EPA分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的安裝、控制方案實施與應用

1 工藝簡介

EPA分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)2005年9月份在華東制藥的二期項目中成功投運，主要應用在阿卡波糖生產(chǎn)車間。阿卡波糖是一種生物合成的假性四糖，能夠抑制a-葡萄糖苷酶的活性，從而導致了腸內(nèi)多糖、寡糖或雙塘的降解，使碳水化合物的葡萄糖的降解和吸收入血速度變緩，降低了餐后血糖的升高，使平均血糖下降?；瘜W名：O-4，6-雙脫氧-4［［（1S，4R，5S，6S）4，5，6-三羥基-3-（羥基甲基）-2-環(huán)己烯-1-基］氨基］-a-D-吡喃葡糖基（1→4）-D-吡喃葡萄糖結(jié)構(gòu)式，如圖1所示。

圖1分子結(jié)構(gòu)式示意圖

阿卡波糖是一種非胰島素促進劑的有效的口服型降血糖藥，主要用于Ⅱ型糖尿病的治療。發(fā)酵是阿卡波糖生產(chǎn)的初始階段，菌種在一定的溫度、壓力以及氧氣容量的條件下發(fā)酵并完成菌種的培育，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度是非常關鍵的一個監(jiān)測量，在系統(tǒng)設計時，采用雙支式熱電阻，以冗余的工作方式對發(fā)酵罐內(nèi)溫度進行測量。發(fā)酵本身是放熱反應，在發(fā)酵的過程中，通過安裝在罐內(nèi)的攪拌機對發(fā)酵物進行攪拌，以保證整個罐內(nèi)的溫度均勻。由于是放熱反應，為了保持發(fā)酵罐內(nèi)的溫度恒定不變，必須通過水循環(huán)裝置進行冷卻，一般使用冷水就可以了，但在冬天則需要使用溫水來進行溫度的控制。發(fā)酵罐內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)通過冷卻水（或溫水）的流量控制來進行，通過自動控制調(diào)節(jié)的方式保證發(fā)酵罐罐內(nèi)溫度的恒定。

2系統(tǒng)的安裝布置

發(fā)酵車間具有6個一級罐（小罐）、6個二級罐（中罐）、10個三級罐（大罐），以及公用工程系統(tǒng)（空氣系統(tǒng)、給水系統(tǒng)），整個系統(tǒng)具有100多個監(jiān)測和控制點，每一個罐的監(jiān)測點如表1所示。

表1監(jiān)測點情況一覽表

各個發(fā)酵罐生產(chǎn)過程比較獨立，發(fā)酵時間、過程控制基本類似，可以采用統(tǒng)一的控制策略。不管是什么類型的發(fā)酵罐，罐內(nèi)的監(jiān)控點包括罐內(nèi)的壓力、發(fā)酵罐的PH值、罐內(nèi)的溶氧、發(fā)酵罐的空氣流量、噸位測量、循環(huán)水控制等等，發(fā)酵罐監(jiān)控示意圖如圖2所示。

圖2發(fā)酵罐監(jiān)控示意圖

公用工程系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。公用工程的空氣系統(tǒng)監(jiān)控點主要包括：進氣溫度測量、冷卻溫度測量、加熱溫度控制、進罐溫度測量、空氣流量測量（0～10kPa／0～600m3/min）、進罐壓力測量（0～0.25MPa）；供水系統(tǒng)的進水溫度測量（Pt1000～150℃）、進水壓力測量（0～0.6MPa）、進水流量測量（0～40kPa／0～800t/h）、回水溫度測量（Pt1000～150℃）；蒸汽系統(tǒng)主要包括：蒸汽溫度、蒸汽壓力，以及蒸汽流量的測量。

