模拟制药设备的监控和管理系统设计.docx
《模拟制药设备的监控和管理系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟制药设备的监控和管理系统设计.docx（56页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模拟制药设备的监控和管理系统设计
密级
公开
学号
120690
毕业设计（论文）
模拟制药设备的监
控和管理系统设计
院（系、部）：
信息工程学院
姓名：
年级：
2012级
专业：
测控技术与仪器
指导教师：
教师职称：
2016年06月10日·北京
毕业设计（论文）任务书
教学院（系、部）信息工程学院专业测控技术与仪器班级测121
1.毕业设计（论文）题目
模拟制药设备的监控和管理系统设计
2.任务起止日期：
2016年2月22日至2016年6月6日
3.毕业设计（论文）的主要内容与要求
（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）
通过调研，了解制药设备的组成和生产工艺流程，以实验室模拟实验设备A4200为蓝本，明确系统的工作原理、控制要求和管理需求，清楚系统的硬件配置，用亚控公司的组态王软件设计组态画面，传递实时数据、工作状态和控制参数，建立数据库，实现控制参数修改、登录、报警及现场重要事件和信息的存储和查询，有余力可探索远程数据的管理。
主要内容与要求：
1）撰写开题报告
2）翻译外文资料（不少于25000字符）
3）了解系统的工艺流程、控制要求和管理需求。
4）用ACCESS建立数据库。
5）规划主画面及各分画面
6）定义数据库变量，完成部分组态画面设计和调试
预期培养目标：
1）具备文献查阅与综合能力。
2）具备阅读和翻译能力。
3）具备数据的收集、分析、计算和处理能力。
4）具备项目调研、设计、编程和调试能力。
5）具备现场解决问题的能力。
6）具备一定的科技论文写作能力。
最终提交材料：
1）开题报告
2）外文资料原文（不少于25000字符）及翻译稿
3）毕业设计论文
4）毕业设计日常记录本
4.主要参考文献
[1]制药系统工艺要求、控制方式和管理要求
[2]组态王编程手册
[3]有关PLC、工业组态、ACCESS方面的资料
[4]相关期刊杂志、网站
5.进度计划及指导安排
周次
日期
进度计划及指导安排
具体要求
1
2016.02.22
2016.02.28
查资料，了解课题要求，翻译外文资料，熟悉系统工艺流程。
2
2016.02.29
2016.03.06
查资料，熟悉系统工艺流程、控制要求和管理需求
交开题报告
3
2016.03.07
2016.03.13
确定设计方案
开题答辩
4
2016.03.14
2016.03.20
查资料，熟悉组态王、ACCESS软件的使用
5
2016.03.21
2016.03.27
上机实验ACCESS和组态王的数据交互
6
2016.03.28
2016.04.03
了解系统的硬件配置
7
2016.04.04
2016.04.10
上机实验组态王和PLC数据交互方式
8
2016.04.11
2016.04.17
和上位负责组态画面的同学一起确定交互的数据和方式
9
2016.04.18
2016.04.24
规划系统主画面及各分画面（电子版）
中期检查
10
2016.04.25
2016.05.01
分画面设计及调试
11
2016.05.02
2016.05.08
分画面设计及调试
12
2016.05.09
2016.05.15
软硬件、上下位联调并写论文
13
2016.05.16
2016.05.22
软硬件、上下位联调并写论文
14
2016.05.23
2016.05.29
整理软硬件资料编写论文
交论文（电子版）
15
2016.05.30
2016.06.05
整理软硬件资料编写论文
交论文（打印稿）
16
2016.06.06
2016.06.12
答辩
任务书审定日期2016年月日系（教研室）主任（签字）
任务书批准日期2016年月日教学院（系、部）院长（签字）
任务书下达日期2016年月日指导教师（签字）
计划完成任务日期2016年月日学生（签字）
摘要
随着经济的发展，制药设备的制药精度越来越高，国家对药品质量的监管也越来越严格，企业为提高药品的质量控制，使得计算机自动监控系统在制药行业中有了更好的发展。
以S7-300系列PLC为核心设计了制药设备的控制系统，在此基础上重点进行了以组态王为监控软件，以ACCESS为数据库的监控管理系统设计。
