抗生素工程可行性研究報告

抗生素發(fā)酵生產自動化控制（DCS）工程可行性研究報告抗生素發(fā)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 11 項目名稱：抗生素發(fā)酵生產自動化控制（DCS）工程 12 項目承擔單位：岳陽中湘XX藥業(yè)集團有限公司 13 項目負責人：楊生武 14 項目起止時間：2001年元月2002年6月 15 項目主管部門：湖南省信息產業(yè)廳 16 項目簡要內容及實施目標：利用計算機集散控制技術實現(xiàn)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(fā)酵體積）的發(fā)酵自動化控制。 2企業(yè)概況 21 企業(yè)簡介 211 企業(yè)名稱：岳陽中湘XX藥業(yè)集團有限公司 212 法定代表人：羅永清 213 所有制性質：國有獨資 214 隸屬關系：中國醫(yī)藥集團總公司下屬中國醫(yī)藥工業(yè)公司的全資子公司 215 企業(yè)地址：湖南省岳陽市九華山一號 216 電話：07308320411 217 郵政編碼：414000 22 人員情況 221 職工總數(shù)：2053人 222 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 223 計算機、自控及相關專業(yè)人數(shù)：28人 23 企業(yè)資產信用狀況 231 資產總額： 42386 萬元 232 固定資產原值： 29248 萬元 233 固定資產凈值： 22368 萬元 234 流動資產： 17405 萬元 235 負債總額： 31726 萬元 236 流動負債： 12584 萬元 237 所有者權益總額：10659 萬元 238 收入總額： 25628 萬元 239 主要營業(yè)收入： 25628 萬元 2310 稅后利潤總額： 1605 萬元 2311 銀行借款總額： 19628 萬元 2312 銀行信用等級： A級 2313 稅務局情況記錄：納稅先進單位 24 企業(yè)生產經(jīng)營情況岳陽中湘XX藥業(yè)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(yī)藥企業(yè)，現(xiàn)有六條抗生素原料生產線（其發(fā)酵規(guī)模名列全國同行業(yè)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(yè)總產值 43557 萬元，銷售收入 22794 萬元，上交利稅 1463 萬元，實現(xiàn)利潤 1129 萬元；2000年完成工業(yè)總產值 49821 萬元，銷售收入 24848 萬元，上交利稅 1554 萬元，實現(xiàn)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(yè)化規(guī)劃。二、項目開發(fā)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(wǎng)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(xiàn)得尤為突出。1996至1998年，企業(yè)連續(xù)三年虧損，生產經(jīng)營舉步維艱。1999年，公司決策層實施戰(zhàn)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(fā)展思路，并通過實施兼并重組、技術創(chuàng)新、設備改造、健全營銷網(wǎng)絡等諸多強有力措施，一舉扭轉了生產經(jīng)營的被動局面，當年實現(xiàn)了扭虧為盈的目標。但日趨激烈的市場競爭態(tài)勢迫使我們必須更加冷靜地面對現(xiàn)實，中國加入世界貿易組織既給我們帶來了發(fā)展的機遇，又使我們面臨著更大的挑戰(zhàn)。2000年，國內市場上隨著系列紅霉素衍生物的不斷開發(fā)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(zhàn)已經(jīng)打響；國際市場方面則表現(xiàn)為歐洲發(fā)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(chuàng)新的步伐，努力降低產品制造成本，全面增強企業(yè)的競爭能力，才能在如此激烈的市場競爭環(huán)境下站穩(wěn)腳跟，并據(jù)此獲得出口的先機。眾所周知，利用信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)已在我國開展了十幾年的科學實踐，自動化控制技術在醫(yī)藥、化工等領域的研究與應用出現(xiàn)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(fā)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(fā)酵生產，改造傳統(tǒng)生產工藝過程，提高紅霉素發(fā)酵生產水平”的技術創(chuàng)新思路。2000年，湖南省電子信息系統(tǒng)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(fā)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(yè)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21項目的工作原理抗生素發(fā)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。抗生素發(fā)酵計算機控制就是通過對菌種的環(huán)境條件要求和代謝變化規(guī)律各參數(shù)的變化進行測量，結合代謝調控的基礎理論來有效地控制發(fā)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(fā)酵產品。