圖3公用工程系統(tǒng)示意圖

EPA分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在現(xiàn)場的安裝布置采用兩個網(wǎng)段，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。每個網(wǎng)段是60個設備，系統(tǒng)安裝方案主要是根據(jù)現(xiàn)場發(fā)酵罐和公用工程系統(tǒng)的物理位置來確定。在工程實施的過程中，我們將一級罐和二級罐的監(jiān)控點分配在第一個EPA網(wǎng)段，三級罐、空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)以及蒸汽系統(tǒng)的監(jiān)控點分配在第二個EPA網(wǎng)段。EPA的現(xiàn)場控制器、EPA網(wǎng)橋以及EPA的現(xiàn)場監(jiān)控層網(wǎng)絡都采用了冗余的安裝方式，實現(xiàn)了徹底的冗余，并且實現(xiàn)了控制以及通信的無擾動切換，整個控制系統(tǒng)的性能得到了充分的提高，特別體現(xiàn)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及維護的便捷性。

圖4EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在華東制藥二期項目中一個最主要的突破是在生產(chǎn)裝置上面直接安裝了基于EPA協(xié)議的現(xiàn)場變送器，取代了傳統(tǒng)的模擬變送器，對于暫時無法開發(fā)的變送器（比如齊平膜的小型壓力變送器、溶氧變送器以及PH值變送器），在工程實施的過程中我們安裝了基于EPA協(xié)議的各種常規(guī)IO信號采集模塊，將常規(guī)的模擬信號轉(zhuǎn)換成符合EPA協(xié)議的數(shù)字信號接入到整個EPA系統(tǒng)中。在這次項目中安裝了將近30臺基于EPA的壓力變送器、20臺基于EPA的雙路溫度變送器以及4臺電磁流量計，對于所有設備的設備組態(tài)、標定、調(diào)校等功能可以通過EPA的設備管理軟件實現(xiàn)遠程的設備管理，這極大地方便了儀表工程師的設備維護工作。

3系統(tǒng)控制方案實施與應用

整個發(fā)酵罐內(nèi)的生物化學反應比較復雜，但是控制方案的實施相對比較簡單，每個發(fā)酵罐有：溫度、PH值、溶氧、罐底壓力、罐頂壓力、空氣流量和電機（攪拌機）轉(zhuǎn)速7個信號采集點及一個冷卻水閥門（開關量）控制點。除溫度和冷卻水閥門構(gòu)成一個溫控回路外，其他點只作信號采集的作用。首先是發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制，如前所述，就是將罐內(nèi)的溫度與冷卻水的流量控制構(gòu)成單回路；其次是溶氧，通過檢測溶氧值實現(xiàn)對發(fā)酵罐空氣流量的控制，保證發(fā)酵過程的溶氧量在正常的設定范圍內(nèi)。

公用工程的控制關鍵主要是總空氣溫度的控制，送入發(fā)酵罐的空氣經(jīng)過3次過濾，并且在進入罐內(nèi)時溫度需要控制在50℃左右，空氣溫度的調(diào)節(jié)主要是通過調(diào)節(jié)蒸汽的流量來進行。

通過控制冷卻水流量來控制罐內(nèi)溫度：當監(jiān)測到當前溫度-設定溫度》設定溫差限定值（0.1℃）時，通過開出量卡，打開冷卻水閥門，讓冷卻水對罐內(nèi)溫度進行降溫；而相反，當設定溫度-當前溫度》設定溫差限定值（0.1℃）時，這時罐內(nèi)溫度低于設定值，通過開出量卡，關閉冷卻水閥門，利用罐內(nèi)發(fā)酵所產(chǎn)生的熱量使得罐內(nèi)溫度自然得到升高。