应用组态王绘制组态画面，完成实时数据和报警信息实时显示，通过ODBC实现组态王与ACCESS数据库的连接，把设备中的实时信息以及运行报警存储在ACCESS数据库中，利用组态王内部提供的SQL函数访问功能，对监控画面进行实时查询，ACCESS数据库的建立保存了现场的基础实时数据，为上层管理软件的开发提供了可能。
关键词：
模拟制药，组态王，ACCESS数据库
Abstract
Withthedevelopmentofeconomy,theprecisionofpharmaceuticalequipmentisimproved.Thecountryhasbecomemoreandmorestrictwiththequalityofmedicines.Computerautomaticmonitoringsysteminthepharmaceuticalindustrywasbetterdevelopmentedinordertoimprovethequalityofmedicines.AcontrolsystemofthepharmaceuticalequipmentinwhichtheS7-300seriesofPLCwerethecore,wasdesigned.Onthisbasis,amonitoringmanagementsystemwhichusekingviewasthemonitoringsoftwareandACCESSasthedatabasewasdesigned.Applyingkingviewtodrawtheconfigurationframes,thereal-timedataandalarminformationweredisplayedinreal-time.ConnectingkingviewandACCESSthroughODBC,thereal-timedataofequipmentandalarminformationwerestoredintheACCESSdatabase.UsingtheSQLaccessfunctionprovidedbytheinternalkingview,thequeryofthehistoricaldatawasrealized.Thebasicreal-timedataweresavedbyACCESS.Itispotentialtodeveloptheuppermanagesoftware.
Keywords：
Simulatedpharmaceutical，Kingview,ACCESSdatabase
第一章前言
1.1选题背景和研究意义
随着经济的发展，制药设备的功能越来越多，国家对药品的监管越来越严格，企业为提高产品的质量控制，使得计算机自动监控系统在制药行业中有了更好的发展[1]。
随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得不偿失的[2]。
因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。
组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。
国内应用较多的组态软件有InTouch、MCGSiFIX、WinCC、EcHmi、组态王等。
目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：
比如几乎所有运行32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能等等。
但上述这些组态软件都是工控厂家的配套产品，不是专业的组态软件生产商，存在一些局限性。
如对设备厂家硬件接口的支持程度有限、软件开发环境相对封闭、灵活性较差等。
而采用组态王软件开发制药设备监控工程，可以极大地增强设备控制能力、提高制药的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。
它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
利用组态软件与Access数据库在内部通过ODBC实现连接,把采集回的实时数据存储到Access数据库中,组态王软件内部还提供了SQL（结构化查询语言）函数访问功能,这样便于日后查询和数据报表打印归档保存,人工录入数据,并可对因仪器失灵而采集到的失真数据进行修正,还可以通过组态王的SQL函数在系统中实现对数据库的操作,完成相应的功能[3]。