22 國內外應用情況國外的工業(yè)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(yī)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(fā)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(yī)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(tǒng)醫(yī)藥產業(yè)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(fā)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(fā)酵具有周期長、中間補料多、控制復雜等特點，對紅霉素發(fā)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(fā)前與投入使用后，企業(yè)在生產、經(jīng)營、質量、技術與管理等方面的變化及成效紅霉素發(fā)酵自動化控制項目投入正常使用后，企業(yè)可望取得非常顯著的生產經(jīng)營成效，具體可表現(xiàn)為以下幾個方面：31生產方面適時的參數(shù)檢測和控制將使發(fā)酵生產更加穩(wěn)定，生產產量由此可得到大幅度的提高。32管理方面數(shù)據(jù)記錄：真實可靠，實時記錄，避免了過去人工記錄數(shù)據(jù)的隨意性和錯誤；工作監(jiān)督：從記錄的數(shù)據(jù)可以隨時檢查生產的正常與否，可增強工人的責任心，協(xié)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(tǒng)是一個復雜的輔助生產系統(tǒng)，對操作和維護管理人員素質要求較高，圍繞自控系統(tǒng)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(wǎng)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。33技術方面補料自控：補料自控改變了傳統(tǒng)的補料方式。傳統(tǒng)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(huán)境產生巨大沖擊，影響發(fā)酵水平；自控補料則是根據(jù)設定好的補料速度，連續(xù)均勻少量地補加營養(yǎng)物質，由于連續(xù)補料對微生物生產環(huán)境沖擊減少，從而達到提高發(fā)酵水平的目的。消沫自控：在發(fā)酵期間，有時微生物生長旺盛，產生大量泡沫，抬高了發(fā)酵液液位，可能會出現(xiàn)逃液現(xiàn)象。傳統(tǒng)手工控制時，常常不能及時發(fā)現(xiàn)泡沫的產生，即便發(fā)現(xiàn)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(xù)補加消沫劑，直到消除泡沫為止。優(yōu)化工藝：對發(fā)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(shù)據(jù)，這為優(yōu)化生產工藝的研究和工藝改變提供了極大的幫助。發(fā)酵過程中以往傳統(tǒng)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(jù)的靜態(tài)操作方法，這種控制忽略了發(fā)酵過程中的動態(tài)變化及其與其他發(fā)酵過程參數(shù)的關系，在生產控制過程中有較大的局限性。以動態(tài)生產實時數(shù)據(jù)為基礎，我們可進行發(fā)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(fā)酵工程學的觀點，來控制發(fā)酵過程。自動化控制技術和發(fā)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(xiàn)過程數(shù)據(jù)優(yōu)化成為現(xiàn)實，通過不斷的工藝優(yōu)化，可使紅霉素發(fā)酵水平發(fā)生巨大的變化，發(fā)酵生產得到質的飛躍。34質量方面發(fā)酵液的組分與提煉收率和產品質量有著極為密切的聯(lián)系，通過自控技術的引用，可大大改善發(fā)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。35經(jīng)營方面紅霉素產品產量和質量的提高，為生產經(jīng)營創(chuàng)造了良好的內部環(huán)境，有利于營銷戰(zhàn)線掌握市場營銷工作的主動，我們可通過優(yōu)異的產品質量和相對較低的市場價格贏得市場的優(yōu)勢，從而可望帶來嶄新的營銷工作新局面。三、協(xié)作單位的選定理由 1協(xié)作單位的概況及其優(yōu)勢分析比較 11 協(xié)作單位概況協(xié)作單位北京康拓生化控制工程公司（即國家醫(yī)藥管理局控制工程中心）成立于1993年7月，隸屬國家醫(yī)藥管理局，是一家依托航天工業(yè)部502研究所，實行企業(yè)化管理的研究開發(fā)事業(yè)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(fā)和工程能力強的技術隊伍，主要從事制藥行業(yè)自動化控制技術的研究與開發(fā)應用?，F(xiàn)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(yè)的科技骨干。幾年來，康拓公司的系統(tǒng)和產品已經(jīng)成功地推廣應用到幾十家制藥行業(yè)的十多個品種，經(jīng)濟效益顯著，帶動了整個行業(yè)生產水平的提高。12 協(xié)作單位優(yōu)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(yōu)勢： 技術力量雄厚，有國家醫(yī)藥管理局和航天部502研究所作堅強的后盾； 專業(yè)性強，專門從事醫(yī)藥抗生素發(fā)酵領域的研究與開發(fā)； 工控產品質量過硬，康拓先后研制開發(fā)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(tǒng)及抗腐蝕、耐高溫控制閥門等一系列優(yōu)秀的工控產品； 實施能力強，多年來在抗生素發(fā)酵領域積累了大量的實施經(jīng)驗，并有許多成功的范例。