻干燥系统的具体特点可以发现，虽然最终所要控制的参数是被冻干物品的温度，但此变量可变性强、测量误差大等缺点，特别是由于水分升华从表面开始，造成物品不同部位具有不同的温度，给选择合适的温度测量点带来了困难。而大量实验表明：在冻干仓蒸汽压力一定的情况下，搁板的温度变化与被加热物品的温度变化存在一定的关系，而且搁板的温度容易测量、滞后小、比较稳定。所以，综合各种因素，选取搁板水管道中间位置的温度作为被控变量。操作变量选为热交换器蒸汽阀门的开度。?
  此外，因为给定是分段线性函数，各个线性段的切换需要判断和控制，所以控制回路不能按照简单定值系统或随动系统进行设计，而物料温度是最终决定产品质量的参数，这个变量具有重要意义，却未包含在控制回路中，基于这些考虑，采用图4—1所示的控制回路。在此控制回路中，具有由物料温度给定的温度变化范围及相应的控制器构成了副回路 ，由于物料温度与搁板温度(被控变量)之间是非线性关系，难以建立适合于控制的数学模型 ，对于这类难以得到数学模型的被控对象，应用模糊控制方法能达到一定的预期效果。所以采用模糊控制器实现副回路的控制。主控回路采用PID调节。?
            


4.2 模糊控制在副回路中的应用?
  在副回路中，采用Zadeh提出的近似推理中的假言推理方法，其推理规则为：
? 大前提A→B
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上述推理过程可理解为一个模糊变换器，当输入一个模糊子集Ai，经过模糊变换器(A→B)时，输出

。图4—2为本文模糊控制器构成框图。
              

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图中：?
  S—系统的设定值，?
  e，ec—偏差与偏差变化率，?
  E，EC—经模糊量化处理后，偏差与偏差变化率变成的模糊量，?
  U—经模糊推理得到控制的模糊量，?
  u—U经模糊判决得到模糊控制器输出的精确量去控制被控对象。?
  输入变量e的基本论域取为［－10℃，10℃］，偏差变化率ec的基本论域取为［－5，5］，量化论域都取为｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝，则量化因子分别为ke＝6／10，kec＝6／5，语言取值为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，输出控制量u的基本论域取为［－12，12］，量化论域取为｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝，则量化因子ku＝6／12＝1／2。控制量的语言值同样取为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。所有语言变量对应于它的量化论域的隶属函数均取为图4—3所示形状。?
               


  根据温度控制性能指标，构成模糊控制规律形如：IF E＝NS AND CE＝ZE THEN U＝NS，…归纳总结所有控制规律可得控制规律表如表4—1所示：?
  根据控制规律，利用下式可算出总的模糊关系，
            

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  选取输入数据的各种可能情况，用式(4—2)进行计算可得到模糊控制器的模糊控制表。
4.3 真空系统与制冷系统的控制?
  真空系统由真空泵、真空阀、真空计及其它元件按一定的要求组合而成。在本文讨论的冻干机中，使用两个直联旋片式真空泵组成泵组对冻干仓进行抽真空，目的是为了增加可靠性，这个泵组是真空系统的主要控制对象。两级真空泵均配置了相应的手动控制柜，系统中控制器可按PI调节进行设计。?
  由于冻干过程中对水冷凝器的温度要求一般是恒定的，所以制冷系统的控制较为简单，这里不再赘述。?
4.4 自动加塞、消毒系统的控制?
  液压加塞系统位于干燥箱顶部，主要由电动机、油泵、单向阀、溢流阀、电磁阀、油箱 、油缸及管道等组成。冻干结束，液压加塞系统开始工作，在真空条件下，使上层搁板缓缓向下移动完成制品瓶加塞任务。蒸气消毒系统由纯蒸汽发生器、管道、阀门、干燥箱和水汽捕集器等组成。采用0.11MPa、121℃的蒸汽，通过保温保压至规定时间进行消毒。本文液压加塞系统和蒸气消毒系统均由PLC控制，通过PLC控制电机及阀门完成整个工艺过程。
               

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5 结果和结论?
  图5—1是该系统的现场运行结果。结果表明，该冻干机监控系统的软硬件方案是行之有效的，达到了预定的要求。
            



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［1］王小光.ZDC-40冷冻干燥机加热系统的优化控制［J］.真空与低温，1998，4(4)：227－229??
［2］周永安.冷冻干燥机的控制方法［J］.真空与低温,1998，4(3)：179－180??
［3］李友善，李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用［M］.国防工业出版社，1993.
［4］金以慧.过程控制［M］.北京：清华大学出版社，1992?

有道理，确实不错！！