抗生素發(fā)酵生產(chǎn)自動化可行性方案研究報告

1、抗生素發(fā)酵生產(chǎn)自動化控制(DCS工程可行性研究報告抗生素發(fā)酵生產(chǎn)自動化控制(DCS)工程可行性研究報告一、概述1 .工程概況1.1工程名稱：抗生素發(fā)酵生產(chǎn)自動化控制(DCS工程1 . 2工程承當(dāng)單位：中湘XX藥業(yè)集團1 . 3工程負責(zé)人：xx1 .4工程起止時間：2001年元月一2002年6月1 .5工程主管部門：省信息產(chǎn)業(yè)廳1 .6工程簡要容及實施目標(biāo)：利用計算機集散控制技術(shù)實現(xiàn)公司主要抗生素生產(chǎn)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2 .1企業(yè)簡介2 .1.1企業(yè)名稱：中湘X藥業(yè)集團2 .1. 2法定代表人：xx2 .1. 3所有制性質(zhì)：國有獨資

2、2 .1. 4隸屬關(guān)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2 .1 . 5企業(yè)地址：省市xx山號2 .1. 6 : 0730 8XX04112 .1. 7郵政編碼：4140002 .2人員情況2 .2. 1職工總數(shù)：2053人2 .2. 2工程技術(shù)人員：605人其中高級職稱：11人 中級職稱：175人 初級職稱：419人2 .2. 3計算機、自控及相關(guān)專業(yè)人數(shù)：28人2 .3企業(yè)資產(chǎn)信用狀況2 .3. 1資產(chǎn)總額：42386萬元2 .3. 2固定資產(chǎn)原值：29248萬元2 .3. 3固定資產(chǎn)凈值：22368萬元2 .3. 4流動資產(chǎn)：17405萬元2 .3. 5負債總額：31

3、726萬元2 .3. 6流動負債：12584萬元2 .3. 7所有者權(quán)益總額：10659萬元2 .3. 8收入總額：25628萬元2 .3. 9主要營業(yè)收入：25628 萬兀2 .3. 10稅后利潤總額：1605萬兀2 .3. 11銀行借款總額：19628萬元2 . 3. 12銀行信用等級：A級2 . 3. 13稅務(wù)局情況記錄：納稅先進單位2 . 4企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營情況中湘XX藥業(yè)集團是以生產(chǎn)抗生素原料藥為主，同時生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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

4、完成工業(yè)總產(chǎn)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(chǎn)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(quán)，產(chǎn)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(shù)產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃。二、工程開發(fā)的必要性1 .工程提出的背景中湘XX勺前身為市制藥一廠，多年來一直主要生產(chǎn)紅霉素、螺旋霉 素等抗生素原料系列產(chǎn)品。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一、融資渠道不暢、設(shè)備裝 備水平較低、營銷網(wǎng)絡(luò)不夠健全、信息收集手段落后等多方面因素的影 響，中湘XX的整體競爭能力比擬差

5、，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(chǎn)經(jīng)營舉步維艱。1999年,公司決策層實施戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整，提出原料藥、制劑藥和中成藥三分天下、 齊頭并進的開展思路，并通過實施兼并重組、技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備改造、健 全營銷網(wǎng)絡(luò)等諸多強有力措施，一舉扭轉(zhuǎn)了生產(chǎn)經(jīng)營的被動局面，當(dāng)年 實現(xiàn)了扭虧為盈的目標(biāo)。但日趨劇烈的市場競爭態(tài)勢迫使我們必須更加 冷靜地面對現(xiàn)實，中國參加世界貿(mào)易組織既給我們帶來了開展的機遇， 又使我們面臨著更大的挑戰(zhàn)。2000年，國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(yīng)地得到了增長，但紅 霉素原料藥的生產(chǎn)廠家也在不斷地增多，

6、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；國際市場方面那么表現(xiàn)為歐 洲興旺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(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。作為紅霉素老牌生產(chǎn)廠家，我們惟有 進一步加快技術(shù)創(chuàng)新的步伐，努力降低產(chǎn)品制造本錢，全面增強企業(yè)的 競爭能力，才能在如此劇烈的市場競爭環(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(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)已在我國開展了十幾年的科學(xué)實踐，自動化控制技術(shù)在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的研究與應(yīng)用出現(xiàn)了大量 成功的例。雖然紅霉素具有生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)過程復(fù)雜、控制難度大等 特點，但我們?nèi)匀粚?yīng)用和研究“紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)自動化控制抱