2與國內外同類系統(tǒng)或產品在性能、價格、服務等方面的比較XX發(fā)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(tǒng)，現(xiàn)場執(zhí)行機構大多選用性能優(yōu)越的國外產品或康拓公司自制產品，系統(tǒng)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(tǒng)（如橫河XLDCS控制系統(tǒng)，西門子控制系統(tǒng)，歐陸控制系統(tǒng)）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(tǒng)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(xiàn)場服務，并能夠及時供應各種系統(tǒng)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(fā)酵規(guī)模較大的三個紅霉素車間實現(xiàn)計算機自動化控制，主要內容包括：二車間14個大罐385T發(fā)酵體積；六車間14個大罐780T發(fā)酵體積；九車間10個大罐330T發(fā)酵體積；共計1495T發(fā)酵體積實現(xiàn)計算機自動化控制及與之配套的發(fā)酵工藝綜合分析系統(tǒng)。主要技術參數(shù)有：11檢測參數(shù)：發(fā)酵溫度、罐壓力、空氣流量、PH值、溶解氧、空氣流量、發(fā)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(tǒng)的參數(shù)檢測；12控制參數(shù)：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21 功能目標211對抗生素發(fā)酵生產過程實現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)控，保證車間生產連續(xù)、穩(wěn)定、安全、高效運行；212滿足生產工藝要求，具有現(xiàn)場操作、參數(shù)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；213具有網(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)庫接口，可實現(xiàn)信息共享。22 性能目標221系統(tǒng)的可靠性：由于控制器I/O端口與現(xiàn)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(tǒng)的平均無故障時間應大于30000小時。222系統(tǒng)的實時性：對現(xiàn)場監(jiān)控信息實施實時監(jiān)測，系統(tǒng)采集信號時間必須滿足發(fā)酵生產工藝要求，既采集參數(shù)時間為2秒的實時要求。223系統(tǒng)的安全性：系統(tǒng)必須對系統(tǒng)管理員、工程師和操作員設置不同的操作權限，要防止發(fā)生誤操作和越權操作。23 效益目標發(fā)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(tǒng)結構的發(fā)展一個控制系統(tǒng)由I/O設備（傳感器和執(zhí)行器）、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成。設備級現(xiàn)場總線使I/O模件和控制箱得以分開，以太網(wǎng)使得現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)集成到企業(yè)應用中。 1.1早期的集中式控制系統(tǒng)80年代初期，控制系統(tǒng)多使用以單板機組成的微機控制裝置，與上位機系統(tǒng)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(tǒng)多為集中式控制系統(tǒng)或分層控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為我國自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，其開拓性的實踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎。但是，這類系統(tǒng)技術上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開放的發(fā)展趨勢。 1.2 DCS控制系統(tǒng) DCS在我國控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)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(yè)信息系統(tǒng)層。這種結構除在第3層、第4層之間采用以太網(wǎng)外，其他都是專用網(wǎng)絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護及升級帶來不便。 DCS在設備配置上還要求網(wǎng)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(tǒng)等部分，不是一個控制系統(tǒng)。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(tǒng)結構來看，傳統(tǒng)的PLC相當于通用化的微機監(jiān)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(zhàn)，PLC家族在以下幾方面得到了發(fā)展：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(xiàn)場總線網(wǎng)絡（如DeviceNet，Profibus等），使PLC向下連接更分布；廠級控制系統(tǒng)連接方面，許多PLC支持高速網(wǎng)絡，如Ethernet ，ControlNet，Profibus等；軟件的開放性方面，由于許多PLC支持OPC標準（object linking and embedding for process control），使軟、硬件平臺之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個實現(xiàn)的標準。這種部分開放加上部分專用所構成的系統(tǒng)可能還會延續(xù)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(yōu)勢，但可靠性、電氣性能卻不如DCS。 