随着科技的发展,目前自动化在生产领域应用的范围越来越广,制药企业要想提高生产效率,提高经济收益,自动控制技术的应用是必然趋势。
由组态软件和数据库组成的制药设备监控和管理系统，具有实时性好、可靠性高、易于扩充及调整灵活等优点。
整个系统运行稳定、安全可靠，提高了制药设备运行管理的自动化水平，实现了通过技术改造来节能降耗、提高工业制药技术经济效益的目的，具有较好的推广应用价值。
数据库管理系统主要具有实用、操作方便、使用简单、安全可靠、功能较完善等特点,已成功应用于工程中,基本能满足用户的需求[4]。
严密的监控和管理系统设计,可以提高劳动生产效率,减少人为失误与计量误差。
当发生突发性实时事件时,实时数据处理软件模块通过对关键数据的监控与分析,报告并用当前的准确数据对它们进行指导和处理,及时做出反应,使得生产的运行状态保持平稳。
制药设备的监控和管理系统的实现，不仅为制药行业带来了大大的便利和实际意义，同时也揭示出监控和管理系统的重要性和未来发展的优势。
在各个行业都可以同样应用监控和管理系统，为行业的劳动生产效率和经济效益带来了巨大的便利。
1.2制药的监控和管理现状
随着我国经济的发展，制药设备全自动化生产已经得到大范围的普及。
传统的制药设备自动控制系统多采用继电器控制，随着执行机构的增多，功能的增强，使得机器越来越复杂，给制造、调整、使用和维修均带来不便，并且会使故障率增加。
随着社会生产的发展，这种控制方式已经越来越不适应这种快速发展的潮流，而且对人力和物力资源也是一种浪费。
因此，亟需一种简单的方式来控制。
现今，人们对制药设备监控自动化的要求越来越高，传统的制药设备监控方式已无法满足用户的各种需求。
所以通过计算机软硬件控制的制药设备监控和管理系统的重要性显得尤为重要。
我国在20世纪60年代,制药生产过程朝着规模化、连续生产、综合利用方向迅速发展，此时,在实际生产中应用的自动控制系统主要是温度、压力、流量和液位4大参数的PID的控制系统。
20世纪80年代以来,GMP的实施,对药品质量要求更高,先进生产设备的大量引入,使自动化程度显著提高，自动化技术已成为现代制药工业提高效率、保证产品质量的必不可少的生产技术手段,并且自动化技术已发展为控制和管理一体化的综合自动化系统,社会和经济效益也越来越模拟制药系统加热部分控制系统的设计显著[5]。
制药行业发展到今天，日益注重生产的高效以及成本的节约，而自动化信息技术的应用当之无愧成为提高生产效率和优化管理的最强有力的手段，很多业界的成功案例也使我们深刻感受到自动化信息技术为制药业所带来的巨大变化，从某种意义上说，自动化信息技术应用程度的高低决定了一个药厂的竞争力和发展空间，制药行业着眼于过程控制和自动控制仍将是企业取得成功的关键。
药品生产的发展经历了由简单到复杂、规模不断扩大的过程,其相应的控制技术也经历了一个不断完善、不断发展的过程[6]。
随着GMP的实施,对药品质量的要求越来越严格,越来越注重对生产过程的控制,保证各种操作具有重演性、可追溯性。
大力发展工业过程自动化技术,是确保产品质量的重要手段，自动化技术的实施也是确保制药生产过程达到安全生产、降低消耗、高效产出、利于环保等综合生产目标的必经之路。
1.3本文主要研究工作内容
对制药控制系统进行现场实际调研，以实验室现有的A4200系统为平台，应用西门子S7-300PLC系统，采用组态软件组态王进行监控，设计制作出组态画面，管理用户人员，并对设备的报警进行实时的监控与记录；同时用ACCESS进行数据的实时采集和记录，完成模拟制药设备系统的监控和管理设计。
论文第一章对选题背景和研究意义及主要研究工作概述；第二章对控制对象进行介绍；第三章对控制系统进行设计；第四章对监控系统组态王进行设计；第五章进行管理系统数据库的设计；第六章对技术经济进行分析；最后第七章对论文进行总结与展望。
第二章模拟制药系统总体设计方案
2.1模拟制药设备介绍
2.1.1A4200设备简介
A4200是北京华晟云联科技有限公司的主推产品，该产品不仅仅是一个大型的四大热工参量实验平台，而是一个流程化工厂的模拟，包括制药、饮料加工等等。
具有工程化的布线、配电、中央控制室的设计。
可以提供该系统的REALMIS软件系统，形成一个完整的工厂网络架构。
而且A4200还支持Profibus、FF、DeviceNet、Hart等工业现场总线。
产品可和近40种控制系统进行连接，包括国内外先进的DCS系统，如和利时MACS系统、浙大中控JX300、西门子PCS7系统、横河CENTUMCS3000，霍尼韦尔TDC3000，ABB的AC800F等等。
