冷凍干燥過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)
1引言冷凍干燥是將含水物質(zhì)先凍結成固態(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，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用前景。凍干過程的原理是以水的三相平衡圖為基礎的，如圖1—1所示。純水的三相平衡壓力P0＝610.5Pa，溫度T0＝0.0098℃。當壓力低于P0時，水就從固態(tài)直接轉化為氣態(tài)，凍干的基本原理就是AB線上的汽固轉化過程。真空冷凍干燥過程一般分為預凍結、升華干燥、解析干燥3個階段。冷凍干燥在冷凍干燥設備(簡稱凍干機)中實現(xiàn)。凍干機的結構形式多種多樣，但一般包含凍干倉、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水汽凝結器(也稱冷阱)、自動加塞系統(tǒng)、自動清洗系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾個部分。
2系統(tǒng)分析與硬件設計2.1冷凍干燥過程對控制系統(tǒng)的要求控制系統(tǒng)要求采用手動和自動兩種方式實現(xiàn)對6m2凍干倉的凍干機進行整個凍干過程及自動加塞、自動清洗的控制。具體要求是：(1)能夠?qū)龈汕€數(shù)值存儲在磁盤中，并能在計算機屏幕上進行實時顯示和歷史數(shù)據(jù)顯示，且支持即時打印。這些曲線包括：A：物料溫度曲線；B：板層溫度曲線；C：水汽凝結器曲線；D：真空度曲線；(2)控制系統(tǒng)的測量誤差：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、水汽凝結器的溫度使物料跟蹤設定曲線；(4)對水汽凝結器的溫度進行設定，通過控制制冷機能量調(diào)節(jié)器來跟蹤設定溫度；(5)對箱體內(nèi)真空度能夠設定，并通過微動閥來調(diào)節(jié)所要求的真空度；(6)故障報警及處理，包括真空機組啟動壓力，凍干過程中真空度超過設定值的報警和有關數(shù)據(jù)顯示；(7)藥品的自動加塞：在藥品和生物制品出箱前進行自動加塞密封處理，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)之間進行在位自動消毒，要求達到GMP標準。2.2監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案監(jiān)控系統(tǒng)的設計目標是在保證凍干過程高效可靠運行的前提下，兼顧操作的方便性和構成的經(jīng)濟性。可靠性需要控制系統(tǒng)同時提供手動控制和自動控制兩種方式，方便性體現(xiàn)控制流程的簡單明確和人機交互界面的簡潔友好。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)的硬件構成冷凍干燥過程需要檢測的參數(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。上位機選用一般商用PC機，在監(jiān)控系統(tǒng)中上位機不直接與現(xiàn)場設備及儀表打交道，而是通過串行通信端口，使用RS－232C協(xié)議與下位機進行通信連接，因此普通商用機的可靠性足以滿足系統(tǒng)要求。下位機選用三菱公司PLC的FX2N－48MR型。其輸出直接控制執(zhí)行機構，如電動閥、汽動蝶閥等，起到可編程繼電器的作用。PLC的輸入由計算機控制，以實現(xiàn)手動、自動兩種方式控制。監(jiān)控系統(tǒng)的其它設備和器件有：(1)控制柜，包括手動按鈕開關、凍干過程狀態(tài)指示燈、現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)指示燈等；(2)動力柜，包括控制電機與手動閥門啟停的按鈕開關和繼電器組成的控制柜；(3)打印機，完成數(shù)據(jù)報表等的實時打印與歷史數(shù)據(jù)的打印；(4)執(zhí)行機構，包括各種電機、電動閥和氣動蝶閥等。所有執(zhí)行機構均具有相應的手動開關，當控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可用手動方式單獨開、關任何一個閥門或電機；(5)補償導線，用于熱電偶的冷端補償。3監(jiān)控軟件的編制3.1軟件設計方案監(jiān)控系統(tǒng)要完成的工作可分為：(1)數(shù)據(jù)實時采集、處理、顯示、存儲；(2)凍干過程各階段的運行狀態(tài)、各閥門的開關狀態(tài)(包括少數(shù)電磁閥的正反轉狀態(tài))及報警信號指示，所有信號由控制柜的面板指標燈顯示；(3)凍干工藝參數(shù)傳送與緊急情況處理時有關命令傳
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