1.4 FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS（fieldbus control system）顧名思義基于現(xiàn)場總線，根據(jù)IEC標準及現(xiàn)場總線基金會的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)應具有以下技術特點：系統(tǒng)的開放性；互可操作性與可用性；現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性；系統(tǒng)結構的高度分散性；對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。 由于有以上技術要求，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是開放系統(tǒng)的主要支撐力量。由于受集團利益的限制，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡本身目前還未形成一個單一的標準。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現(xiàn)場的傳感器及執(zhí)行設備的支持，以取代DCS的數(shù)字/模擬混合技術，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比DCS有很大的技術及成本優(yōu)勢，但現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)近幾年內難以實現(xiàn)。針對上述所作比較，結合公司DCS第一期工程的經(jīng)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(xiàn)場總線技術。2. 用DCS技術實現(xiàn)發(fā)酵過程監(jiān)控方案設計本工程將對我公司抗生素發(fā)酵規(guī)模較大的三個車間實現(xiàn)發(fā)酵計算機自動化控制。主要內容：包括六車間14個大罐780T發(fā)酵體積、二車間 14個大罐385T發(fā)酵體積和九車間10個大罐330T發(fā)酵體積共計1495T發(fā)酵體積實現(xiàn)計算機自動化控制（DCS）及與之配套的發(fā)酵工藝綜合分析系統(tǒng)。2.1需求分析要求以系統(tǒng)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(tǒng)方案的設計原則。2.1.1功能目標2.1.1.1對抗生素發(fā)酵生產過程實現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)控，保證車間生產連續(xù)、穩(wěn)定、安全、高效運行；2.1.1.2滿足生產工藝要求，具有現(xiàn)場操作和參數(shù)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(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)庫接口，可實現(xiàn)信息共享。2.1.2性能目標2.1.2.1系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)選用美國HONEYWELL公司生產的PLANTSCAPE集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很強的可靠性、安全性，同時還具有易擴展等特點，在發(fā)酵控制領域應用較為廣泛，由于控制器I/O口與現(xiàn)場直接相連，因此對可靠性的要求尤為重要，該系統(tǒng)平均無故障時間不小于3104小時，系統(tǒng)可用率達99.99%，模板支持熱插拔，可進行無擾動切換?，F(xiàn)場采集信號輸入和輸出用配電器隔離；2.1.2.2系統(tǒng)的實時性對現(xiàn)場監(jiān)控信息實施實時監(jiān)測，PLANTSCAPE集散控制系統(tǒng)采集信號參數(shù)時間從0.1秒60秒不等，根據(jù)發(fā)酵生產工藝要求，采集參數(shù)時間為2秒，滿足實時要求；2.1.2.3系統(tǒng)的安全性系統(tǒng)對系統(tǒng)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(fā)生誤操作和越權操作。2.2控制系統(tǒng)結構原理DCS系統(tǒng)對發(fā)酵過程控制進行實時數(shù)據(jù)采集、按生產工藝要求控制參數(shù)、生成歷史曲線、生成日報表或批報表及向主干網(wǎng)傳輸實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。發(fā)酵過程控制系統(tǒng)的構成見圖：21”顯示器打印機15”顯示器工作站(工程師站)服務器(操作員站)打印機 以太網(wǎng) 以太網(wǎng)控制機柜(擴展箱)控制機柜(控制器1)現(xiàn)場執(zhí)行機構現(xiàn)場變送器接口儀表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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)個擴展機箱?？刂破骱头掌骷肮ぷ髡局g、控制器和控制器之間的網(wǎng)絡通訊是以以太網(wǎng)（Ethernet）實現(xiàn)的，先進的以太網(wǎng)（Ethernet）通訊，為以后全公司計算機聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)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(jù)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(shù)及性能見表：傳感器溫度壓力PHDO尾氣CO2流量稱重型號Pt1002400儀表4500儀表4500儀表9m毛細管量程0-150/2000-0.25/0.7Mpa0-14PH0-100%0-100%待定待定精度0.30.3%0.01Mpa0.1%0.1%1.0%0.2%輸出4-20mA4-20mA4-20mA4-20mA4-20mA4-20mA4-20mA工位公用工程公用工程大罐大罐大罐大罐大罐執(zhí)行機構是DCS系統(tǒng)對現(xiàn)場實施控制的執(zhí)行器。