7、有信 心。在反復(fù)考察論證的根底上，我們提出了 “應(yīng)用計算機自動化技術(shù)控 制發(fā)酵生產(chǎn)，改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝過程，提高紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)水平的技 術(shù)創(chuàng)新思路。2000年，省電子信息系統(tǒng)推廣應(yīng)用工作小組辦公室下達了?關(guān)于申 報2001年電子信息應(yīng)用貸款工程的通知?，我們決定將“抗生素發(fā)酵自 動化控制DCS工程作為國家倍增方案貸款貼息工程進行申報，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. 國外同類工程的應(yīng)用情況2. 1工程的工作原理抗生素發(fā)酵工藝生產(chǎn)過程是生物、化學(xué)和工程等學(xué)科的理論和技術(shù) 的綜合利用，其機理十分復(fù)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

8、變化規(guī)律各參數(shù)的變化進 行測量，結(jié)合代謝調(diào)控的根底理論來有效地控制發(fā)酵，使菌種的代謝變 化沿著最正確的方向進行，以較低的能量和物料消耗生產(chǎn)更多的發(fā)酵產(chǎn) 品。2. 2國外應(yīng)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(chǎn)領(lǐng)域有著很高的計算機控制水平，但為了追求巨額 利潤，興旺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(chǎn)大國，但生產(chǎn)技術(shù)水平落后，以手工操作方式 為主，生產(chǎn)效益低。直到八十年代中期，原國家醫(yī)藥局和國務(wù)院電振辦 才把用先進的電子信息技術(shù)、控制技術(shù)改造傳統(tǒng)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)列為“八 五、“九五期間的工作重點。目前，計算機控制技術(shù)在

9、青霉素、土 霉素、金霉素等產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)過程中取得了較大的突破，技術(shù)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(fù)雜 等特點，對紅霉素發(fā)酵進行自動化控制的研究和應(yīng)用工作一直沒有重大 進展。3. 該工程開發(fā)前與投入使用后，企業(yè)在生產(chǎn)、經(jīng)營、質(zhì)量、技術(shù) 與管理等方面的變化及成效紅霉素發(fā)酵自動化控制工程投入正常使用后，企業(yè)可望取得非常顯著的生產(chǎn)經(jīng)營成效，具體可表現(xiàn)為以下幾個方面：3. 1生產(chǎn)方面適時的參數(shù)檢測和控制將使發(fā)酵生產(chǎn)更加穩(wěn)定，生產(chǎn)產(chǎn)量由此可得到大幅度的提高。3. 2管理方面數(shù)據(jù)記錄：真實可靠，實時記錄，防止了過去人工記錄數(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

10、隨時檢查生產(chǎn)的正常與否，可增強 工人的責(zé)任心，協(xié)助車間管理人員開展生產(chǎn)的督察工作；職工培訓(xùn)：自動化控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，對操作 和維護管理人員素質(zhì)要求較高，圍繞自控系統(tǒng)開展的各項培訓(xùn)工作可提 咼職工的技能水平；決策調(diào)度：公司領(lǐng)導(dǎo)和生產(chǎn)調(diào)度等各級管理人員通過網(wǎng)絡(luò)可實時 查詢生產(chǎn)信息，增強了生產(chǎn)決策和生產(chǎn)調(diào)度的科學(xué)性和合理性。3. 3技術(shù)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(chǎn)生 巨大沖擊，影響發(fā)酵水平；自控補料那么是根據(jù)設(shè)定好的補料速度，連續(xù) 均勻少量地補加營養(yǎng)物質(zhì)，由于連續(xù)補料對微生物生產(chǎn)環(huán)境沖擊減

11、少， 從而到達提高發(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(chǎn)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(chǎn)生，即便發(fā)現(xiàn)泡沫也難以參加適量的消沫劑控制逃 液。而消沫自控那么能馬上檢測到泡沫的產(chǎn)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(chǎn)進行自動化控制，可由此得到大量實時準(zhǔn) 確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這為優(yōu)化生產(chǎn)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(xué)為根底，采用最正確 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(guān)系， 在生產(chǎn)控制

