連續(xù)逆流超聲提取控制系統(tǒng)的設計背景

       隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，生物制品在日常生活中扮演著越來越重要的角色，從食品、保健品、化妝品等日常用品，到醫(yī)用藥物。相應的生物提取技術也成為生物制品研發(fā)過程中重要的研究議題之一。國內外對植物等生物中有效成分的提取方式主要是間歇式提取工藝，這種工藝主要以罐裝置為主，由于物料并不移動，只是溶劑做定向流動，從而使原料和溶劑不能相互充分接觸，造成傳質阻力較大，導致含有效成分的提取液濃度在整個過程中無法形成理想的梯度。目前隨著研究的深入，根據(jù)化學工藝領域中逆流吸收的原理，出現(xiàn)了一種連續(xù)動態(tài)逆流提取的生產工藝。其原理是先將物料放置到預浸艙體中進行侵泡，等到物料軟化后通過擠壓器進行擠壓、揉搓和混合，最后導入到逆流提取裝置中對物料進行提取。由于連續(xù)逆流提取過程中的各工藝需要協(xié)調工作，而設備之間的工藝關系復雜，對操作條件的要求也較為嚴格，使得在整個工藝流程控制方面對自動化水平要求較高，一般的簡單控制系統(tǒng)難以勝任。國內外現(xiàn)有的系統(tǒng)控制模式普遍局限在現(xiàn)場層和控制層，相應的有效生產數(shù)據(jù)只是存儲在本地計算機數(shù)據(jù)庫中，不能實時送達信息到管理層，供管理層進行生產綜合決策和調度。     

       為了提高生產效率和管理水平，使企業(yè)實現(xiàn)生物提取過程管控結合的綜合自動化，本文針對連續(xù)逆流超聲提取工藝，基于西門子 PCS7，從控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)、網(wǎng)絡配置、CFC 程序設計以及 WinCC 組態(tài)等方面進行了深入研究，并提出了模糊串級控制和比值控制策略。經(jīng)過測試表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，易操作性和容錯性強，在生產的過程中有效的克服了干擾和時滯，提高了提取效率，是一個能夠適應生產環(huán)境不確定性和市場需求變化的高效率、高靈活性的生產經(jīng)營系統(tǒng)。

       隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，生活品質成了人們的追求目標，因此生命和健康這一話題也引起了極大的關注。“白芷，長肌膚潤澤，可作面脂。”這是中國古代醫(yī)學名著《神農本草經(jīng)》中對植物等天然制品在美容護膚功能上的解釋。經(jīng)過幾千年的發(fā)展，植物等純天然生物的作用已經(jīng)不僅僅應用于醫(yī)藥領域，生物制品也不只是藥物，更是發(fā)展到滲透到不同行業(yè)和人們生活的各個方面，包括藥品、化妝品、食物添加劑、染料、殺蟲劑等產品，這些行業(yè)的發(fā)展和生物技術的應用，為生物產品的開發(fā)和利用邁出了最重要的一步。目前從中草藥等植物中提取相應的有效成分研發(fā)藥品、保健品等產品已經(jīng)成為了生物制品這一領域中最為卓越的一支，在現(xiàn)代醫(yī)學生活理念的影響下，擁有相應治療和保養(yǎng)功能的生物提取物產品很受歡迎。因此生物提取技術已經(jīng)成為發(fā)展生物制品過程中最重要的研究議題之一。

傳統(tǒng)生物提取工藝包括有機溶劑溶解法、熱水浸泡法、系統(tǒng)溶劑溶解法等這些方法不需要特殊的儀器，應用較為普遍，但存在著產品安全性低、耗時長、提取率低，不能滿足現(xiàn)代自動化批量生產的要求等缺點。因此采用新的提取手段并結合計算機技術，控制策略和通信技術組成自動化生產系統(tǒng)已經(jīng)成了發(fā)展生物制品的迫切要求。

      連續(xù)逆流超聲提取裝置是科技發(fā)展的產物，它將超聲提取和連續(xù)逆流提取融為一體，在超聲波的作用下極大的縮短了植物中有效成分的提取時間，保證了在連續(xù)的工作情況下逆流提取工藝的良好運行，提高了提取效率，節(jié)省了溶劑的用量，有效的降低了提取溫度，降低能耗，在保證生產工藝安全穩(wěn)定運行的同時，避免了殘渣對環(huán)境的污染，是一套高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的生物制品生產加工設備。在采用連續(xù)逆流超聲提取技術同時，構建基于該裝置的自動化系統(tǒng)顯得尤為重要。通過對連續(xù)逆流超聲提取構建自控系統(tǒng)，可以對生物制品生產實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，達到增加產量、提高質量、降低消耗、確保安全等目的。由于有效成分在提取的過程中，對提取環(huán)境以及工藝參數(shù)要求極為嚴格，因此采用采用先進的控制理論并結合計算機控制技術對溫度、壓力、流量等參數(shù)進行精準的控制可以提高有效成分在生產設備的提取效率。自動化系統(tǒng)的構建，一方面通過其精準的控制滿足了提取過程中的嚴格工藝要求，提高了生產效率及產量，并且節(jié)約了人工成本。另一方面系統(tǒng)通過對生產現(xiàn)場的監(jiān)控，獲取生產狀態(tài)，可以對信息進行整合，并通過通訊手段將信息傳送給管理決策者，便于管理者的生產決策極大地提高了企業(yè)管理效率，規(guī)避了

由于產量定位不準造成的損失。

       本文通過分析連續(xù)逆流超聲提取工藝，針對單螺旋提取艙體溫度、物料與溶劑加入量的配比設計了模糊串級控制策略與比值控制策略，通過采用 PCS7系統(tǒng)協(xié)調連續(xù)逆流提取過程中的各個設備之間的配合，保證穩(wěn)定的溶劑溫度，合理的物料與溶劑配比，提高生產效率和產品質量，進而實現(xiàn)植物連續(xù)逆流提取過程的管理和控制。

       隨著科技水平的提高和計算機技術的變革，解放勞動力成為了人們的迫切希望，因此自動化技術得到了飛速發(fā)展。自動化設備的應用能夠使從業(yè)人員避開沉重的體力性勞動、部分腦力勞動、以及復雜危險的現(xiàn)場工況，并且能夠提升產品生產效率，改善人們對自認科學的認識和創(chuàng)造生活的能力。自動控制技術與植物提取工藝的組合是科技發(fā)展的趨勢，通過采用自動控制技術能夠極大的降低植物提取的時間，進而改善工藝設備的利用率與產品產量；自動化技術的應用也可以降低由于個人原因造成的失誤，提高生產質量；節(jié)約了人工成本，提高了物料和能源等利用率，極大的促進了植物提取的產業(yè)化。植物提取智能系統(tǒng)的研發(fā)已有了巨大的進展，相當多的自動化系統(tǒng)正在藥廠或化工廠的生產過程中扮演關鍵角色。

      哈爾濱制藥總廠與哈爾濱工業(yè)大學合作設計綜合自動化提取設備，并為設備搭建了管控結合的生產機制，該設備選擇常用的 DCS 系統(tǒng)結構，該結構的特征是分散控制，集中管理。整個工藝需要 300 多個 I/O 點，同時采用 10 個分布式 I/O 模塊(ET200M)作為子站，對不同的階段進行控制。工程師站與操作員站之間、主控制器與站點之間都采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊，現(xiàn)場設備與控制器之間進行數(shù)據(jù)傳輸則通PROFIBUS 現(xiàn)場總線，通過網(wǎng)絡的搭建進而實現(xiàn)了對整個生產線的控制與數(shù)據(jù)管理。