執(zhí)行器應滿足生產過程中的各種環(huán)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(tǒng)組態(tài)HONEYWELL PLANTSCAPE組態(tài)軟件是在Windows Nt基礎上開發(fā)的組態(tài)軟件。PLANTSCAPE 服務器維護著系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的采集，生成實時數(shù)據(jù)庫，非常方便地通過網(wǎng)絡來監(jiān)視、控制當前生產過程，運用Excel Data Exchange 實現(xiàn)任意點、任意時刻數(shù)據(jù)報表生成。2.3.1下位機系統(tǒng)組態(tài)在系統(tǒng)組態(tài)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：TC301PV301溫度檢測值物理量的符號：TC溫度 PA壓力 FA流量 PHPH值 DO溶氧 COCO2特征：PV檢測值 SP設定值 AR報警范圍 KP比例系數(shù) KD微分系數(shù) KI積分系數(shù) 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(tài)根據(jù)被控對象的要求，規(guī)劃設定各輸入輸出模件和控制器的類型與地址，制定組態(tài)方案。以301大罐溫度控制為例，介紹用連續(xù)控制圖（CCC）實現(xiàn)連續(xù)控制的組態(tài)方案。見圖1：UAI 1Add0PID 2RSP AL1* AL2* TC301SPAO 3Add32圖1：連續(xù)控制組態(tài)（CCC）的方案在發(fā)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(fā)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(fā)酵罐的體積較大，且隨著發(fā)酵過程的進行，發(fā)酵液體積也不斷增大，因此系統(tǒng)的慣性和滯后較大，PID調節(jié)規(guī)律是最經(jīng)典的控制方法。經(jīng)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(jié)閥的閥位。Kp：控制比例系數(shù)。Ti：控制積分系數(shù)，這里指積分時間。Td：控制微分系數(shù)，這里指微分時間。將（1）式表為增量形式，即為： u(k)=Kpe(k)-e(k-1)+Kie(k)+kde(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(yōu)點是：第一，計算機只輸出增量，誤差動作影響小，執(zhí)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。Honeywell Configration組態(tài)軟件將PID運算“模塊”化處理，在開發(fā)軟件過程中，調用相應“模塊”即可。見上圖?！澳K”軟件PID1包含了（2）式的運算過程，根據(jù)生產工藝要求，修改“模塊”中Kp比例系數(shù)、Ki積分系數(shù)、Kd微分系數(shù)，正確完成PID1“模塊”內容組態(tài)，即實現(xiàn)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K”AO是“模塊”PID1運算結果的賦值（u(k)），AO增量的大小改變執(zhí)行器的動作，實現(xiàn)溫度的控制?？諝饬髁?、水流量等參數(shù)的控制與大罐的溫度控制過程一致，且執(zhí)行器均為調節(jié)閥。Honeywell Configration組態(tài)軟件連續(xù)控制圖（CCC）還實現(xiàn)了其他運算“模塊”化，如梯形邏輯運算、布爾運算、算術運算、常用函數(shù)計算、設定點程序、報警等。2.3.1.2 PH控制組態(tài)以301罐PH控制為例，介紹用梯形邏輯控制圖實現(xiàn)邏輯控制的方案。發(fā)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(fā)酵過程中至關重要的條件。一般說來，抗生素發(fā)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(jié)PH值。發(fā)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(fā)酵罐體積較大，發(fā)酵液隨著發(fā)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) +Kde(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(shù)。 Kd：微分系數(shù)，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) +Kde(k)- e(k-1) 0e(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 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(fā)是用梯形邏輯（RLL）控制圖實現(xiàn)的。2.3.1.3 補料控制組態(tài)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(fā)酵過程中耗盡基礎料，導致生產環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)酵罐，放料過程采用“脈沖流加”方式，分數(shù)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(shù)，根據(jù)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(shù)：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(shù)，與補料過程出現(xiàn)意外有關，計算機根據(jù)此參數(shù)進行報警。2.3.2上位機組態(tài)檢測點和控制點確定以后，進行下位機組態(tài)，過程點數(shù)據(jù)留存在PLANTSCAPE數(shù)據(jù)庫中。