12、過程中有較大的局限 性。以動態(tài)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)為根底，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(xué)的觀點，來控制發(fā)酵過程。自動化控制技術(shù)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(chǎn)得到質(zhì)的飛躍。3. 4質(zhì)量方面發(fā)酵液的組分與提煉收率和產(chǎn)品質(zhì)量有著極為密切的聯(lián)系，通過自控技術(shù)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(zhì)相應(yīng)降低，從而使提 煉出來的產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升。3. 5經(jīng)營方面紅霉素產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高，為生產(chǎn)

13、經(jīng)營創(chuàng)造了良好的部環(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(chǎn)品 質(zhì)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)勢分析比擬1. 1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(shù)力量和靈活的市場機制，建立了一支人員素質(zhì)高、新技術(shù)開發(fā) 和工程能力強的技術(shù)隊伍，主要從事制藥行業(yè)自動化控制技術(shù)的研究與 開發(fā)應(yīng)用?，F(xiàn)有員工30多名，其中研究

14、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(guān)專業(yè)的科技骨干。幾年來，康拓公司的 系統(tǒng)和產(chǎn)品已經(jīng)成功地推廣應(yīng)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(chǎn)水平的提高。1. 2協(xié)作單位優(yōu)勢分析與其他從事自控技術(shù)研究的單位相比，康拓公司具有以下優(yōu)勢：技術(shù)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；2專業(yè)性強，專門從事醫(yī)藥抗生素發(fā)酵領(lǐng)域的研究與開發(fā)；工控產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)品；實施能力強，多年來在抗生素發(fā)酵領(lǐng)域積累了大量的實施經(jīng)驗

15、， 并有許多成功的例。2. 與國外同類系統(tǒng)或產(chǎn)品在性能、價格、效勞等方面的比擬XX發(fā)酵生產(chǎn)自動化控制DCS工程主要采用美國Honeywell公司最 新生產(chǎn)PlantScape集散控制系統(tǒng)，現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)大多項選擇用性能優(yōu)越的國 外產(chǎn)品或康拓公司自制產(chǎn)品，系統(tǒng)平均無故障時間不小于30000小時， 可用率到達99.99%,與國外其他系統(tǒng)如橫河 XLDC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(shù)水平位居世界領(lǐng)先行列。此外，在系統(tǒng)維護方 面，康拓公司能夠保證提供24小時的支持效勞和48小時的現(xiàn)場效勞，并 能夠及時供給各種系統(tǒng)維修配件。四、工程的

16、容及目標(biāo)1 .工程的主要容本工程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(shù)參數(shù)有：1.1檢測參數(shù)：發(fā)酵溫度、罐壓力、空氣流量、PH直、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；1. 2控制參數(shù)：溫度控制、PH空制、補料控制、消沫控制、空氣流 量控制等。2. 工程的目標(biāo)2. 1功能目標(biāo)2. 1. 1對抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過程實現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)

17、控，保證車間生 產(chǎn)連續(xù)、穩(wěn)定、平安、高效運行；2. 1. 2滿足生產(chǎn)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；2. 1. 3具有網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫接口，可實現(xiàn)信息共享。2. 2性能目標(biāo)2. 2. 1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(yīng)大 于 30000小 時。2. 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，系統(tǒng)采集 信號時間必須滿足發(fā)酵生產(chǎn)工藝要求，既采集參數(shù)時間為2秒的實時要 求。2. 2. 3系統(tǒng)的平安性：系統(tǒng)必須對系統(tǒng)管理員、工程師和操作員 設(shè)置不

18、同的操作權(quán)限，要防止發(fā)生誤操作和越權(quán)操作。2. 3效益目標(biāo)發(fā)酵水平提高10%單罐消耗下降5%產(chǎn)量提高8刎上。五、工程的技術(shù)可行性1.我國測控領(lǐng)域控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開展一個控制系統(tǒng)由I/O設(shè)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(shè)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(yīng)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(gòu)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

