基金會現場總線FF技術在二級種子罐控制系統中的應用

一．概述

　　東北制藥總廠生產的 Vc 一直是我國重要的出口創匯產品，產品銷往美、歐。多年來為國家創造了巨額外匯，為遼寧的經濟騰飛做出了貢獻，但 96 年起，市場發生了突然變化， 以羅氏為首的西方大公司聯手控制市場，大幅降低銷價，降幅近 70% 。我國維生素 C 產業發展嚴重受阻，企業的生存受到威脅。為擺脫困境，重振企業， 東北制藥總廠采用 Vc 二步發酵轉化技術對生產工藝加以改進， 使 VC 的 總收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ， 產量增至 11500 噸， 有力地提高了產品在國際市場的競爭力 。該新工藝保留了原工藝的主要特色，但在發酵過程中需依介質的氫離子濃度和溶氧量調節菌種的生理狀態、數量及比例。操作難度加大，對工作人員的自身素質和責任心要求很高。為充分發揮該新工藝的效率，在生產中急需采用先進的控制策略和控制技術，來保證新的工藝過程能平穩高效地運行。為此，我們采用現場總線技術對二級種子罐的控制系統進行試點改造，實現溫度、壓力、流量和 PH 值等參數的自動檢測和優化控制，該系統改造成功后，可推廣應用到其它的種子罐和發酵罐，從而提高整個 VC 生產線的生產能力。 　　
　　對系統進行選型設計時，鑒于本項目需要對溫度、壓力、流量和 PH 值等參數進行精確的自動檢測和優化控制，有一定的復雜性，常規的儀表難以勝任，而采用基于工業 PC 的 PC-Based 系統，其安全可靠性難以保障， DCS 系統卻因其價格昂貴， 不利于應用在中小型系統上，PLC 系統 具有結構緊湊、功能齊全、速度快、可靠性高等 優點，但其每一個檢測或控制點都需要一對信號線接入相應 PLC 控制模塊，系統布線較多，安裝及維護成本較高，而選擇 基金會現場總線 （Foundation Fieldbus，簡稱 FF ） 系統，則能較好的解決上述問題。

　　FF 現場總線是儀表及過程控制領域向數字化通訊的轉變， 與其他的通訊協議不同之處在于： FF 現場總線旨在提供整個過程控制領域的應用解決方案，而不僅僅是數據傳輸的數字化，是一種全數字化、串行、雙向的通訊系統，將各種現場設備（傳感器、執行器、控制器等）連接在一起， 通過使用 “ 功能塊（ Function Block ） ” 實現控制策略。


　　功能塊的這種一致的、面向“塊”的設計使得來自不同生產廠商的設備可以無縫的集成在一起，共同完成分布式控制功能，控制功能的分布（分布到現場設備中）可以減少 I/O 設備、控制設備的數量（例如，卡件、機柜、電源等）。FF 現場總線允許在一條雙絞線上連接若干設備， 這條 雙絞 線就是現場總線。這種連接方式減少了連線的數量， 使得使用的線纜、安全柵、安裝盒數量大大減少， 易于安裝和維護，使施工費用、電纜費用、調試和維修成本節省 40% 之多 。 FF 現場總線技術增加了數據的分辨率，減少失真（沒有 A/D 或 D/A 轉換），這樣就使控制更加可靠。帶微處理器的 FF 現場總線設備所提供的自測試功能和通信功能大大減少了現場停車時間，增加生產現場的安全性，一旦監測到異常情況，或者需要進行于預防性維護，現場操作元及管理人員就可以被及時通知。所有這些 FF 現場總線所帶來的好處歸結起來，為我們提供了一種更高性能、更少損失的控制系統。反應容器自動控制 系統 選型時，FF現場總線 作為高檔系統配置，不失為一種優秀的解決方案。

　　DCS/PLC于FCS系統的結構比較：

　　DCS是基于模擬儀表的控制系統。現場控制站與儀表間通過一對一的方式，實現單向的模擬信號傳輸， 易造成大量的導線消耗和繁重的維護量。

　　FCS是基于現場總線的分布式控制系統。它 將控制任務下放至本地儀表，危險徹底分散，加強系統的自主能力；儀表與控制系統間通過總線，采用一對多的方式，實現雙向的、全數字信號通訊。 FCS 具有對量程和零點進行遠程設定和超強的自診斷能力。

二．工藝過程

　　東藥萬噸 VC 生產過程采用了二步發酵新工藝，在發酵過程中需依介質的氫離子濃度和溶氧量調節菌種的生理狀態、數量及比例。經實驗測量， Vc 二步混菌發酵中氧化葡萄糖酸桿菌和巨大芽孢桿菌的相互作用及其變化特性與二混菌發酵不同階段的環境狀態有關，菌種在溫度范圍為 29-30 度、壓縮空氣流量范圍為 175-185 每小時立方米、　壓力范圍是 0.02-0.05Mpa 條件下最為活躍，故通過對二級種子罐罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的調節，為菌種提供適宜的生化反應環境，提高反應效率，減低物耗與能耗，降低生產成本。

　　我們在選用的二級種子罐上，采用現場總線技術實現監測和對三個控制回路的控制，實現罐內溫度、罐內壓力、壓縮空氣通氣量的自動控制以及 PH 值的自動連續檢測，在此基礎之上，實現種子罐的生化反應過程的最優控制，同時結合我們開發的 FF 全分布式控制系統軟件實現二級種子罐的計算機自動監控，為整個 VC 車間的自動控制系統提供解決方案。