PLANTSCAPE服務器運行在Windows Nt網(wǎng)絡操作系統(tǒng)環(huán)境下，采用以太網(wǎng)（ethernet）結構、SQL數(shù)據(jù)庫、TCP/IP協(xié)議，由于使用了這些工業(yè)標準化技術，因此很容易開發(fā)一個集成的、開放的監(jiān)控系統(tǒng)。PLANTSCAPE已有準備好的標準的組態(tài)界面，內容多樣，形式豐富，也有為用戶自己開發(fā)界面文件而設置的應用功能塊。PLANTSCAPE系統(tǒng)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(tài)顯示.通訊通道狀態(tài)顯示.控制器狀態(tài)顯示.組態(tài)菜單2.4 報表設計：PLANTSCAPE服務器維護著系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的采集，生成實時數(shù)據(jù)庫，非常方便地通過網(wǎng)絡來監(jiān)控當前的生產過程，運用Excel Data Exchange來實現(xiàn)任意點和任意時刻數(shù)據(jù)報表的自動生成。2.5 發(fā)酵工藝綜合分析：利用DCS監(jiān)控獲得的罐上實時數(shù)據(jù)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(jù)曲線圖觀察各參數(shù)對發(fā)酵過程的影響以及多種參數(shù)的綜合作用所出現(xiàn)的現(xiàn)象從而對發(fā)酵全過程進行深入研究，達到優(yōu)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(shù)量單位單價金額計算機及控制設備HoneyWell2套75150儀器儀表康拓2套1836執(zhí)行機構康拓METTLER2套82164傳感器康拓METTLER2套150300分析儀器和軟件上海2套100設計調試集成等2套2550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 11 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12 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(tǒng)相關知識參與項目實施的專業(yè)技術人員2001年1-3月第二步系統(tǒng)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(tǒng)調試、安裝的基本要求和注意事項參與系統(tǒng)安裝、調試的車間有關人員等2001年4月9月第四步系統(tǒng)調試運行基本要求，系統(tǒng)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13 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(tǒng)實施主要用于購置計算機及控制系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)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(tǒng)實施主要用于購置計算機及控制系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)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21 組織保證成立項目實施工作小組，由公司副總經(jīng)理楊生武同志擔任組長，生產總監(jiān)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(tài)技術和控制技術的應用、系統(tǒng)調試等工作，機動部和車間負責現(xiàn)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。22 條件保證221 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；222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；223 制度保證：出臺計算機自動化控制實施及運行系列管理規(guī)定，從制度上保證項目的成功應用；224其他條件：宣傳發(fā)動，群策群力，改變系統(tǒng)應用環(huán)境，竭力做好項目啟動前的各項準備工作。23 協(xié)作單位要成功應用發(fā)酵自動化控制系統(tǒng)，就必須有一只經(jīng)驗豐富、技術實力雄厚的開發(fā)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(xié)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(fā)經(jīng)費上作出優(yōu)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(xiàn)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(tǒng)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150.002儀器儀表36.003執(zhí)行機構164.004傳感器300.005分析儀器及軟件100.006設計調試集成等50.007輔材及配套改造等62.008工程利息138.009合計1000.002資金籌措21 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22 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23 貸款償還計劃：2004年償還700萬元本金及其相應利息。九、經(jīng)濟、社會效益評價1財務成本分析11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）1.0812=298080十億22080十億原材料成本37000000.0035150000.00-1850000.00動力成本46199640.0046199640.000.00人工成本4901760.