19、要作用，其開拓性的實踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的根底。但是，這類系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控 制系統(tǒng)分布、開放的開展趨勢。1.2 DCS控制系統(tǒng)DC莊我國控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的DC主要有4層結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)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(luò)，控制設(shè)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。DC莊設(shè)備配置上還要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計上的高要求，導(dǎo)致DC本錢太高。1.3 PLC可編程邏輯控制器嚴格說來，單獨的PLC因

20、缺少人機接口及信息系統(tǒng)等局部，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(lǐng)著很大的市場 份額。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)的PL(相|當(dāng)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勺挑戰(zhàn)，PLC家族 在以下幾方面得到了開展：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(luò)(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(luò)，如Ethernet , ControlNet , Profib

21、us等；軟件的開放性方面，由于 許多 PLC支持 OP(標(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)。這 種局部開放加上局部專用所構(gòu)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(shè)備和電路，與DCS目比，雖有本錢上的優(yōu) 勢，但可靠性、電氣性能卻不如DCS1.4 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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備和自動化 系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)

22、。現(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)具有 以下技術(shù)特點：系統(tǒng)的開放性；互可操作性與可用性；現(xiàn)場設(shè)備 的智能化與功能自治性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；對現(xiàn)場環(huán)境的適 應(yīng)性。由于有以上技術(shù)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(luò)本身目前還未形成一個單 一的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設(shè)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(shè)備的支持， 以取代DCS勺數(shù)字/模 擬混合技術(shù)，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比 DCST很大的技術(shù) 及本錢優(yōu)勢，但現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)近幾年難以實現(xiàn)。針對上述所作比擬，結(jié)合公司 DC壽一期工程的經(jīng)驗得失，我們決 定本期工程實

23、施仍然以DC技術(shù)為主體，兼顧現(xiàn)場總線技術(shù)。2.用DCS技術(shù)實現(xiàn)發(fā)酵過程監(jiān)控方案設(shè)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、平安性、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(shè)計原那么。功能目標(biāo)對抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過程實現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)控，保證車間生 產(chǎn)連續(xù)、穩(wěn)定、平安、高效運行；滿足生產(chǎn)工藝要求，具有現(xiàn)場操作和參數(shù)

24、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；具有網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫接口，可實現(xiàn)信息共享。性能目標(biāo)2.121系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)選用美國HONEYWE公司生產(chǎn)的PLANTSCA集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很強的可靠性、平安性，同時還具有易擴展等特點，在發(fā)酵控 制領(lǐng)域應(yīng)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3X 104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；系統(tǒng)的實時性對現(xiàn)場監(jiān)控信息實施實時監(jiān)測，PLANTSCAPE散控制系統(tǒng)采集信號 參數(shù)時

25、間從0.1秒60秒不等，根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)工藝要求，采集參數(shù)時間 為2秒，滿足實時要求；2.123系統(tǒng)的平安性系統(tǒng)對系統(tǒng)管理員、工程師、操作員有各自不同的操作權(quán)限，對一 些重要的操作命令進行口令復(fù)核和操作復(fù)核，防止發(fā)生誤操作和越權(quán)操作。2.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(gòu)成見圖：以太網(wǎng)以太網(wǎng)上位機由一臺效勞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(chǎn)操作在操作員站完成，管理關(guān)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

26、行報表 打印及數(shù)據(jù)歷史曲線打印?？刂破魇荋ONEYWE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?？刂破骱托谄骷肮ぷ髡局g、控制器和控制器之 間的網(wǎng)絡(luò)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)奠定了根底。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 出三者實施別離，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)被測對象的容，分為溫度傳感器、PH傳感器、壓力傳感器、DO傳感器、尾氣CO傳感器、流量傳感器和稱重傳

27、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CO流量稱重型號Pt1002400儀表4500儀表4500 儀表9m毛細管量程0-150/200C0-0.25/0.7Mpa0-14PH0-100%0-100%待定待定精度 0.3 C 0.3% 0.01Mpa 0.1% 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(gòu)是DCS系統(tǒng)對現(xiàn)場實施控制的執(zhí)行器。執(zhí)行器應(yīng)滿足生產(chǎn)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