《EPA通信標準》針對工業(yè)控制這種數(shù)據(jù)傳輸類型的特點，將通信周期分為周期性通信信息數(shù)據(jù)發(fā)送和非周期性通信信息數(shù)據(jù)發(fā)送兩個階段：對周期性通信信息數(shù)據(jù)設計了通信調(diào)度的時間分片方法，各設備基于IEEE1588實現(xiàn)精確時間同步，在周期數(shù)據(jù)發(fā)送階段，根據(jù)組態(tài)配置自動計算，只有在其發(fā)送數(shù)據(jù)的起始時間到的時候，才發(fā)送周期數(shù)據(jù)，使其滿足對時間有嚴格要求的控制數(shù)據(jù)的傳輸需要；對非周期性通信信息數(shù)據(jù)設計了基于優(yōu)先級的調(diào)度方法，設備自動計算本設備非周期性通信信息數(shù)據(jù)在本網(wǎng)段內(nèi)的優(yōu)先級，依優(yōu)先級大小發(fā)送非周期性通信信息數(shù)據(jù)，避免了以太網(wǎng)通信報文碰撞，確保優(yōu)先級高的報文，例如報警信息得到優(yōu)先發(fā)送，而又不至于影響有嚴格時間要求的數(shù)據(jù)通信。

實現(xiàn)分時調(diào)度的前提是網(wǎng)絡上每臺設備的時間一致性。首先在組態(tài)軟件根據(jù)各個設備的描述文件和系統(tǒng)的控制的構(gòu)架下，對每個網(wǎng)路設備分配一定的網(wǎng)絡時間，然后將組態(tài)信息下載到網(wǎng)絡設備。

圖5EPA確定性通信調(diào)度示意圖

在一個現(xiàn)場微網(wǎng)段內(nèi)，所有EPA設備的通信均按周期進行，完成一個通信周期所需的時間T稱為一個通信宏周期（CommunicationMacroCycle）。

一個通信宏周期T分為兩個階段，其中第一個階段為周期報文傳輸階段Tp，第二個階段為非周期報文傳輸階段Tn（如圖5所示）。在周期報文傳輸階段Tp，每個EPA設備向網(wǎng)絡上發(fā)送的報文是包含周期數(shù)據(jù)的報文。周期數(shù)據(jù)是指與過程有關的數(shù)據(jù)，如需要按控制回路的控制周期傳輸?shù)臏y量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數(shù)據(jù)。周期報文的發(fā)送優(yōu)先級應為最高。在非周期報文傳輸階段Tn，每個設備向網(wǎng)絡上發(fā)送的報文是包含非周期數(shù)據(jù)的報文。非周期數(shù)據(jù)是指用于以非周期方式在兩個通信伙伴間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如程序的上下載數(shù)據(jù)、變量讀寫數(shù)據(jù)、事件通知、趨勢報告等數(shù)據(jù)，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等應用數(shù)據(jù)。非周期報文按其優(yōu)先級高低、IP地址大小及時間有效方式發(fā)送。所有EPA微網(wǎng)段內(nèi)的網(wǎng)絡設備先進行時間同步，在時間同步的基礎上根據(jù)時間組態(tài)信息進行分時的網(wǎng)絡通信調(diào)度。

在華東制藥應用的EPA系統(tǒng)，系統(tǒng)的時鐘同步精度達到10μs，每個設備分配的周期發(fā)送時間間隔是1ms，每個網(wǎng)段的通信宏周期是100ms，控制周期是200ms。華東制藥的EPA系統(tǒng)在工程實施之前進行了長達一個月的出廠聯(lián)調(diào)，一次發(fā)酵過程需要一個星期左右時間，工程實施結(jié)束之后也已經(jīng)有連續(xù)2個無故障發(fā)酵過程記錄，無通信故障，無通信丟包，無發(fā)送亂序，無信號跳變。

EPA分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實現(xiàn)了就地安裝，極大地減少了工程實施的工作量，節(jié)省了大量的信號布線，采用了PoE的總線供電方式，基于EPA的現(xiàn)場變送器和常規(guī)信號采集模塊無需再另加電源，安裝極其方便，加上EPA現(xiàn)場設備的遠程管理功能，方便了儀表工程師的維護工作。

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