基金会现场总线FF技术在二级种子罐控制系统中的应用

一．概述

东北制药总厂生产的 Vc 一直是我国重要的出口创汇产品，产品销往美、欧。多年来为国家创造了巨额外汇，为辽宁的经济腾飞做出了贡献，但 96 年起，市场发生了突然变化， 以罗氏为首的西方大公司联手控制市场，大幅降低销价，降幅近 70% 。我国维生素 C 产业发展严重受阻，企业的生存受到威胁。为摆脱困境，重振企业， 东北制药总厂采用 Vc 二步发酵转化技术对生产工艺加以改进， 使 VC 的 总收率由 51% 提高至 60% ，成本下降 41% ， 产量增至 11500 吨， 有力地提高了产品在国际市场的竞争力 。该新工艺保留了原工艺的主要特色，但在发酵过程中需依介质的氢离子浓度和溶氧量调节菌种的生理状态、数量及比例。操作难度加大，对工作人员的自身素质和责任心要求很高。为充分发挥该新工艺的效率，在生产中急需采用先进的控制策略和控制技术，来保证新的工艺过程能平稳高效地运行。为此，我们采用现场总线技术对二级种子罐的控制系统进行试点改造，实现温度、压力、流量和 PH 值等参数的自动检测和优化控制，该系统改造成功后，可推广应用到其它的种子罐和发酵罐，从而提高整个 VC 生产线的生产能力。 对系统进行选型设计时，鉴于本项目需要对温度、压力、流量和 PH 值等参数进行精确的自动检测和优化控制，有一定的复杂性，常规的仪表难以胜任，而采用基于工业 PC 的 PC-Based 系统，其安全可靠性难以保障， DCS 系统却因其价格昂贵， 不利于应用在中小型系统上，PLC 系统 具有结构紧凑、功能齐全、速度快、可靠性高等 优点，但其每一个检测或控制点都需要一对信号线接入相应 PLC 控制模块，系统布线较多，安装及维护成本较高，而选择 基金会现场总线 （Foundation Fieldbus，简称 FF ） 系统，则能较好的解决上述问题。

FF 现场总线是仪表及过程控制领域向数字化通讯的转变， 与其他的通讯协议不同之处在于： FF 现场总线旨在提供整个过程控制领域的应用解决方案，而不仅仅是数据传输的数字化，是一种全数字化、串行、双向的通讯系统，将各种现场设备（传感器、执行器、控制器等）连接在一起， 通过使用 “ 功能块（ Function Block ） ” 实现控制策略。功能块的这种一致的、面向“块”的设计使得来自不同生产厂商的设备可以无缝的集成在一起，共同完成分布式控制功能，控制功能的分布（分布到现场设备中）可以减少 I/O 设备、控制设备的数量（例如，卡件、机柜、电源等）。FF 现场总线允许在一条双绞线上连接若干设备， 这条 双绞 线就是现场总线。这种连接方式减少了连线的数量， 使得使用的线缆、安全栅、安装盒数量大大减少， 易于安装和维护，使施工费用、电缆费用、调试和维修成本节省 40% 之多 。 FF 现场总线技术增加了数据的分辨率，减少失真（没有 A/D 或 D/A 转换），这样就使控制更加可靠。带微处理器的 FF 现场总线设备所提供的自测试功能和通信功能大大减少了现场停车时间，增加生产现场的安全性，一旦监测到异常情况，或者需要进行于预防性维护，现场操作元及管理人员就可以被及时通知。所有这些 FF 现场总线所带来的好处归结起来，为我们提供了一种更高性能、更少损失的控制系统。反应容器自动控制 系统 选型时，FF现场总线 作为高档系统配置，不失为一种优秀的解决方案。

DCS/PLC于FCS系统的结构比较：

DCS是基于模拟仪表的控制系统。现场控制站与仪表间通过一对一的方式，实现单向的模拟信号传输， 易造成大量的导线消耗和繁重的维护量。

FCS是基于现场总线的分布式控制系统。它 将控制任务下放至本地仪表，危险彻底分散，加强系统的自主能力；仪表与控制系统间通过总线，采用一对多的方式，实现双向的、全数字信号通讯。 FCS 具有对量程和零点进行远程设定和超强的自诊断能力。

二．工艺过程

东药万吨 VC 生产过程采用了二步发酵新工艺，在发酵过程中需依介质的氢离子浓度和溶氧量调节菌种的生理状态、数量及比例。经实验测量， Vc 二步混菌发酵中氧化葡萄糖酸杆菌和巨大芽孢杆菌的相互作用及其变化特性与二混菌发酵不同阶段的环境状态有关，菌种在温度范围为 29-30 度、压缩空气流量范围为 175-185 每小时立方米、压力范围是 0.02-0.05Mpa 条件下最为活跃，故通过对二级种子罐罐内温度、罐内压力、压缩空气通气量的调节，为菌种提供适宜的生化反应环境，提高反应效率，减低物耗与能耗，降低生产成本。

我们在选用的二级种子罐上，采用现场总线技术实现监测和对三个控制回路的控制，实现罐内温度、罐内压力、压缩空气通气量的自动控制以及 PH 值的自动连续检测，在此基础之上，实现种子罐的生化反应过程的最优控制，同时结合我们开发的 FF 全分布式控制系统软件实现二级种子罐的计算机自动监控，为整个 VC 车间的自动控制系统提供解决方案。

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