28、動閥系列產(chǎn)品滿足了以 上要求。2.3系統(tǒng)組態(tài)HONEYWELL PLANTS組態(tài)歆件是在 Windows Nt根底上開發(fā)的組態(tài)軟件。PLANTSCAP效勞器維護著系統(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(luò)來監(jiān)視、控制當(dāng)前生產(chǎn)過程，運用Excel DataExcha nge實現(xiàn)任意點、任意時刻數(shù)據(jù)報表生成。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：TC301P 301溫度檢測值物理量的符號：TC溫度PA壓力FADO流量溶氧PHCOPHCO特征：P檢測值SP設(shè)定值A(chǔ)R報警圍KP比例系數(shù)KD微分系數(shù)KI積分系

29、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(shè)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：TC301SP圖1:連續(xù)控制組態(tài)CCC的方案在發(fā)酵過程中，微生物生長代謝大局部是產(chǎn)熱過程，溫度控制就是 要將菌種生長過程控制在一定溫度圍。通常情況下，發(fā)酵罐的產(chǎn)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(diào)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：11

30、式中，et:控制的輸入信號，一般是指輸入信號和反應(yīng)信 號之差，這里指301罐溫度模擬值的輸入值。Ut:控制的輸出信號，一般為受控對象的控制信號，這里指調(diào)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)二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(guān)。第三，對任何故障或切換沖擊小。Honeywel

31、l 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(diào)用相應(yīng)“模塊即可。見上圖。“模塊軟件PID1包含了( 2)式的運算過程，根據(jù)生產(chǎn)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 A(是“模塊 PID1運算結(jié)果的賦值(厶 u(k)，AO曽量的大小改變執(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(diào)節(jié) 閥。Honeywell Configration組態(tài)軟件連

32、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(shù)運算、常用函數(shù) 計算、設(shè)定點程序、報警等。231.2 PH控制組態(tài)以301罐PH空制為例，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直的變化決定著菌種的生產(chǎn)特性，準(zhǔn)確檢測 PH直，以 及將PH直控制在菌種生長的最正確條件，是發(fā)酵過程中至關(guān)重要的條件。 一般說來，抗生素發(fā)酵是一個產(chǎn)酸過程，在生產(chǎn)過程中往往采用加堿水 或氨水的方法調(diào)節(jié)PH!。發(fā)酵液PH直變化原因很多，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!也是一個大慣性、大滯后的控制對象。PH!控制的輸出

33、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卩危算。PD算法的方程式如下：(3)用增量形式表示如下： u(k)二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。假設(shè)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,0e(k)04, 0 關(guān)斷備用閥 e(k)0 且e(k)-e(k-1)0.1PH把邏輯控制和P危算控制結(jié)合起來，用流程圖形式表

34、示如下：補堿開車操作入口N自動嗎？N控制周期到否？采PH直，計算e(k)Ye(k)0且 e(k)-e(k-1)0.1PH 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)酵過程中耗盡根底料，導(dǎo)致生產(chǎn)環(huán)境破壞，終止代謝，影響產(chǎn)品的質(zhì)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，即屢次少量逐漸放料，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V1V2當(dāng)補料過

35、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(dāng)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：tlmax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(guān)，計算機根據(jù)此參數(shù)進行報警。232上位機組態(tài)

36、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PLANTSCA數(shù)據(jù)庫中。PLANTSCA效勞器運行在WindowsNt網(wǎng)絡(luò)操作系 統(tǒng)環(huán)境下，采用以太網(wǎng)(ethernet )結(jié)構(gòu)、SQ數(shù)據(jù)庫、TCP/IP協(xié)議， 由于使用了這些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，因此很容易開發(fā)一個集成的、開放的 監(jiān)控系統(tǒng)。PLANTSCAPE有準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)界面，容多樣，形式豐 富，也有為用戶自己開發(fā)界面文件而設(shè)置的應(yīng)用功能塊。PLANTSCAPE統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計：PLANTSCA

37、效勞器維護著系統(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(luò)來監(jiān)控當(dāng)前的生產(chǎn)過程， 運用Excel Data Excha nge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DC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(zhuǎn)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，到達優(yōu)化生產(chǎn)工藝的目的。六、工程費用方案及設(shè)備選型費用或設(shè)備工程產(chǎn)地或公司數(shù)量單位單價金額計算機及控制設(shè)備Hon eyWell2套75150儀器儀表康拓2

