冷凍干燥過程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
1引言冷凍干燥是將含水物質(zhì)先凍結(jié)成固態(tài)，然后使其中水分從固態(tài)升華成氣態(tài)，以除去水分而保存物質(zhì)的方法。由于這種干燥方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此在生物制品、藥品的保存等方面具有重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。凍干過程的原理是以水的三相平衡圖為基礎(chǔ)的，如圖1—1所示。純水的三相平衡壓力P0＝610.5Pa，溫度T0＝0.0098℃。當(dāng)壓力低于P0時(shí)，水就從固態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，凍干的基本原理就是AB線上的汽固轉(zhuǎn)化過程。真空冷凍干燥過程一般分為預(yù)凍結(jié)、升華干燥、解析干燥3個(gè)階段。冷凍干燥在冷凍干燥設(shè)備(簡(jiǎn)稱凍干機(jī))中實(shí)現(xiàn)。凍干機(jī)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但一般包含凍干倉(cāng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水汽凝結(jié)器(也稱冷阱)、自動(dòng)加塞系統(tǒng)、自動(dòng)清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分。
2系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計(jì)2.1冷凍干燥過程對(duì)控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)要求采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)6m2凍干倉(cāng)的凍干機(jī)進(jìn)行整個(gè)凍干過程及自動(dòng)加塞、自動(dòng)清洗的控制。具體要求是：(1)能夠?qū)龈汕€數(shù)值存儲(chǔ)在磁盤中，并能在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示，且支持即時(shí)打印。這些曲線包括：A：物料溫度曲線；B：板層溫度曲線；C：水汽凝結(jié)器曲線；D：真空度曲線；(2)控制系統(tǒng)的測(cè)量誤差：溫度±1.0℃，真空度±10Pa，產(chǎn)品最終含水量±1；(3)該系統(tǒng)能根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)定或修改藥品凍干曲線，在凍干過程中通過調(diào)節(jié)加熱板的溫度、供熱量、箱體真空度、水汽凝結(jié)器的溫度使物料跟蹤設(shè)定曲線；(4)對(duì)水汽凝結(jié)器的溫度進(jìn)行設(shè)定，通過控制制冷機(jī)能量調(diào)節(jié)器來跟蹤設(shè)定溫度；(5)對(duì)箱體內(nèi)真空度能夠設(shè)定，并通過微動(dòng)閥來調(diào)節(jié)所要求的真空度；(6)故障報(bào)警及處理，包括真空機(jī)組啟動(dòng)壓力，凍干過程中真空度超過設(shè)定值的報(bào)警和有關(guān)數(shù)據(jù)顯示；(7)藥品的自動(dòng)加塞：在藥品和生物制品出箱前進(jìn)行自動(dòng)加塞密封處理，保證產(chǎn)品的潔凈和冷凍狀態(tài)，提高凍干制品的質(zhì)量；(8)前后批量生產(chǎn)之間的消毒：為了防止交叉污染，在兩批量生產(chǎn)之間進(jìn)行在位自動(dòng)消毒，要求達(dá)到GMP標(biāo)準(zhǔn)。2.2監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在保證凍干過程高效可靠運(yùn)行的前提下，兼顧操作的方便性和構(gòu)成的經(jīng)濟(jì)性。可靠性需要控制系統(tǒng)同時(shí)提供手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式，方便性體現(xiàn)控制流程的簡(jiǎn)單明確和人機(jī)交互界面的簡(jiǎn)潔友好。所以，整套系統(tǒng)采用集中控制方式，如圖2—1所示。
2.3監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成冷凍干燥過程需要檢測(cè)的參數(shù)主要是溫度和壓力，其中溫度又分為高溫和低溫，因此該監(jiān)控系統(tǒng)采用如下幾種傳感器：熱電偶、熱電阻、數(shù)字式電阻真空計(jì)。上位機(jī)選用一般商用PC機(jī)，在監(jiān)控系統(tǒng)中上位機(jī)不直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及儀表打交道，而是通過串行通信端口，使用RS－232C協(xié)議與下位機(jī)進(jìn)行通信連接，因此普通商用機(jī)的可靠性足以滿足系統(tǒng)要求。下位機(jī)選用三菱公司PLC的FX2N－48MR型。其輸出直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如電動(dòng)閥、汽動(dòng)蝶閥等，起到可編程繼電器的作用。PLC的輸入由計(jì)算機(jī)控制，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)兩種方式控制。監(jiān)控系統(tǒng)的其它設(shè)備和器件有：(1)控制柜，包括手動(dòng)按鈕開關(guān)、凍干過程狀態(tài)指示燈、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)指示燈等；(2)動(dòng)力柜，包括控制電機(jī)與手動(dòng)閥門啟停的按鈕開關(guān)和繼電器組成的控制柜；(3)打印機(jī)，完成數(shù)據(jù)報(bào)表等的實(shí)時(shí)打印與歷史數(shù)據(jù)的打印；(4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括各種電機(jī)、電動(dòng)閥和氣動(dòng)蝶閥等。所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)均具有相應(yīng)的手動(dòng)開關(guān)，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可用手動(dòng)方式單獨(dú)開、關(guān)任何一個(gè)閥門或電機(jī)；(5)補(bǔ)償導(dǎo)線，用于熱電偶的冷端補(bǔ)償。3監(jiān)控軟件的編制3.1軟件設(shè)計(jì)方案監(jiān)控系統(tǒng)要完成的工作可分為：(1)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)；(2)凍干過程各階段的運(yùn)行狀態(tài)、各閥門的開關(guān)狀態(tài)(包括少數(shù)電磁閥的正反轉(zhuǎn)狀態(tài))及報(bào)警信號(hào)指示，所有信號(hào)由控制柜的面板指標(biāo)燈顯示；(3)凍干工藝參數(shù)傳送與緊急情況處理時(shí)有關(guān)命令傳
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