在广西机电、重庆文理学院、黄石理工学院，等获得了应用[7]。
A4200可以单独作为一个系统，形成一个完整的集成自动化工厂的概念，也可以作为IASYS集成自动化系统中的一部分。
同时A4200具有以下特色：
1）工艺上完全模拟一个流程化工厂。
工厂的生产需要提供两种原料，原来A和原料B。
首先进行原料混合，严格按照一定的比例。
一定时间后进行预热，进入反应罐进行反应。
2）独一无二的兼容RealMis系统
如果实验室配有Realmis系统，工厂的所有数据可建立实时数据库。
包括原料的消耗和成品，而且产品有废品和合格品的区分，从不同的管道流出。
信息经过数据服务器，经过了路由器提供给管理层，管理层在WEB页面上可以决策：
采购、销售、质量控制等。
3）产品外观和结构上完全模拟工厂
综合过程控制实验系统全开放式，结构管路清晰，配电柜和控制柜独立设计。
并强调自由接线，方便维护，工业化特性非常强。
除了模拟实训工厂之外，还可以实现仪器仪表接线、校准实验和传感器、执行器特性测量实验，以及的仪表控制回路等实验。
4）系统网络结构上完全模拟工厂
提供四个层次的网络架构，包括现场层，车间层，监控层和管理层。
如果应用于集成自动化中，还可以包括工业以太网交换机、路由器、防火墙、无线以太网等数据网络设备。
5）具有更好的维护性和扩展性
A4200和其他厂家的产品比较具有明显的特色，系统更加符合工业现场，具有非常好的可扩展性、安全性、和可维护性[8]。
2.1.2系统工艺流程图
A4200综合过程自动化工厂系统结构图如下图2-1所示
图2-1控制系统工艺流程图
2.1.3系统流程模拟简介
A4200可以模拟化工、制药等流程。
本论文中以模拟制药厂为例。
某种药品需要两种原料，一种A原料，一种B原料。
两种原料A和B通过P101和P102进入混合罐V101或混合罐V102进行混合，两种原料需要按照一定比例混合，而且要混合充分。
这个混合比例可控的。
两个罐子切换工作，以便让混合好的半成品流到半成品罐。
如果在罐内的比例不合适，则成为废品，被流入到废品通道。
注意，并不是流量的比例，而是流量的积算比例[9]。
半成品经过热交换预热，加热进入反应罐。
在反应罐中保持一定的温度和液位高度，进行反应。
如果温度保持合适（30度-40度），液位（不超过40厘米），则成为正品，否则打开XV203，让产品进入废品通道。
这个反应是连续的，所以如果出现废品，则让XV203在出现正品后持续打开1分钟，就可以出正品了。
另外，P104将加热罐加热后的水送入换热器与混合原料进行热量交换，使混合液体温度达到工艺要求，最后出来的水再回到加热罐，由此形成了一个水循环。
锅炉一般情况不会缺水，在缺水时有液位开关报警。
要求立即暂停生产，然后通过改变阀门开关来手动补水。
2.2.系统工艺设备
2.2.1原料混合系统
原料混合系统分成两个部分，一个是储水箱和水泵系统，一个是A,B混合水箱和半成品水箱，如图2-2、2-3所示：
图2-2原料罐
图2-3混合罐
储水箱比较大，但是也不足以供给所有水箱满水，所以设计实验时要注意。
而且该水箱模拟了所有实验或者回路的原料供给和最终出口。
在组态和工艺图上下面的一俳水乡，实际都指向这个容器。
AB混合水箱有两个，可以作为分时使用，或者互备使用。
如果进行独立的实验，他们可以作为水平双容试验。
还有一个半成品罐，模拟一个工业上常见的卧式圆罐。
水平方向的截面积在各个高度不同，中间最大，两端最小，具有典型的非线性特性。
可以进行非线性实验，也可以和其他混合水箱一起进行垂直多容实验[10]。
2.2.2锅炉和换热系统
锅炉和换热系统包括两个水泵，列管换热器，加热锅炉，反应容器。
如图2-4所示：
图2-4锅炉和换热系统
锅炉是一个常压电加热锅炉，大气压力，没有高温。
液位传感器采用了工业上高级的磁翻转液位开关，同时还可以在随意高度安装液位开关。
该换热器采用工业大流量预热用的列管换热器。
换热器具有一个冷水入口，一个冷水出口，一个热水入口，一个热水出口。
该换热器四个出口都有温度传感器，不一定都接入控制器，但是都接入了数显表。
换热器的目标是控制冷水（混合原料）出口具有指定的温度。
第三章控制系统设计
3.1控制方案
本次毕设所设计的控制方案的结构如图所示。
设计采用PLC控制，辅以一定控制策略，对系统进行控制；用组态软件组态王6.55建立人机界面对系统进行监控；同时用ACCESS数据库对制药设备系统过程中所产生的数据加以记录。
本节就系统的控制策略，以及硬件的选取进行讨论。
如图3-1所示：
图3-1控制方案