38、套1836執(zhí)行機構(gòu)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(shè)計調(diào)試集成等2套2550輔材及配套改造等62支付工程利息合計萬元1000七、工程實施方案1 .工程實施方案時間表1.1工程進度方案實施步驟目標(biāo)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年元月一9月第二階段元成八車間14個大罐的計算機自動化控制，并完成整體集成2001 年 10月一2002年 6 月1. 2工程培訓(xùn)方案培訓(xùn)步驟培訓(xùn)容參加人員完成時間第一步計算機自動化控制根本原 理及集散控制系統(tǒng)相關(guān)知 識參與工程實施的專業(yè)技術(shù)人員2001年1

39、-3月系統(tǒng)控制知識講座，要求參與工程實施的車第二步培訓(xùn)人員懂得控制的一般間管理人員和儀表2001年4月性原理工第三步系統(tǒng)調(diào)試、安裝的根本要求和考前須知參與系統(tǒng)安裝、調(diào)試的車間有關(guān)人員等2001年 4月 9月第四步系統(tǒng)調(diào)試運行根本要求，車間相關(guān)操作人員2001年6月系統(tǒng)操作及日常維護的注意事項等和儀表工等2002年3月1. 3工程投資方案投資期費用工程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(gòu)、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(shù)指導(dǎo)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(gòu)、儀器儀表和計

40、算機 軟件等；還包括前期安裝的輔助材料 和技術(shù)指導(dǎo)費400萬 元2. 工程實施的保證措施2. 1組織保證成立工程實施工作小組，由公司副總經(jīng)理生武同志擔(dān)任組長，生產(chǎn) 總監(jiān)水龍同志為副組長，小組成員由計算機中心、機動部、供給部和各 車間相關(guān)人員組成。計算機中心主要負責(zé)方案設(shè)計、合同簽訂、計算機 組態(tài)技術(shù)和控制技術(shù)的應(yīng)用、系統(tǒng)調(diào)試等工作，機動部和車間負責(zé)現(xiàn)場 安裝、配套設(shè)備改造、儀器儀表的調(diào)試等，供給部負責(zé)輔材的采購。2. 2條件保證2. 2. 1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(jié)合的方法來滿足工程實施的資金要求；2. 2. 2人力保證：加強學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，提高工程實施人員的技能

41、水 平，為工程的成功應(yīng)用提供人力保證；2. 2. 3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，從制度上保證工程的成功應(yīng)用；2. 2. 4其他條件：宣傳發(fā)動，群策群力，改變系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，竭 力做好工程啟動前的各項準(zhǔn)備工作。2. 3協(xié)作單位要成功應(yīng)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(shù)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根底上，擬 定北京康拓生化控制工程公司作為工程的主要協(xié)作單位。北京康拓公司亦保證給予工程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. 總投資估算本工程利用中湘XX現(xiàn)有設(shè)

42、備和水、電、汽、氣等配套公用設(shè)施，增 加計算機自動控制系統(tǒng)所需設(shè)備。工程所需資金估算如下表：單位：萬元序號工程名稱資金估算1計算機及控制設(shè)備150.002儀器儀表36.003執(zhí)行機構(gòu)164.004傳感器300.005分析儀器及軟件100.006設(shè)計調(diào)試集成等50.007輔材及配套改造等62.008工程利息.009合計1000.002.資金籌措2. 1資金運用方案：方案運用資金總額1000萬元其中：2001年方案使用700萬元2002年方案使用300萬元2. 2資金來源方案:新增資金1000萬元其中：自籌300萬元銀行貸款700萬元2. 3貸款歸還方案：2004年歸還700萬元本金及其相應(yīng)利息九、經(jīng)濟、社會效益評價1 .財務(wù)本錢分析1. 1產(chǎn)品生產(chǎn)本錢分析：紅霉素罐批材料消耗預(yù)計平均下降5% DCS 實施前后，紅霉素產(chǎn)品本錢可比擬如下：工程DCS實施前DCS實施后差額產(chǎn)品產(chǎn)量(6000+12000+5000)X 12=27600葉億(6000+12000+5000)X 1.08 X 12=29808葉億22080十億原材料本錢37000000.0035150000.00-1850000.00動力本錢46199640.0046199640.000.00人工本錢4901760.004