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冷冻干燥过程计算机监控系统
xiao_xiao1 发表于 2009/10/12 14:43:25 667 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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冷冻干燥是将含水物质先冻结成固态，然后使其中水分从固态升华成气态，以除去水分而保存物质的方法。由于这种干燥方法具有许多优点，因此在生物制品、药品的保存等方面具有重要的意义和广阔的应用前景。
冻干过程的原理是以水的三相平衡图为基础的，如图1—1所示。纯水的三相平衡压力P0＝610.5Pa，温度T0＝0.0098℃。当压力低于P0时，水就从固态直接转化为气态 ，冻干的基本原理就是AB线上的汽固转化过程。真空冷冻干燥过程一般分为预冻结、升华干燥、解析干燥3个阶段。冷冻干燥在冷冻干燥设备(简称冻干机)中实现。冻干机的结构形式多种多样，但一般包含冻干仓、制冷系统、真空系统、加热系统、水汽凝结器(也称冷阱)、自动加塞系统 、自动清洗系统、控制系统等几个部分。
2 系统分析与硬件设计
2.1 冷冻干燥过程对控制系统的要求
控制系统要求采用手动和自动两种方式实现对6m2冻干仓的冻干机进行整个冻干过程及自动加塞、自动清洗的控制。具体要求是：(1)能够将冻干曲线数值存储在磁盘中，并能在计算机屏幕上进行实时显示和历史数据显示，且支持即时打印。这些曲线包括：A：物料温度曲线；B：板层温度曲线；C：水汽凝结器曲线；D：真空度曲线；(2)控制系统的测量误差：温度±1.0℃，真空度±10Pa，产品最终含水量±1%；(3)该系统能根据不同的产品设定或修改药品冻干曲线，在冻干过程中通过调节加热板的温度、供热量、箱体真空度 、水汽凝结器的温度使物料跟踪设定曲线；(4)对水汽凝结器的温度进行设定，通过控制制冷机能量调节器来跟踪设定温度；(5)对箱体内真空度能够设定，并通过微动阀来调节所要求的真空度；(6)故障报警及处理，包括真空机组启动压力，冻干过程中真空度超过设定值的报警和有关数据显示；(7)药品的自动加塞：在药品和生物制品出箱前进行自动加塞密封处理，保证产品的洁净和冷冻状态，提高冻干制品的质量；(8)前后批量生产之间的消毒：为了防止交叉污染，在两批量生产之间进行在位自动消毒，要求达到GMP标准。
2.2 监控系统的总体方案
监控系统的设计目标是在保证冻干过程高效可靠运行的前提下，兼顾操作的方便性和构成的经济性。可靠性需要控制系统同时提供手动控制和自动控制两种方式，方便性体现控制流程的简单明确和人机交互界面的简洁友好。所以，整套系统采用集中控制方式，如图2—1所示。
2.3 监控系统的硬件构成
冷冻干燥过程需要检测的参数主要是温度和压力，其中温度又分为高温和低温，因此该监控系统采用如下几种传感器：热电偶、热电阻、数字式电阻真空计。上位机选用一般商用PC机，在监控系统中上位机不直接与现场设备及仪表打交道，而是通过串行通信端口 ，使用RS－232C协议与下位机进行通信连接，因此普通商用机的可靠性足以满足系统要求。下位机选用三菱公司PLC的FX2N－48MR型。其输出直接控制执行机构，如电动阀、汽动蝶阀等，起到可编程继电器的作用。PLC的输入由计算机控制，以实现手动、自动两种方式控制。监控系统的其它设备和器件有：(1)控制柜，包括手动按钮开关、冻干过程状态指示灯、现场设备的运行状态指示灯等；(2)动力柜，包括控制电机与手动阀门启停的按钮开关和继电器组成的控制柜；(3)打印机，完成数据报表等的实时打印与历史数据的打印；(4)执行机构，包括各种电机、电动阀和气动蝶阀等。所有执行机构均具有相应的手动开关 ，当控制系统出现故障时，可用手动方式单独开、关任何一个阀门或电机；(5)补偿导线，用于热电偶的冷端补偿。
3 监控软件的编制
3.1 软件设计方案
监控系统要完成的工作可分为：(1)数据实时采集、处理、显示、存储；(2)冻干过程各阶段的运行状态、各阀门的开关状态(包括少数电磁阀的正反转状态)及报警信号指示，所有信号由控制柜的面板指标灯显示；(3)冻干工艺参数传送与紧急情况处理时有关命令传