3.2设备选型
3.2.1传感器选型
1）温度检测
加热单元和反应单元需要对温度进行检测与控制，以保持反应罐内的温度稳
定和加热罐内温度依据需要而变化。
由于本系统中反应罐内温度要求保持在30-35℃之间，加热罐内温度最高控制在70±5℃。
根据此条件，选择Pt100热电
阻温度传感器作为温度检测仪表。
Pt100的测温范围是-200-600℃，满足设计要求，接线方式为三线制。
温度检测单元除需要温度传感器之外，为使电阻信号变化转换为系统可识别
的模拟电压信号变化，还需要温度变送器。
其供电电源为24V直流，输出为4-20mA。
2）压力及液位检测
液位的检测均可转换为压力的检测变送，所以液位检测仪表与压力检测仪表相同。
选用的压力变送器输出为4-20mA电流信号，供电电源为24VDC。
量程为0-150KPa，最大工作压力225KPa，精确度为0.25级，满足系统要求。
压力/液位变送器包括一个表头，两边都有盖子。
打开盖子，一边的表内部可以调节零点或满量程，一边的表内部用于接线。
3.2.2执行机构选型
由于被控对象为液体，对于被控变量为流量的控制过程，执行机构有水泵、变频器、调节阀等，液位的控制过程中的执行机构为调节阀，而本系统中的温度加热单元中，控制水的温度变化的模块为三相调压模块。
综上，本系统中执行单元中所用的仪表主要为变频器、水泵、调节阀和三相调压模块四种。
1）变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能的控制装置，通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节。
在本系统中，通过变频器改变水泵的转速，从而达到控制液体流量的目的。
西门子变频器MM420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，可以单机运行，也可集成到自动化系统中，可输出直流控制信号，也可以输出交流控制信号，能够快速、准确地调节水泵的转速以响应流量变化。
在本系统中，该变频器是集成到自动化系统中仅作为一个执行机构工作，输出信号为交流电压。
2）调节阀
根据系统要求，原料B的进料流量需要根据原料A的流量变化而成比例变化，并且保持在稳定范围内，用调节阀作为执行机构来实现原料B的流量控制可满足要求。
在调节阀的选型中，需要考虑的因素有：
调节阀的电动或气动形式、流量特性、信号类型、正反作用及耐腐蚀性质等。
根据本系统小型、灵敏度要求较高的特点，选择电动调节阀，供电电源为24V直流电源，输入信号为0-10V，作用方式为反作用，即当控制信号为0V时，阀门状态为全开，保证管道内压力稳定。
3）三相调节模块
在加热单元中，为了安全、安装便捷、响应迅速，使用了三相调压模块来控制
加热棒，由PLC控制器输出模拟电流信号作为三相调压模块的输入信号，从而达到加热罐内水温的自动控制。
4）水泵
系统选用的水泵型号为CH2-30，是卧式离心多级泵，是配有轴向吸水口和径
向出水口的多级离心泵，额定流量为2.5m3/h，额定扬程为18m，工作温度在0-90℃之间，电源频率为50HZ，额定电压为220V-240V，这决定了相应的变频器输出设定为单相交流输出。
3.2.3PLC选型及I/O模块选择
根据所统计的系统实际需要的I/O点数和PLC的种类特点，选用西门子公司的S7-300作为系统控制器，CPU型号为312C。
CPU自带的信号模块中有10个数字量输入点，6个数字输出点。
根据监测点清单可知，模拟量输入点需要16个，所以选择模拟量输入模块是最少要有16个模拟量输入点，选用的仪表都采用2线制接法，由于模拟量输入模块SM331每个只有8个点，故需要2块SM331模块；模拟量输出点需要7个，故需要2块SM332模块；数字量输入的点只有两个，选用的CPU型号自带10各数字量输入点，6个数字量输出点，所以不用额外选择数字量输入模块；数字量输出检测点有14个数字量输出节点，CPU自带6个，还需要8个数字量数出通道，故选用1块SM322DO8xDC24V/2A（6ES7322-1BF01-0AA0）。
3.3控制系统I/O点清单及寄存器地址
1）16个模拟量输入点：
表3-1模拟量输入
位号
设备名称
接线方式
信号类型
（mA）
工程量
I/O实型
LT101
混合罐V101液位
2线制
4-20
AI8
5KPa
DB10.34
LT202
混合罐V102液位
2线制
4-20
AI9
5KPa
DB10.38
LT203
半成品罐V103液位
2线制
4-20
AI10
5K
升级会员 